В оптическом производстве установлено два показателя химической устойчивости: устойчивость к действию влажной атмосферы и устойчивость к действию пятнающих реагентов.
По устойчивости к действию влажной атмосферы оптические стекла разделяют на следующие группы:
|
Силикатные стекла |
А |
Б |
В |
|
неналетоопасные |
промежуточные |
налетоопасные |
|
|
|
|
|
|
|
|
Несиликатные стекла |
а |
у |
д |
|
устойчивые |
промежуточные |
неустойчивые |
|
|
|
|
|
|
|
Большинство стекол по устойчивости к влажной атмосфере имеют наивысшие группы – А(а).
По устойчивости к действию пятнающих реагентов (воды, слабокислых водных растворов и т.п.) силикатные и несиликатные стекла делят на следующие группы:
Наиболее устойчивыми (1 группа) являются кроны, кронфлинты, большинство баритовых флинтов, флинты и легкие флинты.
1 |
непятнающиеся |
2 |
средней пятнаемости |
3 |
пятнающиеся |
|
нестойкие стекла, тре- |
4 |
бующие применения |
|
защитных покрытий |
Пятнающимися и нестойкими (3 и 4 группы) являются тяжелые и сверхтяжелые кроны, тяжелые баритовые флинты, тяжелые и особые флинты.
Лекция 24. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА
Прочностью называется свойство материалов противостоять разрушению при воздействии внешних нагрузок.
В зависимости от характера механического воздействия материал характеризуется различными прочностными характеристиками:
прочность на растяжение; 
прочность на сжатие;
прочность на изгиб; твердость; абразивная стойкость.
Прочностные характеристики определяют не только эксплуатационные свойства стекла, но и технологические особенности процессов обработки стеклянных деталей – шлифования, полирования и резания.
теоретические
Существует два вида прочностных характеристик
стекла: 
технические
Теоретическая прочность рассчитывается для идеального бездефектного гомогенного стекла, нагружаемого квазистатично при низких температурах.
Для оценки теоретической прочности используют приблизительные расчеты, основанные на прочности химических связей как в основе стекла, так и между атомами основы стекла и атомами-модификаторами.
Техническая прочность 
Техническая прочность является характе-
ристикой реальных изделий из стекла.
Реальная прочность изделий из стекла в 100–1000 раз меньше теоретической величины и определяется поверхностными дефектами и микротрещинами, возникающими при производстве или эксплуатации этих изделий.
Для одного и того же изделия абсолютные значения прочностных характеристик могут значительно различаться между собой.
Корреляция между прочностными характеристиками в разных стеклах различна (например, прочность на изгиб варьируется в пределах от 0,02 до 0,10 ГПа, а прочность на сжатие в пределах от 0,5 до 2,5 ГПа).
Техническая прочность зависит от геометрии и размеров стеклянного изделия:
прочность обычных |
|
стеклянных изделий |
0,02–0,10 ГПа; |
|
|
прочность автомобильных |
|
стекол |
0,3–0,5 ГПа; |
прочность стеклянных |
|
волокон |
> 3,5 ГПа. |
Крупные и глубокие дефекты и повреждения на поверхности стекла наиболее сильно снижают прочность стеклянных изделий.
Измеряемая величина прочности может зависеть от места приложения нагрузки к образцу, так как практическая прочность образца стекла определяется его слабейшим участком.
Средняя прочность стекла уменьшается при увеличении размеров изделия, так как увеличивается вероятность появления поверхностных дефектов.
Прочность стеклянных изделий существенно зависит от скорости приложения нагрузки.
Теоретическая прочность
1 – прочность при динамическом нагружении;
2 – долговременная прочность
24.1. Теории разрушения
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
классическая модель механики |
|
|
Дня объяснения зависимости проч- |
|
|
|
|
|
разрушения (КМР), |
|
|
ности стекла от различных факторов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
используется |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
модель линейной механики раз- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рушения (ЛМР), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
энергетическая теория разруше- |
|
|
|
|
|
кинетическая теория разрушения |
|
|
|
ния Гриффитса (ЭТР), |
|
|
|
|
(КТР). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
204 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В модели КМР стекло считается идеально упругим сплошным телом и предел прочности Р определяется как прилагаемое извне растягивающее напряжение σm, разрушающее его на части, между которыми отсутствуют связи:
σm ≥ P.
В модели ЭТР стекло разрушается при условии
где σс – напряжение на кончике наиболее σc ≥ Pm , опасной трещины; Рm – теоретическая
прочность.
В модели ЛМР прочность определяется через напряжения, при которых происходит процесс распространения трещины либо из-за симметричного раскрытия (а), либо за счет продольных (б), либо поперечных (в) сдвиговых перемещений:
Трещиностойкость (вязкость разрушения) материала выражается через коэффициент интенсивности напряжения (КИН) Ki, где i – тип трещины.
В стеклах рост трещины обычно происходит по типу а и условие разрушения задается соотношением
|
Ka ≤ Kac , |
где Kаc – критический коэффициент ин- |
|
тенсивности напряжения. |
|
|
205
24.2. Твердость стекла
Твердостью стекла называется способность его поверхностного слоя противостоять деформации и разрушению.
|
|
|
|
|
вдавливания индентора; |
|
|
Твердость стекла определяют с помощью |
|
|
|
|
царапания; |
|
|
|
|
|
истирания абразивом. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Метод Бриннеля |
– вдавливание стального шарика диаметром 10 мм. |
|
|
Метод Виккерса |
– вдавливание алмазной пирамиды с углом при вершине, |
|
|
|
равным 136°. |
|
|
|
Метод Кнупа |
– вдавливание ромбовидной алмазной пирамиды. |
HV =1,854F / l 2 ; l =(l1 +l2 )/ 2.
