книги из ГПНТБ / Бартенев Г.М. Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла
.pdfя
»0
а\
о
о
СО
Г'
I
сг>
00
гм
«N
I
Ч
Я
Г. М. Бартенев
Заслуженный деятель науки РСФСР, д-р химических наук, профессор
СВЕРХПРОЧНЫЕ
И ВЫСОКОПРОЧНЫЕ
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ
СТЕКЛА
МОСКВА СТРОИИЗДАТ 1974
|
ГОС. ПУБЛИЧНАЯ----- |
|
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ |
УДК 691.6 : 666.117 : 539.4 |
ьИБЛИОТЕКА СССР |
|
* |
Г. М. Бартенев. Сверхпрочные и высокопрочные неоргани ческие стекла. М., Стройиздат, 1974. 240 с.
В книге, посвященной одной из актуальнейших проблем — высокопрочному состоянию стекла, раскрываются физические и физико-химические основы высокой прочности структуры не органических стекол и перспективы применения высокопрочных и в отдельных случаях сверхпрочных стекол в строительстве и технике. На основе новейших теоретических и эксперимен тальных данных проводится анализ особенностей разрушения, а также влияния природы стекла и ряда факторов на механизм разрушения и долговечность стекол в различных физических состояниях. Особое внимание уделяется кинетическому харак теру процесса разрушения под действием напряжений и теп лового движения (флуктуационный и фононный механизмы разрушения) и влиянию структурных особенностей стекол на уровни прочности и кинетику разрушения.
Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников стекольной промышленности, а также отраслей про мышленности, использующих высокопрочные стекла.
Табл. 26, рис. 108, список лит.: 549 названий.
(g) Стройиздат, 1974
30209—286
163—74
047(01)—74
ГЕОРГИЙ МИХАЙЛОВИЧ БАРТЕНЕВ
СВЕРХПРОЧНЫЕ И ВЫСОКОПРОЧНЫЕ
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТЕКЛА
Редактор издательства Э. А. Г у р в и ч
Внешнее оформление художника Э. С. Ф и л и м о н о в а
Технический редактор В. Д. П а в л о в а
Корректоры Л. С. Д е л я г и н а , Г. А. К р а в ч е н к о
Сдано в набор. 26/ІХ—1973 г. Подписано к печати 14/11 1974 г. Т-03960. Формат бОХѲО'Ѵів д. л. Бумага типографская № 1. 15 печ. л. (уч.-изд. 16,47 л.). Тираж 3.700 экз. Изд. № АѴНІ—2091. Зак. № 1014. Цена 1 р. 30 к.
Стройиздат
103777, Москва, Кузнецкий мост, д. 9
Владимирская типография Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6.
ОГЛАВЛЕНИЕ
|
П редисловие.......................................................................................................... |
|
5 |
|
'J |
Глава |
I. Теоретическая прочность |
твердых т е л ............................. |
8 |
|
I |
1. В в ед ен и е .............................................................................................. |
|
8 |
|
Т |
2. Теоретическая прочность твердых тел при всестороннем растя- |
||
|
, |
ж е н и и ..................................................................................................... |
|
9 |
|
?3. Теоретическая прочность при одноосном растяжении |
(прибли |
||
|
|
женные м ето д ы )................................................................................. |
при одноосном растяжении |
16 |
|
т4. Теоретическая прочность |
(точные |
||
|
|
м е то д ы )............................................................................................... |
|
22 |
5.Теоретическая прочность твердых тел при сдвиге . . . . . 32
Список литературы .......................................................................... |
35 |
^Глава II. Строение неорганических стекол, несовершенства и дефекты
|
структуры................................................................................................. |
|
|
|
|
36 |
|
|
1. |
Введение................................................................................................ |
|
и с т е к л а |
|
36 |
|
4 |
2. |
Неорганические полимеры |
|
38 |
|||
3. |
Исследование природы химических связей в неорганических |
|
|||||
4. |
стеклах методом аннигиляции позитронов .................................. |
|
40 |
||||
\ |
Структурные особенности неорганических стекол по данным |
49 |
|||||
гг |
5. |
ядерного гамма-резонанса |
(эффект М ессб ау эр а )..................... |
||||
, |
Кварцевое и борноангидридное стекла как неорганические по- |
57 |
|||||
6. |
л и м е р ы ................................................................................................... |
|
|
|
стекол . . |
||
V |
