Введение
Тип стекла безопасности, обработанного для повышения его прочности Твердое или закаленное стекло - это тип стекла безопасности, обработанный с помощью контролируемой термической или химической обработки для повышения его прочности по сравнению с обычным стеклом. Температура приводит внешние поверхности к сжатию, а внутренние - к напряжению. При таком напряжении стекло при разрыве разбивается на мелкие зернистые куски, а не распадается на колючие осколки, как обычное отжиженное стекло. Гранулярные куски менее вероятны, чтобы причинить травму. Твердое стекло используется для обеспечения безопасности и прочности в различных областях применения, включая окна пассажирских автомобилей (кроме ветрового стекла), двери душевых, аквариумы, архитектурные стеклянные двери и столы, холодильные поддоны, защитные экраны мобильных телефонов, пуленепробиваемые стеклянные компоненты, водолазные маски, тарелки и посуда.
Tempered or toughened glass is a type of safety glass processed by controlled thermal or chemical treatments to increase its strength compared with normal glass. Tempering puts the outer surfaces into compression and the interior into tension. Such stresses cause the glass, when broken, to shatter into small granular chunks instead of splintering into jagged shards as ordinary annealed glass does. The granular chunks are less likely to cause injury. Tempered glass is used for its safety and strength in a variety of applications, including passenger vehicle windows (apart from windshield), shower doors, aquariums, architectural glass doors and tables, refrigerator trays, mobile phone screen protectors, bulletproof glass components, diving masks, and plates and cookware.
Свойства
Твердое стекло примерно в четыре раза прочнее от отжиженного стекла. Более быстрое сокращение внешнего слоя во время изготовления вызывает сжатие нагрузок на поверхности стекла, уравновешенных напряжениями натяжения в корпусе стекла. Полностью закаленное стекло толщиной 6 мм должно иметь минимальное поверхностное сжатие 69 МПа (10 000 к.с.с.) или краевое сжатие не менее 67 МПа (9 700 к.с.). Для того, чтобы считать его безопасным стеклом, поверхностное напряжение на сжатие должно превышать В результате повышенного поверхностного напряжения при разрыве стекло разбивается на небольшие округлые куски, а не на острые колючие осколки. Сжатие поверхности придает закаленному стеклу повышенную прочность. Огребленное стекло практически не имеет внутреннего напряжения и обычно образует микроскопические трещины на своей поверхности. Напряжение, приложенное к стеклу, может привести к распространению трещин, которое, как только оно начинается, концентрирует напряжение на кончике трещины, приводя к распространению трещин со скоростью звука через стекло. Следовательно, отжиженное стекло хрупкое и ломается на неравномерные и острые куски. Сжатие на поверхности закаленного стекла содержит дефекты, препятствующие их распространению или расширению. Любое резка или шлифование должно быть сделано до закаливания. Резка, шлифовка и резкие удары после закаливания приводят к ломке стекла. Образец деформации, возникающий в результате закаливания, можно наблюдать, просматривая через оптический поляризатор, например, через поляризующие солнцезащитные очки.
Здания и сооружения
Твердое стекло также используется в зданиях для нерамных конструкций (таких как стеклянные двери без рамы), конструктивно нагруженных приложений и любого другого применения, которое может стать опасным в случае воздействия человека. В Соединенных Штатах строительные нормы требуют закаленного или ламинированного стекла в нескольких ситуациях, включая некоторые люки, стекло, установленное возле дверных проемов и лестниц, большие окна, окна, которые простираются близко к уровню пола, раздвижные двери, лифты, панели доступа пожарных, а также стекло, установленное возле бассейнов.
Домашнее использование
Твердое стекло используется и в быту. Некоторые распространенные бытовые предметы мебели и бытовые приборы, в которых используется закаленное стекло, - это безрамные двери для душевых, стеклянные столешницы, стеклянные полки, стекло для шкафов и стекло для каминов.
Сервис питания
"Риф закаленный" указывает на то, что ограниченная область, такая как край стекла или тарелки, закалена, и это популярно в обслуживании продуктов питания. Существуют также полностью закаленные варианты для прочности и устойчивости к тепловым ударам. Некоторые страны устанавливают требования в этом отношении. Температурное стекло также используется в барах и пабах, особенно в Великобритании и Австралии, чтобы предотвратить использование разбитого стекла в качестве оружия.
Кулинария и выпечка
Некоторые виды закаленного стекла используются для приготовления пищи и выпечки. Производители и бренды включают Glasslock, Pyrex, Corelle и Arc International. Это также тип стекла, используемый для печных дверей.
Обучающие устройства с сенсорным экраном
Большинство мобильных устройств с сенсорным экраном используют какую-то форму закаленного стекла (например, Gorilla Glass от Corning), но есть также отдельные закаленные защитные экраны для сенсорных устройств, продаваемые в качестве аксессуара.
