Повышение прочностных свойств стекла в результате металлизации методом диффузионной сварки тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ГРИДАСОВА Екатерина Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ СТЕКЛА В РЕЗУЛЬТАТЕ МЕТАЛЛИЗАЦИИ МЕТОДОМ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре — 2013

005059319

Работа выполнена на кафедре механики и математического моделирования Инженерной школы Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет».

Научный кандидат физико-математических наук, доцент

руководитель: Любимова Ольга Николаевна

Официальные главный научный сотрудник, доктор физ.-мат. наук, оппоненты: профессор кафедры вычислительной механики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова» Левин Владимир Анатольевич (г. Москва)

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии переработки нефти и газа Федерального государственного бюджетного образовательного учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Петров Виктор Викторович (г. Комсомольск-на-Амуре)

Ведущая Федеральное государственное бюджетное учреждение

организация: науки «Институт машиноведения и металлургии

Дальневосточного отделения Российской академии наук» (г. Комсомольск-на-Амуре)

Защита состоится «07» июня 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсо-мольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, проспект Ленина, 27, факс (4217) 53-61-50, e-mail: dis@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» и библиотеке ДВФУ.

Автореферат разослан «06» мая 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.092.02

FD

доктор физико-математических наук ------Г.С. Лейзерович

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известно, что неорганическому стеклу присуща высокая природная прочность, но поверхностные и внутренние микродефекты существенно ее снижают. Повыщение прочности стекла с целью использования его в конструкциях ответственного назначения является важной задачей, которую решают ученые по всему миру. При этом повышение прочности за счет устранения поверхностных микродефектов остается распространенным способом решения проблемы упрочнения стекол, а наиболее известным методом является метод создания сжимающих напряжений в поверхностных слоях, к которому относится: закалка, ионный обмен, поверхностная кристаллизация и нанесение защитных покрытий. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки, например, удаление поверхностных микродефектов не повышает устойчивость стекла к абразивному воздействию и действию ударных нагрузок, поэтому необходимо выделить метод поверхностного упрочнения, который позволяет исключить постоянный контакт поверхности с окружающей средой.

В последнее время появились альтернативные подходы к решению проблемы повышения прочности стекла. Профессор В.В. Пикуль предложил способ, в основе которого лежит возможность стекла надежно соединяться с металлами при определенных температурах. Заключение стекла между металлическими слоями, кроме упрочнения методом создания сжимающих напряжений за счет разницы TKJIP, исключает его непосредственный контакт с окружающей средой и создает дополнительные барьеры, препятствующие разрушению композита, что должно повышать прочность конструкции в целом. При подробном анализе литературных источников не было обнаружено экспериментальных исследований по предложенному способу упрочнения стекла, вместе с тем, предложенный метод упрочнения стекла имеет актуальные проблемы, которые требуют проведения исследований. К таким проблемам относятся: способ соединения стекла и металла, получение прочного соединения, поскольку разница TKJ1P приводит к появлению опасных напряжений в стекле; влияние размеров и геометрической формы на свойства, упрочненного по предлагаемому способу стекла. Отдельной задачей является изучение структуры и свойств переходной зоны, возникающей в месте соединения стекла и металла. Эту задачу решали такие российские и зарубежные ученые как Н.Ф. Казаков, В.А. Бачин, О.В. Мазурин, A.B. Люшинский, А. Рот. К настоящему времени предложено несколько теорий соединения металла со стеклом: дендритная, электрохимическая, теория оксидного соединения и теория топохимических реакций, однако, полного представления о физико-химических процессах, протекающих в зоне соединения металлов со стеклом нет. Все перечисленные проблемы и определяют актуальность настоящего исследования.

Целью работы является исследование диффузионной сварки стекла С49-1 со сталью СтЗсп, как метода изготовления нового композиционного стержня, и ее влияние на прочностные характеристики стекла в составе стеклометалло-композитного стержня.

Для достижения цели были поставлены и решались следующие задачи:

- исследовалась возможность получения прочного соединения стекла С49-1 и стали СтЗсп методом диффузионной сварки;

- изучались особенности формирования и свойства диффузионной зоны при сварке стекла С49-1 со сталью СтЗсп;

- разрабатывался технологический режим изготовления стеклометалло-композитного стержня;

- исследовались механические характеристики стекла в составе нового композиционного материала и стеклометаллокомпозитного стержня в целом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан новый способ упрочнения стекла методом диффузионной сварки его с металлом, в результате которого, прочностные характеристики стекла увеличились на порядок: при проведении статических испытаний максимальные напряжения, испытываемые стеклометаллокомпозитным образцом на сжатие, в два раза больше, чем у стального образца СтЗсп и лежат в интервале закаленных стекол, а также на порядок выше, чем максимальные напряжения стеклянного образца С49-1.

2. В результате проведенного исследования зоны сварного соединения выдвинуты предположения о механизме формирования ее фазового состава, определено влияние наличия отдельных фаз на прочностные характеристики композита в целом, экспериментально показано, что предварительное химическое оксидирование поверхности стали позволяет получить однородную диффузионную зону.

3. Разработан способ создания композиционного материала - стеклометаллокомпозитного стержня. Новизна технологических и конструкторских решений защищена патентами РФ.

4. Разработаны технологические режимы, позволяющие получить прочное сварное соединение стекла со сталью при заданной геометрии компонентов.

5. Исследована микроструктура и распределение химических элементов в зоне сварки стали СтЗсп со стеклом С49-1, на основании результатов которых выделены три подзоны, сделан вывод об их фазовом составе, определены микротвердость, модуль Юнга и их протяженность в зависимости времени выдержки при температуре сварки.

6. На основании свойств фаз введены поправки в математическую модель, позволяющую оценить остаточные напряжения в полученном композиционном материале.

Достоверность результатов обосновывается использованием современных методов исследований и обработки полученных результатов. При экспериментальных исследованиях применяли методы планирования экспериментов и статистической обработки их результатов. Основные результаты экспериментальных исследований получены современными методами оптической и электронной микроскопии, энергодисперстного рентгеноспектрального микроанализа; стандартизированными методами испытаний и исследований механических свойств. Для математического моделирования применены известные модели механики деформируемого твердого тела, апробированные аналитические и численные методы их реализации.

