Стекло

Если охлаждать на открытом воздухе без всяких мер предосторожности чугунную отливку, то никакого вреда ей не причинишь. Благодаря большой теплопроводности металла охлаждение отливки будет идти равномерно. Температура ее наружных и внутренних частей в любой момент охлаждения будет приблизительно одинаковой. Но если так же поступить со стеклянной отливкой, то здесь картина окажется иной. Стекло очень медленно проводит тепло, и при быстром остывании температура внутренних частей отливки будет значительно выше температуры наружных частей. Когда наружные слои изделия затвердеют и остынут до комнатной температуры, внутри стекломасса может оказаться еще в жидком состоянии и иметь высокую температуру — около 1000°. Как мы знаем, все тела при охлаждении сжимаются. Точно так же будет продолжать сжиматься при дальнейшем охлаждении и внутренняя часть нашей стеклянной отливки. Но наружная отвердевшая стенка уже достигла предельно низкой температуры, и ее объем больше уменьшаться не будет, поэтому между наружными и внутренними частями изделия возникает своего рода «конфликт», который может закончиться или разрушением изделия, или, если наружная корка окажется достаточно прочной, возникновением в стеклянном теле напряжений: растягивающих во внутренней части изделия и сжимающих — в наружной части.

Стеклянное тело, находящееся в таком напряженном состоянии, называют «закаленным».

Хорошим примером напряженного состояния может служить струнный музыкальный инструмент. Возьмем рояль. В нем струны с большой силой натянуты на чугунную раму. При этом они, точнее — вся внутренняя часть инструмента, находятся под действием растягивающих усилий, а рама — наружная часть системы — под действием сжимающих усилий. И те и другие внутренние напряжения, т. е. растягивающие у струн и сжимающие у рамы, очень велики и находятся на пределе прочности материала, что подтверждается непроизвольно происходящими обрывами отдельных струн, а иногда и разрушением рамы, которая сжимается натяжением многочисленных струн с силой до нескольких тонн.

Итак, закаленное стеклянное тело характеризуется присутствием внутренних напряжений — как сжимающих, так и растягивающих, — находящихся в состоянии равновесия. Но достаточно иногда ничтожной причины, чтобы это равновесие нарушилось и напряженное тело разлетелось вдребезги. Так бывает от лишнего поворота ключа настройщика струнного инструмента, так бывает при нанесении легкой царапины на поверхности закаленного стеклянного изделия. Примером подобного рода закаленного стекла могут служить так называемые «батавские слезки» — капли расплавленного стекла, которые падают в воду и застывают в виде маленьких грушевидных телец с остроконечными хвостиками. Они настолько сильно закалены от резкого охлаждения, что, если отломить их хвостик, они со взрывом разлетаются в стеклянную пыль.

Если же стеклянные изделия охлаждать медленно, так, чтобы во время всего периода охлаждения не возникло большой разницы в температурах наружных и внутренних слоев, напряжений не образуется. Такое изделие называется «отожженным». Ему не угрожает опасность внезапного разрушения, и оно не боится поверхностных повреждений.

В соответствии со сказанным, каждое стеклянное изделие, каким бы методом оно ни формовалось, непременно подвергается тщательному отжигу, т. е. медленному охлаждению в специально предназначенных для этого печах. Охлаждение должно происходить очень равномерно и тем медленнее, чем больше толщина стенок изделия. Очень крупные стеклянные вещи, например линзы астрономических объективов, достигающие 1 м в диаметре, отжигаются с большой осторожностью в течение нескольких месяцев. Мелкие же изделия, вроде обычной столовой посуды, могут быть удовлетворительно отожжены в течение нескольких часов.

Интересно обратить внимание на то, что внутренние напряжения в стекле иногда могут быть и полезными, значительно повышая механическую прочность изделия. Здесь все дело заключается в том, чтобы особенным образом распределить эти напряжения внутри изделия. Представим себе стеклянный брусок правильной геометрической формы. Если мы тотчас же после того, как он был отпрессован из расплавленной стекломассы, резко охладим его обдуванием струей холодного воздуха, он окажется закаленным с наличием весьма сильных напряжений. Как мы уже знаем, поверхностные слои его будут в сжатом состоянии, а внутренние — в растянутом. Если такой брусок начать сгибать, положив его, допустим, концами на две опоры и повесив посредине груз, который будем постепенно увеличивать, то можно заметить, что такой закаленный брусок покажет значительно большую прочность, чем обыкновенный, хорошо отожженный стеклянный брусок такого же размера. Окажется, что закаленный брусок сможет прогнуться, не разрушаясь, на значительно большую величину, чем отожженный.

Чтобы уяснить себе это довольно сложное явление, нужно прежде всего знать, что прочность стекла на сжатие примерно в десять раз больше, чем на растяжение.

Запомнив это, будем рассуждать следующим образом.