МИКРОТВЕРДОСТЬ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СТЕКОЛ

При вдавливании четырехгранной алмазной пирамидки Виккерса в силикатное стекло при 20°С образуется пластическая лунка — микроотпечаток. При этом микротвердость по Виккерсу H_V у силикатных, германатных и других неорганических стекол совпадает с пределом текучести H_V » s_y, выше которого наблюдается пластическая деформация [1,2].

Как и следовало ожидать, при нагревании (ниже T_g) микроотпечаток уменьшается — наблюдается релаксация пластической деформации. Энергия активации этого процесса у силикатных стекол составляет ~ 20 кДж/моль [3], что совпадает с энергией активации уплотнения и разуплотнения силикатных стекол при сжатии. При внедрении в стекло заостренного индентора напряженное состояние локализуется в достаточно малом микрообъеме, линейные размеры которого меньше среднего расстояния между дефектами. Поэтому на результат измерения микротвердости не влияют дефекты (поверхностные микротрещины)[3].

Рисунок 1. Микроотпечатки Виккерса на листовом силикатном стекле: 1 — при T = 20 ⁰C; 2, 3 — виды в интерференционном микроскопе после нагрева, соответственно при T = 100 ⁰C, T = 450 ⁰C в течение 10 мин; P = 150 г., T_g = 620 ⁰C

Микротвердость H_V определяется максимальным касательным (тангенциальным) напряжением и служит характеристикой сопротивления материала сдвигу.

Рисунок 2. Уменьшение глубины отпечатка в зависимости от времени выдержки при различных температурах: 1 – 20, 2 – 225, 3 – 460, 4 – 500⁰ С. Листовое силикатное стекло

Для определения микротвердости стекол используют микротвердомеры, типа ПМТ-3 или ИВТ-1АМ, снабженный четырехгранной алмазной пирамидкой Виккерса. Микротвердость по Виккерсу равна отношению приложенной нагрузки к площади отпечатка Hv=F/S и вычисляется по формуле

,                                                                    (1)

где нагрузка на индентор F выражена в граммах силы, диагональ микроотпечатка d – в микронах, а микротвердость H_V - в килограммах силы на 1 мм² (кгс/мм²).

Процесс пластической деформации начинается внутри тела и только затем достигает поверхности. С этих позиций микротвердость является характеристикой сопротивления материала сдвигу и должна определяться максимальным значением касательного напряжения.

Максимальное касательное напряжение в первом приближении имеет вид:

, кгс/мм2.                                             (2)

Это выражение является теоретически более обоснованным, чем применяемая в настоящее время выражение для определения среднего нормального напряжения H_V (1). Величины H_V и t_m связаны следующим образом:

.                                                         (3)

В табл. 1 приведены значения отношения H_V/t_m. Как следует из этих данных у оптических стекол с коэффициентом Пуассона m=0,22-0,26 величины H_V и t_m примерно совпадают (табл. 1): .

Таблица 1.

Механические свойства оптических стекол

Образование «пластического» микроотпечатка – лунки при микровдавливании алмазной пирамидкой Виккерса и других заостренных инденторов в неорганические стекла обусловлено локальным «пластическим» уплотнением структуры в микрообъеме под индентором (при 20 ⁰С).

Анализ напряженного состояния стекол при микровдавливании пирамидки Виккерса позволяет заключить, что их микротвердость H_v является мерой сопротивления «пластической» деформации сдвига и совпадает с пределом текучести s_у, выше которого наблюдается «пластичность» стекла.

Предел текучести стекол s_у совпадает с внутренним давлением p_i, против которого совершается работа делокализации атома – его предельного смещения из равновесного положения.

Научной школой профессора Сандитова Дандара Сангадиевича развито представление, что элементарный акт «пластической» деформации стеклообразных твердых тел сводится к делокализации атома, что согласуется с экспериментальными данными.

Размягчение стекла при нагревании в области T=T_g и его обратимая «пластическая» деформация при 20 ⁰С характеризуются общим молекулярным механизмом – делокализацией атома.

Вблизи T_g происходят обратимые конфигурационные изменения структуры стеклообразных систем, реализуемые при небольших смещениях атомов. Такие же структурные изменения наблюдаются при замороженной обратимой («пластической») деформации стекол.

Список литературы:

1. Сандитов Д. С., Сангадиев С. Ш. Условие стеклования в теории флуктуационного свободного объема и критерий плавления Линдемана // Физика и химия стекла. 1998. Т. 24, № 4. С. 741-428.
2. 2.Сандитов Д. С., Сангадиев С. Ш., Сандитов Б. Д. Пластичность и вязкость стеклообразных материалов // Деформация и разрушение материалов. 2013. № 3. С. 2–7.
3. Сандитов Д. С., Бартенев Г. М. Физические свойства неупорядоченных структур. Новосибирск: Наука, 1982. 258 c.