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

Долгое время существовало мнение, что волокна, вы­ тянутые из расплава через фильеры, обладают более высокой прочностью, чем вытянутые вручную на горелке [25, 153].

После того как Оттом в 1955 г. [143] при вытяжке нитей из расплава были получены значения прочности около 300 кГ/мм2 для волокон диаметром 10 мк, многие исследователи занялись изучением прочности «нетрону­ тых», или «бездефектных», волокон. Благодаря подроб­ ному изучению влияния параметров вытяжки (диаметр фильеры, состав стекла, температура стекломассы и ее уровень в стеклоплавильном сосуде, скорость вытяжки) Томасу в 1960 г. [153] удалось поднять уровень проч­ ности «нетронутых» волокон до 380 кГ/мм2 . Он отмечает, что это самое высокое значение прочности для стекол, полученных как этим методом, так и вытяжкой из палочек.

Между тем С. Ы. Журковым еще в 1931 г. [6] ручной вытяжкой (т. е. из палочек), правда на кварцевом стекле, были получены рекордные до сих пор значения прочно­ сти. Так, например, для нитей диаметром Змк прочность на воздухе через три часа после изготовления волокон составляла 600 кГ/мм2 , прочность тех же нитей в вакууме с предварительным прогревом достигала 1600 кГ/мм2 .. 'Следует отметить, что в отличие от других авторов, С. Ы. Журков производил вытяжку в пламени вольтовой дуги, т.. е. при температуре, примерно в два раза пре­ вышающей ту, которой можно достичь на ацетиленовых горелках. Кроме того, форма образцов в виде нитей с перетяжкой в средней части, задающей место разрыва,

разцов с перетяжкой, задаваемой в ацетилено-кислород- ном пламени, наблюдали столь же высокие уровни проч­ ности для кварцевых нитей больших диаметров (400—

800мк).

Вработе [1551 подробно изучено влияние на проч­ ность условий вытяжки, таких, как скорость газового потока, положение стержня относительно пламени, ди­ аметр исходного стержня, продолжительность нагрева.

Благодаря применению машинной вытяжки и строгой

-стандартизации условий удалось значительно сократить разброс частных значений прочности по сравнению с руч-

31

наблюдаться не только для тонких волокон, как пола­ гали ранее, но и для нитей диаметром в сотни микрон. Возможно, что одним из основных факторов, определив­ ших успех в последних измерениях [154, 155], явилось аккуратное обращение с образцами, исключающее возмо­ жность их повреждения. Эта задача значительно облег­ чалась выбранной формой образцов (с перетяжкой). Изготовление же образцов вытяжкой из расплава через фильеры, когда сечения и рабочее, и в захватах одина­ ковы, несмотря на все меры предосторожности не исклю­ чает возможности повреждения образцов при измерении прочности на растяжение. Вероятно, что с этим и связано наблюдаемое различие в прочности образцов, вытянутых из палочек и через фильеры. Одиако возможно влияние и химического состава стекла, ведь необычайно высокий уровень прочности при вытяжке из палочек пока получен лишь для кварцевого стекла. Все эти вопросы требуют дальнейшего изучения.

Таким образом, роль технологического фактора в проч­ ности стеклянных волокон сводится к исключению воз­ можности для образования дефектов, снижающих проч­ ность. Если дефекты отсутствуют, прочность высокая и не зависит от размеров. В противном случае наблюда­

В последнее время достигнуты большие успехи в по­ вышении технической прочности листового силикатного стекла. Упрочнение листового массивного стекла осущест­ вляется, главным образом, путем частичного подавления

в поверхностном слое или путем химической полировки, сглаживающей поверхностные дефекты; возможны соче­ тания этих двух методов. На рис. 6 представлены значе­ ния прочности листового стекла, подвергнутого р а з л и ч н о ^ обработке. Из рис. 6 следует, что наряду с общим высоким

32

средним уровнем прочности, который достигается при уп­ рочнении стекла, наблюдается колоссальный разброс ча­ стных значений прочности. С практической точки зрения, особенно нежелательными являются отдельные низкие значения, так как они снижают гарантированный уровень ирочиости. Не меньший интерес представляют и отдель­ ные очень высокие значения прочности, доходящие, на-

200-

о

о

160 -

О

I 120 -

о" 80 -

до 180 кГ/мм2 . Эти высокие значения прочности свидетельст­ вуют о том, что мы используем далеко не все резервы прочности, заложенные в листовом силикатном стекле.

Причина разброса значений прочности. Принято счи­ тать, что большая дисперсия прочности силикатного сте­ кла связана с неоднородностями (микродефектами) в его

Возникает естественный вопрос, какова природа этих дефектов и нельзя ли сознательно управлять их распре­ делением с целью «подтягивания» минимальных значений прочности?