Производство
Твердое стекло может быть изготовлено из отжиженного стекла с помощью процесса термического закаливания. Стекло помещается на роликовый стол, пропуская его через печь, которая нагревает его значительно выше его переходной температуры от около до Стекло затем быстро охлаждается с помощью принудительных воздушных течений, в то время как внутренняя часть остается свободной для течения в течение короткого времени. Альтернативный химический процесс закаливания включает в себя принудительное нагнетание поверхностного слоя стекла толщиной не менее 0,1 мм путем ионного обмена ионов натрия на стеклянной поверхности и ионов калия (которые на 30% больше), путем погружения стекла в ванну расплавленного нитрата калия. Химическое закаливание приводит к увеличению прочности по сравнению с термическим закаливанием и может применяться к стеклянным объектам сложных форм.
Недостатки
Твердое стекло перед закаливанием должно быть разрезано по размеру или отжато до формы, и не может быть переработано после закаливания. Полировка краев или пробурение отверстий в стекле производится до начала процесса закаливания. Из-за сбалансированного напряжения в стекле, повреждение любой части в конечном итоге приведет к тому, что стекло разобьется на куски размером с палец. Стекло наиболее подвержено разрушению из-за повреждения на его краю, где напряжение при растяжении наибольшее, но также может ломаться в случае сильного удара в середине стеклянной панели или если удар концентрирован (например, стекло ударилось о закаленный конец). Использование закаленного стекла может представлять опасность для безопасности в некоторых ситуациях из-за склонности стекла полностью ломаться при сильном ударе, а не оставлять осколки в оконной раме. Поверхность закаленного стекла действительно имеет поверхностные волны, вызванные контактом с роликами для сглаживания, если она была сформирована с использованием этого процесса. Эта волнообразность является серьезной проблемой при производстве тонкопленочных солнечных элементов. Процесс плавающего стекла может быть использован для получения листов с низким уровнем искажения с очень плоскими и параллельными поверхностями в качестве альтернативы для различных видов остекления.
Спонтанное разбитие стекла
Спонтанное ломание стекла - это явление, при котором закаленное стекло (или закаленное) может спонтанно ломаться без какой-либо видимой причины. Наиболее распространенными причинами являются: Внутренние дефекты внутри стекла, такие как включения сульфида никеля. Дефекты сульфида никеля могут вызвать спонтанное разрушение закаленного стекла спустя годы после его изготовления. В стекле могут присутствовать включения сульфида никеля ("камней"). Наиболее распространенной причиной этих включений является использование оборудования из нержавеющей стали в процессе изготовления и обработки стекла. Небольшие осколки из нержавеющей стали, содержащие никель, со временем меняют структуру и растут, создавая внутренние напряжения в стекле. Когда эти нагрузки превышают прочность стекла, возникает лом. Этот тип разлома почти всегда встречается в закаленном стекле и обозначается характерным рисунком "фигура восемь", причем каждый "цикл" фигуры восемь имеет диаметр около 30 мм. Кроме того, небольшие куски огнеупорного кирпича могут быть эрозированы расплавленным стеклом из внутренних стен печи во время обработки и внедряться в готовое стекло. Они также известны как "камни", и могут также ломать стекло при нагревании, поскольку они создают термические аномалии. Незначительные повреждения во время установки, такие как вырезанные или отломленные края, которые позже превращаются в более крупные разрывы, обычно исходящие из точки дефекта. Когда стекло перемещается и устанавливается, стеклоделы могут легко разорвать или обрезки по краям стекла с помощью различных инструментов. Также возможно, что крепежные элементы, такие как гвозди или винты, используемые для прикрепления стеклянных стопов, могут пробивать стеклянные края, если эти крепежные элементы установлены под неправильным углом. Эти небольшие трещины или щели могут не привести к немедленному поломке. Однако со временем, когда стекло расширяется и сжимается, вокруг отверстия могут образовываться концентрации напряжения, что приводит к поломке. В случае закаленного стекла, как правило, вся единица ломается. Привязка стекла к раме, вызывающая напряжение, поскольку стекло расширяется и сжимается из-за тепловых изменений или отклонений из-за ветра. Стекло расширяется и сжимается с изменениями температуры и отклоняется из-за ветра, поэтому почти все современные стекла установлены на устойчивых блоках внизу и с пространством для расширения по бокам и сверху. Укладки, удерживающие стекло в раме, также обычно устойчивы, чтобы защитить стекло от ударов ветра. Если не предусмотрено пространство по периметру блока, стекло будет привязываться к раме, вызывая внутренние напряжения, которые могут превышать прочность стекла, что приводит к поломке. Тепловые нагрузки в стекле. Разрыв из-за теплового напряжения наиболее распространен в больших кусках герметичного изоляционного стекла с тяжелым теплопоглощающим (отражающим) покрытием. Покрытие обычно наносится на "вторую" поверхность (внутреннюю поверхность наружного освещения). Это приводит к тому, что наружная часть стекла нагревается больше, чем внутренняя часть, поскольку покрытие преобразует излучение от Солнца в чувствительную теплоту. Когда внешний свет расширяется из-за нагрева, вся установка изгибается наружу. Если разъемная полоса или другое положение края соединяет два слоя стекла очень жестким образом, могут развиваться нагрузки на изгиб, которые превышают прочность стекла, вызывая лом. Это стало причиной обширного разрыва стекла в башне Джона Хэнкока в Бостоне. Недостаточная толщина стекла для устойчивости к ветру. Слишком большое или тонкое стекло, не соответствующее ветровой нагрузке, может быть разбито ветром. См. принцип Бернулли о ветре. Любая проблема с разрывом имеет более серьезные последствия, когда стекло устанавливается над головой или в общественных местах (например, в высотных зданиях). На закаленные стекла можно нанести защитную пленку для окон, чтобы защитить их от падения. Старомодная мера предосторожности заключалась в установке металлических экранов под крышными окнами.
