ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ПЛОТНОСТЬ

Плотность (кг/м3) представляет собой отношение массы тела к его объему

Р = m/V,

Где р — плотность; т — масса, кг; V— объем тела, м3.

1 Координационным числом катиона называют количество удер­живаемых им анионов. Так, координационное число катиона крем­ния в стекле, связанного с четырьмя иоиами кислорода, равно 4.

Плотность стекол изменяется от 2200 до 7000 кг/м3 в зависимости от атомной массы элементов, входящих в их состав. Самые тяжелые стекла содержат много оксида свинца, а самые легкие стекла—оксиды малой атомной массы (оксиды лития, бериллия, бора). Низкую плот­ность имеет также и кварцевое стекло (р=2203 кг/м3).

Плотность стекла с точностью до 2—3-го десятичного знака рассчитывают по формуле

Ai + а2 + аз + • • • + ап р =------------ ,

-і - 4- JhL.

Pl Р2 Рз " ' Р п где Я], as, а„ — содержание отдельных компонентов, % по массе; Pi, Р2, Рз,-., Рп-—соответствующие им расчетные коэффициенты плот­ности.

Значения расчетных коэффициентов даны в табл.

3.1.

Плотность стекла при комнатной температуре измеряют гидро­статическим взвешиванием или при помощи пикнометров в ксилоле или керосине. Очень удобен способ свободного осаждения, по кото­рому образец стекла погружают в смесь жидкостей, несколько бо­лее плотную, чем стекло. В начале опыта стекло плавает на поверх­ности жидкой смеси, которую постепенно нагревают до тех пор, пока стекло не начнет погружаться и не окажется взвешенным в ней. При этой температуре плотности стекла и смеси оказываются рав­ными; зная плотность жидкости, определяют плотность стекла. Этот способ служит для повседневного производственного контроля по­стоянства состава стекла. В этих целях плотность испытуемой про­бы сравнивают с известной плотностью контрольного образца.

С повышением температуры плотность обычных про­мышленных стекол понижается в среднем на 15 кг/м3 на каждые 100 °С.

На плотность стекла влияет тепловое прошлое, в ча­стности скорость перехода из жидкого или пластичного состояния в твердое: чем она больше, тем ниже плотность

Стекла. Поэтому плотность закаленного стекла ниже, чем плотность отожженного, которое успело уплотниться. Удельная масса плохо отожженного стекла на 10— 20 кг/м[2], а закаленного на 80—90 кг/м3 ниже, чем плот­ность нормально отожженного стекла того же состава. Плотность некоторых промышленных стекол приведена в табл. 3.2.

3.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Упругие свойства. Нагрузка, приложенная к твердо­му телу, может вызвать его упругую или пластическую деформацию. Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки, пластическая в той или иной степени остается. Твердые стекла непластичны. Упругие их свойства ха­рактеризуются модулем упругости Е, измеряемым в Па или МПа. Чем он больше, тем меньше деформация стек­ла, что хорошо видно из уравнения

А1 — PIJES,

Где А/ — удлинение стержня длиной I и сеченнем S под действием нагрузки (силы) Р; Е — модуль упругости, определяемый чаще все­го по прогибу стеклянного стержня; для стержня круглого сечення

Е = 4Я/3/3/я#;

Для стержня прямоугольного сечения

Е = 4Р/3/4/Ьа3.

Здесь Р — нагрузка, приложенная посередине стержня, лежаще­го на двух опорах, Н; f — стрела прогиба, м; d — днаметр стержня, м; 6 — шнрнна стержня, м; а — высота стержня, м.

Модуль упругости стекол различного состава колеб­лется от 48 ООО до 83 ООО МПа (Е кварцевого стекла 71400 МПа, а стали 200 000 МПа). Это показывает, на­сколько низки упругие свойства стекла по сравнению с таковыми металлов. Парциальные значения Е для рас­чета упругости стекла по формуле слагаемости приведе­ны в табл. 3.3.

Оксиды СаО, А1203 и В20з, введенные взамен оксида кремния (В203 до 12 %), увеличивают модуль упругости. С повышением температуры стекла Е понижается. Е за­каленных стекол на 8—10 % ниже, чем Е отожженных.

Предел прочности при сжатии. Предел прочности стекла при сжатии Rc (Па) определяется разрушающей силой сжатия F, действующей на поперечное сечение S

Образца в направлении оси последнего, равномерно по всему сечению:

Rc — F/S.

Предел прочности обычных отожженных стекол при сжатии составляет 500—2000 МПа (оконного стекла 900—1000 МПа); предел прочности при сжатии чугуна — 600—1200 МПа, стали—2000 МПа. Таким образом, стек­ло и металлы близки по прочности на сжатие. В поряд­ке убывающего влияния на предел прочности стекла при сжатии оксиды располагаются в следующем порядке: А120з, Si02, MgO, ZnO, В203, Fe203, BaO, СаО, PbO, Na20, K20, Li20. Предел прочности при сжатии можно, хотя и не точно, рассчитывать по формуле слагаемости. Парциальные значения Rc для некоторых оксидов при­ведены в табл. 3.4.

Ла. Ввиду большого разброса результатов испытывают 10—30 об­разцов.

Предел прочности при растяжении и изгибе. Предел прочности стекла при растяжении /?р, Па, измеряется от­ношением нагрузки, разрывающей образец, к площади его поперечного сечения. В качестве образцов использу­ют круглые стеклянные палочки (штабики), которые на специальном приборе подвергают действию нарастающей нагрузки.

