Ohlédnutí za Mezinárodním hrnkovým sympóziem 2001  
 
Pevnost skla
Ing. Petr Exnar, CSc. - Technika, technologie - vydání 8/2001

Jednou z nejdůležitějších vlastností skla je jeho pevnost. Sklo je typický křehký materiál a z toho vyplývá řada důsledků, které musíme, ať se nám to líbí nebo ne, při jeho zpracování i použití respektovat.


 
 

Teoreticky je sklo velmi pevná látka, běžně známou skutečností je však extrémní závislost pevnosti skleněných výrobků na kvalitě povrchu, respektive jeho poškrábání. Lom skleněných výrobků začíná téměř vždy na povrchu s výjimkou případů, kdy se uvnitř skla vyskytuje nehomogenita. Další známou skutečností je větší odolnost skleněných výrobků při ohřívání než při chlazení. Obě tyto skutečnosti úzce souvisejí s pevností skla.

Teoreticky vypočítaná pevnost skla (v tahu i v tlaku) dosahuje vysokých hodnot 10 000 až 16 000 MPa. Maximální experimentální hodnoty pevnosti v tahu naměřené na speciálních tenkých vláknech se těmto hodnotám skutečně blíží (pro křemenné sklo až 14 000 MPa). Pevnost běžných výrobků je však podstatně nižší a naměřené hodnoty mají velmi značný rozptyl. Sklo jako typický křehký materiál má mnohem nižší skutečnou pevnost v tahu (respektive v ohybu) než v tlaku (asi 10 až 15x), a proto je prasknutí skleněných výrobků téměř vždy vyvoláno tahovým napětím. Při ohřívání skleněného výrobku dochází vlivem teplotní roztažnosti skla ke zvětšení objemu povrchových vrstev, a to vyvolá tlakové napětí na povrchu a tahové napětí uvnitř výrobku. Při ochlazování je tomu naopak a na povrchu je tahové napětí. Hodnota tohoto přechodného napětí může dosáhnout značné velikosti. Například výpočtem pro náhlé ochlazení povrchu plochého skla ze 65 °C na 15 °C vychází v povrchové vrstvě hodnota krátkodobého přechodného tahového napětí 28 MPa.  Toto tahové napětí působí na přítomné mikroskopické trhlinky vzniklé poškrábáním a podporuje jejich otvírání a šíření. Čím je ochlazování rychlejší a rozdíl teplot větší, tím je vyvolané tahové napětí větší a šíření trhlinek může způsobit až prasknutí výrobku. Typickým příkladem je praskání zahřátého skleněného nádobí při ponoření do studené vody. Také v myčkách na nádobí často praská skleněné nádobí v důsledku rychlých změn teploty a tím vyvolaných  napětí. U masivních skleněných výrobků, například váz nebo plastik, může jejich prasknutí způsobit již rychlé ohřátí nebo ochlazení o několik desítek stupňů Celsia.

Z řady experimentů vyplývá, že u skleněných výrobků bývá v okamžiku zhotovení vzhledem k povrchovým vadám často pevnost v tahu, respektive v ohybu, jen 100 až 300 MPa, navíc při další manipulaci a používání rychle klesá. Běžně používané skleněné výrobky mají skutečnou pevnost v tahu, respektive v ohybu, jen 20 až 100 MPa, která poškrábáním může dále klesnout až na 12 MPa. Prakticky každý z nás obdivoval lehkost a přesnost práce sklenáře při řezání plochého skla na zasklívání oken. V tomto případě sklenář úmyslně poruší povrch skla diamantem, který způsobí rýhu, a následně již ťuknutím nebo malým tlakem lehce odlomí sklo podle této rýhy.  Na pevnost skla má dále značný vliv i únava materiálu vznikající dlouhodobým namáháním a působením vody, která může dále snížit skutečnou pevnost až na jednu třetinu.

Výše uvedené výsledky lze shrnout do konstatování, že běžné skleněné výrobky mají již v okamžiku zhotovení pouze kolem 1 % teoretické pevnosti, která dále klesá  používáním výrobku až na 0,1 % teoretické pevnosti. Při dlouhodobém namáhání musíme počítat pouze s 0,03 % teoretické pevnosti.

Hodnoty teoretické pevnosti v tahu prakticky všech hromadně vyráběných skel jsou podobné. V případě, že v některém místě výrobku (hlavně na povrchu) dosáhne tahové napětí kritické hranice, dojde k lomu výrobku. Napětí má několik složek, které mají buď trvalý nebo přechodný charakter. Trvalý charakter má působení chemické nebo fyzikální nehomogenity ve skle a dále trvalé vnitřní napětí, které je důsledkem nedostatečného vychlazení výrobku při výrobě. Chlazení skla bude vzhledem k jeho důležitosti věnován samostatný příspěvek. Přechodný charakter má vedle mechanického působení hlavně napětí vznikající v důsledku gradientů teploty při ohřátí nebo ochlazení skleněného výrobku. Všechny uvedené složky trvalého a přechodného napětí se vzájemně prostorově (odborně řečeno vektorově) skládají a pokud výslednice působení přesáhne kritickou hranici, dojde k lomu.

Pevnost skleněných výrobků lze však do značné míry i pozitivně ovlivňovat. Například nanášením různých ochranných vrstev dojde k výraznému omezení poškrábání povrchu a tím zvýšení skutečné pevnosti například lahví na tekutiny. Také řízeným vyvoláním tlakového napětí v povrchové vrstvě skla (tepelným nebo chemickým tvrzením) se výrazně omezí možnost šíření trhlin a tím se skutečná pevnost významně zvýší. Příkladem takových výrobků jsou tvrzená automobilová skla nebo tvrzená brýlová skla. Jejich výrobě a vlastnostem bude věnován samostatný příspěvek.

 

LITERATURA

Menčík J.: Pevnost a lom skla a keramiky. Praha, SNTL 1990, s. 43-58.

Novotný V., Vích M., Kubišta P.: Pevnost a odolnost proti náhlým změnám teploty některých hromadně vyráběných skel: I.Pevnost v ohybu a v nárazu. Silikáty, 22, 1978, č. 4, s. 329-346.

Novotný V., Vích M., Kubišta P.: Pevnost plochých skel v ohybu: 1. část - Pevnost plaveného skla (Float) a  plochého skla (Fourcault) a její ovlivnění poškrábáním povrchu. Sklář a keramik, 32, 1982, č. 7, s. 171-176.

 

 
   

Copyright © 2001-2003 Polyconsult, s.r.o., Všechna práva vyhrazena.