Различные концепции о строении неорганических |
60 |
|||||
^ |
7. |
Полимерная структура неорганических ст ек о л ........................ |
. |
62 |
|||
8. |
Микронеоднородное |
строение |
с т е к о л ...................................... |
|
64 |
||
I |
9. |
Структура и дефекты поверхностного слоя с т е к л а ................... |
66 |
||||
т |
|
Список л и тературы ......................................................................... |
|
|
|
73 |
|
Глава |
III. Уровни прочности |
неорганических ст ек о л ............................. |
|
78 |
|||
|
1. |
Уровни прочности |
листового |
с т е к л а ......................................... |
|
78 |
|
|
2. |
Уровни прочности |
стеклянных в о л о к о н ..................................... |
|
90 |
||
3.Прочность стеклянных волокон в вакууме и их уровни проч
ности ..................................................................................................... |
104 |
^ 4. Спектр уровней прочности.............................................................. |
109 |
1* |
а |
5. |
Влияние химического состава на |
прочность и уровни прочности |
, |
стекол и стекловолокон.................................................................... |
115 |
*> 6. |
Статистическая теория прочности и разброс данных испытаний 121 |
|
М 7. |
Влияние масштабного фактора |
на уровни прочности стекла |
|
и стекловолокна.............................................................................. |
125 |
^8. Статистическая теория прочности для материалов с полимо-
|
дальным |
распределением прочности ............................................. |
134 |
|
|
Список |
л и тер ату р ы ......................................................................... |
139 |
|
Глава IV. Прочность и процессы разрушения стекол с микротрещинами 143 |
||||
I. Введение........................................................................................... |
|
143 |
||
2. |
Два механизма |
разр у ш ен и я .................................................... |
145 |
|
V3. |
Механические |
потери при разруш ен ии .............................. |
146 |
|
4. |
Теория |
Г р и ф ф и та ..................................................................... |
149 |
|
5.Критика теории Гриффита и уточнение атермического механиз
ма разруш ения............................................................................ |
152 |
6.Временная зависимость прочности при атермическом механиз
ме разруш ен ия............................................................................ |
155 |
7.Термофлуктуационная теория и временная зависимость проч
ности хрупких т е л ........................................................................ |
158 |
—§ Влияние масштабного фактора и формы поперечного сечения
|
9. |
образца |
на долговечность ................................................................ |
|
169 |
|
Прочность и разрушение неорганических стекол в инактивной |
174 |
|||
|
10. |
и активной среде .............................................................................. |
|
||
|
О коррозии стекла под напряж ением ...................................... |
|
182 |
||
|
|
Список |
литературы .......................................................................... |
|
189 |
ГлаваV. Прочность и процессы разрушения высокопрочных стекол |
. |
193 |
|||
т '<■ 1. |
Разрушение и пределы текучести и вынужденной эластичности |
193 |
|||
; |
(«пластичности») высокопрочных неорганических стекол . |
. |
|||
2. |
Предельная прочность неорганических стекол в связи с |
их |
204 |
||
|
структурой ............................................................................................. |
. |
|||
|
- 3. Фононный |
механизм разрушения высокопрочныхстекол . |
211 |
||
4.Термофлуктуационная теория разрушениявысокопрочных
' 1 |
V 5. |
стекол................................................................................................ |
окружающей среды на |
разрушение высокопрочных |
219 |
Влияние |
230 |
||||
* |
" |
Список |
_ стекол........................................................... |
, |
|
,(, |
л и тер ату р ы .................... |
' . . . . ...............................238 |
|||
П рилож ение.............................................................................. |
|
.... |
240 |
||
то; <П!
