III. Вироби із скла

1 Склоподібний стан та особливості його структури

Науковці користуються наступним визначенням скла. "Склом називаються всі аморфні тіла, отримані шляхом переохолодження розтопленої маси, незалежно від хімічного складу і температурної області тверднення, і які набувають у результаті поступового збільшення в'язкості механічних властивостей твердих тіл, і процес переходу з рідинного стану в склоподібний повинен бути зворотним".

Дещо спрощуючи можна стверджувати, що склом називається отриманий з розплаву аморфний матеріал в’язкість якого не є нижчою ніж 10¹⁵ Па·с і який можна зворотно перевести у розтоплений стан.

Відомо, що кристалічним тілам притаманною є впорядкована структура, в якій певні структурні елементи циклічно повторюються в межах всього об’єму даного тіла, це так званий дальній порядок. Зокрема, у структурі кварцу таким елементом є шестигранник утворений з шести тетраедрів [SіO₄], і якщо виділити певну площину у його об’ємі, то він спостерігатиметься з однаковою черговістю у різних точках цієї площини (рис III.1 а). У структурі рідини-розплаву такі структурні елементи відсутні повністю. Натомість структура скла містить у собі певні структурні елементи, які є ідентичними між собою і вони знаходяться в різних місцях об’єму, однак їм не є притаманна циклічна повторюваність. Це так званий ближній порядок (рис. III.1 б).

Рис. III.1. Схема будови кристалічного кварцу (а) і кварцового скла (б).

Розглядаючи криву зміни температури під час охолодження розплаву можна спостерігати ділянку на якій протягом певного часу температура залишається незмінною (рис. III.2 ділянка 2-3). Ця ділянка пов’язана з процесом кристалізації розплаву і відрізок часу τ₂-τ₃ є часом необхідним для впорядкування структури та побудови кристалічної гратки. Матеріали здатні до склоутворення характеризуються досить значною величиною цієї ділянки, і коли швидкість охолодження такого розплаву є великою (цей процес ще називають переохолодженням), він не встигає закристалізуватися і твердне у склоподібному стані. Отже при отриманні скла дуже важливою є швидкість охолодження. Так застосування сучасних методик охолодження дало можливість отримати метали із склоподібною структурою, що значно розширило діапазон їх застосування.

Рис. III.2. Крива охолодження розтопу.

Розглядаючи криву зміни мольного об’єму під час охолодження розплаву (рис. III.3) спостерігаємо ділянки 1-2 і 3-4, що пов’язані із зменшенням цієї величини у розплаві і кристалі. При цьому швидкість зменшення мольного об’єму кристалу є значно меншою ніж розплаву (кут нахилу відрізка 1-2 є більшим ніж відрізка 3-4). Окрім цього на зазначеній кривій спостерігається відрізок стрибкоподібного зменшення мольного об’єму 2-3, який пов’язаний з процесом кристалізації розплаву. Коли ж відбувається переохолодження розплаву тоді на зазначеній кривій теж спостерігаються дві ділянки 1-2' і 3'-4', які характеризуються такими ж кутами нахилу, що й ділянки 1-2 та 3-4. Однак, в даному випадку ділянка 2'-3' не має стрибкоподібного характеру а є лише кривою, яка об’єднує відрізки 1-2' і 3'-4'. Ця температурна ділянка називається інтервалом склування. Температура, яка відповідає точці 2' називається температурою початку пом’якшення скла і позначається T_f, а температура, яка відповідає точці 3' називається температурою склування і позначається T_g. До температури T_g скло поводить себе як пружний матеріал (модуль пружності віконного скла 70 ГПа, сталі 200 ГПа). Вище температури T_f скло стає пластичним. Інтервал склування є перехідною ділянкою вздовж якої поступово втрачається залежність між деформацією і величиною напружень. Це явище лягло в основу способу створення на поверхні скла рівномірно розташованих напружень стиску, який називається гартуванням і полягає у раптовому та рівномірному охолодженні скла нагрітого до температури T_f. Міцність гартованого скла зростає у 2,5-5 разів і таке скло при руйнуванні розлітається на дрібні уламки. Що стосується негартованих скляних виробів то вони обов’язково після формування повинні проходити процес відпалу, який полягає у довготривалій (десятки-сотні хвилин) ізотермічній витримці при температурі T_g. Цей процес має на меті зняття нерівномірних поверхневих напружень, котрі можуть бути причиною самовільного руйнування виробу.

Рис. III.3. Зміна мольного об’єму при охолодженні розтопу у випадку його кристалізації (А) і склоутворення (Б).