Czytaj także -

Aktualne wydanie

2023 01 okladka1

Świat Szkła 1/2023

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

 ET-Swiat-Szkla-PL-160x600-004

 

Szkło przetwarzane termicznie – korelacja pomiędzy powierzchniowym naprężeniem ściskającym, wytrzymałością mechaniczną i fragmentacją
Data dodania: 05.12.22

 

W artykule dokonano korelacji danych, zarejestrowanych w ciągu wielu lat, w Stazione Sperimentale del Vetro (SSV). Jej celem jest określenie zależności pomiędzy następującymi parametrami w szkle poddanym obróbce termicznej: 1. wytrzymałość na zginanie badana wg EN 1288-3 [1]; 2. fragmentacja badana wg [2, 3, 4]; 3. powierzchniowe naprężenia ściskające mierzone laserem Gasp [5]. W przypadku szkła wzmacnianego termicznie korelacja fragmentacji ze względu na inny sposób pękania (fragmenty „wyspowe” zamiast małych fragmentów) dotyczy tylko zgodności: TAK/NIE .

 

 2022 11 42 1

Rys. 1a, 1b. Wzór odłamków w bezpiecznym szkle termicznie hartowanym (a) i w szkle wzmacnianym termicznie (b)

 

Badania są rozwinięciem poprzednich analiz [6, 7] prowadzonych w Stazione Sperimentale Vetro, zwiększając dane eksperymentalne, ze szczególnym uwzględnieniem emisyjności szkła powlekanego i rozszerzając badania również na szkło emaliowane.

 

Korelacja pomiędzy powierzchniowymi naprężeniami ściskającymi a wytrzymałością mechaniczną i fragmentacją ma istotne znaczenie dla producenta, który może wykorzystać pomiar wstępnych naprężeń powierzchniowych jako środek do kontroli produktu.

 


Wstęp
Szkło poddane obróbce termicznej ma wiele zastosowań, a asortyment produktów szklanych poddawanych temu procesowi jest dość szeroki, biorąc pod uwagę również szkło powlekane i emaliowane.

 

Szkło powlekane musi zapewniać parametry energetyczne jako szkło niskoemisyjne, selektywne i refleksyjne w zależności od funkcji potrzebnej w danej strefy klimatycznej i wymagań prawnych dla konkretnych projektów.

 

W ostatnich latach szkło emaliowane zaczęło być coraz częściej wykorzystywane w konkretnych zastosowaniach, w których projektant chciałby ukryć pewne elementy, stworzyć nieprzezroczystą powierzchnię lub w celach estetycznych I artystycznych.

 

Emalia może być naniesiona jednolicie na całą powierzchnię tafli szklanej lub w określonych strefach/miejscach (np. wzdłuż krawędzi szyby), zgodnie z określonym rysunkiem (sitodruk) lub wzorem (punkty, linie, pasy). Powstają one przez naniesienie i wysuszenie nałożonej na powierzchni szkła kolorowej farby.

 

Następnie szyba jest poddawana obróbce termicznej – wówczas następuje utrwalenie termiczne (wypalenie) wzoru. Interakcja pomiędzy powierzchnią szkła a farbą jest trudnym aspektem ze względu na naprężenia rozciągające, które fryta wywołuje na styku/granicy faz oraz przez wpływ granulek pigmentu [8]; oba osłabiają powierzchnię aplikacji (nałożonej farby). Aspekt ten jest uwzględniony w normach zmniejszających minimalne wartości wytrzymałości mechanicznej [2, 3, 4].

 

We Włoszech nowa norma została opublikowana na początku 2017 roku [9]. Instytut Stazione Sperimentale del Vetro (SSV) przeprowadza wiele badań eksperymentalnych tych produktów. Dane są zbierane w celu oceny korelacji pomiędzy powierzchniowym naprężeniem ściskającym (Surface Compression Stress SC) a innymi cechami: fragmentacją (Fragmentation FR) i wytrzymałością na zginanie (Flexural Bending Strength FB). Pozyskiwanie wyników do bazy danych rozpoczęło się w 2002 roku i nadal jest kontynuowane.

 

Dane przedstawione w niniejszej pracy zostały uporządkowane w następujący sposób:
1. powierzchniowe naprężenia ściskające badane zgodnie z [5];
2. wytrzymałość na zginanie badana zgodnie z [1];
3. fragmentacja badana zgodnie z [2, 3, 4].