Теоретическая значимость работы в том, что доказана возможность получения прочного сварного соединения стекла и стали методом диффузионной сварки, что расширяет теорию диффузионных соединений разнородных материалов; предложена структурно-механическая модель повышения прочности стекла методом диффузионной сварки; изучено влияние отдельных параметров технологического режима сварки на структуру диффузионной зоны и прочностные характеристики нового композиционного материала; при математическом моделировании остаточных напряжений в стеклометаллокомпозитном стержне, предложено учитывать влияние диффузионной зоны, что позволило получить более адекватную картину напряженно-деформированного состояния композиционного материала.

Практическая значимость заключается в разработке нового способа упрочнения стекла методом диффузионной сварки его с металлом. Разработанная технология расширяет возможности новых решений при использовании стекла в конструкциях ответственного назначения. Определены перспективы использования стеклометалокомпозитных стержней на практике. Разработана и внедрена при проведении патентных исследований по созданию нового композиционного материала технология диффузионного соединения стекла и стали. Представлены результаты экспериментальных исследований прочностных характеристик нового композиционного материала и структуры диффузионной зоны стекла С49-1 и стали СтЗсп.

На защиту выносится следующие положения:

1. Способ упрочнения стекла в составе стеклометаллокомпозитного стержня, основанный на возможности диффузионного соединения стекла и металла.

2. Результаты математического анализа температурных напряжений с учетом развитой диффузионной зоны, имеющей физико-механические характеристики промежуточные между исходными материалами.

3. Результаты комплексного исследования диффузионной зоны сварного соединения неразрушающим, микроскопическими и рентгеноспектральным методами исследования.

4. Закономерность влияния времени выдержки при температуре сварки на структурное изменение переходной зоны.

5. Результаты экспериментального исследования механических характеристик упрочненного стекла и стеклометаллокомпозита в целом.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на:

- семинаре «ХУ1-я Зимняя школа по механике сплошных сред» г. Пермь, 2009г;

- всероссийской конференции приуроченной к 70-летию академика В.А. Левина «Успехи механики сплошных сред» г.Владивосток, 2009г;

- международной конференции «Актуальные проблемы механики (АРМ)», г. Санкт-Петербург, 2009 - 2010г.г;

- Съезде «X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики», г. Нижний Новгород 2011г;

- семинаре «XXXVI Дальневосточная Математическая школа - семинар имени академика Е.В.Золотова», Владивосток 2012г;

- семинарах ИАПУ ДВО РАН.

Исследование выполнено при частичной поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.А18.21.0383, соглашение № 14.А18.21.0353.

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 6 статей в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК [16], 5 тезисов докладов на Региональных и Международной конференциях [711], 2 патента на изобретение [12,13].

Личный вклад автора. Работа [5] выполнена автором лично. В работах [1, 2] автор подготавливал экспериментальные данные для вычислительного эксперимента. В работах [12, 13] автор проводил отработку технологии изготовления стеклометаллокомпозита. В работах [3, 4, 6] автор проводил экспериментальные исследования, обработку и анализ полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов по работе и списка литературы (146 наименований). Объем работы 134 страницы с 57 рисунками и 26 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основании литературного обзора выведены основные факторы, снижающие прочность стеклянных изделий, и способы ее повышения. Выделены достоинства, недостатки предложенных способов и определены основные проблемы, возникающие при соединении разнородных материалов.

Изучена классификация методов соединения стекла и металла, особое внимание уделено диффузионной сварке, выделены основные ее преимущества относительно других способов соединения разнородных материалов.

Обоснована актуальность работы, поставлены цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведена методика создания экспериментального образца для проведения исследований упрочнения стекла молибденовой группы С49-1 методом диффузионной сварки его с углеродистой сталью СтЗсп.

В первой части главы предложена модель упрочнения стекла в соответствии с рисунком 1 и выделены основные факторы, позволяющие упрочнить стекло в составе стеклометаллокомпозитного стержня, а именно:

- благодаря выбранной геометрии изделия - стержневое соединение, в процессе диффузионной сварки в стекле формируются только напряжения сжатия;

- в случае кристаллизации диффузионного слоя можно дополнительно получить сжимающие напряжения в поверхностных слоях стекла, которые будут препятствовать появлению поверхностных микродефектов;

- металлическая оболочка защищает поверхность стекла от воздействий окружающей среды.

На основании проведенного во введении литературного обзора сделаны предположения относительно характера взаимодействия стекла С49-1 со сталью СтЗсп в процессе сварки:

1) стекло смачивает оксидный слой на поверхности стали, оксидный слой при этом частично растворяется в стекле и возникает градиент концентрации железа;

2) проникновение катионов железа в стекло требует компенсации их положительного заряда, поэтому происходит распад (деполимеризация) бороси-

Рисунок 1 - Модель упрочнения стекла

ликатных анионов на более легкие анионы с более высоким зарядом. Конечным продуктом деполимеризации является ортосиликат-анион БЮ/- - его образование наиболее вероятно на самой границе с оксидным слоем, т. к. требует значительного избытка ионов металла;

3) в результате взаимодействия силикатных анионов с катионами железами могут образовываться кристаллические силикаты.

Проведен анализ изменения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в зависимости от химического состава стекол, сделаны предположения о ТКЛР переходной зоны. Наиболее сильно на термическое расширение стекол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше ТКЛР. Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеблется от 5-Ю"7 до 200-10"7. Стекло исследуемой марки С49-1 относится к ряду электровакуумных стекол молибденовой группы со следующим массовым содержанием оксидов: 67,5% БЮг - 20,3% В203 - 3,5% А120 - 8,7% Ма20. После проведения сравнительного анализа данного стекла с несколькими электровакуумными и химико-лабораторными стеклами с близким химическим составом было замечено, что существенное влияние на ТКЛР стекла оказывает содержание В203, БЮ2 и Ыа20. Влияние оксида РеО в чистом виде на ТКЛР стекла в изученной литературе не описано. С помощью кварцевого дилатометра в интервале 100-300°С был проведен анализ влияния добавки Ре203 в исходный состав по синтезу Ка20-28Ю2 на ТКЛР. Было замечено с одной стороны, его понижение за счет диффузии катионов железа и уменьшения процентного содержания оксида натрия, и с другой стороны - увеличение за счет уменьшения процентного содержания 5Ю2 и В20з, предположено, что ТКЛР переходной зоны может иметь промежуточное значение между его значением для оксидного слоя и исходного стекла. На рисунке 2 представлен график изменения ТКЛР в сварной зоне.

