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

деформации на поверхность кристалла. Наблюдение с помощью поляризованного света показало также, что растворение поверхности изменяет картину сдвигов по всей толще кристалла.

Эти положения нашли в последнее время подтвержде--' ние с позиций дислокационной теории [187].

Таким образоді, прочность каменной соли достигает наибольшего значения в процессе растворения поверх­ ности. После удаления кристаллов из воды прочность со временем снижается.

С. Н. Журковым [7, 8] идеи А. Ф. Иоффе были раз­ виты применительно к силикатному стеклу. Он установил, что если стеклянную палочку обработать 30%-м рас­ твором фторпстоводородной кислоты и затем промыть водой, то прочность возрастает в 4—5 раз (с 13—20 до 55—75 кГ/мм2 ). Прочность волокон толщиной около 50 мк после травления возрастала.с 200 до 350 кГ/мма . Малейшее прикосновение к упрочненным образцам твердых тел (дерева, бумаги, металла) приводило к резкому снижению прочности.

Если по аналогии с испытаниями каменной соли про­ водить травление нагруженной нити, то разрыв проис­ ходит при обычной прочности. В те годы С. И. Журков [7, 8] дал следующее объяснение этому факту. Возникно­ вение перенапряжений и разрушение происходят со скоро­ стью звука, процесс же изменения неоднородностей при травлении идет гораздо медленнее. Поэтому при трав­ лении с момента обнажения внутренней неоднород­ ности и до момента ее изменения протекает некоторое время, в течение которого неоднородность так я^е опасна, как и на нетравленном образце, что и приводит к раз­ рыву при низких напряжениях образцов, нагруженных в растворе плавиковой кислоты.

Следовательно, если измерять прочность в растворах плавиковой кислоты различной концентрации, то проч­ ность должна возрастать с увеличением концентрации кислоты, так как будет увеличиваться скорость рас-~* творения и, следовательно, «смягчения» дефектов. Однако

50

а затем медленнее (рис. 12, б), благодаря чему происходит уменьшение величины локальных напряжений на конце мнкротрещшіы п, следовательно, повышение прочности. Это находится в соответствии с формулой Инглиса [109]:

при различном увеличении как оптическом, так и электронномикроскопическом, что связано с различным разме­ ром дефектов на поверхности стекла. Число, размер и характер расположения «ямок» травления непосредст­ венно связаны с качеством исходной стеклянной поверх­ ности.

Степень упрочнения при удалении с поверхности стекла слоя определенной толщины зависит от характера и размера исходных дефектов. На рис. 14 показана за­ висимость прочности кварцевого стекла от толщины сня­ того при травлении слоя для двух разных исходных со­ стояний поверхности.

Для испытаний были взяты образцы в виде вытяну­ тых стержней с исходной прочностью 15 (кривая 2) и

52

ния оптимального упрочнения требовалось удалить дейст­ вием HF слой толщиною ~25 мк, то при а = 37 кГ/мм2 до­ статочно было удалить слой в ~3 мк.

Делались попытки связать упрочнение стекла при хи­ мическом травлении с образованием особого поверхност-

h, мк

Р и с . 14. В л ш ш н е г л у б и н ы с л о я с т р а в л е н н о г о в р а с т в о р а х

иого слоя. Например, в работах А. К. Лесникова и др. [188, 189] исследовалось упрочнение силикатных стекол в водных растворах щелочей при повышенных темпера­ турах. Из приведенных в работе [188] данных следует, что для упрочнения кварцевого стекладо уровня 200 кГ/мм2 достаточно в щелочном растворе удалить слой в 1 мк, в то время как в растворе плавиковой кислоты для полу­ чения того же уровня прочности необходимо удалить слой в 150 мк. Из этого сделан вывод, что в щелочном растворе упрочнение обусловлено не изменением гео­ метрии дефектов, а созданием особого поверхностного слоя. Недавно Л. Г. Байковой [190] было проведено тщательное изучение кривых упрочнения вытянутых кварцевых стержней в слабом растворе HF и водном рас­ творе щелочи. Как следует из рис. 14 (кривые 2 и 3), предельное упрочнение в обоих случаях достигается при одинаковой толщине удаленного слоя, что свидетель-

54

ствует об одинаковом механизме упрочнения как в кис­ лоте, так и в щелочи.

