Вроде как «закалка» — это термин, который обычно применяется к металлическим изделиям. Если вычленить базовый физический принцип процесса, то почти всегда это упрочнение, которое связано с перестроением внутренней структуры. В процессе будут появляться новые конструкции или формироваться дополнительные фазы. Тут уже зависит от специфики материала, но именно это и улучшает диапазон механических свойств.
Среди материалов, которые можно упрочнять таким образом, странно обнаруживать стекло.
Действительно. Стекло ассоциируется с гомогенным строением без включений или артефактов и даже школьник знает, что у этого материала аморфное агрегатное состояние. Не совсем понятно, как из однородного «ни рыба — ни мясо» получается упрочнение.
Между тем, именно закаленное стекло используется во многих современных гаджетах и применяется, например, в автомобилестроении. Как всё это работает и почему стекло, структура которого по логике не должна закаляться, упрочняется при этом процессе?
Удивительно, но стекло закаливают так же, как это делают с металлами или их сплавами. Зато сам физический процесс, который происходит внутри стекла, тут сильно отличается и его механика интересна для изучения.
Оказывается упрочнение при закалке может происходить не только по той причине, что образовалась какая-то дополнительная фаза и она «армирует» структуру или упрочняет исходный материал. Есть и ещё кое-что. Начнём с примера.
Представьте себе, что вы взяли камеру от велосипеда. Накачали её вне покрышки до 2 атмосфер. Трогаете, а она мягкая и пластичная. Её стенку легко проткнуть иголкой. А теперь накачайте камеру до двух атмосфер внутри покрышки.
Камера «подпирает» поверхность покрышки изнутри, а покрышка из-за сил упругости и не даёт камере «расходиться дальше». На границе раздела «резина-внешняя» среда образуется напряженное состояние и проколоть такую систему иголкой уже значительно сложнее. И да, не нужно говорить, что основной вклад тут делает сама покрышка. Вы можете обмотать камеру скотчем и повторить такой фокус. Покрышка защищает камеру, но эффект «напряженности» сказывается на поверхностной прочности значительно сильнее.
Похожий механизм работает и при закалке стекла. Это позволяет термически обрабатывать столь хитрый объект.
Стекло — это странный материал. У большинства твёрдых тел есть кристаллическая решетка, которая предусматривает строгое расположение частиц в некотором повторяющемся порядке (что и позволяет работать термической обработке). Это, собственно говоря, и называется твёрдым агрегатным состоянием. Но стекло аморфное. Оно не имеет строгой структуры, а похоже больше на разупорядоченное чередование жидкого и твёрдого состояний. При этом на ощупь оно всё равно будет твёрдым.
Твёрдое состояние стекла с точки зрения материаловеда больше похоже на переохлажденную жидкость. Атомы перемешаны, а не аккуратно расположены, как это бывает в кристалле. Посмотрите на снимок с атомного силового микроскопа ниже, показывающий образование и прогрессирование локальных зон упорядочивания частиц в общем объеме, вызванных превращением расплавленного стекла в ту самую переохлажденную жидкость.
Процесс закалки будет происходить по следующей схеме. При нагревании частицы стекла становятся еще более энергичными и начинают двигаться активнее. Передача им внешней энергии активизирует тепловое движение в системе.
Теперь, если вы внезапно погрузите раскаленный кусочек стекла в холодную воду, его внешний слой остынет значительно быстрее, чем внутренний. Это создаст разницу в плотности упаковки частиц в разных частях стекла. Внешний слой сожмётся, а внутренний остается довольно рыхлым. Эта разница в молекулярном расположении создаст внутренние напряжения внутри стекла. Понимаете теперь для чего мы обсудили камеру и велосипедную шину? Здесь всё также.
Как будто что-то снаружи пытается сжать то, что есть внутри, а внутренняя часть сопротивляется. Точно также и камера увеличивается внутри покрышки, а покрышка не даёт ей расти в объеме дальше.
Эти напряжения делают стекло прочнее. Сжатый внешний слой действует как защитная оболочка, затрудняя образование и распространение трещин.
Но есть тут и обратная сторона. Закалка делает стекло более хрупким. Если трещине все же удастся пробить этот прочный внешний слой, то напряженные внутренние слои мгновенно высвободятся. Разрушение будет интенсивным, поскольку состояние материала похоже на состояние сжатых пружин в закрытом ящике. Поэтому закаленное стекло всегда разбивается на мелкие кусочки, а не на острые осколки.
Это очень хорошо видно на капле Руперта. Процесс закалки тут невероятно интенсивный. Расплав стекла сразу попадает в холодную воду и если не «разваливается» на фрагменты, то формирует каплю из стекла. Сломать эту каплю почти невозможно и она выдерживает огромные механические нагружения. Зато если удастся надломить ей хвостик или всё-таки превысить показатели прочности, то стекло разлетается во все стороны, образуя мельчайшие частички.
На картинке справа показаны внутренние механические напряжения. Они отталкивают внешнюю оболочку, а та сжимает их обратно. Точно также, но в меньшей степени, ведёт себя и закаленное стекло. Оно представляет собой некоторую внутреннюю массу, которая вызывает напряжения во внешнем слое и упрочняет всю систему.
Собственно, примерно также и защитное стекло для смартфона ломается разом. Ни надлома, ни дефекта. Просто «хлоп» и пополам.
Тут есть интересная икра слов игра слов. Нужно различать стекло закаленное и стекло каленоё.
«Каленым» в разговорной речи порой называют стекло со специальной химической обработкой. Слово «калёный» унаследовано от … калия. Процесс может как включать процесс термической обработки, так и использоваться и без таковой. Прочностные свойства будут обусловлены химическим составом.
При химической обработке стекломасса из диоксида кремния, которая содержит в себе кремний, алюминий, кислород и ионы натрия, взаимодействует с ионами калия. Происходит это при высоких температурах в жидком состоянии. В результате обработки в структуре стекла происходит замещение ионов натрия на более крупные ионы калия, что создаёт внутренние напряжения и вызывает упрочнения. Ну а если есть калий…то и…стекло заКаленноё.
По похожей технологии производится легендарное стекло для смартфонов Gorilla Glass. Сначала химическое взаимодействие, а потом дополнительная закалка. Понятно, что весь технологический процесс нам никто не раскроет, но базовая логика будет именно такая. Ну а на практике обычно совмещают оба вида обработки.
Сами же стекла гаджетов обычно состоят из группы слоёв с разными свойствам, поэтому на кусочки разлетается обычно лишь самый дешевый образец, где в слоеном пироге отсутствует полимерная пленка.
Впрочем, в завершении, стоит отметить, что мы всё равно возвращаемся к «металлической закалке». Если в металле упрочнение происходило например из-за формирования перенасыщенного твёрдого раствора внедрения углерода, который буквально армировал сталь изнутри и формировал внутренние напряжения, то тут мы делаем нечто близкое по логике, н ос помощью внешней оболочки.
И да, Telegram-канал моего проекта ждёт вас.
