Николай Качалов - Стекло

Стеклянное тело, находящееся в таком напряженном состоянии, называют «закаленным».

Хорошим примером напряженного состояния может служить струнный музыкальный инструмент. Возьмем рояль. В нем струны с большой силой натянуты на чугунную раму. При этом они, точнее — вся внутренняя часть инструмента, находятся под действием растягивающих усилий, а рама — наружная часть системы — под действием сжимающих усилий. И те и другие внутренние напряжения, т. е. растягивающие у струн и сжимающие у рамы, очень велики и находятся на пределе прочности материала, что подтверждается непроизвольно происходящими обрывами отдельных струн, а иногда и разрушением рамы, которая сжимается натяжением многочисленных струн с силой до нескольких тонн.

Итак, закаленное стеклянное тело характеризуется присутствием внутренних напряжений — как сжимающих, так и растягивающих, — находящихся в состоянии равновесия. Но достаточно иногда ничтожной причины, чтобы это равновесие нарушилось и напряженное тело разлетелось вдребезги. Так бывает от лишнего поворота ключа настройщика струнного инструмента, так бывает при нанесении легкой царапины на поверхности закаленного стеклянного изделия. Примером подобного рода закаленного стекла могут служить так называемые «батавские слезки» — капли расплавленного стекла, которые падают в воду и застывают в виде маленьких грушевидных телец с остроконечными хвостиками. Они настолько сильно закалены от резкого охлаждения, что, если отломить их хвостик, они со взрывом разлетаются в стеклянную пыль.

Если же стеклянные изделия охлаждать медленно, так, чтобы во время всего периода охлаждения не возникло большой разницы в температурах наружных и внутренних слоев, напряжений не образуется. Такое изделие называется «отожженным». Ему не угрожает опасность внезапного разрушения, и оно не боится поверхностных повреждений.

В соответствии со сказанным, каждое стеклянное изделие, каким бы методом оно ни формовалось, непременно подвергается тщательному отжигу, т. е. медленному охлаждению в специально предназначенных для этого печах. Охлаждение должно происходить очень равномерно и тем медленнее, чем больше толщина стенок изделия. Очень крупные стеклянные вещи, например линзы астрономических объективов, достигающие 1 м в диаметре, отжигаются с большой осторожностью в течение нескольких месяцев. Мелкие же изделия, вроде обычной столовой посуды, могут быть удовлетворительно отожжены в течение нескольких часов.

Интересно обратить внимание на то, что внутренние напряжения в стекле иногда могут быть и полезными, значительно повышая механическую прочность изделия. Здесь все дело заключается в том, чтобы особенным образом распределить эти напряжения внутри изделия. Представим себе стеклянный брусок правильной геометрической формы. Если мы тотчас же после того, как он был отпрессован из расплавленной стекломассы, резко охладим его обдуванием струей холодного воздуха, он окажется закаленным с наличием весьма сильных напряжений. Как мы уже знаем, поверхностные слои его будут в сжатом состоянии, а внутренние — в растянутом. Если такой брусок начать сгибать, положив его, допустим, концами на две опоры и повесив посредине груз, который будем постепенно увеличивать, то можно заметить, что такой закаленный брусок покажет значительно большую прочность, чем обыкновенный, хорошо отожженный стеклянный брусок такого же размера. Окажется, что закаленный брусок сможет прогнуться, не разрушаясь, на значительно большую величину, чем отожженный.

Чтобы уяснить себе это довольно сложное явление, нужно прежде всего знать, что прочность стекла на сжатие примерно в десять раз больше, чем на растяжение.

Запомнив это, будем рассуждать следующим образом.

Если сгибать стеклянную пластинку, то, как легко себе представить, на ее выпуклой поверхности возникнут растягивающие усилия, а на вогнутой — сжимающие. Поэтому слой стекла, находящийся на выпуклой стороне, окажется в положении очень опасном: именно на этом слое появятся первые трещинки, которые при дальнейшем изгибании будут разрастаться в глубину и приведут к разрушению пластинки. Сжатый же слой стекла, расположенный на вогнутой стороне, находится вне опасности, так как стекло прекрасно сопротивляется сжатию.

Отсюда ясно, что для придания большей прочности стеклянному бруску нужно постараться воспрепятствовать возникновению в нем при изгибании значительных растягивающих напряжений. Это можно сделать, искусственно создав на его поверхности путем закалки избыток сжимающих напряжений. Тогда при изгибании бруска на его выпуклой поверхности растягивающие напряжения начнут возникать не сразу, а сперва будут постепенно ослабевать сжимающие напряжения, затем наступит момент, когда не будет никаких напряжений, и лишь после этого, когда брусок уже будет сильно согнут, начнут возникать растягивающие напряжения, создавая все большую и большую опасность разрушения бруска.

Все, что было сказано о стеклянном бруске, приложимо в большей или меньшей степени ко всякому другому стеклянному изделию, и, таким образом, мы приходим к выводу, что посредством должным образом проведенной закалки можно значительно повышать прочность стеклянных изделий. На практике этим широко пользуются.

Приведем несколько примеров. Существуют так называемые «водомерные» стекла, служащие для определения уровня воды в котлах высокого давления и представляющие собой бруски шириной пальца в два и длиной до одного метра. Такие стекла должны быть особенно механически и термически прочными, поскольку они находятся под давлением пара до 100 атмосфер и испытывают резкие температурные скачки. Обычно их изготовляют из стекла особого состава и подвергают сильной закалке. Чтобы убедиться, насколько в данном случае закалка повышает механическую прочность водомерного стекла, можно проделать следующий опыт: надев кожаную рукавицу и взяв брусок за одни конец, надо со всего плеча ударить другим концом по железной балке. Мы убедимся, что такое испытание всегда протекает без причинения вреда этой сверхпрочной стеклянной трости.

Второй показательный пример эффективности закалки можно видеть в производстве так называемого «сталинита» — автомобильного стекла повышенной прочности, которое при разрушении не дает острых осколков, а распадается на округлые мелкие горошинки. Такой эффект достигается при обдувании холодным воздухом листов стекла, накаленных до размягченного состояния. Обычно принято демонстрировать упругие качества подобного стекла фотографией: двое мужчин качаются на стеклянном листе, положенном своими концами на два стула. Это — достаточно убедительно.