5. Komponent „mechaniczny system wykonawczy”
5.3 Ogólna charakterystyka materiału obrabianego – szkła
Szkłem nazywamy substancję bezpostaciową w stanie stałym, z jej podsta-wową formą tzw. stanem szklistym. Substancją znajdującą się w stanie szklistym jest to ciało stałe, jednorodne, kruche, w mniejszym lub większym stopniu prze-zroczyste. Stan szklisty zajmuje jakby pośrednie miejsce między stanem licznym a ciekłym. Sprężystość postaci upodabnia szkło do ciał stałych krysta-licznych, a brak symetrii w strukturze i wynikająca stąd izotropowość stwarza podobieństwo do cieczy [1].
Wszystkie substancje w stanie szklistym charakteryzują się kilkoma wspólnymi cechami, a mianowicie [3]:
przy ogrzewaniu nie topią się tak jak kryształy, lecz stopniowo miękną przechodząc ze stanu kruchego w stan ciągliwy o dużej lepkości i w końcu w stan ciekły, przy czym nie tylko lepkość, ale i inne właściwości fizyko-chemiczne zmieniają się w sposób ciągły, bezskokowy;
są izotropowe, tj. ich własności są jednakowe we wszystkich kierunkach; topią się i krzepną w sposób nieodwracalny, a więc wytrzymują
wielo-krotne rozgrzewanie do stanu stopienia, a po ochłodzeniu w jednakowych warunkach ponownie osiągają początkowe właściwości (jeżeli nie nastąpi krystalizacja lub likwidacja).
Ponieważ substancje w stanie szklistym otrzymuje się w drodze przecho-dzenia stopów, to są one układami metastabilnymi. Zapas energii wewnętrznej substancji szklistej jest większy od zapasu energii wewnętrznej odpowiedniej
sub-5. Komponent „mechaniczny system wykonawczy”
stancji krystalicznej. Dlatego w sprzyjających warunkach temperaturowych sub-stancje szkliste wykazują tendencję do krystalizacji. Proces krystalizacji szkieł w temperaturze poniżej temperatury likwidusu, jest procesem egzotermicznym i przebiega samowolnie.
Do głównych właściwości mechanicznych, charakteryzujących szkła, można zaliczyć: gęstość, wytrzymałość na: zginanie, rozrywanie, uderzenie i ści-skanie; twardość, kruchość, sprężystość. Wśród wymienionych istotnym parame-trem, który należy uwzględnić przy obróbce jest kruchość szkła. Określa ona właściwość lub stan materiału, w którym odkształcenie niszczące nieznacznie tylko przewyższa odkształcenia sprężyste i w którym odkształcenia plastyczne (trwałe) są nieznaczne w porównaniu z odkształceniami sprężystymi, a same od-kształcenia sprężyste są również niezbyt duże. Kruchość jest stanem zależnym od temperatury, szybkości narastania obciążenia i rodzaju odkształceń, stanu po-wierzchni, zmęczenia materiału wskutek wielokrotności obciążeń, niejednorod-ności, naprężeń wewnętrznych i składu chemicznego szkła.
Do głównych właściwości cieplnych charakteryzujących szkła można zali-czyć: ciepło właściwe, przewodność cieplną, rozszerzalność cieplną, odporność termiczną. Wśród wymienionych właściwości istotnymi do uwzględnienia przy laserowej obróbce parametrami są: ciepło właściwe, współczynnik przewodności cieplnej oraz odporność termiczna.
Wartość ciepła właściwego szkieł zwiększa się wraz ze wzrostem tempera-tury. Szczególnie szybko zwiększa się ona w zakresie anormalnym. W stanie skupionym (ciekłym) wartość ciepła właściwego dalej wzrasta, ale z mniejszą szybkością. Wartość przedstawionych parametrów zależy w głównej mierze od składu chemicznego szkła. Tlenki SiO2, Al2O3, B2O3, MgO, LiO2 podwyższają ciepło właściwe, natomiast szkła zawierające duże ilości PbO i BaO mają niskie ciepło właściwe) i dla różnych szkieł ma ono wartość od 420 do 1000 J/kgK, przy czym niższe wartości obserwuje się dla szkieł o większej sztywności szkieletu [1].
Współczynnik przewodności cieplnej określa ilość ciepła, która przenika w ciągu 1 sekundy przez 1m2 powierzchni przedmiotu szklanego o grubości 1m przy różnicy temperatury ścianek przedmiotu wynoszącej 1K (w granicach od 0,8 do 1,5 W/mK). Wielkie znaczenia dla przepływu ciepła ma stopień przezro-czystości szkła, zwłaszcza w wyższej temperaturze. Dla przemysłowych warun-ków formowania i użytkowania szkła przewodność cieplna ma znaczenie zasad-nicze. Mała przewodność cieplna szkła przejawia się głównie w małej odporności na zmiany temperatury i w zdolności szkła do hartowania się. Przewodność cieplna wywiera wpływ na technologiczną przydatność szkła nie tylko w zakresie temperatur formowania; ma ona również decydujące znaczenie dla szybkości od-prężania szkła. Mała przewodność cieplna jest jedną z ważniejszych przyczyn powstawania naprężeń w szkle przy formowaniu. Na przewodność cieplną sil-niejszy wpływ ma struktura, niż skład chemiczny szkła. Można jednak ogólnie stwierdzić, że zwiększenie liczby wiązań o dużej energii (większa sztywność szkieletu) powoduje zwiększenie przewodności cieplnej. Wzrost zawartości SiO2,
zastępowanie CaO przez BaO, Na2O przez K2O poprawia przewodność cieplną [38].