 

Celem niniejszej pracy jest ocena i rozszerzenie wcześniejszych analiz [6, 7, 10] o szkło powlekane i emaliowane. Ponadto uwzględniono dane dotyczące szkła wzmacnianego termicznie, natomiast fragmentacja jest rozpatrywana w kategoriach zgodności T/N z [2] ze względu na inny sposób pękania (fragmenty „wyspowe” zamiast małych fragmentów).

 

Tabela 1. Wartość referencyjna powierzchniowego naprężenia ściskającego

2022 11 42 2

 

Tabela 2. Minimalna wartość wytrzymałości na zginanie i liczba fragmentów dla TT

2022 11 42 3


Procesy termiczne w szkle obrabianym cieplnie
Szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe hartowane HS (wg [2]) lub wzmacniane termicznie TT (wg [3, 4]) jest to szkło, w którym poprzez kontrolowany proces ogrzewania i chłodzenia wywołano trwałe powierzchniowe naprężenia ściskające w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej i termicznej; w przypadku produktu TT dodatkowo – w celu uzyskania cech fragmentacji – tak, aby ograniczyć szkody dla ludzi i/lub rzeczy w przypadku pęknięcia/awarii szyby.

 

Wymiana ciepła w procesie hartowania odbywa się poprzez:
- promieniowanie (rezystory stosowane w podgrzewaniu wstępnym i podgrzewaniu zasadniczym);
- przewodzenie (kontakt z rolkami/walcami transportowymi);
- konwekcję (ważne w przypadku szkła powlekanego).

 

Konwekcja odgrywa kluczową rolę w tym procesie od czasu wprowadzenia na rynek szkła niskoemisyjnego: szkło o wysokiej emisyjności pochłania ciepło, natomiast o niskiej emisyjności je odbija.

 

Obecność powierzchni o niższej emisyjności może wiązać się z niesymetrycznym nagrzewaniem i wynikającą z tego krzywizną szyby po zakończeniu obróbki, przy czym prawdopodobnie nie występują jednorodne naprężenia wstępne.

 

W pierwszych chwilach nadmuchu zimnego powietrza na nagrzane szkło, powierzchnia szyby ulega szybszemu schłodzeniu niż wnętrze/rdzeń szyby i w ciągu kilku sekund, ze względu na niską przewodność cieplną szkła, różnica temperatur pomiędzy powierzchnią a rdzeniem szyby osiąga wartość maksymalną.

 

Okazuje się, że do hartowania szkła cienkiego potrzeba więcej energii niż do hartowania szkła grubego. Etap hartowania uzyskuje się przez wymuszone wdmuchiwanie zimnego powietrza (na rozgrzane szkło), a czas wdmuchiwania zależy od grubości szkła

 

Tabela 3. Liczba próbek dla SC vs FR

 2022 11 42 5

 

Tabela 4. Liczba próbek dla SC vs FB

 2022 11 42 5

 

 

Niepożądany rozkład naprężeń wstępnych na powierzchni szkła może być spowodowany głównie przez:
- nierównomierne nagrzewanie szyby w jej płaszczyźnie i pomiędzy dwiema powierzchniami;
- różną prędkość hartowania w poszczególnych punktach szyby;
- obecność otworów, nacięć, które powodują zróżnicowanie szybkości nagrzewania i hartowania.

 

Aby uniknąć tych problemów konieczna jest kontrola procesu na każdym etapie procesu hartowania.

 

Pomiar naprężeń wstępnych w szkle poddanym obróbce cieplnej

 

Pomiar naprężeń wstępnych musi być prowadzony za pomocą pomiarów fotoelastycznych, które w ostatnich latach zostały bardzo rozwinięte.

 

Obecnie głównymi przyrządami są:
1) GASP, firmy Strainoptics Technologies;
2) SCALP, opracowany przez GlasStress Ltd.

 

Pomiar przeprowadza się w celu oceny powierzchniowych naprężeń ściskających SC i skorelowania wyniku tego nieniszczącego pomiaru z wartością wytrzymałości na zginanie FB oraz obrazem fragmentacji FR otrzymanych w badaniach niszczących. Redner napisał wiele prac na ten temat [11, 12, 13, 14, 15, 16], wyjaśniając cechy przyrządu GASP i jego możliwości zastosowania w QC po hartowaniu szkła.

 

Inni autorzy zaproponowali nowy przyrząd (SCALP) oparty na technice polaryskopu światła rozproszonego [17, 18] wykazując, że naprężenia wstępne w szkle hartowanym mogą być wysoce niejednorodne, zarówno lokalnie, jak i globalnie.

