23.Механизм возникновения временных напрежений в стекле при охлождении и нагревании

Внутренними (собственными) называют напряжения, уравновешен­ные в пределах данного тела (или части его) без участия механических или температурных воздействий. По степени локальности эти напряже­ния в стеклах делятся на две категории: напряжения I рода — макро­скопические, действующие в областях, соизмеримых с размерами тела; напряжения II рода — микроскопические, действующие в областях, со­измеримых с размерами микронеоднородностей.

Напряжения I рода, в свою очередь, разделяются на временные и постоянные. Временные напряжения возникают при нагреве или охлаж­дении стекла вследствие неравномерности температурного поля в объ­еме изделия, вызывающей неравномерные по объему упругие дефор­мации, и исчезают при выравнивании температуры. Такие напряжение, не вызывающие остаточных деформаций, называют также термоупру­гими. Напряжения, остающиеся в стекле после выравнивания темпера­тур, называются постоянными. Временные напряжения возникают, как правило, при нагревании или охлаждении стекла в области температур ниже Т_g, постоянные — при его охлаждении от температур выше Т_е. . В связи с низкой теплопроводностью стекла в из­делии возникают градиенты температур, элементарные объемы расши­ряются (сжимаются) неравномерно, что приводит к образованию внут­ренних упругих напряжений.

. При нагревании температура наруж­ных слоев пластинки выше, чем внутренних (Т₂>Т₁), вследствие чего наружные слои стремятся расшириться до больших размеров. Темпе­ратурная деформация (расширение) каждого из слоев (если бы они не были связаны друг с другом и расширялись независимо) составила бы соответственно аТ₂ и аТ_и причем аТ₂>а,Т[ (а —ТКЛР стекла). Одна­ко в действительности слои связаны, и внутренний слой пластинки пре­пятствует расширению внешних, что вызывает возникновение в плас­тинке упругих напряжений: сжатия-—в наружном слое (упругая де­формация е_уПр<0) и растяжения — во внутреннем (_уПр>0). При этом результирующая деформация е в каждом слое пластинки не равна тем­пературной аТ, а больше или меньше ее на упругую деформацию. где -среднее значение по толщине. При охлаждении стекла от температур ниже T_g (в хрупком состоянии) в связи с более быстрым снижением температуры в наружных слоях (Т₂<Т1) и более быстрым сжатием их ( Т₂< Т1) распределение временных термоупругих напряже­ний обратно наблюдаемому при нагревании: напря­жения растяжения — в наружных слоях, сжатия—во внутреннем. При больших градиентах температур ( —Т) напряже­ния растяжения могут превысить предел прочности стекла, и изделие разрушается.Такое явление (релаксация временных напряжены через образова­ние трещин) наблюдается, например, при испытании стекла на термо­стойкость.

22.Виды внутренних напрежений в стекле.Механизм возникновения напрежения при охлождении.

Внутренними (собственными) называют напряжения, уравновешен­ные в пределах данного тела (или части его) без участия механических или температурных воздействий.

Временные напряжения возникают при нагреве или охлаж­дении стекла вследствие неравномерности температурного поля в объ­еме изделия, вызывающей неравномерные по объему упругие дефор­мации, и исчезают при выравнивании температуры. Такие напряжение, не вызывающие остаточных деформаций, называют также термоупру­гими. Напряжения, остающиеся в стекле после выравнивания темпера­тур, называются постоянными. Временные напряжения возникают, как правило, при нагревании или охлаждении стекла в области температур ниже Т_g, постоянные — при его охлаждении от температур выше Т_е. . Постоянные напряжения (или остаточные) возникают также вслед­ствие неравномерности температурного поля в объеме стекла, но при одном условии — при образовании остаточных деформаций. Такие де­формации в твердых телах, обладающих пластичностью (металлах), мо­гут быть результатом пластических деформаций, возникающих в слу­чае, когда термоупругие напряжения превышают предел текучести материала. В стекле, являющемся хрупким телом, для которого предел прочности намного ниже предела текучести, при низких температурах (ниже T_g) пластические деформации (а соответственно, постоянные напряжения) не возникают.

Процесс образования остаточных напряжений в пластине стекла, охлаждаемой симметрично с двух сторон, представлен схематически на рис. 13.2. Как видно из него, на стадии I охлаждения пластина, нахо­дясь в вязкопластическом состоянии (T>T_g), не имеет напряжений (сг=0): термоупругие напряжения, возникшие вследствие градиента температур, релаксируют в связи с низкой вязкостью стекла (т)<С <СЮ¹² Па-с). При дальнейшем охлаждении (стадия II) температура наружных слоев снижается ниже T_g, они затвердевают (становятся уп­ругими), сжимаются, но внутренний слой в связи с низкой теплопро-водностью стекла остается в вяз­копластическом состоянии. При этом внутренний слой, имеющий большой объем, препятствует сжатию наружных слоев, что вы­зывает образование временных термоупругих напряжений: рас­тяжения— в наружных слоях, сжатия — по внутреннем. По мере охлаждения под действием этих напряжений в стекле возникают пластические деформации, приво­дящие к постепенному уменьше­нию напряжений вплоть до пол­ной их релаксации (о=0, стадия 3). При достижении темпера­тур ниже T_g возникшие деформа­ции «замораживаются» и вызы­вают появление в упругой пласти­не постоянных напряжений, зна­чения которых пропорциональны деформациям, а соответственно равны значениям временных тер­моупругих напряжений (стадия 4)Однако знаки этих напряже­ний противоположны. Различная скорость охлаждения наружных и внутренних слоев стек­ла обусловливает и различную структуру этих слоев: в наружных сло­ях, охлажденных с более высокой скоростью, фиксируется неравновес­ная структура, соответствующая более высоким температурам и явля­ющаяся менее плотной (разница плотности достигает 20 кг/м³). Образование градиента структуры и свойств по толщине стекла, в свою очередь, приводит к возникновению постоянных напряжений I рода, од­нако эти структурные напряжения на порядок ниже закалочных.