книги из ГПНТБ / Пух В.П. Прочность и разрушение стекла

при этом скорость диффузии ионов натрия определяет скорость всего процесса.

B. А. Берштейн и Л. М. Шамрей [279], изучая вре­ менную зависимость прочности стекла, установили, что усталость кварцевого стекла в щелочной среде идет с та­ кой же скоростью, как щелочного стекла в воде. В по­ следнем случае слабо щелочная среда как раз и задается

H3 S04 и вакуум (10~4 тор), приведены на рис. 49. Фтористоводородная кислота была выбрана как на­

иболее агрессивная среда, серная кислота — как водоотнимающая. Установлено, что при комнатной темпера­ туре соблюдается известная экспоненциальная зависи­ мость долговечности от напряжения:

* = Ае~".

Наиболее резко временная зависимость прочности хи­ мически полированного стекла выражена в 20% рас­ творе HF. По мере снижения агрессивности среды или удаления влаги с поверхности образцов относительное изменение прочности со временем нагружения уменьшается. При. сокращении времени нагружения происходит частичное «выключение» влияния среды на прочность, стекла, однако полной независимости от действия среды,

100

Р и с . 49. В р ѳ м е и п а я з а в и с и м о с т ь п р о ч ­ н о с т и х и м и ч е с к и п о л и р о в а н н о г о щ е л о ч ­ н о г о с т е к л а п р и и с п ы т а н и и .

Как следует из рис. 50, в вакууме при —196° прочность практически не зависит от времени до разрушения. В ва­ кууме при 20° обнаруживается влияние временного фактора, а при той же температуре в среде воздуха оно проявляется еще более сильно. Отсутствие временной зависимости прочности стекла при —196° не может яв­ ляться предпосылкой для отрицания флуктуационного

механизма разрушения стекла в инактивной среде. При низких температзфах значительное ослабление вре­ менной зависимости наблюдается и для полимеров [294].

1500

"2

1000

:soo

Р п с . 50. В р е м е п н а я з а в и с и м о с т ь п р о ч н о с т и к в а р ц е в ы х в о л о ­

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА

Согласно кинетической концепции разрушения твер­ дых тел [15—19], прочность любого материала, в том числе и стекла, должна линейно снижаться с ростом тем­ пературы.

Между тем имеющиеся литературные данные по тем­ пературной зависимости прочности силикатного стекла J [7, 25, 295—299] демонстрируют разнообразный характер этой зависимости. Например, в работах [297—298] утверждается, что температурная зависимость прочности имеет минимум в области температур 200—300°. С. Н. Журков [7, 8], Г. М. Бартенев и Л. И. Моторина [25] наблю­ дали кривые температурного хода прочности с максиму­ мом в той же области температур. Риттер и Купер [299] показывают, что прочность кварцевого стекла растет с уве­ личением температуры и, наконец, в работах [7, 155] наблюдалось падение прочности с ростом температуры.

102

чена в работе Ф. Ф. Витмана, М. В. Мастеровой и ав­ тора [302]. Если упрочненные химической полировкой стержни из кварцевого стекла нагреть и испытать на воздухе, то обнаруживается существенное их разупрочне­ ние по мере повышения температуры испытания (кривая 1 рис. 52). Очевидно, что наблюдаемое снижение прочности связано с протекающими в образцах при нагреве необрати­ мыми процессами (см. гл. V I , стр. 90). Если же все образцы после химической полировки предварительно отжечь при

Р и с . 52. В л и я н и е т е м п е р а т у р ы н а п р о ч н о с т ь

Нагрев Ii испытание па воздухе, выдержка перед измерением 30 мпк.

наибольшей температуре испытания (500°), то прочность стержней с ростом температуры испытания увеличивается (кривая 2 рис. 52).

Такой рост прочности можно связать с уменьшением известного [7, 8, 135, 295] разупрочняющего действия влаги атмосферы и частичным удалением конденсирован­ ного слоя влаги с поверхности образца при нагреве. Для уточнения этого предположения соответствующие опыты были проведены в вакууме (10~4 тор). Их резуль­ таты представлены на рис. 53 (кривая 1). Здесь, так же как и в предыдущих измерениях, все образцы после хими­ ческой полировки подвергались отжигу на воздухе при 500°. Сравнивая кривую 1 рис. 53 с кривой 2 рис. 52, можно видеть, что перенесение опытов в обстановку вакуума, увеличив средние значения прочностей при^" мерно в 2.5 раза при комнатной температуре и в 1.7 раза

104

по-видимому, тем, что не было устранено влияние адсор­ бированной пленки влаги, удаление которой в условиях вакуума требует предварительного нагрева до темпера­ туры не ниже 300° [135, 274, 275].

В дальнейших измерениях образцы (химически поли­ рованные и предварительно отожженные) по достижении

температуре или после охлаждения до 200 и 50° (с под­ держанием вакуума на прежнем уровне). Таким путем поверхность всех образцов, испытываемых при разных температурах, приводили к состоянию равного обезво­ живания, в том числе и к освобождению от нацболее трудно удаляемой мономолекулярной пленки воды. Полу­ ченные при соблюдении названных условий данные пред­ ставлены на рис. 53 кривой 2 и свидетельствуют о том, что в этих условиях прочность кварцевого стекла не за­ висит от температуры опыта.

