Давайте начнем с того, что сравним закалку металла и закалку стекла и сравним физический принцип упрочнения в разных случаях. Про металл вы, скорее всего, уже много раз слышал и примерно представляете логику.
Закалка металла - процесс довольно известный и широко применяемый. С точки зрения материаловедения тут всё довольно просто. Образуется упрочняющая фаза, которая тем или иным образом распределяется по объему материала.
Это как арматуры в бетон напихать. Но оказывается не только металл можно закалить.
Слышали про калёное стекло? Это то самое стекло, которое разлетается на мелкие кусочки и которое используется в лобовых стеклах автомобилей, чтобы в случае аварии не появлялся риск формирования опасных острых фрагментов.
По сути стекло закаливают так же, как это делают с металлами или их сплавами, зато вот сам физический процесс, который происходит внутри стекла, тут сильно отличается и очень интересен для его изучения.
Оказывается упрочнение при закалке может происходить не только по той причине, что образовалась какая-то дополнительная фаза и она "армирует" или упрочняет исходный материал.
Представьте себе, что вы взяли камеру от велосипеда. Накачали её вне покрышки до 2 атмосфер. Трогаете, а она представляет собой что-то типа живого удава. Мягкая и пластичная. Её стенку легко проткнуть иголкой. А теперь накачайте камеру до двух атмосфер внутри покрышки. Камера подпирает поверхность покрышки изнутри, а покрышка сжимается из-за сил упругости и не даёт камере расходиться дальше. На границе резина-внешняя среда образуется напряженное состояние и проколоть такую систему иголкой уже значительно сложнее. И да, не нужно тут говорить, что основной вклад тут делает сама покрышка - вы можете обмотать камеру скотчем и повторить фокус. Конечно же, покрышка защищает камеру, но эффект "напряженности" тоже сказывается на поверхностной прочности.
Так вот похожий механизм работает и при закалке стекла и он отличается от того, что мы привыкли называть закалкой.
Стекло - это очень странный материал. На самом деле это не твёрдое тело в том смысле, в каком мы его обычно представляем. У большинства твёрдых тел есть кристаллическая решетка, которая предусматривает строгое расположение частиц в некотором повторяющемся порядке. Это и называется твёрдым агрегатным состоянием. Но стекло аморфное. Оно не имеет строгой структуры, а похоже больше на разупорядоченное чередование жидкого и твёрдого состояний. При этом на ощупь оно будет твёрдым.
Это твёрдое состояние больше похоже на переохлажденную жидкость. Атомы перемешаны, а не аккуратно расположены, как это бывает в кристалле. Посмотрите на снимок с атомного силового микроскопа ниже, показывающий образование и прогрессирование локальных зон упорядочивания частиц в общем объеме, вызванных превращением расплавленного стекла в ту самую переохлажденную жидкость.
При нагревании частицы становятся еще более энергичными и начинают двигаться активнее. Передача им внешней энергии активизирует тепловое движение в системе. А вот теперь самое интересное.
Теперь, если вы внезапно погрузите раскаленный кусочек стекла в холодную воду, его внешний слой остынет гораздо быстрее, чем внутренний. Это создает разницу в плотности упаковки частиц в разных частях стекла. Внешний слой сжимается, а внутренний остается довольно рыхлым.
Эта разница в молекулярном расположении создает внутренние напряжения внутри стекла. Как будто снаружи пытаются сжать то, что есть внутри, а внутри эта часть сопротивляется. Эти напряжения на самом деле делают стекло прочнее.
Сжатый внешний слой действует как защитная оболочка, затрудняя образование и распространение трещин. Но есть одна загвоздка. Закалка также делает стекло более хрупким. Если трещине все же удастся пробить этот прочный внешний слой, она пройдет сквозь все, как горячий нож сквозь масло. Вот почему закаленное стекло, которое изготавливается путем закалки, разбивается на мелкие кусочки, а не на острые осколки.
Это очень хорошо видно на капле Руперта. Процесс закалки тут невероятно интенсивный. Расплав стекла сразу попадает в холодную воду и если сразу не разваливается на кусочки, то формирует каплю из стекла.
Сломать такую каплю почти невозможно и она выдерживает огромные механические нагружения. Зато если удастся надломить ей хвостик или всё-таки превысить показатели прочности, то стекло разлетается во все стороны, образуя мельчайшие частички.
Точно также, но в меньшей степени, ведёт себя и закаленное стекло. Оно представляет собой некоторую внутреннюю массу, которая вызывает напряжения во внешнем слое и упрочняет систему. Закалка стекла на практике используется не только для того, чтобы оно "хорошо и красиво разбивалось", но и для того, чтобы повысить показатели механических свойств.
Тут есть интересная икра слов игра слов. Нужно различать стекло закаленное и стекло каленоё. "Каленым" в разговорном языке порой называют стекло со специальной химической обработкой. Оно может как включать процесс термической обработки, так и использоваться и без него. Прочностные свойства тут будут обусловлены химическим составом.
При химической обработке стекломасса из диоксида кремния, которая содержит в себе кремний, алюминий, кислород и ионы натрия, взаимодействует с ионами калия. Происходит это при высоких температурах в жидком состоянии. В результате обработки в структуре стекла происходит замещение ионов натрия на более крупные ионы калия, что создаёт внутренние напряжения и вызывает упрочнения. Ну а поскольку там калий...то и...стекло заКаленноё.
По похожей технологии производится легендарное стекло для смартфонов Gorilla Glass. Сначала химическое взаимодействие, а потом дополнительная температурная закалка. Понятно, что весь технологический процесс нам никто не раскроет, но базовая логика именно такая.
--
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!
✅ Поддержать проект монеткой или задать вопрос можно тут! Здесь же я публикую фрагменты будущей книги, которую могут читать подписчики
👉💖 Ставьте лайки материалу, подписывайтесь на проект!
