Основные свойства стекла

Цель работы:

1. Изучить основные свойства стекла.

Содержание работы Физико-механические свойства стекла.

Правило адддитивности.

Для многих физических свойств стекла, как, например, коэффициент термического расширения, удельный вес, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, существует простое, приблизительное соотношение между численным значением данного свойства стекла и процентным содержанием отдельных компонентов. Эту закономерность свойств, связанную с химическим составом стекла, называют правилом аддитивности. Аддитивные свойства стекла зависят не только от того, какие окислы оно содержит, но и от количественного соотношения последних. Аддитвное свойство любого стекла равно сумме произведений процентного содержания каждого из окислов на коэффициент, выражающий влияние этого окисла на рассматриваемое свойство.

Правило аддитивности позволяет с определенной степенью приближения рассчитать свойства стекла на основании свойств входящих в него окислов. Но оно не может быть точным, так, как гипотеза о строении стекла из свободных окислов неверна.

Объем стекла обычно меньше суммы объемов входящих в его состав окислов, так как в процессе стеклообразования происходит уплотнение, вызванное образованием химических соединений и внутримолекулярными перегруппировками. Поэтому на практике при расчете плотности стекла пользуются коэффициентами с более высокими численными значениями по сравнению с плотностями составляющих окислов в свободном состоянии.

Расчетные данные, полученные по правилу аддитивности, носят приближенный характер; это всегда следует иметь в виду.

При расчете физических свойств стекла по правилу аддитивности расчетные коэффициенты следует рассматривать как приближенные практические “константы”. Их значения получаются не путем изучения отдельно взятых свойств окислов в стеклообразном состоянии, а путем изучения совокупности свойств отдельных стекол. Численные значения величин расчетных коэффициентов всегда будут колебаться; это не случайно, а закономерно связано с внутренней структурой стекла. Стекло при температуре выше точки превращения t_у– весьма «подвижно». Для каждого стекла сходного и даже одинакового состава эти различия всегда возможны и зависят от условий, в которых получено данное стекло.

1. Сопротивление растяжению, сжатию и изгибу

1)Сопротивление растяжению

При механических воздействиях стекла ведут себя не так, как например металлы, у которых при сжатии или растяжении сначала получаются пластические деформации, затем появляется текучесть и, наконец, происходит разрыв. У стекол почти отсутствует область текучести. Обладая высоким модулем упругости, стекло выдерживает только медленные и не очень сильные механические воздействия; при динамических или ударных нагрузках оно легко ломается.

Величина сопротивления растяжению является одним из важнейших свойств стекла, от которого зависит прочность стеклянных изделий.

При слишком быстром и неравномерном охлаждении в стекле возникают напряжения растяжения и сжатия. Величину этих напряжений в каждом отдельном случае необходимо учитывать в соответствии с величиной сопротивления растяжению. Для стеклянных изделий значительных размеров разрывающие напряжения считаются допустимыми, если их величина не превышает 1/5 прочности стекла на растяжение.

Прочность на растяжение промышленных стекол, в зависимости от состава, колеблется в пределах от 4 до 12 кг/мм². Расхождение опытных данных с данными, полученными расчетным путем, весьма часто достигают20%. При испытании на разрыв на соответствующем приборе необходимо, чтобы усилие, приложенное к палочке стекла, было направлено точно вдоль ее оси, во избежание возникновения изгиба, ведущего к преждевременному разрушению образца. Необходимо также учитывать качество отжига стекла, так как только хорошо отожженные стекла дают сравнимые результаты.

Закаленное стекло имеет более высокие показатели сопротивления растяжению, чем отожженное стекло того же состава, так как в закаленном стекле преобладают напряжения сжатия, поэтому при разрыве образца необходимо преодолеть эти напряжения и лишь после этого приложенные растягивающие усилия начнут оказывать действие на образец.

Химический состав также имеет влияние на величину разрывающего усилия. Оказалось, что при замещении SiO₂окислами типаR₂Oповышается прочность, причемK₂Oоказывает большее влияние, чемNa₂O. Окислы типаROповышают сопротивление растяжению; при этом на первом месте стоитCaO, за ним следуетBaOиPbO. Окиси магния и цинка оказывают меньшее влияние.

Хрупкий разрыв стеклообразных веществ. Наблюдения многих исследователей при испытании стеклянных палочек на разрыв, показали, что при рассмотрении поверхности разрыва стекла часто можно заметить две области; одна из них – зеркальногладкая, а другая – шероховатая, покрытая раковистыми извилинами, идущими от зеркальногладкого участка разрыва. Прочность образцов зависит от величины зеркальногладкой части поверхности. Результаты испытаний можно свести к следующему: относительная величина зеркальногладкой части образца тем больше, чем меньше прочность стекла на растяжение.

Поэтому зеркальная часть поверхности разрыва обладает весьма малой прочностью, и чтобы получить истинные значения прочности, необходимо действующую нагрузку относить не ко всему сечению образца S, как это принято в формуле:

(1)

где: P– разрывающее усилие в кг;

S– площадь поперечного сечения разорванного образца в мм².

Таким образом, прочность на растяжение является постоянной величиной и отклонение от нее зависит только от дефектов, дающих на поверхности излома зеркальный разрыв.

2) Сопротивление сжатию

Сопротивление сжатию отожженных стеклянных образцов приблизительно в 15-16 раз выше, чем сопротивление растяжению, и в среднем составляет от 60 до 160 кг/мм².

Сопротивления сжатию и растяжению являются для стекла свойствами, приблизительно аддитивными.

Стеклообразующие окислы по влиянию их на сопротивление сжатию располагают в следующем убывающем порядке:

Al₂O₃ SiO₂, MgO, ZnO B₂O₃ Fe₂O₃ BaO, CaO, PbO, Na₂O K₂O.

Заключенные в рамки окислы приблизительно одинаково влияют на величину сопротивления сжатию.

3)Сопротивление изгибу

На величину сопротивления изгибу оказывает влияние целый ряд различных факторов. найдено, что прочность на изгиб понижается с увеличением продолжительности приложения нагрузки.

Таблица

Среднее сопротивление изгибу образцов стекла различной ширины в кг/мм²

Стекло	Ширина образца в см
	10	20
Оконное	6,05	4,47
Зеркальное	4,56	3,80
Армированное	4,08	3,13

Состав стекла оказывает существенное влияние на величину сопротивления изгибу. Экспериментальные данные дают возможность расположить стеклообразующие окислы по влиянию на сопротивление изгибу в следующем возрастающем порядке: CaOBaOPbOZnOMgOB₂O₃Fe₂O₃SiO₂Al₂O₃.

Прочность на изгиб в лабораторных условиях определяется по формуле:

, (2)

где: W– разрушающая нагрузка в кг,

l– расстояние между опорами,

b– ширина образца,

d– толщина.