Плотность и механические свойства стекол
Плотность — отношение массы тела к его объему ρ = m/V, кг/м 3 .
Плотность технических стекол в зависимости от их химического состава колеблется в довольно широких пределах: 220. 6300 кг/м 3 . Плотность стекол, применяемых для изготовления сортовой посуды и декоративных изделий из стекла, кг/м 3 : бесцветных и цветных натрий-кальций-силикатных — 2490. 2520, свинцовых хрусталей — 2400. 3200, бариевых хрусталей —2700. 2900.
Плотность стекол уменьшается с повышением температуры (например, от 20 до 1300 °С — на 6. 12 %). Плотность отожженных стекол больше, чем закаленных. Это связано с тем, что закаленное стекло имеет более «рыхлую» структуру, так как при закалке в стекле «замораживается» высокотемпературная структура. При отжиге структура «уплотняется». Плотность хорошо и плохо отожженных стекол различается на 20. 30 кг/м 3 .
Плотность стекол изменяется в зависимости от химического состава. Например, значительно повышают плотность оксиды тяжелых металлов PbO, ВаО, ZnO, в меньшей степени — СаО и MgO. Эта зависимость используется для контроля химического состава стекла, особенно при механизированном производстве изделий.
Степень постоянства плотности и, следовательно, химического состава стекла в различных точках образца или изделий характеризует однородность стекла. Однородность определяют чаще всего методом разделения порошка стекла по плотности и оценивают температурным интервалом между началом и концом всплывания частиц стеклянного порошка в жидкости при центрифугировании: чем меньше этот интервал, тем выше однородность стекла. Для сортовых и художественных стекол однородность характеризуется интервалом до 3°С.
Упругость — способность тела возвращаться к своей первоначальной форме после устранения усилий, вызвавших деформацию тела.
Упругость характеризуется модулем упругости. Модуль упругости — величина, равная отношению напряжения к вызванной им упругой относительной деформации. Различают модуль упругости при осевом растяжении — сжатии (модуль Юнга, или модуль нормальной упругости) и модуль сдвига, характеризующий сопротивление тела сдвигу или сколу и равный отношению касательного напряжения к углу сдвига.
В зависимости от химического состава модуль нормальной упругости стекол колеблется в пределах 4,8·10 4 . 8,3·10 4 , модуль сдвига —2·10 4 —4,5·10 4 МПа. Модули упругости и сдвига несколько повышаются при замене SiO2 на СаО, B2O3, Al2O3, MgO, ВаО, ZnO, PbO.
Твердость — сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела — наконечника (индентора). В большинстве случаев твердость оценивают по размерам отпечатка, оставшегося на поверхности материала. Твердость различных стекол 400. 1200 МПа.
Твердость стекла зависит от его химического состава: наиболее мягкие — многосвинцовые силикатные стекла, наиболее твердые — кварцевые, а также некоторые боросиликатные стекла с содержанием B2O3 до 12 %.
Повышенная твердость стекла затрудняет его механическую обработку. Для снижения твердости в состав стекла вводят щелочные оксиды и оксиды свинца.
Хрупкость — способность твердых тел разрушаться при механических воздействиях без заметной пластической деформации.
Хрупкость материала при ударных нагрузках называется ударной хрупкостью.
Хрупкость зависит от структурного состояния материала и условий испытаний: при увеличении скорости нагружения, понижении температуры, повышении степени концентрации напряжений и запаса упругой энергии хрупкость увеличивается.
Хрупкое разрушение стекла обычно начинается с поверхности вследствие образования и роста микротрещин. Хрупкость стекла зависит от состояния поверхности, толщины образца, степени отжига и химического состава. Из компонентов стекла в наибольшей степени уменьшает хрупкость B2O3, увеличение содержания в стекле SiO2, Al2O3, MgO уменьшает хрупкость на 5. 20 %, влияние остальных оксидов на хрупкость стекла незначительно.
