Механические свойства стекол

К группе механических свойств относятся плотность, твердость, хрупкость и прочность.

Плотность характеризует количественное содержание вещества в единице объема. Плотность промышленных стекол изменяется в пределах от 2200 до 7500 кг/м³. Плотность стекла является функцией состава и структуры. Низкие значения плотности характерны для боратных, боросиликатных стекол, а также для кварцевого стекла. Плотность стекол повышается с увеличением содержания тяжелых элементов (PbO, Bi₂O₃, Ta₂O₅, WO₃).

Твердость характеризует способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела. От твердости зависит его сопротивление различным видам механической обработки: шлифованию, резки, сверлению. Для определения твердости стекла часто используют величину микротвердости, определяемую путем вдавливания в стекло алмазной пирамиды.

Наиболее высокой твердостью обладает кварцевое стекло, а также высокоглиноземистые стекла с содержанием до 30% Al₂O₃ и бесщелочные боросиликатные стекла с содержанием до 12 % B₂O₃. С повышением содержания щелочных оксидов в составе стекла снижается их твердость. Наиболее мягкими являются многосвинцовые силикатные стекла.

Хрупкость характеризует способность материала разрушаться без заметной пластической деформации. Стекло относится к типично хрупким материалам и практически не испытывает пластической деформации, разрушаясь сразу, как только достигнут предел упругой деформации. Мерой хрупкости стекла является его сопротивление удару – ударная вязкость, определяемая как работа ударного излома, отнесенная к площади поперечного сечения образца. Ударная вязкость стекол при обычных температурах лежит в пределах 1,5-2,5 кН/м. Ударная вязкость повышается при увеличении в составе стекла таких оксидов, как MgO, B₂O₃, Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, а хрупкость соответственно понижается.

Значительное влияние на хрупкость оказывают форма и размеры образца, а также однородность и качество стекла.

Прочность характеризует свойство материала сопротивляться разрушению при воздействии внешних нагрузок. Техническая прочность стекол зависит от вида действующего напряжения.

Прочность стекла на изгиб меняется в пределах 0,35 – 1 МПа, на сжатие от 5 до 25 МПа. Как видно, изделия из стекол способны выдерживать гораздо более высокие напряжения на сжатие, чем на растяжение.

Известно, что теоретическая прочность материала является физически определенной величиной и во многом определяется природой и прочностью химических связей, а техническая прочность характеризует прочность реальных изделий. Для многих материалов, в том числе и для стекла, реальная прочность на 3–4 порядка ниже теоретической. Это расхождение объясняется наличием на поверхности твердых тел большого числа микродефектов, названных трещинами Гриффитса, которые служат сильными концентраторами напряжений. Механизм разрушения стекла включает две последовательные стадии: сначала происходит рост наиболее опасной трещины, а затем возникновение и одновременный рост большого числа вторичных трещин.

Наличие дефектного поверхностного слоя и обусловливает низкую техническую прочность стекол, поэтому известные способы упрочнения стекла основаны на блокировании и стабилизации дефектов на поверхности стекла. Например нанесение различных защитных покрытий и создание в поверхностном слое напряжения сжатия. В настоящее время существует два метода создания сжимающих напряжений: термический (закалка) и химический (ионный обмен).