W jaki sposób naprężenia powierzchniowe ściskające w szkle hartowanym poprawiają jego odporność na uderzenia i szok termiczny?

Naprężenia powierzchniowe ściskające w szkle hartowanym znacznie zwiększają jego odporność na uderzenia i szok termiczny, czyniąc je znacznie mocniejszym i trwalszym niż szkło niehartowane lub odprężone. Oto jak to działa:

Odporność na uderzenia:
Kompresja i wytrzymałość powierzchni:
Podczas procesu hartowania szkło podgrzewane jest do wysokiej temperatury (ok. 620–700°C), a następnie szybko schładzane (hartowane) strumieniami zimnego powietrza. To szybkie chłodzenie powoduje, że zewnętrzne warstwy szkła twardnieją szybciej niż warstwy wewnętrzne, powodując naprężenia ściskające na powierzchni i naprężenia rozciągające we wnętrzu.
Wynikowy efekt: Naprężenie ściskające działające na powierzchnię działa jak bariera dla pęknięć. Kiedy szkło hartowane jest uderzane, naprężenia ściskające zapobiegają rozprzestrzenianiu się pęknięć, ponieważ powierzchnia jest ściskana i mniej podatna na pękanie.
Odporność na uderzenia: Oznacza to szkło hartowane jest znacznie bardziej odporny na pękanie pod wpływem uderzenia. Nawet gdy na powierzchnię działa siła, naprężenie ściskające zapobiega łatwemu pękaniu szkła. Jeśli rzeczywiście pojawią się pęknięcia, są one zwykle małe i tępe, co zmniejsza ryzyko obrażeń w porównaniu z tradycyjnym szkłem, które może rozbić się na ostre odłamki.

Odporność na szok termiczny:
Chłodzenie różnicowe:
W procesie hartowania powstaje różnica temperatur pomiędzy powierzchnią a rdzeniem szkła. Powierzchnia ochładza się i kurczy szybciej niż warstwy wewnętrzne, co prowadzi do narastania naprężeń ściskających na powierzchni i naprężeń rozciągających w rdzeniu.
Bilans naprężeń termicznych: Szkło, podobnie jak większość materiałów, rozszerza się po podgrzaniu i kurczy się po ochłodzeniu. Jeśli kawałek szkła zostanie wystawiony na szybką zmianę temperatury (szok termiczny), wewnętrzne warstwy będą chciały rozszerzyć się lub skurczyć bardziej niż warstwy zewnętrzne.
Kompresja Chroni przed szokiem termicznym: W przypadku szkła hartowanego naprężenia powierzchniowe ściskające przeciwstawiają się siłom wewnętrznym. Jeśli szkło zostanie poddane nagłej zmianie temperatury (np. rozpryskiwaniu gorącej wody na zimne okno), naprężenie ściskające pomaga zapobiec pękaniu szkła. Wewnętrznemu naprężeniu rozciągającemu (które normalnie czyniłoby szkło bardziej podatnym na pękanie pod wpływem naprężenia termicznego) przeciwdziała ściskanie powierzchni. Dlatego szkło hartowane może wytrzymać znacznie wyższe różnice temperatur (często 3 do 4 razy większe niż szkło odprężone) bez pękania.

Ogólna zwiększona trwałość:
Połączenie ściskania powierzchni i napięcia wewnętrznego sprawia, że ​​szkło hartowane jest twardsze i bardziej odporne na naprężenia fizyczne i termiczne. Jest w stanie skuteczniej absorbować i rozprowadzać naprężenia, co czyni go idealnym do zastosowań, w których odporność na uderzenia i zdolność radzenia sobie z wahaniami temperatury mają kluczowe znaczenie – np. w oknach samochodów, drzwiach piekarników i kabinach prysznicowych.