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

стекла приходится иногда удалять слой толщиной до 400 мк [196]. Однако, если не предъявлять высоких тре­ бований к разбросу частных значений и не стремиться к оптимальному эффекту упрочнения, то можно огра­ ничиться и меньшими глубинами травления.

Следует подчеркнуть необходимость очень тщательной промывки образцов после травления для удаления с их поверхности кислоты. Обычно промывку осуществляют проточной водой (душированием) в течение 15—20 мин.

Просушку образцов во избежание их термического* разупрочнения следует проводить при умеренных темпе­ ратурах (^40°). Следует особо отметить легкую повреж­ даемость высокопрочного стекла, что требует постоян­ ного применения мер предосторожности при его упроч­ нении. Например, стеклянные образцы необходимо тщательно оберегать от контактных повреждений (не допускать соприкосновения с различными предметами, ру­ ками человека, пылью помещений). При всех манипуля­ циях образцы берут только за торцы и крепят в специаль­ ных кассетах.

Основным препятствием для широкого технического использования стекла, упрочненного химической поли­ ровкой, является его діехаиическая повреждаемость.

Для стабилизации высокой прочности, которую стекло приобретает после химической полировки, исполь­ зуют различные защитные покрытия. Наиболее простым покрытием является тонкий (десятки микрон) полимерный слой, который значительно снижает повреждаемость стекла. Более радикальным средством является достаточно толстое (1 мм) полимерное или стеклополимерное покры­ тие. Как показано В. А. Берштейном [197], использова­ ние упрочненного стекла в виде несущего элемента слои­ стой конструкции, состоящей из покровных стекол, поли­ мерных слоев и средней упрочненной силовой пластины (пентоплекса), позволяет длительно сохранять его высо­ кую прочность. Надо надеяться, что подробное изучение механизма разупрочнения стекла позволит модифициро­ вать его поверхностный слой в направлении, исключаю­ щем его повреяодаемость. Это значительно расширит область применения такого стекла.

В некоторых случаях стекло, упрочненное химиче­ ской полировкой, может использоваться и без специаль^ ных защитных покрытий. Например, в таких элементах,

60

I I . Создание в поверхностном слое сжимающих напря жений либо путем замораживания временных темпера­ турных деформаций при резком охлаждении размягчен­ ного стекла в различных средах [26, 199—2351, либо путем химической модификации поверхностного слоя (ионный обмен) [236—244].

Предельная прочность для закалки составляет --50 к 17мм2 . В Советском Союзе работы в этом направлении успешно развиваются Г. М. Бартеневым [207], В. Л. Ииденбомом [59], И. А. Богуславским [26] С. И. Сильва стровичем [228—232], В. Д. Казаковым, О. И. Пухликол и В. Л. Жоровым [233—235].

Рекордное значение прочности, достигнутое за счет ионного обмена, получено Олкоттом и Стуки [239] и со­ ставляет 70 кГ/мм2 . У нас работы по ионному обмену раз­ вивают О. К. Ботвинкии, В. С. Железцов, О. Н. Дени­ сенко [236—238], а также В. В. Моисеев.

I I I . Создание путем ситаллизацни микронеоднородной структуры, затрудняющей развитие микротрещин. Таким путем получены непрозрачные ситаллы (кристалнческие стекла) с прочностью до 40 кГ/мм2 . Особенно эффективна ситаллизация для повышения термостойкости. Работы

вэтом направлении успешно ведутся К. Т. Бондаревым,

И.Д. Тыкачинским, В. Г. Чистосердовым и др. [251—256].

П О В Р Е Ж Д Е Н И Е С Т Е К Л А П Р И М Е Х А Н И Ч Е С К И Х В О З Д Е Й С Т В И Я Х

Для осуществления защиты стекла от действия разупрочняющих факторов необходимо знать механизм по­ тери стеклом прочности. Одним из главных источников разупрочнения стекла являются механические повреж­ дения, возникающие на стекле при его соприкоснове­ нии с другими телами. Настоящая глава посвящена изучению повреждаемости стекла при медленном и быстром приложении локальной нагрузки, а также при трении,

62

Природа механической повреждаемости стекла (контакт, удар, трение, пластичный мнкроотпечаток)

Контакт. Для изучения природы механической по­ вреждаемости необходимо было найти какой-либо спо­ соб контролируемого повреждения стекла. Принято счи­

кэтому виду повреждений.