Таким образом, можно утверждать, что упрочнение стекла при химической полировке главным образом свя­ зано с изменением геометрии дефектов.

Если придерживаться этой точки зрения, то следует предположить, что эффективность химической полировки не должна зависеть от химической природы травителя.

концентрации HF, равной 7.4 г-экв./л, происходит резкое увеличение упрочнения. Это не подтвердилось в работе [193], где было показано, что степень упрочнения при одинаковой глубине травления ие зависит от концентра­ ции раствора (рис. 15). Поэтому нет оснований придавать решающее значение химическим процессам па поверх­

55

ние прочности стекла после удаления плавиковой кисло­ той некоторого слоя с его поверхности должно опреде­ ляться соотношением между опасностью дефектов, имею­ щихся на поверхности и внутри стекла данной марки.

В связи с этим эффективность упрочнения стекла и изменение характера распределения частных значений прочности после травления должно зависеть от распре­ деления дефектов по сечению образцов стекла данной

марки, то есть от его структуры. Однако случайные механические повреждения, значительно снижая проч­ ность стекла, не позволяют нам в обычных условиях вы­ явить роль дефектов, органически присущих самому стеклу.

Влияние этих случайных дефектов можно существенно уменьшить без изменения технологии выработки образ­ цов. С. этой целью было проведено измерение прочности нитей диаметром 100 мк на растяжение и на изгиб (рис. 16). В последнем случае благодаря круглому сечению образ­ цов и приложению одной перерезывающей силы величина рабочей поверхности образцов была уменьшена на 3 но< рядка по сравнению с поверхностью в опытах на растя­ жение [144, 1451.

56

Т а б л и ц а 3

ность упрочнения зависит от химического состава стекла (номера точек на рис. 16 соответствуют номерам стекол в табл. 3). Для двух стекол (составы 5 и 7) наблюдается даже снижение прочности при испытании на изгиб после ; их травления.

Таким образом, эффективность химической полировки зависит от характера распределения дефектов в стекле, которым можно управлять через изменение его химиче­ ского состава.

Т е х н о л о г и я химической полировки и применение упрочненного стекла

Одним из основных требований к технологии процесса химической полировки является удаление твердых про­ дуктов травления с поверхности стекла. Это необходимо как для получения хороших оптических качеств поверх­ ности, так и для обеспечения эффективности метода'. При матовом (неравномерном) травлении, когда твердые продукты не удаляют с поверхности, высоких значений прочности получить не удается.

Для смывания продуктов травления можно применять "вращение кассеты с образцами в травильной ванне со ско-

57

В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе ус­ пешно применяется установка, разработанная М. И. Ива­ новым, где кислота циркулирует относительно неподвиж­ ной рамки со стеклом.

Для промышленных условий предложена интенсифи­ кация процесса травления с помощью ультразвуковых полей [194], что значительно ускоряет и удешевляет хи­ мическую полировку.

чия в ванне твердых и жидких продуктов травления. Наличие твердых продуктов в умеренных количествах облегчает удаление продуктов травления с поверхности стекла и является в этом отношении полезным. Иногда целесообразно травильную ванну приготавливать из смеси фтористоводородной и серной кислот, что способствует химическому растворению некоторых продуктов травле­ ния [195].

Для промышленного листового стекла вертикального вытягивания глубина снятого прп травлении слоя, как следует из рис. 18, должиа составлять около 50 мк для стекла с визуально хорошей поверхностью (кривая 1) и еще больше для механически поврежденной поверхности (кривая 2), Например, для механически полированного

59