Вообразите себе кубический аквариум без рёбер жёсткости, со сторонами, каждая из которых равна трем метрам, а объем составляет двадцать семь тонн. Какой толщины стекло понадобится для его изготовления?
Оказывается, в теории для такого аквариума хватило бы стекла толщиной 3 мм. И даже с десятикратным запасом прочности. Только понадобился бы еще надежный металлический каркас по периметру, иначе его просто разорвет по шву — ни один силиконовый герметик не выдержит такую нагрузку.
И это вовсе не шутка. Дело в том, что теоретическая прочность на растяжение идеального бездефектного силикатного стекла очень высока — в среднем около 15000 МПа, но реальная (техническая) прочность обычного листового стекла ниже в сотни раз и на практике не превышает 30 МПа. Объясняется эта разница теорией Гриффитса. Можете загуглить, если интересно, но смысл таков: стекло разрушается из-за микротрещин и дефектов, которые концентрируют напряжения.
Качество поверхности и кромок — это основной фактор, влияющий на прочность стекла. Царапины, микротрещины, сколы и загрязнения на поверхности резко снижают прочность.
Из прочих влияющих на прочность факторов можно выделить:
- Так называемый, эффект масштаба. Чем больше лист стекла, тем ниже его средняя прочность на изгиб и удар (при одинаковой толщине и обработке). И наоборот — маленькие образцы оказываются прочнее. Поэтому при испытаниях на изгиб большой лист часто ломается при меньшей нагрузке, чем маленький образец того же типа стекла. Это классический статистический эффект (описывается теорией Вейбулла), который очень ярко проявляется именно в стекле, керамике и других хрупких материалах. Чем больше поверхность или объём стекла, подвергаемый растягивающим напряжениям, тем выше вероятность наличия критического дефекта, тем ниже ожидаемая прочность.
- Статическая усталость. Стекло «устаёт» со временем. Нагруженное на 30–50% от своей кратковременной прочности, оно может разрушиться не сразу, а через годы. Это явление называют также «задержанное разрушение»
- Длительное хранение, продолжительная транспортировка также увеличивают дефектность стекла. Влажная среда способствует росту микротрещин. В присутствии влаги (водяного пара из воздуха) на вершине трещины идёт химическая реакция (стресс-коррозия). Вода разрывает связи Si–O в стекле, особенно под напряжением, трещина медленно растёт и постепенно достигает критического размера.
По пределу прочности стекла можно разделить на следующие группы. В порядке возрастания:
- Обычное силикатное стекло. Расчетная прочность на изгиб: 15-30 МПа.
- Термоупрочнённое стекло. Прочность: 30-50 МПа
- Закаленное стекло. Прочность: 50-100 МПа.
Кстати, описанный ранее трехметровый аквариум, в реальных условиях пришлось бы делать из силикатного стекла, толщиной 80 мм. При такой толщине масса каждого из четырех вертикальных стекол составила бы 1800 кг, а максимальный прогиб в верхней части каждого стекла — 2,5 мм.
Добавить комментарий