Internal defects within the glass such as nickel sulfide inclusions. Nickel sulfide defects can cause spontaneous breakage of tempered glass years after its manufacturing. Nickel sulfide inclusions ("stones") can be present in the glass. The most common cause of these inclusions is the use of stainless steel machinery in the glassmaking and handling process. Small shavings of stainless steel containing nickel change structure over time and grow, creating internal stresses in the glass. When these stresses exceed the strength of the glass, breakage results. This type of breakage is almost always found in tempered glass and is indicated by a distinctive "figure eight" pattern, with each "loop" of the figure eight approximately 30 mm in diameter. Alternatively, small pieces of refractory brick can be eroded by the molten glass from the internal walls of the furnace during processing and become embedded in the finished glass. These are also known as "stones", and can also break the glass when the glass is heated, as they create thermal anomalies. Minor damage during installation such as nicked or chipped edges later developing into larger breaks normally radiating from point of defect. While glass is being moved and installed, it is easy for the glaziers to nick or chip the edges of the glass with various tools. It is also possible for fasteners such as nails or screws used to attach glass stops to nick the glass edges if these fasteners are installed at an improper angle. These small nicks or chips may not result in immediate breakage. However, over time, as the glass expands and contracts, stress concentrations can develop around the nick, leading to breakage. In the case of tempered glass the entire unit usually breaks. Binding of the glass in the frame, causing stresses to develop as the glass expands and contracts due to thermal changes or deflects due to wind. Glass expands and contracts with changes in temperature and deflects due to wind, so almost all modern glass is set on resilient blocks at the bottom and with space for expansion at the sides and top. The gaskets holding the glass in the frame are also usually resilient to cushion the glass against wind buffeting. If no space is provided at the perimeter of the unit, the glass will bind against the frame, causing internal stresses to develop in the glass which can exceed the strength of glass, resulting in breakage. Thermal stresses in the glass. Breakage due to thermal stress is most common in large pieces of sealed insulating glass with heavy heat absorbing (reflective) coatings. The coating is usually applied to the "number two" surface (the inside face of the outside lite). This causes the outside lite of glass to heat up more than the inside lite as the coating converts radiant heat from the Sun into sensible heat. As the outer lite expands due to heating, the entire unit bends outward. If the spacer bar or other edge condition connects the two lites of glass in a very rigid manner, bending stresses can develop which exceed the strength of the glass, causing breakage. This was the cause of extensive glass breakage at the John Hancock Tower in Boston. Inadequate glass thickness to resist wind load. A pane that is too large or thin, having not been properly engineered for wind loads on the site, can be broken by the wind. See Bernoulli's principle on wind. Any breakage problem has more severe consequences where the glass is installed overhead or in public areas (such as in high rise buildings). A safety window film can be applied to the tempered panes of glass to protect from its falling. An old fashioned precaution was to install metal screens below skylights.
История
Франсуа Бартелеми Альфреду Ройеру де ла Басти (1830-1901) из Парижа, Франция, приписывают разработку метода закаливания стекла путем затухания почти расплавленного стекла в нагретой ванне с маслом или жиром в 1874 году, метод был запатентован в Англии 12 августа 1874 года, патент No 2783. Твердое стекло иногда называют стеклом Басти после де ла Басти. В 1877 году немец Фридрих Сименс разработал другой процесс, иногда называемый сжатым стеклом или стеклом Сименса, производя закаленное стекло, более прочное, чем процесс Басти, путем нажатия стекла в холодных формах. Первый патент на целый процесс изготовления закаленного стекла был получен химиком Рудольфом Сейденом, который родился в 1900 году в Австрии и эмигрировал в Соединенные Штаты в 1935 году. Хотя тогда не было известно, как происходит это, последствия "отемнения" стекла известны уже на протяжении веков. Примерно в 1660 году принц Руперт Рейнский обратил внимание короля Карла II на открытие того, что теперь известно как "капли принца Руперта". Это кусочки стекла в форме капли, которые получают, позволяя расплавленной капле стекла падать в ведро с водой, тем самым быстро охлаждая его. Они могут выдержать удар молотком по луковичному концу, не ломаясь, но капли разойдутся в порошок, если хвостовой конец будет даже слегка поврежден.