п-КГ'

Е

стекло Переходная №нн и 2 сталь

150 ей

100

50 **

0 А

Рисунок 2 - График изменения температурного коэффициента линейного

расширения $

Диффузионная сварка характеризуется тремя параметрами: давлением, временем выдержки и температурой. Варьирование каждого параметра по отдельности или совместно влияет на качество сварного соединения.

Во второй части первой главы рассмотрены критерии выбора параметров режима сварки. Исследована зависимость вязкости стекол от температуры, определен температурный режим сварки. Так как в материале помимо стеклянной составляющей присутствует и металлическая деталь, необходимо обратить внимание на свойства стали в температурном интервале сварки.

Анализ полученного графика зависимости относительного термического расширения СтЗсп от температуры, представленного на рисунке 3 и данных по вязкости стекла С49-1 позволяет сделать следующий вывод: на участке АВ стекло еще твердое, на участке ВС изменение ТКЛР стали минимально, т.е. он максимально приближен к стеклу, а стекло находится в расплавленном состоянии. На участке СД снова происходит резкое повышение значений ТКЛР, которое может способствовать появлению добавочных напряжений. Поэтому оптимальным является участок ВС, а выбранная температура сварки Тсв = 800°С.

Так как при нагреве и охлаждении в поверхностных слоях стекла формируются напряжения, которые могут привести к разрушению соединения, целесообразно проводить отжиг изделия с целью получения в заданном интервале температур напряжений, находящихся в допускаемых пределах по величине, поэтому отдельно изучен 4-х стадийный режим отжига с учетом процессов, протекающих со сталью в рассматриваемом интервале температур.

Немаловажным параметром диффузионной сварки является давление. Так как стекло находится в расплавленном состоянии, давление ограничивается ус-

ловием формоизменения стекла и выбирается экспериментально. Достаточным является давление 0,25 МПа.

Для выбора наиболее подходящего режима диффузионной сварки стекла С49-1 со сталью СтЗсп в составе стеклометаллокомпозитного стержня, были предложены следующие режимы, отраженные в таблице 1, по которым проводились дополнительные исследования.

Таблица 1 - Технологические режимы получения композитного стержня

№ и мин Р, МПа Т °с 1СВ» ^

1 40

2 60

3 80 0,25 800

4 100

5 120

В третьей части первой главы разработана технология изготовления стеклометаллокомпозитного образца, которая подразделяется на 4 этапа:

- подготовка металлической и стеклянной частей из профиля;

- подготовка поверхностей материалов перед сваркой (механическая и химическая очистки, получистовое точение на токарных станках, оксидирование поверхности металлической заготовки);

- изготовление стеклометаллокомпозитного образца;

- контроль качества сварного соединения: УЗК, микроскопические исследования, рентгеноспектральный анализ.

На рисунке 4 представлена схема установки для диффузионной сварки. Собранную заготовку 1 устанавливают на специальное место в печи, закрывают огнеупорной крышкой 5, вставляют через подготовленные отверстия поршень 2 и термопару 6, на поршень устанавливают нажимную плиту 7, для подачи давления.

Технологический режим изготовления стеклометаллокомпозитного образца разбивается на шесть этапов, представленных на рисунке 5. На первом этапе, который соответствует интервалу [0, происходит нагрев от температуры То до температуры сварки Тсв Размягченный материал стеклянного стержня продавливается под действием приложенной нагрузки, плотно прилегая к внутренней поверхности металлического стакана. На интервале рь 12] обеспечивается выдержка при Тсв. В конце рассматриваемого интервала поршень 2 (рисунок 4) опускается в полость стальной оболочки и вязкая стекломасса плотно прилегает к его внутренней поверхности, чем обеспечивает полное устранение поверхностных и внутренних дефектов стекла и надежное соединение стекла и металла.

10

Вязкость стекла наиболее низкая т|'"(105,5), стекло находится в равномерном расплавленном состоянии. Начиная с момента начала стеклования металлический стакан сокращается в большей мере, чем стеклянный стержень, вследствие различия их коэффициентов температурного расширения.

Рисунок 4 - Схема установки 1 - экспериментальный образец; 2 - поршень; 3 -сварочная камера; 4 - нагревательный элемент; 5 - огнеупорная крышка; 6 — термопара; 7 — нажимная плита

1Т, °С

^ 11 (Па с)

•ел'

^ ч"

" <8. П"

О и

12 ^

15 и I

Рисунок 5 - Температурный режим сварки и

На третьей стадии ft2, 1з] производят охлаждение до температуры отжига Т"от. Верхняя температура отжига Т°от стекла С49-1 находится при 530-540°С. На первой стадии до этой температуры происходит остывание стеклянного изделия и выдержка на второй; на третьей стадии - медленное охлаждение до 410°С - нижней температуры отжига Тнот- Учитывая, что в температурном интервале отжига может происходить рекристаллизация стали, которая будет приводить, в том числе, к релаксации внутренних напряжений. Для большинства сплавов и металлов технической чистоты температуру рекристаллизации можно оценить по формуле (правило A.A. Бочвара):

Т «04 Т

1 рекр ги'

где Трекр и Тпл - соответственно температуры рекристаллизации и плавления металла. Сталь СтЗ плавится в интервале 1512-1521°С, поэтому температуру рекристаллизации можно оценить в 440°С. То есть фактически можно считать, что напряжения при медленном охлаждении будут возникать ниже 440°С, поэтому процесс отжига стеклометаллокомпозитных образцов технологически такой же, как для стекла С49-1.

В результате остывания внутренняя поверхность металлического стакана оказывается растянутой, а стеклянный стержень сжат. Стягивание поверхности стеклянного стержня при остывании не позволяет образовываться поверхностным микротрещинам, уплотняя ее.

При математическом моделировании для оценки остаточных напряжений было сделано предположение о том, что диссипативный вклад напряжений несущественен и не влияет на температуру. Это позволяет разделить связную задачу термомеханики на две: краевую задачу теплопроводности для двухслойного материала в результате решения которой, были получены графики, характеризующие температуру на все временном интервале, представленные на рисунке 6, и краевую задачу определения напряженно-деформируемого состояния в материале на последней стадии отжига с учетом развитой диффузионной зоны -рисунки 7 и 8. Из графика (рисунок 6) ясно, что для изделия, рассматриваемой нами толщины (d < 80-10"3 м), температуру в образце можно считать не зависящей от толщины изделия, а зависящей только от времени.

