Определение и снятие внутреннего напряжения в стекле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Внутренние напряжения в стекле

2. Факторы и причины возникновения внутреннего напряжения при термообработке стекла

3. Определение внутренних напряжений в стекле

4. Снятие внутренних напряжений. Отжиг

5. Контроль качества отжига

Список литературы

1. Внутренние напряжения в стекле

Внутренние напряжения в стекле могут возникнуть в результате приложения внешних механических воздействий (сжатия или растяжения); кроме того, они могут быть вызваны быстрым или неравномерным охлаждением стекла. Внутренние напряжения в стекле бывают временными и остаточными. Временные напряжения, например, термического происхождения возникают вследствие неравномерного распределения температур в различных участках материала и исчезают при устранении этого температурного градиента. Остаточные напряжения, наоборот, сохраняются в стекле после устранения вызвавших их причин. В зависимости от величины внутренние напряжения в стекле делятся на макро-, микро - и ультрамикроскопические, соответственно называемые напряжениями первого, второго и третьего рода. Величину напряжений первого рода в стеклах можно установить при изучении их в поляризованном свете путем определения величины двойного лучепреломления или методом деформации элементов, отрезанных от изделия из стекла.

Микро - и ультрамикроскопические напряжения в стеклах обычно весьма малы и в противоположность напряжениям первого рода определенной ориентации не имеют, в связи с чем они не вызывают деформации изделий из стекла при их разрезании. Значительные напряжения второго и третьего родов возникают лишь в кристаллических телах. В дальнейшем для стекол рассматриваются только внутренние напряжения первого рода термического происхождения. В стеклах напряжения этого рода, не упорядоченные по своему характеру, относятся, как правило, к числу пороков производства, поэтому для их ликвидации требуется дополнительная термическая обработка, называемая отжигом, который сводится по существу к равномерному и постепенному охлаждению изделий после их выработки (особенно это необходимо для массивных толстостенных изделий).

Внутренние напряжения по толщине закаленной пластинки стекла распределяются следующим образом: в середине пластинки сосредоточены положительные напряжения, соответствующие зоне растяжения, а на ее поверхности -- отрицательные, характерные для зоны сжатия. В нормально отожженном промышленном листовом стекле величина двойного лучепреломления в середине зоны его растяжения обычно не превышает 20 -- 60 ммк/см. Если образец стекла вырезают из изделия, необходимо учитывать, что при этом внутренние напряжения в стекле перераспределяются и конечные напряжения будут значительно меньше, чем первоначальные.

2. Факторы и причины возникновения внутреннего напряжения при термообработке стекла

При изменении температуры окружающей среды (воздуха, воды и др.) в помещенном в нее стекле возникают напряжения, под действием которых стекло может разрушиться.

Возникновение напряжений обусловлено следующими факторами:

-- низкой теплопроводностью стекла;

-- появлением значительных температурных градиентов при нагреве или охлаждении;

-- неравномерным изменением размеров и объема отдельных участков нагревающегося или охлаждающегося стекла.

Рассмотрим механизм возникновения напряжений в твердом стекле применительно к условиям эксплуатации изделий. Для наиболее массовых изделий (стеклянная тара, бытовая посуда, термосные колбы), температуры окружающей среды (воды) не превышают 100°С.

В этом случае стекло реагирует на температурные изменения как упругое тело и возникают временные термоупругие напряжения, исчезающие (если стекло не разрушилось) при выравнивании температуры. Пусть имеется стеклянный шар, который мысленно можно разделить на ядро и внешний слой. Последний в свою очередь разделен на Если шар нагрет, все его части имеют одинаковую температуру, поэтому напряжения внутри шара нет. При резком охлаждении внешний слой будет остывать значительно быстрее, чем ядро, поэтому объем шара уменьшается неравномерно. Если бы секторы внешнего слоя не были связаны между собой, то каждый из них сжался бы, а между ними образовались свободные пространства. Но так как частицы стекла во внешнем слое связаны, между ними возникают напряжения растяжения, которые могут довести внешний слой до разрушения, т.е. до образования радиальных трещин, идущих от поверхности. Между внешним слоем и ядром будут создаваться напряжения сжатия, так как ядро противодействует сжатию внешнего слоя под действием более резкого охлаждения последнего.

При резком нагревании внешний слой, нагреваясь быстрее ядра, стремится увеличиться в объеме и отслоиться от ядра. Но так как он связан с ядром, то между ними возникают напряжения растяжения. Между частицами внешнего слоя, которые не могут оторваться от ядра, но увеличиваются в объеме, возникают напряжения сжатия.