Прочность — свойство материалов, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия (нагрузки, температурные, магнитные, электрические поля, неравномерное протекание физико-химических процессов в разных частях тела и т. п.).
В зависимости от разрушающих усилий различают прочность на разрыв, сжатие, изгиб, удар. Стекло обладает сравнительно высокой прочностью на сжатие и низкой — на удар.
Прочность стекла зависит от состояния его поверхности, химического состава, степени отжига, однородности, размера испытываемых образцов, окружающей среды и температуры.
Предел прочности массивного стекла, МПа: при разрыве или изгибе в зависимости от состава и состояния поверхности —25, сжатии — 500. 800, ударном изгибе — 15. 20. В то же время теоретическая прочность стекол намного превышает эти значения. Основная причина такого расхождения — трещины, царапины, неоднородности, при этом решающее влияние оказывает состояние поверхности стекла.
Такие оксиды, как SiO2, Al2O3, B2O3, MgO, ВаО, TiO2, увеличивают прочность, щелочные оксиды, PbO — уменьшают.
Температурная зависимость прочности стекла имеет сложный характер вследствие физико-химического воздействия атмосферной влаги. Минимальная прочность стекла — в интервале 150. 200°С. Увеличение прочности стекла при более высоких температурах вызвано уменьшением поверхностного поглощения влаги и уменьшением опасных перенапряжений у микротрещин.
К способам повышения прочности изделий относятся воздушная закалка, ионообменное упрочнение в расплавах солей, нанесение поверхностных покрытий.
Источник
Определение плотности стекла.
Плотность – величина, определенная для однородного тела как масса единицы его объема с размерностью г/см 3 , г/л.
Величиною похожей на плотность по размерности является концентрация – содержание (вес, масса) вещества в единице объема среды (растворителя).
Плотность – концентрация структурных единиц вещества (атомов, молекул, ионов) в единице объема пространства.
Другой величиной, похожей на плотность по размерности является удельный вес (г/см 3 ). (Удельный вес- отношение веса тела Р к его объёму V. Масса — мера инертности тела, величина постоянная, измеряется в килограммах (в системе СИ). Вес — сила, с которой тело действует на опору или подвес, измеряется в Hьютонах, зависит от внешних условий. В невесомости вес тела равен нулю, а масса остаётся неизменной.)
Плотность стекла является характеристикой, зависящей от его состава, т.е. чем большей атомной массой обладают элементы, входящие в состав стекла, тем выше его плотность. Плотность может изменяться в результате структурного уплотнения стекла. Плотность уменьшается с ростом содержания двуокиси кремния, достигая минимального значения 2,2 г/см 3 для кварцевого стекла и увеличивается с ростом содержания окислов цинка, бария, свинца. При 80% PbO плотность равна 6 г/см 3 . Увеличению плотности способствует термическая обработка: закаленное стекло имеет меньшую плотность, чем отожженное. Увеличению плотности способствует кристаллизация стекла.
Плотности стекол г/см 3 :
— стекло рассеивателя фар 2,46 – 2,48
— листовое 2,47 – 2,49
— свинцовый хрусталь 2,7 – 4
— флинты оптические до 8
Для измерения плотности используют методы:
1. Пикнометрическое взвешивание. Чистый и сухой пикнометр взвешивается на аналитических весах, затем в него помещается стекло и пикнометр взвешивается, далее заливается водой до метки и взвешивается.
Плотность определяется по формуле:
– вес пустого пикнометра
— вес пикнометра + осколка
– вес пикнометра с водой без осколка
— вес пикнометра + вода + стекло
— плотность воды (при 4°С = 1 г/см 3 )
— плотность воздуха при комнатной температуре.
Погрешность метода 0,001 г/см 3 . Рекомендуются пикнометры 25 – 50 мл, для микроосколков – 5 мл.
2. Метод гидростатического взвешивания. Основан на законе Архимеда и заключается в сравнении весов образца в воздухе и его же погруженного в жидкость (вода дистиллированная, толуол, ксилол). (Закон Архимеда – закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.)
|
|
Образец на проволоке 0,5 мм, предварительно взвешенный, подвешивается на коромысло весов и погружается в жидкость таким образом, чтобы он не касался ни дна, ни стенок сосуда.