Напряженно-деформированное состояние композита определяется из решения деформационной задачи на последнем технологическом этапе отжига. Деформационная задача формулируется в цилиндрической системе координат с использованием гипотезы о плоской деформации с учетом осевой симметрии, в рамках теории Дюамеля-Неймана. Диффузионную зону предлагается учитывать как третий слой с промежуточными механическими характеристиками.

800 700 600 500 400 300 200 100

0

."С 1с-

А

О -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2

50

150

250

I, мин

0"'м

Рисунок 6 - Результаты численного решения температурной задачи

Рисунок 7 - Радиальные перемещения на последней стадии отжига в композите

Поэтому перемещения, деформации и напряжения могут быть записаны в

виде:

и,е,а-

и" ,£'

4 {1 (1

и ,е ,ст

и , £

0 < Г < Г! Г,<Г<Г! +5

Г1 + 5 < г < г2

а механические характеристики трехслойного материала а0<г<г, а,к,11= а\ к\ ^ г,< г < г, + 8 а", Я",//" Г1 + 5 < г < г2

здесь и, е, о - тензоры перемещений, деформаций и напряжений, а, X, ц -температурный коэффициент линейного расширения и параметры Ламе, гь т2 -внутренний и внешний радиусы стержня соответственно, а 8 - толщина диффузионной зоны.

Данная задача является классической в термомеханике и имеет аналитическое решение. На рисунке 8 приведены значения напряжений в композите на последней стадии отжига, при развитой диффузионной зоне имеющей промежуточные значения ТКЛР между стеклом и металлом.

1 0"3м

/

и / 1

/

^МПа

ст., МПа

200 100 0 -100

V

Ч^Ч.

ь 1 ¿ г, 0°м

1|

б

Рисунок 8 - Результаты решения краевой задачи напряженно-деформируемого состояния при развитой диффузионной зоне, 11 = бОмин , Ь = 80мин а - радиальные напряжения на последней стадии отжига в композите б - окружные напряжения на последней стадии отжига в композите

Анализ температурных напряжений позволяет сделать следующие выводы: радиальные напряжения а„ принимают максимальные напряжения в стеклянном слое и составляют менее 10% от разрушающих напряжений при сжатии; на месте контакта стекла, диффузионной зоны и металла графики функций аф имеют конечный разрыв, величины скачков могут быть различными; при учете диффузионной зоны максимальные напряжения более чем на 40% меньше чем в двухслойном материале, что может быть объяснено менее значительным скачком в значении коэффициента линейного температурного расширения.

Во второй главе приведена методика контроля качества сварного соединения, микроскопические методы исследования переходной зоны и определение ее механических характеристик.

В виду весьма сложной (композиционной) структуры изделия, малой толщины стальных стенок и особенностей сочетания акустических свойств стали и стекла для массового контроля таких изделий целесообразно проводить ультразвуковой контроль двумя методами: эхометодом и теневым, прямыми пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП), с контактно-щелевым способом обеспечения акустического контакта. Теневой или амплитудно-теневой метод основан на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей волны из-за наличия дефекта. Предлагаемый комплексный метод характеризуется обнаружением дефектов за счет наложения двух признаков: отражения сигнала от дефекта и ослабления прошедшего (сквозного) сигнала. Это реализуется двумя дефектоскопами УД2-12 с общей синхронизацией с помощью специального приспособления, состоящего из металлической иммерсионной ванны и вспомогательной гильзы из оргстекла. При ультразвуковом контроле представленных композитных образцов, отобранных из общих партий изготовленных изделий со

14

стеклянным наполнителем, на максимальной чувствительности дефектов типа неспекания стекла с металлом и внутренних пустот в стеклянном наполнителе не обнаружено.

Во второй части второй главы представлены результаты микроскопических исследований зоны сварного соединения образцов (рисунок 9), изготовленных по пяти технологическим режимам. Определено влияние предварительного оксидирования поверхности стальной детали на равномерность и однородность диффузионной зоны. Определена зависимость структурного изменения переходной зоны от времени выдержки при температуре сварки, сделаны предположения о фазовой структуре переходной зоны.

Третья часть второй главы просвещена рентгеноспектральным исследованиям, которые являются необходимыми для определения качественного состава и толщины диффузионной зоны.

Линейное сканирование серий образцов, изготовленных в режимах №1-5 с предварительным оксидированием стального элемента, проводилось для определения распределения железа и кремния как элементов, ответственных за фа-зообразование в переходной зоне. Было замечено, что ширина переходной зоны составляет в среднем 30 мкм, графики распределения элементов имеют экстремумы, поэтому было проведено повторное линейное сканирование исследуемых образцов при большем увеличении. При этом экстремумы распределения были обнаружены на всех исследуемых образцах. Сопоставление графиков с результатами микроскопического исследования позволяет сделать предположение о существовании в переходном слое зон (подзон), различных по фазовому составу. Для подтверждения данного предположения был проведен рентгенос-пектральный анализ исследуемых образцов в точечном режиме (рисунок 9). На условной прямой от границы двух материалов вглубь стекла отмечались последовательно нанесенные точки, и определялось содержание элементов в каждой из них представленных в таблице 2.

а б

Рисунок 9 - Результаты исследования зоны сварного соединения а — образец для микроскопических исследований; б - точечный анализ элементов в переходной зоне.

№ точки Atom. %

О Na Si Fe Pt

1 36.04 - 5.98 47.05 2.53

2 12.65 - 21.37 51.09 3.90

3 22.22 5.44 35.00 25.11 4.09

4 39.81 4.06 25.25 8.88 2.62

В результате проведенных исследований удалось уточнить механизм формирования переходной зоны, получить картину распределения химических элементов и ее зависимость от изменения времени выдержки при температуре сварки и определить наиболее эффективный технологический режим. В переходной зоне можно выделить три подзоны (рисунок 10): вюстит, изначально полученный на поверхности стали и постепенно растворяющийся в сгекле; фаялит, образующий кристаллический слой; стекло содержащее некоторое количество растворенного железа, при этом содержание железа в данной подзоне недостаточно для образования кристаллических фаз. Сопоставление данных, полученных при точечном и линейном режимах, позволяет оценить толщину подзон: зона вюстита в пределах 1 мкм, зона фаялита составляет 2-4 мкм; зона стекла содержащего железо более 15 мкм. Оптимальным технологическим режимом с точки зрения сплошности и однородности диффузионной зоны является режим № 4.

в]_Ее

..........

