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

а) Прямоугольный образец:

дРІ

~2blïï '

Pis _

AEbhS'

о) круглый стержень:

SPI \

~та/3

A PU

Следует отметить, что хотя табличные расчетные фор­ мулы для испытания прочности на поперечный изгиб также справедливы только для прогибов, которые меньше половины толщины образца, в рассматриваемом нами случае свободно опертых балочек приведенные формулы справедливы и при больших прогибах, по крайней мере до нескольких толщин. Это обстоятельство уже ранее от­ мечалось Проктором [1281 и подтвердилось в наших изме-

20

не ограничивается, что сохраняет неизменным положение нейтральной оси и, следовательно, справедливость рас­ четных формул.

При испытании полосок листового стекла на попереч­ ный изгиб следует иметь в виду, что края могут быть ослаб­ лены [9, 13]. ß наших измерениях благодаря глубокой химической полировке (толщина снятого слоя больше 150 мк) и установке образцов при их испытании алмазным "резом в зону сжатия прочность края образцов поднима­

Здесь, как и в методе изгиба гибких пластин [124], достигается равенство нулю изгибающих растягиваю­ щих напряжений в зоне опорных призм. Образцы можно испытать на поперечный изгиб без защитных покрытий в зоне контактов с опорами, но при этом необходимо соб­ людать особую аккуратность при установке образцов.

Недавно Г. Я. Рязановым [129] был предложен метод измерения прочности листового стекла путем изгиба квад­ ратной пластины, лежащей на трех точечных опорах и ис­ пытывающей действие сосредоточенной нагрузки в центре. Однако из-за больших локальных напряжений вряд ли этот метод найдет распространение.

Г. М. Бартеневым и Л. П. Целковым [119] использо­ вался при измерении прочности листового стекла изгиб квадратной пластины на квадратной опоре, однако позд­ нее [120] они отказались от этого метода из-за ряда не­ точностей расчетных формул.

Довольно широко применяется также метод измерения прочности путем вдавливания шарика [27, 130—132]. Прочность в этом случае определяется по максимальным растягивающим напряжениям, действующим на границе поверхности в момент появления круговой трещины раз­ рыва. Расчет растягивающих напряжений производится по Герцу [27, 133]. Называется такая характеристика микропрочностыо или инденторной прочностью. Однако получаемые при этом значения микропрочности, с нашей точки зрения, нельзя отождествлять и сравнивать со зна­ чениями прочности, полученными при поперечном или центральном изгибе.

21

Д и н а м и ч е с к и е и с п ы т а н и я

Под динамическим испытанием понимается приложе­ ние ударной разрушающей нагрузки в течение 10 "2 — 10"3 сек., в то время как при обычных статических испы­ таниях от начала нагружения до разрушения проходит 10—30 сек. Как установлено измерениями Ф. Ф. Витмана, Л. Д. Воловпа, М. И. Иванова, Г. С. Пугачева [1341 и Престона [135], при динамических испытаниях можно ис­ пользовать те же методы, что и в статике (симметричный изгиб, изгиб гибкой пластины, поперечный изгиб). В этом случае механическое иагруженпе осуществляется с помо­ щью падающего груза, обладающего достаточным для разру­ шения запасом кинетической энергии. Между ударяющим грузом и нагружающим пуансоном или ножом устанавли­ вается динамический датчик (например, цилиндр с про­ волочными сопротивлениями). Сигнал от динамического датчика позволяет записывать с помощью осциллографа или импульсного вольтметра разрушающее усилие при ударе.

Учитывая, что полупериод первого колебания системы «ударяющий груз—стеклянная пластина» примерно на порядок больше времени, необходимого для распростра­ нения ударного упругого возмущения от центра образца до опоры, можно не учитывать волновой характер процесса

исчитать форму деформации пластины при динамическом

истатическом нагружениях одинаковой. Другими словами,

статическому нагружеиию с той же силой. Это позволяет по известной динамической силе Р вести расчет макси­ мальных растягивающих напряжений по обычным фор­ мулам для статического нагружения или пользоваться статическими тарировочными кривыми, когда расчет вести невозможно (изгиб гибкой пластины).

Таким образом, если при динамическом нагружении (ударе) разрушающая сила фиксируется, напряжения можно рассчитывать по обычным формулам.

Следует отметить некоторую неопределенность в при­ нятых ГОСТом методах испытания листового закаленного стекла ударом стального шара [136]. Поскольку в этом слу-

22

чае прочность стекла определяется только энергией пада­ ющего шара, то результаты таких испытаний весьма сильно зависят от толщины и поперечных размеров образцов, размера опоры, ее податливости и многих других усло­ вий.

В заключение необходимо подчеркнуть, что из всех рассмотренных методов измерения прочности стекла на­ иболее удобным и надежным следует признать метод сим­ метрического изгиба, когда измерение прочности произво­ дится при изгибе свободно опирающихся по круговому контуру стеклянных пластин, нагружаемых коаксиалыю опоре кольцевым пуансоном. Этот метод рекомендован Государственным институтом стекла в качестве проекта ГОСТа.