ч-^ В первую очередь необходимо было выяснить, как распределены дефекты по поверхности образца в листо-

вом стекле до и после упрочнения его химической поли­ ровкой. Выяснение этого вопроса позволило бы узнать, на какие из дефектов мы воздействуем в самом процессе химической полировки.

С этой целью Ф. Ф. Витманом, В. Р. Краутманом и автором [157, 158) были сняты кривые распределения прочности при изменении величины рабочей поверхности (зоны действия максимальных растягивающих напряже­ ний) на пять порядков. Поперечные размеры образцов изменяли от 4 x 4 до 340 X 340 мм при неизменности тех­ нологических параметров выработки стекла. При этом

наковый характер зависимости прочности от размера образцов, а также подобный характер кривых распределе­ ния частных значений прочности (постоянство коэффици­ ента вариации) для двух состояний поверхности — ис­ ходной и после химической полировки — свидетельствует о том, что в этом случае рассеяние отдельных величин прочности задавалось, главным образом, дефектами одной и той же природы.

Такая идентичность дефектов для исходного и хими­ чески полированного стекла может быть обусловлена либо тем, что внутри стекла имеются такие же дефекты, как и на поверхности исходного стекла (в процессе химиче­ ской полировки наряду с удалением поверхностных де­ фектов обнажаются внутренние), либо тем, что в про­

был тщательно проанализирован «путь» образцов с мо­ мента их химической полировки вплоть до момента за­ рождения в них разрушающей трещины при испытании стекла на прочность.

Влияние условий проведения измерений. Во-первых, была повышена бережность обращения с образцами после химической полировки. Так, например, была исключена

34

нами, пылью помещений и т. п. Образцы после завершения химической полировки устанавливали на соответствую­ щие подставки, исключающие возможность их взаимного соприкосновения, и хранили в закрытых камерах. Брали образцы только за торцы.

Было учтено также, что установка образца на опору испытательного устройства сопряжена с риском возмож­ ного повреждения поверхности стекла «проскальзыва­ нием» его по прокладке, лежащей на нижней опоре, которая сама могла быть запыленной и нести на себе абра­ зивные частицы. Не исключена возможность поврежде­ ния стекла в месте контакта с опорным и нагружающим кольцами и во время самого момента нагружения. По­ этому в этих местах на образец наносили лаковые покры­ тия. О том, что эти меры защиты являлись необходимыми и достаточными, свидетельствуют результаты многократ­ ного фотографирования процесса разрушения при испы­ тании стеклянных пластин на центральный изгиб [131.

Будем считать' что высокие значения прочности (см. рис. 6) наиболее близко отвечают ее истинным зна­ чениям для «бездефектного» травленого стекла, а все более низкие значения обусловлены повреждениями, вне­ сенными в процессе подготовки образцов и во время ис­

прочности (рис. 7) для исходного (кривая 1) и химически полированного (кривая 2) стекла, то можем предполо­ жить, что исключение хотя бы только части побочных отрицательных факторов должно привести к трансформа­ ции кривой 2 (см. кривую 3). За счет роста числа высо­

Результаты измерений представлены кривой 4. Распо­ ложение этой кривой относительно кривой 3 показывает, что результаты новых измерений существенно превзошли наши ожидания. Оказалось, что тот уровень прочности и та ее дисперсия, которые постоянно наблюдались в пре­ дыдущих исследованиях, действительно определялись не столько свойствами травленого стекла, сколько влиянием 'побочных факторов. Последние не позволяли проявлять­ ся высокой природной прочности силикатного стекла.

Теперь очевидно, что гарантированные минимальные значения прочности травленого стекла могут быть выше 100 кГ/мм2 . Вместе с тем вытянутость кривой 4 в сторону низких значений прочности показывает, что существует еще какой-то сильно действующий отрицательный фак­ тор. Оказалось, что минимальные значения можно повы­ сить, если образцы подвергнуть визуальному контролю

Р и с . 7. К р и в ы е д и с п е р с и и п р о ч н о с т и с т е к л а т о л щ и н о й 2.5 м м .

1 — исходное состояние; 2 — после травле­ ния при обычных условиях подготовки и про­ ведения опытов; 3 — предполагаемый ход кривой 2 при подавлении побочиых факторов; 4 — после травления и тщательного оберегання образцов от повреждений; 5 — то же, но при визуальном отборе образцов, не имеющих дефектов. Общее число образцов TV в каждом случае ^ 100; п — число образцов с проч­

ностью в заданном интервале.