\2

Л

j

15 10 5 0 5

Рисунок 10 - Сопоставление результатов точечного и линейного режимов для образца изготовленного по режиму № 4

В четвертой части второй главы представлены исследования механических характеристик переходной зоны. В качестве механических характеристик определяли микротвердость (НТ) треугольным индентором с углом при вершине 115° и модуль Юнга (Е). На рисунке 11 представлена графическая зависимость НТ и модуля Юнга от постепенно изменяющейся нагрузки, измерения проводились в центре образцов из стекла С49-1 и стеклометаплокомпозита.

700

500 ___:__;_........................

5 10 15 20 25 30 35 40 р мН

Рисунок 11- Зависимость модуля Юнга Е и твердости НТ от величины

нагрузки Р

Как видно из результатов эксперимента, НТ у композиционного образца в два раза ниже, чем у первоначального стекла, что позволяет сделать предположение о понижении хрупкости экспериментального образца, модуль Юнга увеличивается в композите незначительно в пределах 10%, что обуславливает незначительное уменьшение податливости материала.

Глава третья посвящена определению механических характеристик стек-лометаллокомпозитных стержней. Механические характеристики определялись посредством проведения статических испытаний на сжатие, растяжение, кручение; определены модуль сдвига и модуль Юнга композиционного материала. Приведен сравнительный анализ механических характеристик композита, стального образца и стеклянного образца, полученных экспериментально.

При статических испытаниях на сжатие было исследовано поведение композита, определены его максимальные и разрушающие нагрузки. По результатам проведенных испытаний и микроскопических исследований из пяти используемых технологических режимов был выбран один - четвертый режим, который лег в основу изготовления экспериментальных образцов для дальней-

шего изучения. На рисунке 12 и в таблице 3 приведены экспериментальные прочностные характеристики композита.

Таблица 3 - Механические характеристики экспериментальных образцов

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ртах> КН 49,1 50,3 49,6 52,1 50,5 51,6 50,8 50,2 51,3 51,0

Рв,кН 57,5 58,2 57,8 59,8 58,5 59,5 58,6 58,0 59,4 59,1

От, МПа 584 585 585 587 585 587 586 585 586 586

ов, МПа 678 679 679 681 679 680 679 678 680 679

60

54

48

42

36

30

24

18

12

6

0 1,0 2,0 Д/,мм

Рисунок 12 - Диаграмма сжатия стеклометаллокомпозитных стержней

К. кН

1 к >

1 Л

7 (Л

Г/ТО

51

\ \\

Л

V я \ ч

/

!

/ /

! > /А

/ А V

'Л у

V у

/ р'

/ ' Л;

7 >

<! 'Л //

у /

/л

/ Щ 7/

'-V /

1

V*' /

1

: Г

!

/,

/

щ

>

н V

(

Ф

/ 1/

¡ш

При статических испытаниях композита на растяжение определены его максимальные и разрушающие нагрузки (рисунок 13, таблица 4) и экспериментально определен модуль Юнга (таблица 5).

Таблица 4 - Результаты испытаний на растяжение

н 1 2 3 А 5 6 7 8 9 10

Ртах, КН 10,5 11,0 10,8 11,5 11,2 10,6 12,0 11,8 10,7 11,6

Рв,кН 11,9 12,4 12,0 13,0 12,8 12,2 13,5 13,3 12,5 13,2

От, МПа 158 159 159 159 159 158 160 160 159 158

оь, МПа 194 195 195 195 195 194 196 196 194 195

Р, кН

Таблица 5 - Значения модуля Юнга

СтЗсп С49-1 СтЗсп-С49-1

Е, МПа 2-Ю5 0,73-105 1,4-105

При статических испытаниях на кручение был определен приведенный модуль сдвига, который имеет среднее значение 0,56-105МПа. Это значение является средним между модулем сдвига С49-1 (0,305-105МПа) и СтЗсп

19

(0,8-105МПа). Приведенной эту величину назвали исходя из того, что определялась она для экспериментального образца с конкретными геометрическими характеристиками, есть вероятность того, что при изменении размеров образца модуль сдвига тоже будет меняться.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Итогом комплексных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение прочности стекла за счет диффузионной сварки его с металлом, являются следующие основные результаты.

1. В результате предлагаемой технологии упрочнения стекла, его прочность увеличилась на порядок. При проведении статических испытаний установлено, что максимальные напряжения, испытываемые стеклометаллокомпо-зитным образцом на сжатие в два раза больше, чем у стального образца СтЗсп и лежат в интервале закаленных стекол, а также на порядок выше, чем максимальные напряжения стеклянного образца С49-1. Также на прочность стекло-металлокомпозита влияет торцевой эффект, при наличии которого максимальные напряжения снижаются в 3 раза.

2. В результате анализа температурных напряжений установлено, что учет диффузионной зоны позволяет снизить остаточные напряжения более чем на 40%, что может быть объяснено менее значительным скачком в значениях ТКЛР.

3. В результате микроскопических исследований установлено наличие развитой переходной диффузионной зоны, которая фазово подразделяется на три подзоны: вюстит, изначально полученный на поверхности стали и постепенно растворяющийся в стекле; фаялит, образующий кристаллический слой; стекло содержащее некоторое количество растворенного железа, при этом содержание железа в данной подзоне недостаточно для образования кристаллических фаз. Определено влияние технологических параметров диффузионной сварки на образование подзон переходной зоны и их толщину. Установлено, что предварительное оксидирование металлической поверхности влияет на сплошность и равномерность фаз переходной зоны.

4. Установлено влияние технологических параметров диффузионной сварки на прочностные характеристики стеклометаллокомпозита. На основании микроскопических исследований и статических испытаний выделен наиболее благоприятный режим изготовления стеклометаллокомпозита, легший в основу предлагаемой технологии изготовления.

5. В результате проведенных испытаний стеклометаллокомпозита определен интервал нагрузок, при которых происходит постепенное разрушение образца. Проведена статистическая обработка результатов исследований и выделен доверительный интервал. Установлено, что после снятия нагрузки с экспе-

20

риментального образца, его первоначальные геометрические характеристики практически не изменяются и не нарушается целостность, что должно положительно влиять на его использование в конструкциях.

6. Экспериментально установлено, что модуль сдвига и модуль Юнга стек-лометаллокомпозита имеют среднее значения между модулями стали СтЗсп и стекла С49-1. По проведенным испытаниям на микротвердость, определены модуль Юнга и микротвердость подзон переходной зоны.

