Внутренние напряжения в стекле

На многих интернет-ресурсах, посвященным витражам достаточно подробно освещается тема резки стекла. Но простое руководство, пусть даже самое подробное, не дает понимания зачем мы выполняем некоторые действия и какую они несут смысловую нагрузку. Поэтому мне хотелось бы затронуть такую сложную, но интересную и полезную для понимания процессов, происходящих в разрезаемом стекле тему, как внутренние напряжения в стекле. Важной особенностью стекла как физического тела является наличие внутренних напряжений, вследствие которых технология его резки кардинально отличается от резки других материалов.
Внутренние напряжения возникают в стекле по следующим причинам: стекло обладает низкой теплопроводностью (свойство материала распространять тепло по соседним слоям), высокой вязкостью, медленно уменьшающейся при очень высоких температурах, и аморфной структурой (в отличие от кристаллического строения, где соблюден и ближний порядок, и дальний, это отсутствие дальнего порядка в расположении молекул при наличии ближнего порядка). Возникают внутренние напряжения в стекле при его затвердевании, когда стекло остывает после варки.
Рассмотрим как ведет себя стекло в остывающем листе, который вышел с формовки. Остывание начинается с наружных слоев. Пока их температура не опустилась до значения, при котором вязкость не увеличилась и не затруднила пластическую деформацию, структура, изменяющаяся с охлаждением, имеет возможность выравниваться. С застыванием внешних слоев (около 600°С), когда эта возможность пропадает, во внешних слоях появляется напряжение растяжения, так как они стремятся сжаться вследствие охлаждения, а не успевшие отдать тепло внутренние слои с уменьшением объема запаздывают. Когда же внутренние слои отдают излишек тепла и начинают застывать, уже затвердевшие фиксирующие их внешние слои не позволяют им сжаться в нужной степени. Таким образом получается, что напряжение во внешних слоях, которые затвердевали при объеме, соответствующем более высоким температурам, меняет свое значение, и по мере остывания стекла переходит из напряжения растяжения в напряжение сжатия. Во внутренних же слоях, которым застывшие внешние слои не позволили занять меньший объем, формируется напряжение растяжения.
Теперь посмотрим, что происходит в толще стекла, когда мы производим действия по его резке. Сначала мы проводим по поверхности стекла линию стеклорезом. Стеклорез оставляет на поверхности V-образную канавку, правильность геометрии которой зависит и от используемого инструмента, и от навыка работающего с ним. Канавка, оставленная стеклорезом — источник микротрещин, одна или несколько из них увеличатся и распустят наше стекло. После проведения линии реза рекомендуется простучать стекло с обратной стороны. Ударные волны от простукивания, идущие снизу, со стороны окончаний микротрещин способствуют их раскалыванию и дальнейшему продвижению в толщу стекла. Жидкость для стеклореза так же способствует расхождению трещин. Она как по капилляру забирается между стенками трещины, продвигаясь с каждой ударной волной все глубже, и на молекулярном уровне не дает возможности трещине сойтись обратно. И когда такая постепенно увеличивающаяся микротрещина добирается до слоя, где стекло испытывает напряжение растяжения, то внутренние слои уже сами растягивают эту трещину, раскалывая стекло по всей толщине. 

Правда, часто трещина доходит до границы, где напряжения растяжения внутренних слоев сменяются напряжениями сжатия внешнего слоя и там останавливаются. Тогда чтобы распустить стекло его приходится разламывать. Если же вместо разламывания растягивать стекло в направлении его плоскости, результат будет как на фотографии, которая наглядно демонстрирует границу разнонаправленных напряжений в стекле.

Теперь посмотрим как средневековые мастера резали стекло, используя вышеперечисленные свойства. Обратимся к Теофилу, глава 18 книги 2.

Теофил рекомендует резать стекло, используя точечный нагрев, который, усиливая имеющиеся в наружном слое напряжения сжатия, разрушает поверхность стекла. В случае, если не удается получить разрушение внешнего слоя с помощью точечного нагрева, Теофил предлагает быстрое точечное охлаждение места нагрева, которое вызовет в резко охлаждаемой небольшой области напряжения растяжения, которые уже наверняка победят силы, соединяющие материал.