Аналогичный характер изменения температурной за­ висимости прочности кварцевых волокон, обусловленный влиянием термической обработки образцов и влагосодержанием среды, наблюдали Проктор, Витией и Джон­ сон [293].

Столь же сложный, связанный с условиями опыта, характер температурной зависимости прочности наблю­ дается и для известковонатриевосиликатного стекла

(рис. 54 и 55) [303]. Только для предварительно отож­ женных образцов в отличие от кварцевого стекла повы­ шение температуры опыта ие приводит к существенному

300 г г

200

Р и с . 54. В л и я н и е т е м п е р а т у р ы н а п р о ч н о с т ь

изменению прочности (рис. 54, кривая 2). Приведение поверхности всех образцов к состоянию равного обез­ воживания путем 3-часового прогрева в вакууме и по­ следующего охлаждения без ухудшения вакуума при-

200

5

Р и с . 55. В л и я н и е т е м п е р а т у р ы и с п ы ­ т а н и я н а п р о ч н о с т ь в в а к у у м е т р а ­ в л е н о г о щ е л о ч н о г о с т е к л а , о т о ж ж е н ­

к независимости прочности от температуры (рис. 55, кри­ вая 2). Однако в отличие от кварцевого стекла прочность щелочного стекла после предварительного нагрева в ва-у кууме не возросла, а понизилась. Здесь процесс десорбции

106

при нагреве связан со столь сильными нарушениями по­ верхностного слоя, что обусловленное этими нарушениями снижение прочности перекрывает эффект ее прироста за счет удаления адсорбированной влаги. Этот дополни­ тельный эффект не позволяет нам считать, что для хими­ чески полированного с последующим отжигом щелочного стекла при измерении прочности в вакууме с предвари­ тельным прогревом исключено действие всех побочных факторов и в чистом виде выявлена температурная зави­ симость прочности.

Р и с . 56. В л и я н и е т е м п е р а т у р ы и с ­ п ы т а н и я п а п р о ч н о с т ь в в а к у у м е щ е л о ч н о г о с т е к л а с п и з к п м у р о в н е м п р о ч н о с т и , п р о к а л е н н о г о в в а к у у м е п р и 4 0 0 ° .

Можно полагать, что потеря прочности при нагреве в вакууме связана с созданием дефектов в поверхностном слое. Тогда действие их можно исключить, если вести изучение температурной зависимости прочности для образ­ цов с более низкой исходной прочностью. С этой целью следующая серия измерений была проведена на образ­ цах известковонатриевосиликатного стекла с прочностью 10—15 кГ/мм2 . Такой уровень прочности достигался пор­ чей химически полированных образцов корундовым абра­ зивом с размером частиц порядка 10 мк. После нанесения множества царапин трением образцы подвергались отжигу при 500°.

Прочность таких образцов после прогрева в вакууме, т. е. после удаления адсорбированной на поверхности влаги, не понижалась, а возрастала Таким обра­ зом, можно полагать, что созданием искусственных

107

туационной теорией линейное падение прочности с ростом температуры опыта (рис. 56).

Если воспользоваться известным [15] выражением для

она в совокупности с линейным падением прочности с тем­ пературой позволяет полагать, что разрушение стекла, так же как и других твердых тел [16], происходит по термофлуктуационному механизму.

Не исключена возможность, что полученная в ра­ боте [302] независимость прочности от температуры для кварцевого стекла также осложнена процессами наруше­ ния поверхностного слоя при прогреве образцов в ва­ кууме.

Большой интерес представляет вопрос о температур­ ной зависимости прочности стекла, переведенного в ми­ крокристаллическое состояние. Ситалл, так же как и силикатное стекло, обладает практически идеальной упру­ гостью до момента разрыва [239—241].

На рис. 57 по данным Ф. Ф. Витмана, Г. И. Денисенко и автора [305] построена зависимость прочности на изгиб от температуры опыта для литиевого ситалла,* опреде­ ленная в обычных атмосферных условиях. Каждая точка является средним значением из 10 измерений. Из рис. 57 следует, что прочность ситалла практически линейно падает с ростом температуры, уменьшаясь в два раза при переходе от комнатной температуры до 700°.

Изменение прочности с температурой обратимо, т. е.

108

До получения более широкой информации о характе­ ристиках процесса разрушения и его подготовки для ситаллов разных составов и состояний преждевременно давать полученному выше результату какую-либо общую трак-

Р и с . 57. В л и я н и е т е м п е р а т у р ы и с п ы т а н и я п а п р о ч н о с т ь л и т и е в о г о с и т а л л а .

товку. Но ясно одно, что ситаллы обладают выраженной температурной зависимостью прочности, изучение кото­ рой должно проводиться. Для литиевого ситалла, повидимому, вполне приемлема кинетическая концепция разрушения.

Таким образом, анализ температурной зависимости прочности химически полированного кварцевого и известковонатриевосиликатного стекла показал, что темпера­ турный ход их прочности зависит от предварительной тепловой обработки образцов, их химического состава и среды, в которой проводятся измерения прочности.

Для химически полированных с последующим отжи­ гом образцов щелочного стекла (о=100 кГ/мм2 ) и квар­ цевого стекла температурная зависимость прочности осложнена необратимыми изменениями, происходящими в образцах при нагреве их в вакууме.

Если исключено действие разупрочняющих стекло не­ обратимых тепловых процессов и влияние влаги в раалич* ных ее проявлениях, то прочность щелочного листового,

{09