Модель образования технологического боя при закалке листового стекла

УДК …

И.А. Шутов, А.Е. Боровской, А.И. Шутов

БГТУ им. В.Г. Шухова

 

Модель образования  технологического боя при закалке  листового стекла

 

Технологический бой в процессе закалки листового  стекла неизбежен вследствие ряда объективных  обстоятельств, часть из которых является прогнозируемой и даже внесенной в регламентные работы закалочных установок и линий. В частности, одним из них является трудно контролируемые дефекты исходного стекла (свиль, микропосечки, пузыри, «мошка» и др.).  С другой стороны, при широкой номенклатуре выпускаемых изделий нельзя предусмотреть все возможные варианты сочетания технологических параметров нагрева, охлаждения и транспортировки заготовок. Поэтому в каждом отдельном случае опытные операторы проводят иногда длительную настройку технологических режимов при переходе на новую продукцию и избегают частой смены номенклатуры изделий.

В предлагаемой статье сделана  попытка найти некоторые общие  принципы выбора режимов закалки при минимизации технологического брака по бою.

Как нам кажется, предлагаемая разработка имеет универсальное применение, т.е. может быть использована как для вертикального, так и горизонтального способов закалки.

В принципе можно использовать два различных подхода к решению  этой задачи в зависимости от гипотетической причины разрушения заготовки при ее передаче из зоны нагрева (где разрушение не происходит никогда) в зону интенсивного охлаждения.

Выдвинуто две гипотезы. Первая: при внезапном интенсивном  двухстороннем охлаждении нагретой заготовки причиной разрушения являются временные напряжения на ее поверхности, вызывающие появление поверхностных микротрещин и их распространение по толщине заготовки с последующим разрушением.

Вторая: стекло передается из зоны нагрева в зону охлаждения с  конечной скоростью  , вследствие чего в заготовке возникают продольные температурные градиенты, способные спровоцировать его разрушение (взрыв). Обе гипотезы имеют право на существование и должны быть рассмотрены отдельно.

В объеме предлагаемой статьи рассмотрим первую из них, условно названную «модель последовательного распространения трещины». В данном случае сделана попытка использования модели трещинообразования Л.М. Качанова [1] с учетом общеизвестного факта временнóго характера разрушения стекла в процессе закалки.

По  Л.М. Качанову распространение трещины, инициированной временными растягивающими напряжениями на поверхности стекла продолжительностью подчиняется следующему закону движения (распространения) трещины:

,                                                     (1)

где z – координата, отсчитанная от поверхности стекла,  , τ – текущее время.

Приняв в первом приближении  = 1, а = const, получим:

,                                                          (2)

или с учетом того, что τ – независимая переменная, , имеем:

 .                                                             (3)

 

Интересно, что  при ближайшем рассмотрении  = - скорость распространения трещины вглубь заготовки. Если известна критическая глубина распространения трещины (в закаленном стекле это толщина приповерхностного сжатого слоя [2] - = 0,289 ), то продолжительность разрушения будет

.                                            (4)

Дополнительными преобразованиями было определено выражение  для определения глубины проникновения  трещины:

.                                              (5)

Выражение (5) легко  проверить по признаку момента разрушения изделия: когда  τ = , то = 1, , а глубина распространения трещины , т.е. к этому моменту трещина преодолевает зону сжатого слоя и препятствий для взрывоподобного разрушения нет.

Общая динамика возможного распространения трещины  при различных режимах закалки  показана на рисунке.

 

Рис. Графическая  интерпретация механизма трещинообразования в стекле, подвергнутом закалке

1 – разрушающий  режим; 2 – неразрушающий режим; 3 и 4 – динамика трещинообразования при разрушающем и неразрушающем режимах соответственно

 

Для проверки правильности полученных результатов нами использованы заслуживающие доверия эксперименты Р. Гардона [3], сведенные в таблицу

 

Режимы	Технологические параметры закалки
	, мм	t (0), oC	σ, Вт/(м2·к)	, с
I	6,1	600	222	25
II	6,1	625	231	15
III	6,1	640	445	10
IV	6,1	655	554	10

 

Предлагаемая методика позволяет  не только рассчитать продолжительность  разрушения, но и определить режимы термообработки, исключающие это разрушение, что, по нашему мнению, более актуально.

Таким образом, высказанное  ранее Р. Гардоном [3] предположение  о доминирующем влиянии на процесс  разрушения стекла растягивающих мгновенных поверхностных напряжений не только подтвердилось, но и приобрело физико-математическое подтверждение на уровне предложенной модели столкновения приповерхностных слоев и динамики развития фронта трещин по теории Л.М. Качанова. Это позволяет распространить методику прогнозирования боя стекла в процессе закалки на широкий диапазон технологических параметров закалки.

 

 

Литература

 

1. Качанов Л.М.  Основы механического разрушения. – М.: Наука, 1974. – 321 с.

2. Ванин В.И. Отжиг и  закалка листового стекла. – М.: Строй-изд., 1965. – 116 с.

3. Gardon R. Thermal Tempering of the Glass // Glass: Sci&Techn. – 1980. – V.5 – P. 146-213