При синтезе новых составов стекол и получении на их основе стеклокристаллических материалов с повышенными механическими свойствами существенным является вопрос о методах измерения показателей этих свойств. Метод изгиба стержней до их разрушения, а также метод центрального симметричного изгиба пластинок обладают тем недостатком, что получаемые с их помощью значения прочности определяются во многом наличием дефектов на поверхности или торцах исследуемых образцов. Поэтому для получения более достоверных данных о механическом состоянии материала приходится испытывать не менее 30-50 образцов сравнительно больших размеров. В Лаборатории структурно-механических исследований были разработаны методы механических испытаний, позволяющие правильно оценить прочностные свойства материалов на небольшом количестве малых по величине образцов.

Наряду с известными методами измерения микротвердости и упругих свойств был использован применительно к стеклам и ситаллам метод взаимного шлифования, предложенный В. Д. Кузнецовым для определения поверхностной энергии кристаллов. Сущность этого метода заключается в том, что две пластинки из эталонного и исследуемого материалов шлифуют одну о другую с помощью абразивного порошка, помещаемого между ними. После шлифования определяются потери в весе и объемы сошлифованных слоев для каждого образца.

Тогда, если принять прочность эталонного материала, например кварцевого стекла, за единицу, то относительная прочность по согллифовыванию исследуемого материала будет Для определения прочности на ударное сжатие был разработан прибор, основанный на разрушении образца при воздействии падающего на него с высоты груза. Поскольку на этом приборе получается меньший разброс значений прочности по сравнению с методами поперечного и симметричного изгиба, то для проведения испытаний достаточно 10-15 образцов размером 6x6X3—6 мм. Указанными выше методами, включая также измерения прочности на ударный и статический изгиб на приборе «Динстат» (ГДР), было проведено определение механических свойств образцов, изготовленных из листового стекла, двух промышленных ситаллов и их исходных стекол. Опыты показали, что при кристаллизации стекол изменения плотности составляют около 8%, модуля Юнга — 6 — 10%, микротвердости — до 6%. Точность измерения этих величин составляет соответственно 0.3, 1-2 и 4%, поэтому указанные методы могут быть использованы при изучении процесса кристаллизации.

Наблюдалось увеличение прочности на изгиб и сжатие ситалла по сравнению с исходным стеклом в 1.3-1.8 раза, а прочности по сошлифовыванию — в 2.2-4 раза. Это свидетельствует о высокой чувствительности последнего метода по отношению к изменениям структуры стекла при его кристаллизации. Таким образом, при одинаковом составе кристаллов достигается при кристаллизации различная степень упрочнения материала.

Это связано с различиями в его микроструктуре: большие по величине сферолиты пронизаны многочисленными трещинами, понижающими его механические свойства. Из трехкомпонентных стекол подробно было исследовано литиевоалюмосиликатное стекло, содержащее добавки К20 и Ag+Ce02. Методом электронной микроскопии изучали первую стадию инициированной кристаллизации этого стекла — выделение частиц серебра, являющихся при достижении ими критической величины центрами кристаллизации первичной силикатной фазы — метасиликата лития (МСЛ). При прогревании стекла в области температур 460-485°, т. е. несколько выше температуры стеклования (Тд) стекла, величина коллоидных частиц серебра составляет около 40 ммк, а количество их в 1 мм3 — 1012.

При повышении температуры тепловой обработки до 550° на этих частицах начинает кристаллизоваться МСЛ в виде игольчатых кристалликов величиной 0.1-0.2 мк. Получены кривые изменения плотности, а также микротвердости, прочности по сошлифовыванию и модуля Юнга в зависимости от времени прогревания стекла в области температур 550-700°, характеризующие скорость кристаллизации МСЛ. По этим данным впервые определена величина энергии активации процесса кристаллизации МСЛ в исследуемом стекле, составляющая около 27 ккал./моль. Расчетным путем по изменению плотности закристаллизованных образцов по сравнению с исходным стеклом, а также методом линейного анализа электронномикроскопических снимков их структуры показано, что содержание кристаллов МСЛ в них составляет около 30% по объему.

Измерение плотности, рентгенофазовый анализ, а также изучение микроструктуры позволили проследить за ходом последующей кристаллизации исследуемого стекла, зависящей от условий тепловой обработки. При предварительном прогревании стекла в области низких температур (485-550°), а затем при 850° может быть достигнута более быстрая и полная кристаллизация равновесных фаз: ДСЛ и (3-сподуменового твердого раствора. Большая степень кристаллизации — около 90% по объему — и однородная мелкокристаллическая структура с величиной кристаллов в 1 — 3 мкм определяют наиболее высокие значения механических свойств закристаллизованного стекла.

Полученные данные показали, что измерение механических свойств может оказать существенную помощь при изучении кристаллизации стекол, если для интерпретации результатов используются также данные проводимых параллельно рентге-нофазового анализа и электронномикроскопического исследования микроструктуры закристаллизованных образцов.