Если принять во внимание, что стекло сопротивляется растяжению во много раз хуже, чем сжатию, а прочность стекла сильно зависит от состояния поверхности, и резкий тепловой удар получает всегда поверхность стекла, то для стекла более опасно быстрое охлаждение, чем нагревание.

Термостойкость стекла зависит главным образом от температурного коэффициента линейного расширения, модуля упругости, предела прочности при растяжении.

В основном термостойкость стекла определяется температурным коэффициентом линейного расширения: чем он меньше, тем выше термостойкость. Для стеклоизделий термостойкость в значительной степени зависит от состояния поверхности и однородности стекла. Сколы, царапины, трещины, неоднородность состава и плохой отжиг -- все это резко снижает термостойкость стекла.

Плохая теплопроводность способствует неравномерному распределению напряжений по сечению охлаждающего стекла при термическом воздействии, поэтому, чем тоньше и равномернее по сечению стенки изделия, тем выше его термостойкость. Именно этими факторами обеспечивается высокая термостойкость термосных колб.

3. Определение внутренних напряжений в стекле

Качественный анализ остаточных внутренних напряжений в стекле проводят при помощи полярископов типа ПКС, ПКС-500 и ряда других. Их чаще всего используют для определения качества отжига изделий в производственных условиях. Количественное определение остаточных внутренних напряжений в стекле производят поляриметрами. Наиболее распространен метод определения остаточных внутренних напряжений в стекле полярископом-поляриметром, принципиальная схема которого приведена на рис. 96.

Устройство прибора. Прибор состоит из осветителя /, в металлическом корпусе которого установлена лампа 2 мощностью не менее 100 вт, матового стеклянного экрана 3, поляризатора 4, представляющего собой поляроидную пластинку или призму николя, предметного столика 5 с расположенной на нем стеклянной ванночкой 6, заполняемой иммерсионной жидкостью, в которую погружают образец 7. Мерительная головка 8 состоит из линзы 9, движка 10 (с тремя щелями), окуляра // с вмонтированными в него поляроидом-анализатором, угломерным диском или лимбом со шкалой и визирной стрелкой. Все узлы прибора расположены на Т-образной станине 12, и каждый из них за креплен соответствующим винтом.

Измерение напряжений. Внутренние остаточные напряжения в стекле определяют на образцах различных конфигураций и размеров, например: пластинки шириной 3-- 3,5 см и длиной около 10 см или кольца высотой 10--15 мм, которые вырезают из труб различного диаметра и толщины; в последнем случае пап ряжения измеряют на целых (неразрезанных) кольцах для того, чтобы не нарушить установившиеся внутренние напряжения в стекле.

Образцы стекла должны быть однородными, так как шлиры, свили и камни вызывают местные остаточные напряжения.

Образцы погружают в стеклянную ванночку, наполненную иммерсионной жидкостью (бензолом, керосином и пр.), или смазывают с торцов керосином. Торцы колец, как правило, предварительно подвергают тонкому шлифованию. Все это направлено к устранению деполяризации и рассеивания света неровностями граней образцов.

Перед установкой образца включают осветитель прибора и устанавливают анализатор вместе с пластинкой в V4 X "на темноту". Для этого глаз наблюдателя должен быть расположен перед анализатором, вращением которого вокруг горизонтальной оси добиваются полного затемнения поля зрения поляриметра. Данное положение анализатора обычно соответствует нулевому положению указательной стрелки на шкале угломерного диска. Если при нулевом положении стрелки полного затемнения поля зрения не наблюдается, следует, сохраняя нулевое положение анализатора, поворачивать поляризатор до появления максимальной темноты в поле зрения поляриметра и закрепить это положение обоймой, в которую вмонтирован поляризатор.

После этого ванночку, наполненную соответствующей иммерсионной жидкостью, устанавливают на столик прибора и опускают в нее образец стекла, ориентируя его так, чтобы поток поляризованных лучей проходил перпендикулярно длинной торцовой грани образца (в случае пластинки). При наблюдении в поле зрения анализатора в торце образца отчетливо видны две темные нейтральные линии, близко расположенные к периферии пластинки с наличием между ними беловато-серого фона.

После этого медленно вращают анализатор до тех пор, пока наблюдаемые в поле зрения черные линии не сольются в одну утолщенную линию. Затем анализатор слегка поворачивают в обратную сторону, в результате чего образуется небольшой просвет между линиями, которые затем снова доводят до соприкосновения. В момент слияния линий их цвет из черного переходит в коричневый. Угол поворота анализатора отсчитывают по лимбу поляриметра. Ширину образца стекла (пластинки) на исследуемом участке обычно измеряют в трех точках и принимают среднее арифметическое. Величину разности хода А лучей рассчитывают по формуле

Разности хода лучей в одну волну соответствует угол поворота анализатора в 180

Так же В. Л. Инденбом предложил метод экспериментального определения внутренних напряжений по сечению пластинки закаленного стекла. Сущность его заключается в том, что по изменению двупреломления, наблюдаемого в поляризованном свете в средней части пластинки при постепенном послойном ее сошлифовании, определяют напряжения, существующие на поверхности стекла. Этот метод дает более точную характеристику "степени закалки" стекла, чем измерение двупреломления в средней плоскости образца.