Вкачестве контактирующего тела использовался за­ каленный стальной шарик, который прижимали к по­ верхности .стекла, используя задан­ ную силу (рис. 20). Известно [133], что при этом образуется круговая поверхность радиуса а, величина которого связана с силой Р, радиу­

сом шарика R и модулем упругости стекла Е следующим соотношением:*

на окружности касания, направлены по радиусу и опре­ деляются из следующего выражения:

где fx — коэффициент Пуассона.

Прозрачность стекла позволяет одновременно с нагружением следить за контактной поверхностью и замечать момент появления круговой трещины. На рис. 21 пока­ зана схема установки для этих целей.

- * П р и р а с ч е т е в н е д р я е м ы й ш а р и к п р и н и м а е т с я з а а б с о л ю т н о ж е с т к и й .

63

Величину растягивающих напряжений, соответствую­ щих моменту появления круговой трещины, называют микропрочностыо или шіденторной прочностью [27, 130— 132]. Это напряжение определяется из выражения (21), в котором величина а заменена радиусом круговой тре­ щины.

Возникает вопрос, что же произойдет с прочностью образца, если приложить к его рабочей поверхности (зона действия максимальных растягивающих напряже­ ний) такую контактную нагрузку? Ясно, что если на-

1*1

Р и с . 2 1 . С х е м а у с т а н о в к и д л я н а н е с е н и я д о з и р о ­ в а н н ы х п о в р е ж д е н и й п и з м е р е н и я м п к р о п р о ч -

п о с т и .

грузка будет превосходить критическую и появится круго­ вая трещина, то прочность должна резко упасть. А что •будет, если прикладывать нагрузку меньшую, чем кри­ тическая?

Обратимся к представленной на рис. 22 зависимости прочности от величины предварительной контактной на­ грузки Р, приложенной через стальной шарик диамет­ ром 2 мм. На рабочую поверхность образца после завер­ шения всех упрочняющих обработок (химическая поли­ ровка, мойка, сушка, нанесение защитного лакового кольца) наносили по три «укола» при заданной нагрузке. Нагрузку прикладывали плавно (через винтовой упор), чтобы избежать удара в первый момент соприкоснове­ ния. После нанесения «укола» определяли прочность стеклянных образцов на симметричный изгиб.

Из данных рис. 22 следует, что в исходном состоянии, т. е. после упрочнения химической полировкой, для стекла характерно наряду с высокой прочностью также и отно­ сительно малое рассеяние частных значений прочности

64

в данной партии образцов. Но то же стекло после надав­ ливания шариком (нагрузка 2 кГ) обнаруживает огром­ ный разброс значений прочности отдельных образцов. По мере увеличения нагрузки на шарик этот разброс со­ храняется и наибольшие из частных значений прочности стекла падают.

Интересно отметить, что наряду с большим числом образцов, потерявших почти полностью свою исходную

Р, кГ

Р и с . 22. З а в и с и м о с т ь п р о ч н о с т и у п р о ч н е н н ы х т р а ­ в л е н и е м с т е к л я н н ы х о б р а з ц о в от с и л ы п р е д в а р и ­ т е л ь н о г о « у к о л а » и х ' с т а л ь н ы м 2 - м и л л н м е т р о в ы м ш а р и к о м .

высокую прочность, в каждой партии наблюдаются и такие, которые не отреагировали на нанесение «уколов». Это свидетельствует о том, что отдельные образцы стекла, испытав высокие контактные давления (около сотни ки­ лограмм на 1 мм2 ), не получили опасных повреждений. Однако одновременное наличие большого числа образцов с потерянной высокой прочностью говорит о том, что повидимому, здесь действует какой-то неучтенный, случай­ ный фактор.

Оценки показывают, что для шарика диаметром 2 мм при нагрузке 2 кГ наибольшие напряжения сжатия со­ ставляют 180 кГ/мы2 , а максимальные радиальные растя­ гивающие напряжения на границе контактной зоны равны примерно 30 кГ/мм2 , т. е. заметно меньше прочности

стекла, приобретенной им в результате упрочнения хи­ мической полировкой. Между тем, из данных рис. 22 оче­ видно, что при этой нагрузке на шарик в ряде образцов уже возникают катастрофические повреждения.