к стеклянным волокнам обусловлен, по-видимому, двумя

товленных стеклянных нитей диаметром в несколько микрон, вытянутых из расплавленного шарика, доходила до 630 кГ/мм2 , в то время как прочность толстых нитей {D = i мм) и стеклянных колб составляла всего 18 кГ/мм2 .. Со временем прочность уменьшалась, снижаясь для тон­ ких, волокон до 350 кГ/мм2 .

С тех пор вопрос о природе высокой прочности тонких

. стекла, но и всех твердых тел. В этом аспекте мы и рассмот­ рим развитие проблемы прочности силикатного стекла.

23

О природе высокой прочности стеклянных волоков

Влияние диаметра и длины волокна. Еще Гриффите [4, 5] установил, что прочность стеклянных нитей че­ рез 40 час. после их вытяжки обратно пропорциональна диаметру и составляет от 340 кГ/мм2 для нитей диамет­ ром 3 мк до 17 кГ/мм2 для нитей диаметром 1 мм.

Все более поздние исследователи этого вопроса: Рейн-

снижению их прочности, но влияние длины менее сущест­ венно, нежели диаметра. Так, по данным Андерегга [138], уменьшение диаметра иитей от 19 до 2.5 мк приводит к де­ сятикратному росту прочности (от 63 до 560 кГ/мм2 ), в то время как при изменении длины нитей в 300 раз (от 1660 до 5 мм) прочность меняется всего лишь в 2 раза (от 72 до 150 кГ/мм2 ) для нитей диаметром 13 мк. В более поздних работах Т. А. Конторовой [139] и Г. М. Барте­ нева [140] вопрос об «анизотропии» влияния масштабного фактора на прочность стеклянных нитей изучен более подробно.

Для объяснения наблюдаемой зависимости прочности от диаметра волокна были высказаны разные гипотезы, например, Гриффите [4, 5] связывал высокую прочность тонких волокон с наличием «поверхностного ориентирован­ ного слоя», Рейнкобер [137] — с существованием внутрен­ них напряжений. К тридцатым годам наиболее распро­ страненной была гипотеза о статистической природе повышенной прочности тонких нитей.

Статистическая теория. А. П. Александровым и ;

С. Н. Журковым [7] установлено, что для значений проч­ ности нитей одинакового диаметра характерен большой

24

разброс. Причем с уменьшением диаметра величина на­ иболее вероятного значения прочности растет согласно выражению (6), т. е. прочность линейно возрастает с умень­ шением поверхности образца.

вать основные положения статистической' теории меха­ низма упрочнения тонких нитей.

Согласно этим представлениям, по всему объему стекла распределены дефекты — трещины различной степени

.опасности, причем чем опаснее микротрещины, тем меньше их в единице объема.

При изготовлении образца часть микротрещин окажется на его поверхности, причем вероятность того, что микро­ трещина данной опасности встретится на поверхности, будет пропорциональна величине поверхности. Поверх­ ностные микротрещины более опасны из-за отрицательного влияния внешней среды. С наиболее опасной поверхно­ стной микротрещины и начинается разрыв.

Для доказательства того, что прочность определяется величиной поверхности, авторы [7, 8] сравнивали сред­ нюю прочность одного образца с большим сечением с ми­ нимальной прочностью группы образцов с малым сече­ нием, общая поверхность которых была равна поверхности большого образца. Эти цифры совпали для трех групп из-

. мерений.

В1945 г. Т. А. Конторова [139] развила гипотезу о ста­ тистической природе масштабного фактора. Она учла влияние на прочность ориентации трещинок, этим ей удалось объяснить более сильное влияние на прочность величины радиуса по сравнению с длиной образца. Оче­ видно, что в первую очередь опасны трещины, которые расположены перпендикулярно растягивающей силе. Размер таких трещин будет определяться не поверхностью

иобъемом, а поперечным сечением, т. е. радиусом.

Вслучае, если нити изготовлены путем вытягивания, следует учитывать еще и то, что в самом процессе изготов­ ления такой нити, трещины, содержащиеся в исходном материале, должны постепенно менять свою ориентацию, стремясь расположиться параллельно оси нити. В резуль­

тате получается своего рода «текстура трещин», становя-

гщихся все менее и менее опасными по мере дальнейшего вытягивания нити, т. е. уменьшения их диаметра.

25

Исходя из этих положений, Т. А. Конторова приходит к следующему выражению для наиболее вероятного зна­ чения длины L * самой опасной трещины:

где

Получается та же зависимость прочности от радиуса и длины, какая наблюдается на опыте [71. Таким образом, статистическая теория может объяснить преимуществен­ ное влияние радиуса по сравнению с длиной нити и позволяет вывести зависимости, которые подтверждаются опытными данными.

Роль технологии выработки волокон. По-видимому, нельзя все же приписать разницу в прочности нитей только изменению размеров, исключая особенности техно­ логии их получения. Действительно, при вытягивании нитей из раскаленного шарика вручную для получения нитей меньшего диаметра требовалась более высокая температура нагрева ц|скорость вытяжки. Уже Гриффитсом [4] указывалось, что уменьшение температуры нагрева стекла в процессе вытяжки приводит к снижению прочности нитей.

