24.3. Механические и тепловые свойства стекла

Прочность стекол. В зависимости от разрушающих усилий различают прочность на разрыв, сжатие, изгиб, удар и вдавливание. При различных типах деформации стекло ведет себя по-разному. Оно обладает сравнительно высокой прочностью при сжатии и низкой при растяжении и ударе.

Прочность при растяжении и обусловливает границы применения стекла при различных механических воздействиях на него. Прочность стекла обычно определяют методом растяжения круглых стеклянных штабиков. Эксперимент повторяют несколько раз для получения точных результатов. Прочность стекла зависит от состояния его поверхности, химического состава, степени отжига, однородности и температуры образца.

Прочность стекол при растяжении составляет от 3410⁶ до 8310⁶ Н/м². Прочность стекол при сжатии составляет от 49010⁶ до 196010⁶ Н/м²; сила сжатия должна быть направлена перпендикулярно к поверхности образца и равномерно распределена. К оксидам, повышающим прочность стекол, относятся: SiО₂, Al₂O₃, В₂О₃, MgO, ВаО, ТiO₂. Щелочные оксиды (РbО) понижают прочность стекла.

Существует ряд методов повышения прочности стекол: закалка, травление в плавиковой кислоте, закалка в специальных жидкостях с последующим травлением в плавиковой кислоте, армирование, триплексование, покрытие стекла пленками.

Твердость стекол. В зависимости от способа определения различают следующие виды твердости: склерометрическая (твердость при царапанье), абразивная (твердость при сошлифовывании), твердость при вдавливании (микротвердость).

Чем тверже стекло, тем медленнее оно обрабатывается. Это свойство в значительной степени определяет производительность многих шлифовально-полировальных процессов. Твердость стекол зависит от химического их состава. К наиболее твердым относится кварцевое стекло и некоторые боросиликатные стекла. Наиболее мягкими являются силикатные стекла с повышенным содержанием РbО, напри­мер тяжелые флинты. Оптические стекла принято характеризовать относительной твердостью по сошлифовыванию. Она характеризуется отношением объема сошлифованного в определенных условиях стекла марки К8 к объему стекла данной марки, сошлифованного при тех же условиях.

Хрупкость стекол. Стекла — типичные хрупкие тела, и это свойство является большим недостатком. У стекла разрушение наступает сразу же после достижения предела упругой деформации.

Хрупкое разрушение стекла под действием напряжений начинается с поверхности вследствие появления микротрещин. Мерой хрупкости стекол считают сопротив­ление динамическим нагрузкам (удару). Сопротивление удару у стекол весьма невелико.

Прочность стекла при ударе характеризуется суммарной работой ударов, вызывающей разрушение 1 см³ стекла. Эту величину называют также показателем хрупкости и выражают в Н/м². Прочность стекла при ударе зависит от химического состава, степени отжига, состояния поверхности толщины образца.

Упругость стекла. Для стекол модуль упругости находится в пределах 510¹⁰—1210¹⁰ Н/м² и зависит от химического состава стекла, а модуль сдвига лежит в пределах 2010⁹—4510⁹ Н/м².

Величина коэффициента Пуассона зависит от химического состава стекла и находится в пределах 0,11—0,3.

Тепловые свойства стекла. Наиболее важными тепловыми свойствами стекол являются: а) удельная теплоемкость; б) коэффициент теплопроводности; в) коэффициент линейного расширения.

Коэффициенты теплопроводности различных стекол мало отличаются друг от друга и находятся в пределах от 0,58 до 1,34 Вт/мК.

Стекло имеет весьма низкий коэффициент теплопроводности по сравнению с металлами, но более высокий, чем у асбеста, кирпича, пробки. Низкая теплопроводность стекла является одним из важнейших свойств, обусловливающих его способность в процессе закалки приобретать внутренние напряжения значительной величины.