Известно, что в хорошо отожженном стекле разность хода световых лучей находится в пределах одной волны, при этом интерференция показывает характерные серовато-белые цвета первого порядка, которые являются надежным критерием для установления хорошего качества отжига стекла (отсутствие значительных остаточных напряжений). Однако они не позволяют точно определить численное значение разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей.

В плохо отожженном или закаленном стекле в результате значительных остаточных напряжений разность хода световых лучей становится уже весьма большой и характеризуется интерференционными окрасками высших порядков, которые качественно (визуально) хорошо определяются при помощи любого поляриметра.

4. Снятие внутренних напряжений. Отжиг

Для того чтобы в изделии не было опасных для эксплуатации напряжений, его подвергают тепловой обработке -- отжигу. Стекло может разрушиться, если остаточные напряжения в нем достигают 700 кгс/см2. В процессе отжига эти напряжения снижаются до 35 кгс/см2, т. е. до 5%. Для каждого вида стекла в зависимости от его конфигурации и химического состава устанавливают свой режим отжига. Для этого определяют прежде всего температурный интервал, в котором могут возникнуть или исчезнуть остаточные напряжения. Этот интервал, называемый зоной отжига стекла, ограничивается высшей и низшей температурой отжига.

Под высшей температурой отжига подразумевают ту температуру, которая отвечает вязкости стекла 1013 П. При этой температуре напряжения в стекле уменьшаются в 10 раз за время, равное 5 мин. Эта температура соответствует границе хрупкого состояния стекла.

Под низшей температурой отжига подразумевают температуру при которой вязкость стекла соответствует 1015 П. При этой температуре напряжения уменьшаются в 10 раз за время, в 100 раз большее, чем при верхней температуре отжига, т. е. за 500 мин.

Разница между высшей и низшей температурами отжига для обычных стекол составляет 100° С, а для оптического стекла -- 150° С. Процесс отжига стекла состоит из четырех стадий (рис. 1).

I стадия -- предварительный нагрев или охлаждение (отрезок I). Изделия доводятся до заданной высшей температуры отжига со скоростью, не вызывающей их разрушения.

II стадия -- выдержка при постоянной температуре (отрезок II). Изделия выдерживают при высшей температуре отжига в течение времени, достаточного для заданного уменьшения напряжений.

III стадия -- медленное охлаждение (отрезок III). Изделия охлаждаются с достаточно малой скоростью, не допускающей возникновения новых остаточных напряжений, превышающих заданные.

IV стадия -- быстрое охлаждение (отрезок IV). Изделия охлаждаются со скоростью, обеспечивающей допустимые временные напряжения.

Рис. 1. Графики отжига: а -- штучных изделий, б -- листового стекла; I--IV -- стадии отжига

Температура, скорость охлаждения и продолжительность каждой стадии зависят от вида изделия, его конфигурации, химического состава. Поэтому для каждого производственного процесса устанавливают свой особый режим отжига. При отжиге листового стекла, вырабатываемого машиной ВВС, II стадия отсутствует. При изготовлении стеклоизделий большое значение имеет контроль качества отжига. Методы контроля качества отжига основаны на том, что в стекле под действием внутренних напряжений возникает двойное лучепреломление, которое проявляется в виде окраски при просмотре в полярископе.

Рис 2. Печи для отжига стекла

Стеклоизделия отжигают в камерных, вагонеточных, муфельных, роликовых, циркуляционных и вертикальных печах. Наибольшее распространение получили муфельные отжигательные печи ЛМН-1000-18 (рис. 3) и 2ПО-180. В этой печи изделия непрерывно перемещаются на сетчатом конвейере 7, последовательно проходя все стадии отжига.

Эффективность муфельных печей высока, так как для тепловой обработки стеклоизделий максимально используется тепло самих отжигаемых изделий. Печь состоит из чугунных секций, скрепленных болтами. Головная часть обогревается жидким или газообразным топливом, которое сжигается в камере 8, футерованной шамотным кирпичом. Продукты горения движутся по трубопроводу 2 и по горизонтальным нижним и верхним подовым каналам 9 к отсасывающему вентилятору 3.