t
Памяти академика Петра Александ ровича Ребиндера — основателя фи зико-химической механики материалов
ПРЕДИСЛОВИЕ
Неорганические стекла — типичные представители некристал лических твердых тел. Они обладают относительно высокой твердостью и исключительно высокой вязкостью, к тому же они прозрачны, что делает их денным материалом в технике и стро ительстве. Вместе с тем высокая вязкость стекол обусловливает некоторые отрицательные свойства, к которым в первую очередь относится хрупкость. При различных воздействиях поверхность стекла в отдельных локальных участках испытывает сильную концентрацию напряжений, которые не релаксируют из-за высо кой вязкости. Высокая концентрация напряжений приводит к разрыву химических связей и «порче» поверхности или к разру шению. Еще в процессе изготовления стекла из-за многочислен ных и неконтролируемых локальных воздействий часто образу ются поверхностные микротрещины (оптически невидимые). От сюда низкая по сравнению, например, с металлами прочность стекол. Если же специальными приемами предохранить стекло при формовании от локальных повреждений, то можно получить так называемое бездефектное стекло, которое является высоко прочным и даже сверхпрочным, так как достигает прочности лучших марок современных сталей. Обычные неупрочненные стекла, например листовые и прокатные, характеризуются низ кой прочностью — 5—10 кгс/мм2. Различными методами проч ность может быть повышена до 50—100 и даже до 200 кгс/мм2. Такие стекла относятся к высокопрочным. Бездефектные стекла достигают верхней границы прочности (300—400 кгс/мм2), опре деляемой прочностью самой структуры стекла. Сверхпрочные стекла (400—500 кгс/мм2 и выше) получают в виде отдельных об разцов особыми приемами, принятыми для некоторых составов стекол и для кварцевого стекла.
За последние десять лет в результате принципиально новых исследований процессов разрушения и прочности неорганиче ских стекол и стекловолокон и применения более совершенной технологии в промышленности совершен качественный скачок в методах получения высокопрочных стекол и в понимании меха
низмов их разрушения.
Настоящая монография освещает современное состояние проблемы и обобщает результаты многочисленных исследований прочности, долговечности и механизма разрушения стекол.
Техника, по выражению академика П. А. Ребиндера, — это мир твердых тел, для которых независимо от конкретного их применения самыми важными являются механические свойства. На практике применяют не сами вещества, а различные мате риалы на их основе. Поэтому на пути к практическому исполь зованию различных веществ стоит задача синтеза материалов с необходимыми свойствами.
Задачи управления структурой и механическими свойствами материалов успешно решаются новым пограничным разделом науК — физико-химической механикой материалов. Это ответ вление физической химии, созданное П. А. Ребиндером и его со трудниками, учитывает роль поверхностных явлений при структурообразовании материалов, которые все без исключения являются в той или иной степени микронеоднородными система ми. При этом физико-химическая механика опирается на совре менные представления молекулярной физики и физики твердого тела о структуре, тепловом движении и механизмах деформации
и разрушения твердых тел.
Физико-химическая механика решает две основные проблемы. К первой относится исследование механизмов деформации и разрушения твердых тел с целью управления процессами формо вания и обработки материалов, ко второй — изучение процессов структурообразования в твердых телах с целью получения ма териалов с заданными механическими свойствами. Такие же проблемы стоят в области синтеза и применения неорганических стекол — типичных микронеоднородных систем со структурой, аналогичной коллоидно-дисперсным структурам ряда важней
ших материалов.
Чтобы дать современное представление о проблеме прочно сти в целом, в монографии приведены сведения по теории проч ности и механизмам разрушения и деформации твердых тел. Статистические теории прочности, играющие в настоящее время все большую роль в расчетах прочности материалов и конструк ций, рассмотрены в одном из разделов книги.
