Важнейшими механическими свойствами стекла являются упругость, хрупкость, твердость и прочность.
Неорганические стекла представляют собой упругие тела, подчиняющиеся при деформации (вплоть до разрушения) закону Гука.
Упругие свойства стекла характеризуются модулем упругости, модулем сдвига и коэффициентом Пуассона, которые связаны между собой уравнением.
Модуль упругости определяет величину напряжений, возникающих в деформированном упругом теле под влиянием нагрузки при растяжении или сжатии, и изменяется в зависимости от химического состава стекла. Для стекол разных составов коэффициент Пуассона равен 0,11-0,30.
Модуль сдвига характеризует способность стекол сопротивляться деформации сдвига или скола.
Стекла являются типичными хрупкими телами, разрушение которых не сопровождается пластической деформацией.
Микрохрупкость стекол оценивают по показателям прочности при ударе.
Микротвердость стекла примерно в 8-25 раз меньше твердости алмаза.
Стекло промышленного изготовления всегда имеет макро-, микро- и субмикроскопические дефекты, которые определяют механизм и особенности его разрушения (прочность). Появление на стекле поверхностных дефектов обусловлено влиянием структурных и химических неоднородностей, посторонних включений и субмикроскопических кристаллитных образований, а также отрицательным действием градиента температур при его формовании и термической обработке. Наибольшее влияние на состояние поверхности стеклоизделий оказывает ее контакт с окружающей средой.
В результате такого контакта с твердыми телами, абразивными частицами и поверхностно-активными веществами (прежде всего, с водой и водяными парами) стекло накапливает на поверхности очаги хрупкого разрушения - микротрещины различной степени опасности.
При изучении микротрещин на поверхности стекла после декорирования его парами натрия в вакууме при 400°С выяснилось, что такие трещины существуют на стекле до приложения к нему внешней нагрузки и увеличиваются при нагружении. При этом на поверхности более прочного стекла дефектов оказывается меньше, что подтверждает статистическую теорию прочности.
Хрупкое разрушение стекла под действием внешних сил начинается обычно с его поверхности в результате образования и роста микротрещин. Наличие на поверхности разрыва стекла: двух зон - зеркальной и шероховатой - свидетельствует о двухстадийности процесса разрушения реальных хрупких тел. Зеркальная зона соответствует медленному прорастанию микротрещин, шероховатая - быстрому разрушению стекла со скоростью 750-2200 м/с.
Помимо общепризнанной теории А. Гриффитса, предполагающей существование дефектов в стекле до приложения к нему нагрузки, имеется гипотеза Е. Понселе, согласно которой микротрещины возникают в материале лишь при приложении внешних нагрузок, а до тех пор они не существуют.
В целом, дефекты поверхности стекла являются основной причиной его низкой практической прочности.
Теоретическая прочность неорганических стекол, по данным различных авторов, составляет от 9,8 • 109 до 29,5 • 109 Па. Однако практическая их прочность не превышает 1% от теоретического значения.
Такое расхождение величин прочности объясняется статистической и кинетической теориями прочности.
Статистическая теория прочности базируется на следующих основных положениях:
прочность образца в однородном напряженном состоянии определяется наиболее опасным дефектом;
чем больше объем и поверхность образца, тем вероятнее присутствие наиболее опасного дефекта;
материал из-за микронеоднородности строения при однородном растяжении создает в различных микрообъемах неравномерно распределенные напряжения.
В различных интерпретациях статистической теории устанавливается связь между прочностью и масштабным фактором. Наибольшей известностью пользуется формула В. Вейбулла, предложенная для хрупких материалов, структура которых не зависит от размеров образца.
Следует учитывать, что различные участки образцов изделий могут иметь дефекты разной степени опасности. Наиболее опасные дефекты свойственны краям. Поэтому результаты испытаний прочности в значительной степени зависят от условий обработки краев и их положения при нагружении. Прочность поверхности выше прочности края, но в несколько раз меньше прочности объема стекла.
Кинетическая теория прочности позволяет объяснить временную зависимость прочности материалов. Усталость стекла, проявляющаяся во временной зависимости прочности, вызывается тепловыми явлениями, концентрирующимися у вершин трещин. Связи, находящиеся в этом месте в состоянии сильного перенапряжения, разрываются при возрастании их энергии вследствие беспорядочного распределения тепловой энергии между атомами.
Вопросам усталости стекла под нагрузкой посвящено много работ, имеются модельные представления и различные мнения о природе и механизме усталостного разрушения стекла. Однако предлагаемые эмпирические уравнения долговечности стекла под нагрузкой не носят всеобщего характера, так как неконтролируемые внешние воздействия на поверхность нагруженного изделия (адсорбционные понизители прочности, абразивные частицы, контакт с нагружающими устройствами и др.) не позволяют производить экстраполяцию в сторону большего и меньшего времени действия нагрузок.
Температурная зависимость прочности стекла имеет сложный характер в связи с физико-химическим воздействием атмосферной влаги на процесс разрушения. Установлено, что для большинства стекол в области низких температур прочность выше. Это объясняется уменьшением скорости химического взаимодействия стекла с влагой воздуха, а также уменьшением энергии тепловых колебаний.
Прочность стекол минимальна в интервале температур 150-200° С. Увеличение прочности стекла при более высоких температурах вызвано уменьшением поверхностной адсорбции влаги и релаксацией опасных перенапряжений у трещин.
До недавнего времени не было убедительных доказательств. зависимости прочности стекла от его химического состава и структуры. При выработке стекла с ювенильной поверхностью такая зависимость отчетливо проявляется. Причем, чем выше уровни прочности, тем более очевидной становится их взаимосвязь со структурно-физическими параметрами, рассчитываемыми по химическому составу стекла. При прочих равных условиях, как показано С. И. Сильвестровичем, прочность химических связей, ориентация и связность каркаса определяют устойчивость стекла к механическим нагрузкам, химическим и термическим воздействиям.
На механическую прочность стекла существенное влияние оказывают напряжения, возникающие при формовании или термической обработке стеклоизделий, - напряжения первого и второго рода.
Напряжения первого рода действуют в областях, соизмеримых с размерами тела, и могут быть временными или остаточными. Напряжения второго рода наблюдаются в областях, соизмеримых с объемами микронеоднородностей в стекле.
Напряжения первого рода, распределенные в стеклоизделии неравномерно, локализованные в отдельных участках и неуравновешенные по знаку, снижают прочность. Такие локальные Концентрации напряжений могут быть результатом неравномерного теплосъема с поверхностей стеклоизделий при охлаждении после формования, могут образоваться при сварке стеклянных деталей, впаивании металла в стекло, наличии в стекле различных посторонних включений (свилей, камней и шлиров) или при изготовлении сложных изделий на стыках поверхностей. Особенно опасен выход на поверхность растягивающих напряжений, так как это приводит к резкому ослаблению изделий и их саморазрушению.
Внутренние напряжения первого рода, распределенные равномерно и взаимоуравновешенные по знаку так, что в поверхностных слоях действуют напряжения сжатия, придают стеклу высокую прочность.
Вероятно, нельзя рассматривать прочностные свойства стекла как константы, определяемые независимо от условий нагружения, размеров и формы тела и влияния внешней среды. Прочность стекла является функцией таких переменных, как степень дефектности поверхности, условия нагружения, размеры и форма стеклянной тары, вид поверхностно-активной среды, температура и др.