Kako tlačno površinsko naprezanje u kaljenom staklu poboljšava njegovu otpornost na udarce i toplinski šok?

Tlačno površinsko naprezanje u kaljenom staklu značajno povećava njegovu otpornost na udarce i toplinske šokove, čineći ga mnogo jačim i izdržljivijim od nekaljenog ili žarenog stakla. Evo kako to funkcionira:

Otpornost na udarce:
Površinska kompresija i čvrstoća:
Tijekom procesa kaljenja staklo se zagrijava na visoku temperaturu (oko 620–700°C), a zatim se brzo hladi (kali) mlazovima hladnog zraka. Ovo brzo hlađenje uzrokuje brže skrućivanje vanjskih slojeva stakla od unutarnjih slojeva, stvarajući tlačno naprezanje na površini i vlačno naprezanje u unutrašnjosti.
Rezultirajući učinak: tlačno naprezanje na površini djeluje kao prepreka za pukotine. Kada se udari kaljeno staklo, tlačno naprezanje pomaže u sprječavanju širenja pukotina jer je površina komprimirana i manja je vjerojatnost da će se slomiti.
Otpornost na udarce: To znači kaljeno staklo mnogo je otporniji na lomljenje pri udaru. Čak i kada se na površinu primijeni sila, tlačno naprezanje sprječava lako pucanje stakla. Ako pukotine i nastanu, obično su male i tupe, smanjujući rizik od ozljeda u usporedbi s tradicionalnim staklom koje se može razbiti u oštre krhotine.

Otpornost na toplinski udar:
Diferencijalno hlađenje:
Proces kaljenja stvara temperaturnu razliku između površine i jezgre stakla. Površina se hladi i skuplja brže od unutarnjih slojeva, što dovodi do nakupljanja tlačnog naprezanja na površini i vlačnog naprezanja unutar jezgre.
Ravnoteža toplinskog naprezanja: staklo se, kao i većina materijala, širi kada se zagrijava i skuplja kada se hladi. Ako je komad stakla izložen brzoj promjeni temperature (toplinski šok), unutarnji slojevi se žele proširiti ili skupiti više od vanjskih slojeva.
Kompresija štiti od toplinskog udara: u kaljenom staklu, tlačna površinska napetost odolijeva ovim unutarnjim silama. Ako je staklo izloženo iznenadnoj promjeni temperature (npr. prskanje tople vode na hladan prozor), tlačno naprezanje pomaže spriječiti pucanje stakla. Unutarnje vlačno naprezanje (koje bi inače staklo učinilo osjetljivijim na pucanje pod toplinskim naprezanjem) neutralizira se površinskom kompresijom. To je razlog zašto kaljeno staklo može izdržati mnogo veće temperaturne razlike (često 3 do 4 puta veće od onih od žarenog stakla) bez pucanja.

Ukupna poboljšana izdržljivost:
Kombinacija površinske kompresije i unutarnje napetosti čini kaljeno staklo čvršćim i otpornijim na fizički i toplinski stres. Sposoban je apsorbirati i učinkovitije raspodijeliti stres, što ga čini idealnim za upotrebu u primjenama gdje su otpornost na udarce i sposobnost podnošenja temperaturnih fluktuacija kritični—kao što su prozori automobila, vrata pećnica i tuš kabine.