– вес образца с проволокой в воздухе.
— вес проволоки в воздухе
— вес образца с проволокой в жидкости
— вес проволоки в жидкости
— плотность жидкости при температуре опыта
Необходимо следить, чтобы на осколке не было воздушных пузырьков.
3. Метод свободного осаждения.
Плотность стекол, осколки изделий из которых наиболее часто встречается в экспертной практике:
— рассеиватели фар 2,46 -2,48
— триплекс 2,47 – 2,49
— закаленное стекло сталенит 2,46 – 2,49
— тарное 2,46 – 22,51
— медицинское стекло 2,37 – 2,54
— строительное, листовое 2,45 – 2,50
— электровакуумное 2,49 – 2,89
Данные о плотности используются как один из основных признаков при дифференциации и идентификации групп. Для установления родовой принадлежности изделий из стекла значение плотности осколков сравнивается с табличными значениями для стекол целевого назначения.
Показатель преломления.
Определение показателя преломления: основными константами характеризующими плотность стекла является показатель преломления, дисперсия, угол полного внутреннего отражения, коэффициент поглощения и пропускания, оптическая плотность. (Доля света, которая проходит сквозь материал, характеризуется коэффициентом пропускания, а доля, которая поглощается — коэффициентом поглощения. Оптическая плотность D- мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через этот слой: D = lg (F0/F),). Закон Бугера –Ламберта- Бэра: Если мощность пучка, вошедшего в слой вещества толщиной l, равна Io, то, согласно Б.—Л.—Б. з., мощность пучка при выходе из слоя I = I 0 e — ccl , где c — удельный показатель поглощения света, рассчитанный на единицу концентрации с вещества, определяющего поглощение; c зависит от природы и состояния вещества и от длины волны проходящего излучения
В экспертной практике используются измерения показателя преломления. Показатель преломления обозначается nd 20 . 20 – температура, при которой измеряется показатель, D –желтая линия натрия.
nd 20 характеризуется отношением скорости распространения света в вакууме (для практических целей в воздухе) к скорости распространения в исследуемом объекте. Определяется как синус угла падения α к синусу угла преломления β луча в материале.
Значение nd 20 не зависит от внешних условий. При измерении не происходит уничтожение или видоизменение объекта, поэтому показатель преломления является устойчивым признаком, которого бывает достаточно при проведении исследования. Для определения показателя преломления используются рефрактометры, но применение для экспертиз ограничено необходимостью наличия у исследуемого объекта двух плоскопараллельных гладких поверхностей. Образец должен иметь форму прямоугольного параллелепипеда с размерами 20×20×10 мм с полированными и взаимно перпендикулярными гранями.
Источник
Как определить плотность стекла?
У каждого материала имеются собственные физические характеристики, которые будут определять его свойства и применимость в тех или иных ситуациях. Если вещество создается искусственным путем, то зачастую человек на этапе производства может изменять тот или иной показатель в угоду функциональному назначению.
Например, плотность стекла можно слегка подкорректировать при помощи добавления специальных присадок. Но это, скорее всего, повлияет и на прозрачность материала, поэтому такой подход практикуется крайне редко. Да и особой нужды в тонкой регулировке данного параметра нет.
Разновидности стекла
В промышленном производстве присутствует огромное количество марок стекол, так что и плотность данного вещества будет колебаться в больших пределах. Важно помнить, что стеклом называют не только диоксид кремния, но и еще довольно многие химические соединения. Просто большинство людей в жизни сталкивались только с бытовой моделью, поэтому совершенно никто не задумывается о существовании других марок.