и к испытаниям не допускать те из них, на поверхности которых после травления обнаруживались видимые гла­ зом дефекты (преимущественно рух). Результаты измере­ ний партии образцов, прошедших указанную сортировку, изображены на рис. 7 кривой 5. Она показывает, что при исключении дефектных образцов (которые составляют 10—20%) можно добиться дополнительного возрастания гарантированных минимальных, а также средних значе­ ний прочности листового стекла и одновременно резкого уменьшения дисперсии его прочности. В последнем слу­ чае коэффициент вариации составлял меньше 10%. За ï метим, что столь высокий уровень прочности- (выше

36

200 кГ/мм2 ) был получен на обычных стеклах производ­ ства четырех стеклозаводов (Гусевского им. Дзержин­ ского, Автостекло-25, Чагодошенского и Львовского).

Измерения прочности в вакууме при разряжении Ю - 4 мм рт. ст. (без подогрева) показали, что прочность возрастает почти до 500 кГ/мм2 (см. табл. 2).

кГ/мм:

Величина в 500 кГ/мм2 уже не очень далека от теоре­ тической прочности стекла, которая, по разным оценкам _[25, 103—108], лежит в интервале 0.1—0.4 от величины

-модуля упругости (напомним, что для силикатного стекла Ä=7000 кГ/мм2 ). Теперь видно, что рекордные [7, 8]

37

величины прочности, приписывавшиеся обычно особому состоянию стеклянных волокон и вытянутых стержней, можно наблюдать и на массивном листовом стекле, а, сле­

также при линейном характере напряженного состояния, т. е. при изгибе полосок стекла. Благодаря глубокому травлению (150 мк) и тщательности в обращении с об­ разцами в этом случае удалось наблюдать тот же уровень прочности (см. табл. 2) как в обычных атмосферных усло-^- виях, так и в вакууме. Этими независимыми измерениями была подтверждена достоверность определенного значе­ ния прочности листового стекла. Пластину стекла, упро­ ченного химической полировкой, трудно разбить даже ударом молотка.

Из приведенных данных можно заключить, что ли­ стовое силикатное стекло поточного производства может выносить без разрушения непривычно большие упругие деформации (около 5—6%). Абсолютные значения проч­

а зона рассеяния практически приближается к наблюда­ емой у «бездефектных» волокон [52, 153].

Таким образом, структура массивного листового сте­ кла не менее благоприятна для проявления высокой прочности аморфного тела, чем структура стеклянного волокна.

Распространенное мнение о том, что наблюдаемый при измерении прочности стекла огромный разброс ее зна­ чений связан с врожденной структурной неоднородно­ стью стекла, не получает подтверждения. Как можно теперь убедиться, во многих предыдущих измерениях он обусловливался в значительной мере недооценкой побоч­ ных факторов и недостаточной защитой стекла от повреж­ дений во время подготовки образцов и проведения изме­ рений.

Для исключения возможности повреждения поверхно­ сти высокопрочного стекла необходимо обеспечить абсо­ лютную «неприкасаемость» рабочей поверхности образцов.

Реализация высокопрочного состояния стекла требует сосредоточения усилий на дальнейшем изучении природы^ дефектов, ответственных за снижение прочности, и по­ вреждаемости стекла.

38

Д е ф е к т ы , с н и ж а ю щ и е прочность стекла,

ные попытки выяснения природы дефектов, снижающих прочность стекла [1—7]. По мнению Гриффитса [4—5], эти дефекты представляют собой микротрещинки. Макси­ мальные напряжения в вершине таких трещинок, согла­ сно Инглису [109], пропорциональны корню квадратному из их длины (глубины).

Другими словами, если считать радиус при вершине

ѵтрещины независящим от ее длины, то должно сохра­ няться постоянным произведение величины прочности о

на корень квадратный из длины микротрещины, т. е.

для дефектов в виде царапин длиною от 1 до 10 мм, наноси­ мых алмазом на поверхность шаровых колб.

Шенд [161] провел проверку этого выражения для дефектов длиною 0.8—4.6 мм (прочность соответственно 2.5—1.5 кГ/мм2 ), которые наносили на образцы в виде полосок покровного стекла. Прочность таких полосок измеряли при растяжении.

В 1965 г. Шенд [162] предложил способ измерения дефектов, наносимых с помощью конического продолго­ ватого индентора на поверхность стекла толщиной 1.5 мм. Глубину трещин задавали величиной нагрузки на индентор и измеряли оптически до и после > разрушения образцов. При изменении глубины микротрещины от 10

чае — а на корень из глубины дефекта) оставалось посто­ янным.

В 1959 г. Моулд и Соутствик [163] подтвердили за­ кономерность c\/.£=const при изучении прочности стек­ лянных пластинок толщиною 1 мм, испорченных цара­ панием абразивным порошком. При глубине царапин от 20 до 5 мк прочность составляла соответственно от 7.5 ДО 13.5 кГ/мм2 . Если царапины глубиной 20 мк наносили -параллельно направлению растягивающих напряжений,

39