Если вспомнить, что в воздухе имеется огромное ко­ личество пыли, которая содержит абразивные частицы,

100 -

Р и с . 23. В л и я н и е с т е п е н и з а п ы л е н н о с т и ( о п р е ­ д е л я е м о г о в р е м е н е м о т к р ы т о г о х р а п е н и я и п р о т и р к о й ) па п о в р е ж д а е м о с т ь с т е к л а у к о л о м 12 - мм с т а л ь н ы м ш а р і г к о м п р и н а г р у з к е 4 к Г .

7 — исходное стекло; 2 — после протирки; з — после протирки и последующего укола; 4, s — после откры­ того хранения 3 часа (4) п 10 суток (5) п последующего укола.

то можно полагать, что эти частицы, оказываясь в зоне контактной поверхности, могут вызвать дополнительные повреждения, ибо они в лучшем случае представляют собой те же сферические поверхности, но очень малого радиуса кривизны. Следовательно, для них величина критического усилия будет значительно меньше, чем для шарика диаметром 2 мм. Например, для индентора диа­ метром 10 мк критическое давление соответствует всего лишь нескольким десяткам грамм [27, 43, 44].

66

Для проверки этого предположения была проведена

то при равных условиях (см. рис. 23, 3 гі 4) прочность снижается в меньшей степени. Но главное, что при этом

Р и с . 24. Т о ж е , что па р и с . 22, п о с л е л е г к о г о п р о т и р а ­ н и я о б р а з ц о м от п ы л и .

значительно уменьшается разброс частных значений проч­ ности. Если же, наоборот, увеличить запыленность образ­ цов (выдержка 10 суток на лабораторном столе), то проч­

Таким образом, большой разброс частных значений прочности при контактном повреждении обусловлен ве­ роятностью попадания абразивной частицы в контактную зону при «укалывании». При полном исключении попа­ дания частиц пыли при «уколе» между шариком и стек­ лом разброс данных существенно уменьшается (рис. 24).

На рис. 25 представлена зависимость прочности образ­ цов, свободных от абразивных частиц (очищенных), при «укалывании» их стальным шариком диаметром 1 мм при разных нагрузках. Мы видим, что до нагрузки в 8 кГ,

т. е. до достижения максимальных давлений в контакт­ ной зоне ~ 300 кГ/мм2 , стекло хорошо выносит «укол» и лишь при более высоких нагрузках обнаруживает при­ знаки повреждения. В области нагрузок 8—25 кГ (за­

30 Р, «Г

Р и с . 25. З а в и с и м о с т ь м е ж д у п р о ч н о с т ь ю о ч и щ е н н о г о от п ы л и у п р о ч ­

трещина. С тем, чтобы увидеть, как и в какой момент возникают под шариком кольцевые надрывы, зону кон­ такта (с противоположной нагружению стороны) непре­ рывно рассматривали в микроскоп. Было установлено, что возникновение кольцевой трещины на высокопрочном стекле, начиная с некоторой нагрузки (для шарика диа­

снятия нагрузки. При этом величина нагрузки может быть в два и более раз меньше, чем требуется для воз­ буждения трещины в ходе повышения нагрузки. Это на­ блюдение говорит о том, что на поверхности контакта возникают малозаметные повреждения стекла, которые не проявляются, пока находятся в зоне сжатия, но при уменьшении нагрузки и совмещении их с сокращающейся

68

кольцевой зоной действия наибольших растягивающих напряжений инициируют возникновение трещины.

Таким образом, стеклянная поверхность, свободная от абразивных частиц, может вынести локальные давле­ ния до нескольких сотен килограмм на 1 мм2 без потери высокой прочности, т. е. она не такая" уж «неприкасае­ мая», как это казалось ранее [7, 8]. Низкие же значения прочности при контактном повреждении запыленных

зывается на уровне прочности щелочного и кварцевого стекла.

Удар. Микропрочность при ударном приложении на­ грузки к стеклянной поверхности через стальной шарик оказывается более высокой, чем при статическом нагружении [27, 130' 131]. На основании этих данных можно ожидать, что и повреждаемость в динамических усло­ виях будет меньшей, чем при медленном приложении контактных давлений. В действительности картина ока­ зывается сложнее.

На рис. 27, а, 2, 3, 4 приведены значения прочности образцов, претерпевших предварительно удар по «чистой»

69