7. Для контроля качества сварного соединения разработана методика не-разрушающего контроля, учитывающая композиционную структуры изделия, малую толщину стальных стенок и особенности сочетания акустических свойств стали и стекла.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах из перечня ВАК:

1. Любимова, О.Н. Численное решение задачи о проплавлении металлического слоя при сварке плавлением стекла и металла / О.Н. Любимова, К.Н. Пестов, Е.А. Гридасова // Вычислительная механика сплошных сред. — 2010. — Т.З, №1. -С. 63-72.

2. Любимова, О.Н. Математическое моделирование теплового процесса диффузионной сварки стекла с металлом / О.Н. Любимова, К.Н. Пестов, Е.А. Гридасова II Сибирский журнал индустриальной математики. - 2010. - Т. 13, №4 (44). -С.52-63.

3. Любимова, О. Н. К вопросу упрочнения стекла методом диффузионной сварки с металлом / О.Н. Любимова, К.Н. Пестов, Е.А. Гридасова // Вестник ЧГПУ им. И. Я. Яковлева Серия: Механика предельного состояния. -2010. - №2 (8). -С. 318-325.

4. Любимова, О.Н. Метод упрочнения стекла при его диффузионной сварке с металлом / О.Н. Любимова, Е.А. Гридасова // Сварка и диагностика. — 2010. — №6. - С. 39-44.

5. Гридасова, Е. А. Влияние диффузионной сварки стекла С 49-1 с металлом СтЗсп на прочностные характеристики стекла / Е.А. Гридасова // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2011. - Т.4. №4. - С. 1459-1461.

6. Гридасова, Е.А. Практические результаты создания стеклометаллокомпозит-ного стержня / Е.А. Гридасова, О.Н. Любимова // Вестник МГСУ. - 2012. №7 -С. 136-141.

Прочие публикации:

7. Любимова, О.Н. Задача тепломассопереноса процесса изготовления стекло-металлокомпозита методом диффузионной сварки / О.Н. Любимова, Е.А. Гри-

21

дасова И Тезисы докладов Юбилейной научной конференции «Вологдинские чтения». - г.Владивосток: ДВГТУ - 2008г. - С.76-78.

8. Lubimova O.N. Calculation of thermal stresses on composite material on base and metal / Lubimova O.N, Gridasova E.A. // Advanced problems in mechanics (АРМ). -St.Petersburg, 2009. - P. 451-455.

9. Любимова, O.H. Математическая модель теплового процесса изготовления стеклометаллокомпозита методом диффузионной сварки / О.Н. Любимова, Е.А. Гридасова // Тезисы докладов 16 Зимней школы по механике сплошных сред «Механика сплошных сред как основа современной технологии». - г. Пермь: ИМСС УрО РАН - 2009г. - С. 125.

10. Lyubimova О. N. Numerical solution of problemfusion penetration metal, when glass welds metal by diffusion welding / Lyubimova O. N., Pestov K.N., Gridasova E.A. // Proceedings of international summer school «Advanced Problems in Mechanics». -St. Petersburg: IPME - 2010. - P. 419-425.

11. Гридасова, E.A. Метод упрочнения стекла посредством создания переходной зоны насыщенной катионами железа / Е.А. Гридасова, Е.В. Лифанский, О.Н. Любимова, П.А. Никифоров // Материалы Международной научно-практической конференции Современные материалы, техника и технология. -2011. - С.95-97.

Патенты и свидетельства:

12. Гридасова, Е.А. Способ изготовления стеклометаллокомпозита. Патент №2428388 РФ / Е.А. Гридасова, О.Н. Любимова, К.Н. Пестов, Г.Л. Каяк -10.09.2011. Бюл.№ 25.

13. Гридасова, Е.А. Способ изготовления стеклометаллокомпозита Патент №2428389 РФ / Е.А. Гридасова, О.Н. Любимова, К.Н. Пестов, Г.Л. Каяк 10.09.2011, Бюл.№ 25.

Гридасова Екатерина Александровна

Повышение прочностных свойств стекла в результате металлизации методом

диффузионной сварки

Автореферат

Подписано к печати 26.04.2013 Усл. печ. л. 1,2 Уч. изд. л. 1.

Формат 60x84/16 Тираж 100 экз. Заказ 8

Издано в ДВФУ. Владивосток, ул. Суханова, 8 Отпечатано группой оперативной полиграфии ИАПУ ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Радио,5.

Федеральное агентство по образованию Дальневосточный федеральный университет

На правах рукописи

0420135^800

Гридасова Екатерина Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ СТЕКЛА В РЕЗУЛЬТАТЕ МЕТАЛЛИЗАЦИИ МЕТОДОМ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат физико-математических наук доцент О.Н.Любимова

Комсомольск-на-Амуре - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

Глава I. Методика создания экспериментального образца для про- 29 ведения исследований упрочнения стекла методом диффузионной сварки его с металлом

1.1. Основные предположения о факторах упрочнения стекла 29

1.2. Критерии выбора параметров режима сварки 35

1.3. Технология изготовления стеклометаллокомпозитного образца 44

1.4. Моделирование процесса термоупругого деформирования 49 стеклометаллокомпозитного стержня

Глава II. Контроль качества сварного соединения. Исследование 68 механических характеристик переходной зоны

2.1. Неразрушающий контроль стеклометаллокомпозитных образ- 69

цов

2.2. Микроскопические исследования зоны сварного соединения 77 стекла и стали

2.3. Рентгеноспектральный анализ 84

2.4. Исследование механических характеристик переходной зоны 88 Глава III. Статические испытания стеклометаллокомпозитных 93

стержней, определение механических характеристик

3.1. Статические испытания на сжатие. 93

3.2. Статические испытания на растяжение. 108

3.3. Экспериментальное определение Модуля Юнга 114

3.4. Испытания на кручение 115 Общие выводы 120 Литература 122

ВВЕДЕНИЕ

Основные понятия о прочности стекла.

Современное развитие строительной промышленности предъявляет высокие требования к строительным материалам, которые должны объединять высокие технико-эксплуатационные свойства, технологичность изготовления и низкую себестоимость производства. В ряде конструкций оптимальные эксплуатационные свойства можно получить лишь при условии применения составных или комбинированных узлов из разнородных материалов, например, слоистых композитов. Из таких материалов изготавливается не вся конструкция, а лишь те участки, которые испытывают воздействие силовых нагрузок, температур или агрессивных сред.

Неограниченные сырьевые ресурсы, высокая теоретическая прочность и химическая инертность стекла определяют актуальность его использования при создании композиционных материалов для конструкций ответственного назначения.

