При закалке поверхностные слои остывают быстрее внутреннего объема стекла и раньше переходят в упругое состояние.
Из-за низкой теплопроводности разность температур между поверхностью и сердцевиной стекла может быть достаточно большой.
Это приводит к формированию сжимающих напряжений в поверхностном слое стекла и растягивающих напряжений в сердцевине.
Эффективность закалки зависит от химического состава стекла, температурновременных условий охлаждения, толщины и геометрии стеклянных изделий.
При фиксированных условиях процесса охлаждения степень закалки определяется начальной температурой закалки.
Недогрев до оптимальной температуры снижает эффективность закалки, так как недостаточный градиент температуры между поверхностью и сердцевиной изделия создает невысокий уровень напряжений в поверхностных слоях.
Эффективность закалки листового стекла
Толщина листа:
1 – 26,5 мм; 2 – 12,4 мм
При температурах выше оптимальной велика скорость релаксации напряжений, а потому перегрев не дает повышения эффективности закалки.
Увеличения прочности изделия можно достичь повышением интенсивности охлаждения при закалке:
обдув стекла струей воздуха,
охлаждение минеральными маслами или кремнийорганическими жидкостями.
для каждой марки стекла и толщины стеклянного изделия существует оптимальная температура закалки Топт,
Охлаждение расплавами солей или металлов
|
|
|
|
|
|
|
|
При закалке стекла в зависимости |
|
|
|
прочность при ударных нагруз- |
|
|
от толщины изделия прочност- |
|
|
|
ках возрастает в 5–10 раз, |
|
|
ные характеристики могут увели- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
читься в 4–10 раз: |
|
|
|
прочность на изгиб возрастает |
|
|
|
|
|
|
более чем в 5 раз. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка в 3–4 раза повышает термостойкость стекла. 
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закалка неэффективна для упрочнения тонко- |
|
|
Недостатки |
|
|
стенных изделий. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При закалке во внутренних слоях стеклянных изделий формируются значительные растягивающие напряжения, которые могут приводить к самопроизвольному разрушению изделия.
Лекция 27. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА (продолжение)
27.1. Ионный обмен
Ионообменный метод упрочнения стекла основан на процессе обмена щелочными ионами между стеклянной поверхностью и расплавом соли при температурах ниже интервала стеклования стекла.
При ионном обмене происходит замещение щелочных ионов маленького радиуса, исходно присутствовавших в стекле (например, ионов натрия), на ионы большего радиуса из солевого расплава (например, ионы калия).
При таком обмене в поверхностных слоях стекла формируются сжимающие напряжения величиной от 45 МПа до 1 ГПа.
Толщина приповерхностного слоя (100–150 мкм), в котором действуют сжимающие напряжения, при ионном обмене значительно меньше, чем при закалке.
Значения растягивающих напряжений, действующих в не затронутых ионным обменом внутренних слоях материала, значительно меньше, чем в закаленном стекле.
Вероятность самопроизвольного разрушения или разрушения при незначительном механическом контакте в изделиях, упрочненных ионным обменом, значительно меньше.
Эффективность ионообменного упрочнения силикатного стекла может быть проиллюстрирована вейбулловскими распределениями прочности стекла до (линия 1) и после (линия 2) двухстадийной ионообменной обработки по так называемому
ESP (engineered stress profile)-методу:
Исходное стекло характеризуется прочностью около 100 МПа при довольно широком статистическом разбросе значений прочности по величине (модуль Вейбулла
т = 4,5).
Стекло, упрочненное ионным обменом, характеризуется значительно более высокой прочностью (~275 МПа) и значительно меньшим разбросом значений прочности (модуль Вейбулла т = 38).
При ионном обмене напряженное состояние возникает в результате протекания двух противоположно направленных процессов:
диффузионные процессы, приводящие к изменению химического состава стекла и возникновению в ионообменных слоях стекла сжимающих напряжений,
релаксационные процессы, приводящие к уменьшению напряженного состояния.
Процессы возникновения и релаксации напряжений имеют различные зависимости от температуры, продолжительности ионного обмена и химического состава стекла.
Увеличение температуры ионного обмена ускоряет процесс релаксации напряжений.
27.2. Создание заданной формы профиля сжимающих напряжений. ESP (engineered stress profile)-метод
В основе этого метода лежит идея формирования немонотонных профилей сжимающих напряжений для упрочнения стекла.
В формируемом немонотонном профиле положение максимума сжимающих напряжений должно примерно соответствовать глубинам наиболее крупных и опасных поверхностных микротрещин.