 

Tabela 5. Dane dotyczące szkła float

2022 11 42 6

 


Ramowy plan badań
Badania zostały opracowane zgodnie z procedurami badawczymi podanymi w normach:
- PN-EN 12150-1 [3] dla szkła hartowanego termicznie, w dalszej części artykułu nazywanego TT;
- PN-EN 14179-1 [4] dla wygrzewanego szkła hartowanego termicznie w teście HST, zawartego w TT;
- EN 1863-1 [2] dla szkła wzmacnianego termicznie, w dalszej części artykułu nazywanego HS, które nakazują wykonanie testu fragmentacji (FR) i testu zginania czteropunktowego (FB), zgodnie z [1], po pomiarze powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC), zgodnie z [5].

 

Wartości otrzymane na podstawie danych doświadczalnych/eksperymentalnych to:
- SC: powierzchniowe naprężenie ściskające traktowane jako średnia wartość z pięciu pomiarów dla każdej próbki;

- FR: liczba fragmentów/odłamków szkła uzyskana zgodnie z [3, 4];
- FB: wytrzymałość na zginanie obliczona przy obciążeniu niszczącym, według procedur określonych w [1].

 

Powierzchniowe naprężenie ściskające SC jest skorelowane odpowiednio z FR i FB. Obecnie normy ASTM C1048:2012 [19] i ISO [20, 21] określają wymagania dotyczące naprężenia ściskającego na powierzchni, jak pokazano w tabeli 1; natomiast normy EN określają wartości graniczne wytrzymałości na zginanie i minimalną liczbę fragmentów/odłamków szkła w teście fragmentacji, jak podano w tabeli 2.

 

Ocena dla FR jest różna dla szkła HS i TT, ponieważ sposób pękania jest inny. Dlatego też w przypadku szkła HS uwzględniono jedynie wskazanie zgodności (C) lub jej brak (NC), aby ocenić minimalne SC niezbędne do jej uzyskania. W przypadku szkła TT uwzględniono liczbę cząstek/odłamków szkła, zgodnie z procedurą liczenia określoną w załączniku C [3].

 

Wszystkie próbki zostały pogrupowane, jak podano w tabelach 3 i 4, gdzie podano liczbę dostępnych badanych próbek dla dwóch korelacji. Normy EN definiują B1 jako szkło powlekane o 0,89 ≥ ε > 0,25. W tym zakresie istnieje szeroki zestaw wyrobów, a obróbka cieplna różni się znacznie zależnie od rodzaju szkła. Z tego powodu autorzy podzielili szklane próbki a B1 (ε =0,89) i B1_bis (0,89> ε >0,25), ale również zakres ε dla B1_bis jest zbyt duży.

 

Dane są reprezentatywne dla produkcji szkła poddanego obróbce termicznej we Włoszech, przy czym niektóre informacje pochodzą od innych producentów europejskich.

 

Ponieważ dane odnoszą się do różnych producentów, oznacza to, że proces hartowania różni się w zależności od pieców hartowniczych oraz użytych w nich technologii grzania i konwencji, a także w zależności od receptur hartowania związanych z grubością i rodzajem szkła.

 

Kolejny aspekt dotyczy wpływu walców na wytrzymałość szkła na zginanie. Znany jest wpływ strony „cynowej” i „powietrznej” na szkło float, spowodowany działaniem walców w fazie odprężania/wyżarzania.

 

Niekiedy efekt ten ulega wzmocnieniu, gdy strona „cynowa” styka się z walcami w piecu hartowniczym, a proces ten nie jest dobrze kontrolowany. Autorzy przeprowadzili szczegółowe badania na niektórych piecach producentów w celu oceny efektu walców zarówno dla szyb float (tab. 5) jak i emaliowanych pod kątem wytrzymałości na zginanie.

 

W tych dwóch bardzo skrajnych przypadkach efekt walca/rolki w fazie hartowania jest wyraźnie widoczny. Wartości SC są równe w tej samej próbce, ale wytrzymałość na zginanie różni się między stroną „rolkową” i „bezrolkową”, niezależnie od strony „powietrznej” lub „cynowej”.

 

Ogólnie rzecz biorąc, spadek wytrzymałości na zginanie jest połączony ze spadkiem odchylenia standardowego: defekty wprowadzone przez rolkę zmniejszają rozproszenie danych. Efekt ten wpływa również na korelacje zawarte w niniejszej pracy (patrz tabele 9-11).

