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 .
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.
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:
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
Tabela 2. Minimalna wartość wytrzymałości na zginanie i liczba fragmentów dla TT
Wymiana ciepła w procesie hartowania odbywa się poprzez:
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
Tabela 4. Liczba próbek dla SC vs FB
Niepożądany rozkład naprężeń wstępnych na powierzchni szkła może być spowodowany głównie przez:
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:
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
Wartości otrzymane na podstawie danych doświadczalnych/eksperymentalnych to: - FR: liczba fragmentów/odłamków szkła uzyskana zgodnie z [3, 4];
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.
Rys. 1c. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) i fragmentacji (FR) dla szkła float
Rys. 2c. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) z fragmentacją (FR) dla szkła powlekanego B2
Rys. 2a. Korelacja powierzchniowych naprężenia ściskającego (SC) i fragmentacji (FR) dla szkła powlekanego B1
Rys. 2d. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) z fragmentacją (FR) dla szkła powlekanego B3
Rys. 2b. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) i fragmentacji (FR) dla szkła powlekanego B1_bis
Rys. 3. Korelacja powierzchniowego naprężenia ściskającego (SC) i fragmentacji (FR) dla szkła emaliowanego
Autorzy zaproponowali w poprzedniej pracy
Tabela 6. Minimalna wartość SC (MPa), a zgodność FR dla TT w próbkach SSV
Tabela 7. Częstość (w %) występowania danych NC dla SC (MPa) vs FR w TT z proponowaną wartością SC
Również przy tej wartości granicznej niektóre
W tabeli 8 podano dane dla HS, uwzględniając
Tabela 8. Maksymalna wartość SC (MPa) w zależności od potwierdzenia FR dla HS w próbkach SSV
Tabela 9. Minimalna wartość SC (MPa) vs zgodność FB dla HS w próbkach SSV
Tabela 10. Minimalna wartość SC (MPa) vs. zgodność FB dla TT w próbkach SSV
Tabela 11. Częstość występowania (%) danych NC dla SC (MPa) vs FB w TT z proponowaną wartością SC
Wytrzymałość na zginanie a powierzchniowe naprężenia ściskające
Uwzględniono wszystkie dane próbek (od 4 mm do
Można potwierdzić, że graniczna wartość SC, którą
W przypadku szkła wzmacnianego termicznie (HS)
Rys. 5a. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła powlekanego B1
Rys. 5d. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła powlekanego B3
Rys. 5b. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła powlekanego B1 bis
Rys. 5c. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła powlekanego B2 Rys. 6. Korelacja powierzchniowych naprężeń ściskających (SC) i zginania (FB) dla szkła emaliowanego
Korelacja pomiędzy SC i FR lub FB jest akceptowana
Procedura ta została zdefiniowana jako pomiar
Uwzględniono również próbki niezgodne, ponieważ
Artykuł został oparty na wykładzie
Ennio Mognato, Stefano Brocca, Alessandra Barbieri
Bibliografia [4] EN 14179-1:2016, Szkło w budownictwie - Termicznie wygrzewane 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
|