Наиболее высокие сжимающие напряжения будут блокировать рост микротрещины в районе ее вершины.
Создание немонотонного профиля сжимающих напряжений можно реализовать двумя основными методами:
двухстадийный ионный обмен (например, при ионообменном упрочнении стекол для дисплеев),
закалка стекла (формирование сжимающих напряжений в поверхностном слое стекла) плюс термообработка в расплаве олова (релаксация напряжений в тонком приповерхностном слое материала).
Принцип формирования заданного профиля сжимающих напряжений
27.3. Ламинирование поверхности
Упрочнение стекла ламинированием осуществляется нанесением на поверхность упрочняемого стекла слоя стеклообразной глазури, характеризующейся меньшим по сравнению с упрочняемым стеклом коэффициентом термического расширения.
При охлаждении из-за разницы в коэффициентах термического расширения происходит образование напряжений сжатия в глазурном слое и напряжений растяжения в объеме стеклоизделия.
226
Оценить напряжения, возникающие в стеклянной пластине толщиной 2tc при ламинировании слоем глазури толщиной ts, можно по формулам
ys = −1−Eµ(σc −σs )(T −T0 )tc t+c ts ; yc =1−Eµ(σc −σs )(T −T0 )tc t+c ts ,
где Е и µ – модуль Юнгаи коэффициент Пуассона стекла; σs и σс – величины коэффициентов термического расширения глазурного слоя и стекла соответственно; Т – минимальная температура, при которой напряжения в покрытии не возникают; Т0 – обычно комнатная температура.
Прочность обычного щелочно-силикатного стекла при нанесении на его поверхность слоя легкоплавкого цинково-свинцово-силикатного стекла толщиной около 0,2 мм увеличивается в 2,0–2,5 раза.
Простота и отсутствие специфических требований к химическому составу упрочняемого стекла, возможность окрашивания изделия в требуемый цвет.
Изменение рельефа поверхности и оптических свойств изделия, необходимость индивидуально подбирать состав глазури к составу упрочняемого стекла.
27.4. Полировка стекла
Механическая полировка
Механической полировкой прочность стекла может быть увеличена до 200–400 МПа.
а б
а – правильная обработка; б – неправильная обработка; 1 – обдирка; 2 – средняя шлифовка; 3 – тонкая шлифовка; 4 – полированный слой; 5 – конечный уровень трещин; 6 – подповерхностный слой; 7 – исходное стекло
|
|
|
|
Состояние |
у·10–7, Па |
|
|
Прочность стекла К8 в зависимости от со- |
|
|
|
|
поверхности |
|
|
|
стояния поверхности |
|
|
|
|
Прессованная |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Шлифованная |
11 |
|
|
|
|
Полированная |
14 |
|
|
|
|
Дополнительно |
17 |
|
|
|
|
полированная |
|
Химическая полировка 
Химическое травление поверхности стекла
используется в оптико-механической промышленности при обработке волоконнооптических преформ и упрочнении лазерных деталей.
Удаление дефектного поверхностного слоя растворением в специальных растворах (например, водных растворах фтористоводородной кислоты) позволяет значительно увеличить прочность стеклянных изделий.
Толщина стравливаемого слоя, приводящая к наибольшему повышению прочности, зависит от дефектности поверхности и может изменяться от 5 до 500 мкм.
|
|
|
|
|
|
|
Недостатки |
|
|
В методе используются токсичные материалы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
После химической полировки поверхность стекла очень чувствительна даже к незначительным механическим воздействиям и легко повреждаема (рекомендуется наносить на поверхность стекла защитное покрытие).
На поверхности некоторых видов стекол образуется матовый слой нерастворимых фторидов.
229
Огненная полировка заключается в быстром нагреве поверхности стекла вплоть до его размягчения под воздействием локального внешнего источника тепла (например, пламенем газовой горелки).
При огненной полировке под действием сил поверхностного натяжения происходит уменьшение шероховатости поверхности и заплавление микротрещин.
Нагрев стимулирует восстановление разорванных химических связей в поверхностных микродефектах и трещинах, что приводит к увеличению прочности материала.
При использовании высококонцентрированных источников энергии происходит частичное испарение щелочных компонентов с поверхности стекла, в результате чего в поверхностных слоях материала увеличивается содержание кремнезема, что обеспечивает увеличение стойкости стекла к абразивным воздействиям.
Недостатки
Необходимо строго контролировать подвод тепла к поверхности стеклянного изделия, чтобы избежать деформации изделия.
230
Огненная полировка