 

Proces emaliowania osłabia powierzchnię szkła i ten aspekt jest dobrze znany, dlatego też normy określają niższą wartość charakterystycznej wytrzymałości na zginanie dla szkła emaliowanego, jak podano w tabeli 2.

 

Zazwyczaj farbę nakłada się na stronę „powietrzną”, a następnie poddaje się szkło obróbce, która powoduje wiązanie farby z powierzchnią szkła. W ten sposób strona „cynowa” ma kontakt z wałkami/ rolkami. Proces emaliowania zmniejsza wytrzymałość na zginanie, a także rozrzut wartości.

 

 2022 11 42 7a

Rys. 1c. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) i fragmentacji (FR) dla szkła float

 

2022 11 42 7b

Rys. 2c. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) z fragmentacją (FR) dla szkła powlekanego B2

 

2022 11 42 7c

Rys. 2a. Korelacja powierzchniowych naprężenia ściskającego (SC) i fragmentacji (FR) dla szkła powlekanego B1

 

2022 11 42 7d

Rys. 2d. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) z fragmentacją (FR) dla szkła powlekanego B3

 

2022 11 42 7e

Rys. 2b. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) i fragmentacji (FR) dla szkła powlekanego B1_bis

 

2022 11 42 7f

Rys. 3. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) i fragmentacji (FR) dla szkła emaliowanego

 


Fragmentacja a ściskanie powierzchniowe
Wszystkie dane próbek (o grubości szkła od 4 mm
do 15 mm) z zarejestrowanymi powierzchniowymi naprężeniami
ściskającymi i liczbami odłamków szkła zostały
wzięte pod uwagę, a minimalna dopuszczalna
wartość SC dla uzyskania zgodności została zapisana
i przedstawiona w tabeli 6 – w funkcji grubości i rodzaju
szkła dla TT, ale z pewnym stopniem występowania
NC. Dane zostały przedstawione na rysunku 1 (szkło float),
2a, b, c, d (szkło powlekane) i 3 (szkło emaliowane).

 

Autorzy zaproponowali w poprzedniej pracy
graniczną wartość bezpieczeństwa 90 MPa, niezależnie
od grubości szkła, uwzględniając tylko szkło
float. Wartość ta powinna być potwierdzona przez
przyrost danych z badań dla szkła float, B1 i B2. Wartość
ta może zostać zrewidowana przy uwzględnieniu
szkła powlekanego B1_bis, B3 i emaliowanego,
które wymagają wyższych powierzchniowych naprężeń
ściskających SC dla osiągnięcia zgodności;
dla nich wartość ta powinna zostać zwiększona do
95 MPa (tab. 7).

 

Tabela 6. Minimalna wartość SC (MPa), a zgodność FR dla TT w próbkach SSV

 2022 11 42 8

 

Tabela 7. Częstość (w %) występowania danych NC dla SC (MPa) vs FR w TT z proponowaną wartością SC

 2022 11 42 9

 

Również przy tej wartości granicznej niektóre
próbki mają wysokie SC, ale nie są zgodne (patrz
% częstości występowania NC), zwłaszcza dla
B3, gdzie 100 MPa zmniejszy występowanie NC.
Powodem tego może być fakt, że SC jest mierzone
po stronie cyny, a SC nie powinno być jednorodne
wzdłuż grubości szkła, co daje wzór fragmentacji
NC.

 

W tabeli 8 podano dane dla HS, uwzględniając
próbki zgodne C i niezgodne NC.

 

Tabela 8. Maksymalna wartość SC (MPa) w zależności od potwierdzenia FR dla HS w próbkach SSV

2022 11 42 10

 

Tabela 9. Minimalna wartość SC (MPa) vs zgodność FB dla HS w próbkach SSV

2022 11 42 11

 

Tabela 10. Minimalna wartość SC (MPa) vs. zgodność FB dla TT w próbkach SSV

2022 11 42 12

 

Tabela 11. Częstość występowania (%) danych NC dla SC (MPa) vs FB w TT z proponowaną wartością SC

 2022 11 42 13

 

Wytrzymałość na zginanie a powierzchniowe naprężenia ściskające
Rozpatrzono dane próbek z pomiarem SC i FB.
Uwzględniono wszystkie grubości szkła i strony poddawane
rozciąganiu (cynowe, powietrzne, powlekane, niepowlekane,
emaliowane), chociaż SC jest mierzone tylko
po stronie „cynowej”, „niepowlekanej” i „nieemaliowanej”.
Ponadto dane nie były segregowane, biorąc pod
uwagę próbki o pochodzeniu zarówno „centralnym”,
jak i „krawędziowym”.