26

Названными авторами было установлено, что проч­ ность нитей в большей степени зависит от условий их выработки и, в первую очередь, от температуры стекло­ массы, скорости вытяжки и диаметра фильеры. Так, например, при изменении температуры стекломассы от 1200 до 1370° прочность нитей диаметром 10 мк измени­ лась от 175 до 315 к Г/мм2 .

При одинаковых параметрах выработки прочность волокон не зависит от диаметра при изменении послед­ него от 5 до 15 мк, т. е. в области, где наиболее сильно изменяется прочность при ручной вытяжке [7, 81.

Г. М. Бартенев и А. Н. Бовкуненко [142] считают, что как прочность, так и диаметр зависят от степени

ных участка [141], что, по мнению авторов, свидетель­ ствует о существовании двух механизмов в упрочнении стеклянных нитей. На начальном участке (диаметр нити больше 50 мк) упрочнение происходит за счет ориентации дефектов и неоднородностей, значительно превышающих атомные объемы. На втором участке (диаметр меньше 50 мк) имеет место только структурная ориентация силь­ ных молекулярных связей.

На примере щелочных стекол было показано, что значительное уменьшение диаметра нити за счет травле­

можно понять и в рамках статистической теории Т. А. Конторовой [139], то независимость прочности от диаметра волокна при глубоком травлении не укладывается в рамки статистической теории, и поэтому последний факт тре­

27

ных стержней для получения образцов использовали па­ лочки молибденового стекла диаметром 400—600 мк. Такие стержни после ручной вытяжки на газовой горелке отжигали в муфельной печи и затем из них растворением в плавиковой кислоте получали образцы нужного диа­ метра. Длина рабочей части составляла 30 мм. Прочность; таких нитей изменялась от 40 кГ/мм2 для образцов диа­ метром 500 мк до 130 кГ/мм2 для образцов диамет­ ром 10 мк.

На существенную роль масштабного фактора в проч­ ности указывают измерения Моулда [1441 и Ф. Ф. Витмана, В. П. Пуха [145]. В этих работах нити диаметром в несколько десятков микрон испытывалпсь на изгиб и ра­ стяжение. В случае воздействия одной перерезывающей силы и круглому сечению образцов область максималь­ ных растягивающих напряжений при изгибе уменьшалась на три порядка по сравнению с областью, наблюдаемой при испытании тех же образцов на растяжение. Проч­ ность при этом изменялась в два—три раза.

М. С. Асланова [24, 146] установила, что зависимость прочности от диаметра волокон уменьшается при следу­ ющих условиях: формирование волокон из стекла с вы­ сокой температурой размягчения; вытягивание волокон из стекол с явно выраженной структурной неоднородно­ стью; получение волокон с низкой химической устойчи­ востью; кристаллизация волокон.

Отсутствие явно выраженного масштабного фактора наблюдается у стеклянных волокон, либо полученных из стекол определенного химического состава, либо под­ вергнутых особым условиям формирования. Это показы­

от химического состава стекла, так и от способа получе­ ния нитей.

Какова же природа технологического фактора? Процессы получения тонких и толстых волокон раз-^

личаются такими основными параметрами, как степень вытяжки и скорость охлаждения.

28

Согласно представлениям Г. М. Бартенева [1421, главным параметром, определяющим прочность, является степень вытяжки волокна, которая обеспечивает ориен­ тацию сильных молекулярных связей вдоль волокна, как это имеет место для полимерных волокон.

Вместе с тем М. С. Асланова [24] и А. Ф. Зак [147] показали, что волокна из метафосфата натрия и кремне­ зема, у которых наблюдается эффект молекулярной ори­ ентации, обладают более низкой прочностью, чем волокна

. с менее выраженной цепочечной структурой. Об отсут­ ствии анизотропии в прочности волокон свидетельствуют также и данные работы [148]., в которой получены одина­ ковые значения прочности волокна при испытании их на растяжение и на кручение, когда направление дейст­ вия максимальных растягивающих напряжений состав­ ляет 45° к оси волокна.

В последние годы Г. М. Бартеневым [25, 1491 выдви­ нута гипотеза о том, что ориентация происходит только в тонком поверхностном слое. Предполагается, что сильно напряженный и относительно более холодный тонкий поверхностный слой зоны формования, или «луковицы», подвергается значительной вытяжке, сопровождаемой мо­ лекулярной ориентацией, в то время как внутренние слои из-за низкого значения предела текучести нагретой стекломассы не испытывают ориентации. Согласно этой гипотезе, наличие топкого (-—-100 А) упрочненного по­ верхностного слоя и обусловливает высокую прочность так называемых «бездефектных», или «нетронутых», воло­ кон, т. е. волокон, полученных с соблюдением особых мер предосторожностей при вытяжке и испытании нитей (а=300 кГ/мм2 ). «Бездефектные», или «нетронутые», во­ локна получают путем их отбора после фильеры до кон­ такта с наматывающим устройством. Удаление поверхно­ стного слоя травлением приводит к снижению прочности

29