IMG$8 249 (2)

*

248    io. Umocnienie materiałów nych w ciągliwej osnowie metalicznej. Ciągliwość osnowy umożliwia jej lokal^ mikroodksztalcenia w miejscach spiętrzenia naprężeń, ograniczając w ten sposój tworzenie się mikropęknięć powiększa wytrzymałość.

Powiększenie wytrzymałości na rozciąganie materiałów ceramicznych i cermetal, wymienionymi sposobami nie wyeliminowało jednak całkowicie wrażliwości n; działanie karbu, tzn. kruchego pękania na lokalnych defektach lub wadach po. wierzchniowych wyrobów.

Powiększenie wytrzymałości na rozciąganie szkła wykorzystuje drugą z wymię, nionych podstaw.

Szkło jest materiałem o bardzo małej wytrzymałości na rozciąganie, rzędu 30 MPa, praktycznie niezależnej od składu chemicznego. Natomiast wytrzymałość na ściskanie szkła jest ok. 20 razy większa. Głównym powodem tak malej wytrzymałości na rozciąganie są powierzchniowe pęknięcia działające jako karby, tzn. koncentratory naprężeń. Ponieważ kruchość szkła wyklucza odkształcenie plastyczne, duże naprężenie szczytowe w czołowym punkcie karbu powoduje szybki rozrost pęknięcia. Podpowierzchniowe pęknięcia szkła powstają samorzutnie pod wpływem wilgoci atmosferycznej, co potwierdza wyraźne zmniejszanie się wytrzy. małości na rozciąganie włókien szklanych w miarę upływu czasu składowania.

Do umocnienia szkła wykorzystuje się głównie drugą z wymienionych zasad - wytworzenie w materiale wstępnych naprężeń ściskających, umożliwiających przenoszenie odpowiednio większych naprężeń rozciągających. Umocnienie szkła realizuje się kilkoma sposobami.

Hartowanie termiczne polega na nagrzewaniu wyrobów do temperatury bliskiq temperatury mięknięcia szkła (ok. 650°C) i szybkim chłodzeniu sprężonym powij, trzem lub natryskiem wody. Warstwa powierzchniowa, stygnąca szybciej od rdzenia, w tych warunkach nie może ulec skurczeniu się, lecz pod działaniem rdzenia' rozszerza się przez lepkie płynięcie. Po oziębieniu rdzenia (wyrównaniu temperatur na przekroju) warstwa powierzchniowa kurczy się. Powstają w niej powierzchniowe naprężenia ściskające rzędu 200 MPa, powiększające wytrzymałość na rozciąganie,,

Znacznie efektywniejszym sposobem jest umacnianie chemiczne. Proces wysokotemperaturowy polega na nagrzewaniu wyrobów do wysokiej temperatury w odpowiedniej kąpieli solnej. W takich warunkach z kąpieli do powierzchniowej warstwj wyrobu dyfundują jony składnika zmniejszającego współczynnik rozszerzalności cieplnej szkła, w porównaniu z wartością w rdzeniu. Przy oziębianiu do temperatur)' otoczenia warstwa powierzchniowa ulega mniejszemu kurczeniu się, a po całkowitym ochłodzeniu (wyrównaniu temperatury na przekroju) w warstwie powierzchniowej tworzą się naprężenia ściskające rzędu 500 MPa.

Proces niskotemperaturowy również polega na nagrzewaniu wyrobów szklanych, ale w niższej temperaturze w odpowiedniej kąpieli solnej. Rezultatem jest dyfuzja z kąpieli do powierzchniowej warstwy szkła jonów o dużych rozmiarach. Ich obecność w strukturze doprowadza do jej ekspansji i na tej drodze wywołuje naprężenia ściskające znacznej wartości.

Umacnianie chemiczne jest droższe od hartowania, ale skuteczniejsze i może być stosowane do wyrobów o mniejszych przekrojach.

Szkło hartowane, niezależnie od wyższej wytrzymałości, pękając rozpada się na drobne odłamki o tępych, zaokrąglonych krawędziach, w odróżnieniu od szkła zwykłego dającego przy pęknięciu odłamki o ostrych, trójkątnych kształtach. Z tego powodu szkło hartowane nazywane jest bezpiecznym i powszechnie stosowane do wyrobu szyb pojazdów samochodowych, wagonów kolejowych itp.

Włókna szklane o średnicy ok. 10 pm stosowane są do zbrojenia kompozytów polimerowych. Mają one dużą wytrzymałość na rozciąganie, zwykle rzędu 3600 MPa, i niezbyt dużą wartość modułu Younga (rzędu 70 GPa). Tak wysokie wskaźniki wytrzymałościowe można uzyskać w wyniku odpowiedniego zmniejszenia średnicy, ponieważ w ten sposób zmniejsza się prawdopodobieństwo występowania dużej gęstości powierzchniowych pęknięć na długości pomiarowej próbki włókna.

Umacnianie szkła wykonuje się również przez sklejanie kilku warstw (szyb) za pomocą celuloidu lub butwaru, produkując taką metodą szyby o grubości do 60 mm. Szkło klejone odznacza się bardzo dużą wytrzymałością na przebicie.

Największe znaczenie i najszersze zastosowanie do umacniania materiałów kruchych (betony, tworzywa sztuczne) ma produkowanie materiałów złożonych.

Powszechnie stosowany w budownictwie beton jest materiałem kruchym. Jego wytrzymałość na rozciąganie powiększa zastosowanie tzw. zbrojenia ciągliwą stalą (drut, pręty). W takim materiale beton przenosi naprężenia ściskające, a stal - rozciągające. Jeszcze lepsze rezultaty uzyskuje się stosując tzw. beton sprężony. Zbrojenie stanowią druty lub liny stalowe o dużej wytrzymałości, poddane obciążeniu rozciągającemu w czasie zalewania zbrojenia betonem. Po stężeniu betonu i usunięciu obciążenia sprężyste wydłużenie zbrojenia zanika — kurczy się ono do początkowej długości. W ten sposób wywiera na beton wstępne naprężenie ściskające, dzięki czemu element w czasie pracy może przenosić odpowiednio większe naprężenie rozciągające.    '