 

Uwzględniono wszystkie dane próbek (od 4 mm do
15 mm grubości szkła) z zarejestrowanymi wartościami
SC i FB, a wartości SC zapisano i podano w tabeli 9 dla
szkła wzmacnianego termicznie i w tabeli 10 dla szkła hartowanego
termicznie, w funkcji grubości i rodzaju szkła.
Na wykresach - rys. 4, 5a, b, c, d i 6 naniesiono
wartości badań, pokazując wyraźnie rodzaj badanego
szkła: wzmacniane termicznie szkło i termicznie
hartowane bezpieczne szkło.

 

Można potwierdzić, że graniczna wartość SC, którą
należy osiągnąć, aby zachować charakterystyczną
wartość wytrzymałości bezpiecznego szkła termicznie
hartowanego (TT) wynosi 85 MPa dla szkła float
i 90 MPa dla szkła powlekanego; w przypadku szkła
emaliowanego wartość ta powinna być zwiększona
do nie mniej niż 95 MPa (tab. 11).

 

W przypadku szkła wzmacnianego termicznie (HS)
można potwierdzić wartość SC wynoszącą 35 MPa
dla szkła float. Dla szkła powlekanego minimalna
założona wartość SC mieściła się w granicach
30÷50 MPa, natomiast dla szkła emaliowanego wynosi
45 MPa (Tab. 12). Niektóre próbki nie są zgodne,
mimo że SC jest wysokie. Jeśli chodzi o zależność SC
od fragmentacji, to wynika ona bardziej z „efektu walców”
niż z niejednorodności SC wzdłuż grubości szkła.

 

 2022 11 42 14a

Rys. 5a. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła powlekanego B1

 

2022 11 42 14b

Rys. 5d. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła powlekanego B3

 

2022 11 42 14c

Rys. 5b. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła powlekanego B1 bis

 

2022 11 42 14d

 Rys. 5c. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła powlekanego B2

2022 11 42 14e

Rys. 6. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła emaliowanego

 


Tabela 12. Wartość SC (MPa) dla FR i FB stwierdzona w badaniu SSV

 2022 11 42 15

 


Wnioski
Opracowane dane pochodzą z wielu lat badań laboratoryjnych
różnych rodzajów szkła (wzmacnianego
termicznie i bezpiecznego termicznie hartowanego,
powlekanego i niepowlekanego oraz emaliowanego)
dostarczanych przez różnych producentów we
Włoszech i w Europie.

 

Korelacja pomiędzy SC i FR lub FB jest akceptowana
na poziomie norm (patrz norma ISO) i jest
przydatna podczas FPC (Fabrycznej Kontroli Produkcji)
do oceny jakości procesu za pomocą procedury
nieniszczącej.

 

Procedura ta została zdefiniowana jako pomiar
powierzchniowych naprężeń ściskających po stronie
cynowej, zgodnie z normą EN 12150-2:2004 [22]
dla bezpiecznego szkła hartowanego termicznie, EN
14179-2:2005 [23] dla szkła HST oraz EN 1863-2:2004
[24] dla szkła wzmacnianego termicznie. Wartość
ta musi być skorelowana z gęstością fragmentacji/
odłamków szkła (dla TT) oraz z wytrzymałością na
zginanie (dla HS i TT).

 

Uwzględniono również próbki niezgodne, ponieważ
mogą one wystąpić w produkcji i muszą być wykryte
w procedurze. Wartość graniczna SC zaproponowana
przez autorów na podstawie danych eksperymentalnych
została przedstawiona w tabeli 12. 

 

Artykuł został oparty na wykładzie
zaprezentowanym na Konferencji
GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się
w dniach 26-28 czerwca 2019 r.
w Tampere w Finlandii

 

Ennio Mognato, Stefano Brocca, Alessandra Barbieri

 

Bibliografia
[1] EN 1288-3:2000, Szkło w budownictwie -- Określanie
wytrzymałości szkła na zginanie - Część 3: Badanie na
próbkach podpartych na dwóch podporach (czteropunktowe
zginanie).
[2] EN 1863-1:2004, Szkło w budownictwie - Termicznie
wzmocnione szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe -
Część 1: Definicja i opis.
[3] EN 12150-1:2015, Szkło w budownictwie - Termicznie
hartowane bezpieczne szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe
- Część 1: Definicja i opis.

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  
Świat Szkła 11/2022  

 2022 04 38 4

 

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
          sec 

Czytaj także