Метод Роквелла заключается во вдавливании алмазного конуса с полусферической вершиной.
При измерении твердости стекла для предотвращения разрушения на индентор прикладываются небольшие нагрузки (0,01–2,0 Н).
H K =14,23F / l 2.
Твердость определяется по разности глубин отпечатков при различных значениях нагрузки.
Исходя из этого отпечатки на поверхности стекла очень малы, а твердость, измеряемая при таких условиях, называется микротвер-
достью.
Значения микротвердости, полученные различными методами, хотя и имеют одинаковую размерность, но не могут сравниваться.
24.3. Хрупкость стекла
Хрупкостью называется свойство материала разрушаться без пластической деформации под действием возникающих в нем напряжений.
Хрупкий характер разрушения проявляется в условиях, когда скорость действия внешней прикладываемой нагрузки намного превышает скорость релаксации возникающих напряжений (например, при ударе).
Хрупкостью обладают стекла, находящиеся при температурах ниже интервала стеклования, в котором затруднено протекание процессов релаксации возникающих напряжений.
В неорганических стеклах между атомами действуют сильные направленные ковалентные химические связи, определяющие жесткий структурный каркас материала.
При приложении нагрузки жесткие ковалентные связи не позволяют материалу деформироваться пластически, происходит его хрупкое разрушение.
|
|
|
|
|
|
Хрупкость стекла характеризуется величиной ударной вяз- |
|
|
|
|
кости ан, представляющей собой отношение работы ударно- |
|
aн = Aн |
S. |
|
го излома Ан к площади поверхности поперечного сечения |
|
|
|
|
|
|
образца S: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для стекол эта величина составляет 1,5–2,0 кН/м (примерно на два порядка меньше, чем у металлов).
Хрупкость стекла характеризуется также индексами хрупкости и недолговечности, определяемыми на основании измерений микротвердости стекла по Виккерсу.
При вдавливании пирамиды в поверхность стекла при определенной нагрузке на поверхности стекла в углах отпечатка образуются трещины.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Индекс хрупкости Bb вычисляется по формуле |
|
|
|
B = γ(b l)3/2 P−1/4 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
где Р – нагрузка |
|
|
|
|
|
|
|
|
на индентор, а |
γ |
– коэффициент |
пропорциональности, |
|
γ = 2,39·103 Н1/4·м–1/2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Индекс недолговечности Bf рассчитывается по |
|
|
|
B f = HV Kc , |
|
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где HV – величина |
микротвердости |
по |
Виккерсу, |
Kс – |
величина прочности, |
|
Kс = 0,026Е1/2Р1/2l/b3/2, Е – модуль Юнга стекла. |
|
|
Индексы недолговечности Bf и хрупкости Вb являются очень близкими величинами, и их значения различаются не более чем на 5 %.
208
Лекция 25. МОДЕЛИ ПРОЧНОСТИ СТЕКОЛ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I – рост наиболее опасной трещины; |
|
|
|
Механизм разрушения стекла |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
включает две последователь- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ные стадии: |
|
|
|
|
|
|
|
II – возникновение и одновременный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рост большого числа вторичных тре- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
щин. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стадия I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рост наиболее опасной трещины, |
|
|
|
|
|
|
Прочность образца на этой стадии |
|
|
|
расположенной |
перпендикулярно |
|
|
|
|
|
|
определяется отношением дейст- |
|
|
|
направлению действия приложенной |
|
|
|
|
|
|
вующей силы к площади сечения |
|
|
|
нагрузки, начинается при значениях |
|
|
|
|
|
|
образца, за вычетом площади, на ко- |
|
|
|
нагрузки, превышающих укр. |
|
|
|
|
|
|
торую распространилась трещина. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стадия II 
Вторая стадия разрушения наступает при достижении длины трещины некоторого критического значения, когда истинное сечение образца становится малым, а напряжение в вершине трещины приближается к значению теоретической прочности.
На второй стадии разрушения возникает большое количество вторичных трещин, которые растут с высокой скоростью.
Пересечения с первичной трещиной и взаимные пересечения вторичных трещин образуют многочисленные линии сколов.
В изломе образца можно наблюдать две зоны, соответствующие стадиям разрушения:
зона гладкой поверхности, обусловленная ростом первичной трещины, соответствует стадии I;
зона шероховато-раковистой поверхности, обусловленная ростом большого количества вторичных трещин, соответствует стадии II.
Чем меньше действующая нагрузка, тем длительнее процесс разрушения и тем большую часть излома занимает зеркальная поверхность.
25.1. Модель Гриффитса
Модель Гриффитса является наиболее распространенной моделью, объясняющей прочностные характеристики стекол и показывающей роль поверхностных микродефектов в их формировании.
Модель Гриффитса рассматривает энергетические аспекты процессов разрушения твердого тела при наличии на его поверхности микротрещин.
Эти микротрещины представляют собой локальные нарушения поверхностного слоя стекла и возникают при абразивном действии твердых частиц или при химическом взаимодействии с атмосферной влагой.
Поверхностные трещины являются концентраторами напряжений, которые по величине значительно превосходят приложенные к образцу внешние механические напряжения.
Теоретическая прочность
Сетка линий сколов дает шероховато-раковистую поверхность. 
