Современное развитие таких отраслей промышленностикак машиностроение, строительство, электроника, приборостроение, не может происходить без использования особого класса материалов, которыми являются силикатные стекла, обладающие специфическими физико-механическими и другими свойствами и способные удовлетворить высокие требования по технико-эксплуатационным характеристикам, технологичности получения материала и изделия из него, доступности сырья и экономичности изготовления продукции. При этом следует учитывать тот факт, что главнымсдерживающим фактором для расширения сфер практического применения стеклаявляется его низкие значения механической прочности и хрупкий характер разрушения под действием статического или динамического нагружения. Столь огромное несоответствие теоретической и реальной прочности стекла связано с целым рядом причин (возникновение микронеоднородностей, фазовое разделение, локальные напряжения и пр.), но преобладающее значение имеет состояние поверхности стекла и наличие разного рода дефектов, ведущих к его разупрочнению.В этой связи определение влияния приобретенных поверхностных повреждений стекла на его прочностные характеристики представляется важной научно-технической задачей, результаты решения которой позволяют обосновано прогнозировать несущую способность соответствующих элементов конструкций.

Экспериментальные исследования проводились на образцах силикатного стекла технического применения в состоянии поставки без дополнительных операций обработки (изготовитель – компания «Альтис-Гласс»). Использовали образцыв виде пластин с размерами: ширина bварьировалась в пределах 23,6…27,5 мм; толщина h составляла 6 мм, а длина lравнялась 143 мм.

Привнесение повреждений поверхности образцов стекла осуществлялось путем нанесения ряда царапин с заданным постоянным нормальным усилием на индентор Роквелла в зоне чистого изгиба. Использовали две схемы формирования участка поврежденного материала:

-        произведением пяти царапин в поперечном направлении на поверхности образца, простирающихся вплоть до скалывания кромки одной стороны пластины;

-        нанесением трех царапин вдольповерхности пластины.

Для каждой схемы образования поверхностного повреждения стекла было взято по два образца и две прилагаемые к индентору нагрузки (P_f=21,2 Н и 30,8 Н). Образцы стекла с полученными таким образом поверхностными концентраторами напряжений в виде ряда параллельных царапин в зоне чистого изгиба испытывали на четырехточечный изгиб на универсальной экспериментальной установке ZD-4.

Было определено, что для образцов с поперечными царапинами до скалывания кромки, нанесенных при нагрузке на индентор 21,2 Н и 30,8 Н, прочность стекла составляла соответственно 58,9 МПа и 30,5 МПа. Аналогично для образцов с продольными царапинами прочность стекла была определена как 65,4 МПа и 30,3 МПа. Фрактографический анализ разрушенных при изгибе образцов установил, что источник разрушения находился в точке внедрения индентора на одной из царапин. По значениям ширины царапин была вычислена твердость при царапании стекла (H_S=6,7 ГПа).

По результатам проведенного исследования можно сделать выводы о влиянии привнесенного повреждения поверхности стекла и схемы его нанесения на прочность:

1)     прочность образцов стекла с поверхностными царапинами практически не зависит от направления нанесения царапин (σ=58,9 МПаи 65,4 МПа – для нагрузки на индентор P_f=21,2 Н; σ=30,5 МПа и 30,3 МПа – для нагрузки на индентор P_f=30,8 Н);

2)     при увеличении прилагаемой к индентору нагрузки с 21,2 Н до 30,8 Н прочность стекла снижается приблизительно в 2 раза (для образцов с поперечными царапинами до скалывания кромки – в 1,93 раза; для образцов с продольными царапинами – в 2,16 раз);

3)     используемый экспериментальный метод может рассматриваться в качестве простого, доступного и эффективного способа оценки остаточной прочности хрупких материалов и элементов конструкций из них.