Особый интерес к вопросам прочности неорганических стекол со стороны физиков возник в начале 30-х годов после появления работ С.Н. Журкова и А.П. Александрова [3]. В результате фундаментальных исследований, выполненных кругом ученых Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН [8,9] установлено, что неорганическому стеклу присуща высокая природная прочность независимо от размеров: в равной мере, как для стекловолокна, так и для листа или массива стекла.

Прочностью называется свойство материалов противостоять разрушению при воздействии внешних нагрузок. Соответственно, характеристикой механической прочности является предел прочности - максимальное механическое напряжение, вызывающее разрушение материала под действием статической нагрузки.

В зависимости от характера механического воздействия различают прочность на: растяжение, сжатие, изгиб, микротвердость и абразивную стойкость [21,23].

При рассмотрении прочности стекла необходимо четко определять выбранную прочностную характеристику, поскольку их абсолютные значения значительно различаются, например прочность различных стекол ни изгиб варьируется в пределах 0,02-0,10 ГПа, а прочность на сжатие в пределах 0,5-2,5 ГПа.

Рассматривая прочностные характеристики стекла нужно отличать две различные величины: теоретическую и техническую прочность стекла.

Теоретическая прочность является условной величиной, оценочно рассчитываемой для некоего идеального бездефектного гомогенного стекла, нагружаемого квазистатично при низких температурах. Эта условная величина зависит от природы и прочности химических связей в структуре. Для наиболее распространенного силикатного стекла величина теоретической прочности связана с прочностью химической связи Si-O-Si [115]. Теоретическая прочность стекла по данным В.П. Пух [114], а также С.И. Сильвестровича [122] составляет от 10000 МПа до 25000 МПа. Высокая природная прочность практических стекол в отсутствии дефектов структуры подтверждена экспериментально [9,50].

Техническая (или практическая) прочность — характеристика реальных изделий из стекла. Известным и подтвержденным литературой фактом является то, что практическая прочность стекла характеризуется величиной от 20 до 100 МПа, что составляет менее 1% от теоретической прочности стекла. В первую очередь это связано с элементарными процессами, происходящими в объеме и на поверхности практических стекол: развитием микронеоднородных областей и фазового разделения, проявлением термомеханических последствий процесса формирования, термическим разуплотнением поверхности, ростом локальных напряжений на границах микрообластей и неуравновешенными теплофизическими свойствами, образованием на поверхности активных центров абсорбции, а также возникновение гидролитических и механических повреждений [8,16, 114, 123, 125].

Совокупность указанных явлений приводит к зарождению и развитию в структуре стекла, особенно на поверхности разного рода разупрочняющих дефек-

тов, среди которых наиболее типичными и опасными считаются микротрещины -очаги хрупкого разрушения [9, 65, 122]

Многочисленные экспериментальные данные по прочности стекол [10,11, 59, 68, 88, 89] показывают большой разброс значений и их зависимость от методов получения образцов, состояния их поверхности, от методов и условий проведения измерений прочности (температура, влажность воздуха, скорость приложения нагрузки и т.д.) и геометрии стеклянного изделия [128]. Для обычных стеклянных изделий прочность на растяжение находится в диапазоне 0,02-0,10 ГПа, для некоторых специальных изделий, таких как автомобильные стекла, эта величина составляет 0,3-0,5 ГПа, а для тонких (диаметром несколько микрон) стеклянных волокон достигает 3,5 ГПа и более. С уменьшением диаметра волокна от 0,1 до 0,03 мм прочность возрастает от 500 до 1000 МПа [59].

Стекло по показателям удельной прочности на сжатие намного превосходят такие конструкционные материалы как сталь, алюминиевые и титановые сплавы. Однако поверхностные и внутренние микродефекты существенно снижают его природную прочность, делая его хрупким материалом. Известно, что устранение поверхностных микродефектов повышает прочность стекла на порядок, изоляция от влаги, увеличивает прочность в два раза, ликвидация внутренних дефектов повышает прочность стекла на 30%. Задача повышения прочности стекла с целью использования его в конструкциях ответственного назначения является важной задачей, которую решают ученые по всему миру. Повышение прочности стекла за счет устранения поверхностных микродефектов остается распространенным способом решения проблемы упрочнения стекол [10, 130].

Одним из наиболее известных методов повышения прочности стекла за счет устранения поверхностных микродефектов является метод создания сжимающих напряжений в поверхностных слоях стекла (рисунок 0.1).

К способам создания сжимающих напряжений в поверхностных слоях стекла относятся: закалка стекла [93], ионный обмен [132, 133, 134, 139], и поверхностная кристаллизация [142].

Механическая полировка, удаление дефектного поверхностного слоя травлением стекла [18,145], огненная полировка [140] и нанесение защитных покрытий [131,133] являются методами повышения прочности стекла за счет поверхностного упрочнения.

Закалка является наиболее распространенным методом упрочнения стекла и состоит в создании постоянных внутренних напряжений за счет резкого охлаждения материала от температур, превышающих температуру стеклования. Эффективность применения закалки зависит от химического состава стекла, толщины и геометрии изделия и температурно-временных условий охлаждения стеклянных изделий. При закалке ударная прочность стекла возрастает в 5-10 раз, в зависимости от толщины изделия. Предел прочности закаленного стекла при изгибе достигает 250 МПа. Прочность закаленного стекла при прочих равных условиях в 3—4 раза больше прочности отожженного. Существенным недостатком закалки является низкая эффективность упрочнения для тонкостенных изделий. Другой значительный недостаток этого метода заключается в том, что при закалке во внутренних слоях стеклянных изделий формируются значительные растягивающие напряжения. В некоторых случаях они могут приводить к самопроизвольному разрушению изделия.

В основе ионообменного способа упрочнения стекла лежит процесс обмена щелочными ионами между стеклянной поверхностью и расплавом соли при температурах ниже интервала стеклования стекла. Обычно ионообменная обработка позволяет создавать в поверхностном слое сжимающие напряжения, величина которых составляет 45-690 МПа [139]. В специальных стеклах абсолютные величины сжимающих напряжений, создающихся при ионном обмене, могут достигать огромных величин (до 1 ГПа) [25]. Для стекла, упрочненного ионным обменом, анализ дает значения прочности 275 МПа. К числу недостатков метода ионообменного упрочнения стекла относится то, что эффективность его использования сильно зависит от диффузионной подвижности обменивающихся ионов, которая определяется химическим составом стеклообразного материала, температурой и

типом обменивающихся ионов. Поэтому эффективность ионообменного метода упрочнения для многих типов стекол невелика.