При поперечном изгибе в стекле со стороны действия усилия возникают напряжения сжатия, а с противопо­ложной— напряжения растяжения. Поэтому в конечном итоге предел прочности стекла при изгибе измеряют пре­делом прочности при растяжении:

R-p — PAIS,

Где Р — разрывающая нагрузка, Н; А — отношение плечей рычагов прибора; S -— площадь сечения образца в месте разрыва, м2.

Обычно результаты определения различаются между собой на 20—25 %. Такую же точность дает расчет і? рпо формулам слагаемости. Парциальные значения і? р для отдельных оксидов приведены в табл. 3.4.

Стекло работает на растяжение гораздо хуже, чем на сжатие. Теоретическая прочность стекла, т. е. прочность связей в его структурной решетке, является высокой и составляет примерно 10 000 МПа. Однако фактическая прочность стекла при растяжении гораздо ниже. Предел прочности стекла при растяжении колеблется от 35 до 100 МПа, т. е. он в 15—20 раз меньше, чем при сжатии. В то же время он в 10 раз меньше, чем предел прочности при растяжении стали.

Небольшой предел прочности стекла при растяжении объясняется тем, что на поверхности стекла всегда име­ются повреждения, микротрещины, царапины, инород­ные включения, которые резко снижают прочность, так как на этих дефектах создаются добавочные напряжения растяжения. Поэтому стекла с оплавленной (огнеполиро - ванной) поверхностью прочнее механически отполирован­ных: на них после полировки остаются микроскопические трещины. Химическим травлением поверхностного слоя стекла можно удалить дефекты и повысить прочность. Предел прочности стекла при растяжении может быть по­вышен в несколько раз путем изменения химического со­става и структуры поверхностного слоя за счет ионного обмена (см. п. 10.3).

3—468

При упрочнении стекла ионным обменом или закал­кой в его поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, компенсирующие разрывающее действие цара­пин, трещин и других дефектов.

Химический состав стекла в меньшей мере влияет на прочность стекла. Сильнее всего увеличивают предел прочности при растяжении оксиды кальция, цинка, пен - токсид фосфора, оксиды алюминия и бария. Оксид бора повышает этот предел при содержании в стекле до 15 %, а при большей концентрации понижает его.

Прочность стекла на сжатие, растяжение и изгиб сни­жается с увеличением размеров образцов, а также дли­тельности приложения нагрузки. Последнее явление на­зывают «усталостью» стекла. Прочность снижается и в условиях повышенной влажности воздуха.

Твердость. Твердость стекла — это сопротивление его поверхности прониканию в нее инородных тел. Чем выше твердость, тем больше требуется времени для механичес­кой обработки стекла и тем меньше его износ при исти­рании. В зависимости от способа измерения различают твердость царапанья, твердость вдавливания (микро­твердость), твердость сошлифовывания (абразивную твердость) и т. д.

Твердость царапанья определяют склерометром. Основной частью его является алмазная игла, под которой перемещается образен стекла. Давление иглы на стекло регулируется. Мерило твердости — либо ширина царапины, наносимой на стекло при определенном дав­лении, либо давление, прн котором на стекле образуется царапина определенной ширины.

Микротвердость Н (Па) определяют путем вдавливания в стек­ло под нагрузкой алмазной пирамиды. Расчет ведут по формуле

#=(l,854P-10-5)/D2,

Где Р — нагрузка, Н; D — диагональ отпечатка пнрамнды на стек­ле, м.

Мнкротвердость стекол составляет 3000—8000 МПа.

Твердость сошлифовывания (абразивная твердость) измеряется объемом стекла V, сошлифованным с поверхности образца при оп­ределенных условиях обработки: чем больше V за данный отрезок времени, тем меньше твердость. Абразивная твердость U связана с микротвердостью Н

U = К (1/Я2), где К — коэффициент пропорциональности.

Твердость стекла в сильной степени зависит от его со­става. Самые твердые стекла — кварцевое, высокоглино­земистое с содержанием 18—30 % А1203 и боросиликат - ное малощелочное с содержанием до 12 % В2О3. Самые мягкие — стекла, содержащие большое количество одно­валентных оксидов (многощелочные) или оксида свинца. Изъяны поверхности стекла влияют на его твердость так же, как и на остальные прочностные характеристики.

Хрупкость. Хрупкость — характерное свойство твер­дых стекол. Твердое стекло разрушается сразу же после достижения им предела упругой деформации. Поэтому хрупкость стекла характеризуется его сопротивлением мгновенной нагрузке — удару. Для ее измерения на одно и то же место стеклянного образца стальным шаром, па­дающим с определенной высоты, или маятниковым при­бором наносят удары до появления на образце трещины.

Хрупкость стекла, или его сопротивление удару D, ха­рактеризуется отношением прочности стекла при сжатии Rc к работе Р, Дж/м3, разрушения единицы объема об­разца V, м3:

D = RJP = Rc V/R;

Р =R/V,

Где R — работа всех ударов шара или маятника, равная 2 Gft (G — сила воздействия стального шара нли маятника на образец, Н; h — высота нх падения, м).

Хрупкость стекла зависит от его формы, размеров и особенно толщины; с увеличением толщины сопротивле­ние удару возрастает. Оно возрастает также при увели­чении сопротивления сжатию; равномерная закалка стек­ла повышает его в 5—6 раз. Имеет значение также со­став стекла: при увеличении содержания В20з (до 15 %), Si02, А120з, Zr02 и MgO прочность на удар повышается. Однако гораздо большее влияние на сопротивление стек­ла удару оказывают дефекты поверхности и присутствие в стекле инородных включений. Чем менее однородно стекло, тем больше его хрупкость. Поэтому нарушения технологического процесса производства стекла, ведущие к ухудшению его однородности, сопровождаются само­произвольным разрушением (так называемым боением) изделий в процессе выработки и обработки.