Золотники 6 служат для подачи в горячую зону холодного воздуха (в случае необходимости). В холодной части за туннелем 1 отжига находится открытый конвейер для окончательного охлаждения и сортировки изделий. Сетчатый конвейер перемещается приводом 5. Листовое стекло отжигают также в электрических отжигательных печах ЭПО-160. Стекло в них перемещается с помощью вращающихся валков. Туннель печи выполнен в виде металлического каркаса, футерованного огнеупором. Вращающиеся от электродвигателя валки в горячей зоне асбестированы и охлаждаются водой. Температурный режим отжига стекла в этих печах поддерживается автоматически.

Рис. 3. Муфельная отжигательная печь: 1 -- туннель, 2 -- трубопровод, 3 -- вентилятор, 4 -- сортировочная рама, 5 -- приводная станция, 6 -- золотник, 7 -- сетчатый конвейер, 8 -- топочная камера, 9 -- подовые каналы

Так же для отжига стеклоизделий используется печь с газовыми горелками (Рис. 4)

Рис. 4. Устройство печи с газовыми горелками для отжига ампул 1 - корпус; 2 - камера нагрева; 3 - камера выдержки; 4 - камера охлаждения; 5 - стол загрузки; 6 - стол выгрузки; 7 - газовые горелки; 8 - конвейер; 9 - кассета с ампулами

Печь состоит из трех камер: нагрева, выдержки (отжига) и охлаждения ампул. На верхнем своде камеры нагрева и выдержки в тоннеле установлены газовые горелки инфракрасного излучения типа ГИИВ-2, под нижними чугунными плитами, образующими пол печи, помещены горелки инжекторного типа.

Для отжига ампулы загружаются в металлические контейнеры капиллярами вверх; в одном контейнере помещается около 500 ампул вместимостью 10 мл. Кассеты в туннеле перемещаются с помощью цепного конвейера. В камерах нагрева и выдержки ампулы нагреваются до температуры 560-580°С с выдержкой при этой температуре около 10 минут. Зона охлаждения разделена на две части: в первую часть (по ходу движения) подается противотоком воздух, прошедший вторую часть и имеющий температуру около 200°С.

В первой зоне этой камеры происходит постепенное охлаждение ампул в течение 30 минут. Во второй зоне ампулы быстро охлаждаются воздухом до 60°С за 5 минут, затем до комнатной температуры и проходят к столу выгрузки. Принятый двухступенчатый процесс охлаждения исключает возможность возникновения повторных напряжений в стекле ампул. Над верхним сводом печи установлен вентилятор подачи воздуха для охлаждения ампул. Боковые стены печи имеют смотровые окна для наблюдения за работой горелок.

5. Контроль качества отжига

Контроль отжига стеклянных изделий основан на свойстве стекла терять свою оптическую изотропность при наличии в нем остаточных напряжений. Количественно величину напряжений измеряют поляриметрами, имеющими специальное приспособление - компенсаторы.

Компенсаторы изготовляют из некоторых кристаллических веществ с определенной величиной двойного лучепреломления. По углу поворота компенсатора, при котором уравнивается разность хода лучей в измеряемом напряженном стеклянном изделии, определяют - величину этих напряжений.

Контроль качества отжига стеклянных изделий производится на поляриметре, на кольцах шириной 10 - 15 мм, вырезанных из проверяемых труб.

В промышленности для отжига стеклянных изделий используются в основном следующие типы непрерывно действующих печей: вагонеточные с горизонтальным перемещением стеклянных изделий; горизонтальные конвейерные с непрерывным перемещением стеклянных изделий на различных конвейерах (сетчатых, пластинчатых, роликовых и др.); вертикальные конвейерные с конвейерами люлечного типа. Обычно выбирают такую температуру отжига стеклянных изделий, при которой выдержка составляет от 3 до 20 мин.

Вертикальная печь может применяться для отжига стеклянных изделий и одновременной их транспортировки с этажа на этаж.

Любая стеклодувная мастерская должна иметь большую печь для отжига крупногабаритных стеклянных изделий и обязательно несколько малых муфельных печей.

термообработка стекло деформация отжиг

Рис 5. Управление печами отжига.

Список литературы

1.Волгина Ю.М. Теплотехническое оборудование стекольных заводов. М.: Стройиздат, 1982

2.Химическая технология стекла и ситаллов// Под ред. Н.М.Павлушкина. М.: Стройиздат, 1983

3. Аппен А.А. Химия стекла, М., Химия, 1974.

4. Бутт И.М., Попляк В.В. Технология стекла. М., Стройиздат, 1971.

5. Гинзбуг Д.Б. Стекловаренные печи. М., Стройиздат, 1967.

Размещено на Allbest.ru