Рисунок 0.1 - Методы повышения прочности стекла

Поверхностная кристаллизация заключается в формировании кристаллического слоя в поверхностных слоях стекла при определенной температуре, которая меньше коэффициента температурного расширения, чем само стекло, что позволяет создать напряжения сжатия, которые приводят к увеличению прочности всего стекла. Такая технология позволяет увеличить прочность стекол от 3 до 11 раз, в частности, прочность на изгиб цинкалюмосиликатных стекол повышается с 70 МПа до 300-830 МПа [18]. Недостатком этого метода является ограниченный диапазон состава стекол.

Механически полированное стекло, полученное путем шлифования и полирования, имеет прочность 50-150 МПа [21]. При правильной организации процесса шлифовки - полировки прочность повышается до 200-400 МПа.

Метод огненной полировки заключается в быстром нагреве поверхности стекла вплоть до его размягчения под воздействием локального внешнего источника тепла, например пламени газовой горелки [21, 91]. Под действием сил поверхностного натяжения происходит «сглаживание» поверхностных дефектов, за-плавление микротрещин. Основным недостатком методов механической и огненной полировки является чувствительность поверхности стекла к механическим повреждениям.

Способ удаления дефектного поверхностного слоя травлением стекла состоит в удалении дефектного поверхностного слоя путем его растворения в специальных растворах, например, водных растворах фтористоводородной кислоты [21, 144]. Процесс травления позволяет увеличить прочность стеклянных изделий в 3-4 раза и более. Этот способ упрочнения стекла характеризуется технологической простотой и дешевизной. Следует отметить, что данный способ упрочнения требует соблюдения специальных мер трудовой и экологической безопасности, так как связан с использованием токсичных материалов, поэтому использование этого метода во многих промышленно развитых странах ограничено. Кроме того, после травления, поверхность стекла очень чувствительна даже к незначительным механическим воздействиям и легко повреждаема, поэтому сразу после травления рекомендуется наносить на поверхность стекла защитное покрытие.

К нанесению защитных покрытий относится способ металлизации поверхности стекла [93], который заключается в нанесении тончайших пленок различных металлов (алюминия, титана и др.) на поверхность стеклянных изделий следующими способами: химическим, гальваническим, осаждением [146, 141], вжи-ганием или впеканием, нанесение пленок на поверхность стекла физическими методами и нанесение глазури.

Вжигание или впекание [59] заключается в том, что некоторые растворы солей благородных металлов при нагревании до определенной температуры разлагаются, образуя на стекле тонкий металлический слой. При дальнейшем повышении температуры пленка металла плотно вжигается в стекло. Нанесение пленок на

поверхность стекла повышает сопротивление изгибу в 5-10 раз. Недостаток этого метода заключается в том, что некоторые растворы не только ядовиты или дают ожоги, но и могут взрываться вследствие образования гремучих смесей и сам способ вжигания требует жесткого контроля и соблюдения техники безопасности.

Нанесение пленок на поверхность стекла физическими методами [59] подразделяется на испарение в вакууме различных металлов и катодное распылением металлов в вакууме. Технологические процессы нанесения пленок этими методами имеют много общего между собой. В обоих случаях необходим вакуум. При том и другом способах пленка получается в виде мельчайших частиц или молекулярного дождя, создаваемого испаряемым или распыляемым металлом [35, 36]. Металлизация стекла методом испарения основана на способности некоторых металлов испаряться при нагревании до температуры, несколько большей, чем их точка плавления. Испарение в высоком вакууме происходит с поверхности металла по прямым линиям во всех направлениях. Поток частиц металла в конце свободного пути оседает на поверхности объекта в виде тонкого равномерного слоя. Недостаток этого метода заключается в том, что полученные пленки отслаиваются от подложки с образованием пузырей.

Нанесение глазури [18] на поверхность стекла, обладающей меньшим коэффициентом температурного расширения, при охлаждении обеспечивает образование напряжений сжатия в глазурном слое и напряжений растяжения в объеме стеклоизделия. Прочность стекла в результате такой обработки увеличивается более, чем на 130% [136]. Недостатками метода глазурования является его неполная универсальность (глазурь, разработанная и используемая для упрочнения стекло-изделий определенного химического состава, не может быть автоматически использована для упрочнения стекол других составов), и существенное изменение рельефа поверхности стеклоизделия.

Проведя анализ вышеперечисленных методов упрочнения стекла можно выделить общие недостатки этих методов:

— постоянный контакт поверхности стекла с окружающей средой,

- малая толщина упрочняющего слоя (покрытия), что позволяет только увеличить устойчивость поверхности стекла к абразивному воздействию, когда стойкость к механическому воздействию невелика;

- ограниченность использование методов химическим составом стекол и упрочняющих материалов;

- использование токсичных материалов.

В последнее время появились и альтернативные подходы к решению проблемы повышения прочности стекла. В.В. Пикулем (ИПМТ ДВО РАН) предложен способ упрочнения стекла в составе нового композиционного материала - стек-лометаллокомпозита [99], заключающийся в том, что в пространство, ограниченное металлическими обшивками (толщины которых могут достигать 2-3 мм) заливают расплавленную стекломассу, которая при остывании надежно соединяется с ними и обжимается за счет разницы в коэффициентах температурного расширения стекла и металла. Обжатие стеклянного слоя препятствует образованию поверхностных микродефектов, и должно приводить к резкому повышению статической и динамической прочности стеклянного слоя и всего композита в целом. Регулируя степень обжатия стеклянного слоя в процессе изготовления предположительно можно создавать композиционный материал со специфическими механическими свойствами. При высоком уровне обжатия стеклометаллокомпозит должен приобретать идеальные свойства для работы в условиях сжатия, а при низком уровне обжатия способен успешно работать в условиях изгиба и растяжения. В основе предлагаемого способа лежит возможность стекла надежно соединяться с металлами при определенных температурах. При теоретическом анализе после математического моделирования, проведенном в работах [99, 108, 109], было установлено, что по показателям прочности стеклометаллокомпозит должен в 1,5-2 раза превосходить высокопрочные титановые сплавы. Из него возможно было бы изготавливать крупногабаритные конструкции различного назначения: глубоководные аппараты, резервуары для захоронения радиоактивных отходов, корпуса летательных а