Odporność termiczną szkła określa się przez pomiar największej różnicy temperatury, jaką mogą wytrzymać - nie pękając. W odróżnieniu od innych wła-ściwości cieplnych odporność termiczna szkła jest cechą szkła zależną od inten-sywności przekazywania ciepła na powierzchni szkła, jakości tej powierzchni oraz wymiarów geometrycznych. Dlatego też rozróżnia się odporność termiczną szkła jako tworzywa określaną na znormalizowanych próbkach oraz odporność termiczną wyrobu szklanego określaną na gotowych wyrobach. Odporność ter-miczna szkła jest skomplikowanym zespołem podstawowych właściwości szkła, z których najważniejszymi są [38]:
współczynnik rozszerzalności; stan powierzchni;
wytrzymałość na rozciąganie w warstwach powierzchniowych.
Odporność termiczna zależy od składu chemicznego szkła w sposób okre-ślony wpływem składu na współczynnik rozszerzalności cieplnej i na właściwości mechaniczne szkła. Szkło wytrzymuje około 8 razy większe zmiany temperatury przy nagłych, nie skupionych ogrzaniach, niż przy nagłych oziębieniach. Wy-tłumaczenie tego zjawiska opiera się na fakcie znacznie większej wytrzymałości szkła na ściskanie niż na rozciąganie; uwzględniając małą przewodność cieplną szkła łatwo sobie uprzytomnić, że przy nagłym ogrzewaniu zimnego szkła war-stwy zewnętrzne są ściskane, podczas gdy przy nagłym studzeniu gorącego szkła warstwy powierzchniowe są rozciągane (a wnętrze szkła podlega wtedy ściska-niu). Jeżeli cykliczne wahania temperatur nie są wielkie, to ich wpływ można pominąć, jednakże dla dużej wielkości wpływ ten gwałtownie rośnie z częstością wahań temperatury.
Przy ogólnej charakterystyce szkieł należy również poruszyć temat ich właściwości optycznych. Do podstawowych cech optycznych szkła należą: współczynnik załamania światła (absolutny, względny), dyspersja całkowita i cząstkowa oraz współczynnik dyspersji.
Przy oddziaływaniu promieniowania elektromagnetycznego na szkło za-chodzą zjawiska, które ujawniają pewne cechy szkła określane jako właściwości optyczne. Jeżeli strumień promieniowania monochromatycznego o natężeniu I0
pada na wypolerowaną płytkę szklana, to ulega następującym zmianom: cześć strumienia o natężeniu Iρ odbije się;
cześć zostanie pochłonięta Iα; cześć przejdzie przez szkło Iτ. A zatem τ α ρ I I I I0 = + + . (2)
5. Komponent „mechaniczny system wykonawczy” odbicia 0 I I R= ρ , (3) pochłaniania 0 I I A= α , (4) przepuszczalności . 0 I I T = τ (5)
Zjawiska towarzyszące padaniu promieniowania elektromagnetycznego na szkło przedstawiono na rys. 12 [2].
Rys. 12. Przepuszczalność, załamanie i odbicie światła na powierzchni granicznej szkło - powietrze Współczynniki te mogą być wyrażone częściami jedności lub w procen-tach i zachodzi między nimi następujący związek:
% 100 lub 1 + + = = + +A T R A T R (6)
Każdy z tych współczynników zależy od długości fali; dla większości szkieł technicznych zawierają się one w następujących granicach:
R~ od 8 do 9%, A~ od 2,5 do 7%, T~ od 84 do 90% (7) Współczynnik odbicia światła zależy od kąta padania wiązki światła. Im większy jest kąt padania, tym większy jest współczynnik odbicia.
Wpływ składu chemicznego szkła na odbicie, pochłanianie i przepuszczanie światła jest zróżnicowany. Odbicie światła zależy przede wszystkim od czynnika załamania światła, a zatem te pierwiastki, które podwyższają współ-czynnik załamania, zwiększają także współwspół-czynnik odbicia. Współwspół-czynnik odbi-cia światła można znacznie zmniejszyć przez stosowanie powłok przeciwodbla-skowych (np. CaF2), przy czym współczynnik załamania dla powłoki powinien być zbliżony do pierwiastka kwadratowego ze współczynnika załamania dla szkła podstawowego.
Przepuszczalność i pochłanianie światła w mniejszym stopniu zależą od składu podstawowego szkła. Duży wpływ na te wielkości mają pierwiastki bar-wiące, których niewielka zawartość w istotny sposób wpływa na wartość współ-czynnika pochłaniania, przepuszczalności i gęstości optycznej.
α α β I0 Iα Iρ Iτ