Наибольшее внимание в монографии уделено физическим и . физико-химическим аспектам проблемы прочности материалов, так как этот подход дает наибольшие возможности для выясне ния механизма разрушения, а следовательно, и основу для вы бора путей упрочнения материалов и создания обоснованных
6
методов их испытания. В соответствии с представлениями ака демика С. Н. Журкова о природе разрушения твердых тел особо выделяется кинетический характер процесса разрушения стекол под действием напряжений и теплового движения (флуктуационный и фононный механизм разрушения).
Монография состоит из пяти глав. Глава I дает представление о современных методах расчета теоретической прочности твердых тел при отрыве и сдвиге. Во II главе приведены новые данные о
строении |
неорганических стекол. В связи с этим впервые рас |
|
смотрены |
ядерные |
спектроскопические методы применительно |
к стеклам. Один из |
них — метод аннигиляции позитронов — от |
|
личается большой чувствительностью в расшифровке природы химических связей в неорганических стеклах. Хорошим дополне нием к нему оказался метод ядерного гаммарезонанса (эффект Мессбауэра) в стеклах. В этой же главе освещен вопрос о раз личных дефектах и несовершенствах в стеклах и методах их об наружения. В III главе приведены результаты исследования не давно открытых в СССР дискретных спектров уровней прочно сти в стеклах. Открытие таких физически выделенных уровней прочности, связанных с особенностями строения и дефектами структуры стекол, несомненно, важнейшее достижение физики прочности стекла. В частности, показано, что чем выше уровень прочности стекла, тем существеннее различие в прочности стекол разного химического состава. Далее изложена статистическая теория прочности и масштабный эффект прочности применитель но к низкопрочным и высокопрочным стеклам, а также к мате риалам с полимодальным распределением прочности.
В IV и V главах рассмотрены различные механизмы разру шения и теории прочности и долговечности стекол с микротре щинами (низкопрочные) и без микротрещин (высокопрочные), а также влияние различных факторов на прочность стекол. При этом особое внимание уделено кинетическим представлениям о процессе разрушения и, в частности, роли фононов в механизме разрушения стекла. Кроме того, в V главе приведены теории разрушения высокопрочных стекол в связи с их строением, осо бенностями деформации (микропластичность, вынужденная эла стичность) и тепловыми свойствами (флуктуации, равновес ные фононы). Рассмотрено также влияние окружающей среды на прочность и долговечность стекол, в особенности поверхност но-активной среды (эффект Ребиндера), а также коррозия стек ла под напряжением.
Г л а в а I
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ
ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
1. ВВЕДЕНИЕ
Инженерная практика в машиностроении и в строительстве давно привела к пониманию того, что разрушение материалов зависит от различных локальных повреждений или дефектов, имеющихся в образце или детали. Однако оставался открытым вопрос, насколько существенно снижается прочность из-за нали чия в материале тех или иных дефектов. Материалы, с которыми следовало бы сравнивать прочность реальных материалов, долж ны быть твердыми телами с идеальной структурой, прочность ко
торой может быть найдена только |
расчетом (теоретическая |
прочность). |
определенное понятие. |
Теоретическая прочность — строго |
Следуя первым классическим работам Борна [16], Цвикки [37] и др., определим теоретическую прочность как прочность твер дых тел с идеальной структурой, не нарушенной никакими несо вершенствами, дефектами и повреждениями. Теоретическая прочность как характеристика структуры твердого тела вычис ляется для простых видов напряженного состояния, например для всестороннего или одноосного растяжения или же сдвига.
Расчеты прочности при сложнонапряженном состоянии весь ма интересны и важны для практики. Как это показал Понселе [32], при сложнонапряженном состоянии твердое тело может потерять устойчивость без разрушения в результате структурно го перехода от одной стабильной или метастабильной структуры к другой.
Высокопрочными являются не только материалы с идеальной структурой, но и реальные материалы с микронеоднородной структурой, если отсутствуют микротрещины и другие дефекты.
8