Конечно, если встречается такой вопрос, то в первую очередь собеседник спрашивает об оконной разновидности. Но если подходить с правильной точки зрения, то следует выделять следующие виды плотности стекла в кг/м3 или в г/см3:
- — кварцевое стекло или горный хрусталь — 2200 (2,2);
- — силикатное стекло — 2500 (2,5);
- — свинцовое стекло — 2400-3200 (2,4-3,2);
- — бариевое стекло — 2700-2900 (2,7-2,9);
- — танталовое или висмутовое стекло — 7500 (7,5).
Кроме указанных марок также могут встречаться и другие виды стекол. Стоит заметить, что добавление в состав металла или его оксида значительно повышает плотность, но при этом и ухудшает прозрачность. Поэтому самые плотные стекла будет практически непрозрачными. Они используются в тех отраслях, где в первую очередь важна прочность, например в бронировании различных объектов.
э
Хотя бронированные автомобильные стекла являются полностью прозрачными. Это достигается благодаря их уникальному составу, который производители держат в секрете. На итоговый показатель плотности будет также влиять и предпродажная обработка материала.
Например, при обжиге стекло становится более плотным, так как при повышении температуры перестраивается кристаллическая сетка, и все молекулы как бы прижимаются друг к другу плотнее. А вот при закалке, которая подразумевает охлаждающие процедуры, плотность уменьшается, потому сто в итоге, если посмотреть под микроскопом, то материал будет иметь рыхлую структуру.
Плотность оконого стекла
Для рядовых граждан нужно знать только, что для бытовой марки плотность стекла равна 2500 килограмм на кубический метр. Это может пригодиться, когда нужно будет осуществить какую либо манипуляцию с окном и придется проводить расчеты. Чтобы не лазить по физическим справочникам и не искать все табличные значения основных показателей, их можно запомнить наизусть.
Также нужно знать, что поверхностная плотность стекла, как и любого другого вещества, не зависит от его толщины. Поэтому при проведении вычислений этот показатель не нужно брать в расчет. Единственную существенную роль будет играть площадь материала. Небольшой кусочек имеет точно такую же плотность, как и гигантский предмет, который занимает несколько этажей в отделке дома, в этом можно будет убедиться после проведения опыта.
Плотность материала 4 мм и 12 мм также будет абсолютно идентичной. Поэтому при решении любых практических задач не нужно использовать рулетку и замерять в отдельности все габариты. Можно смело пользоваться табличным значением. Важно лишь знать, какой именно тип стекла используется в работе.
Если же кто-то решит проверить плотность оконного стекла, то в формулу нужно будет подставить всего два значения: массу материала разделить на его объем. Получить эти показатели можно без особых проблем, так как они не требуют наличия сверхточного оборудования.
Обычных домашних весов вполне хватит, чтобы взвесить стекло, а посчитать объем тела, которое представляет собой прямоугольный параллелепипед, сможет любой школьник. Так что на сбор начальных данных уйдет не более 10 минут, а на вычисления — всего пара секунд. Таким образом, можно будет убедиться в правдивости табличных данных.
Плотность жидкого стекла
Для жидкого стекла плотность составляет 2400 килограмм на метр кубический. Этот показатель несколько ниже, чем у оконного аналога, но и состав у вещества существенно отличается. Кроме того, консистенция материала будет не твердой, а жидкой, даже скорее желеобразной. Соответственно и свойства будут отличаться на весомый показатель.
Это еще раз подтверждает, что в искусственно создаваемых веществах можно легко управлять основными техническими характеристиками. Жидким стеклом принято называть две разновидности соединений:
- — водно-щелочной раствор силиката натрия;
- — водно-щелочной раствор силиката калия.
Оптическая плотность такого материала, как стекло, представляет собой несколько иной показатель, который характеризует степень ослабления света при прохождении через прозрачный объект. Это значение вычисляется по гораздо более сложной формуле, которая требует логарифмирования.
Также нужно знать мощность светового потока, поступающего на поверхность стекла и мощность выходящего потока после преломления. Для измерения этих данных уже нужно использовать сложные приборы, которые имеются только в специальных лабораториях. Так что посчитать этот показатель в домашних условиях уже не получится.
Источник
