Spannungsoptisches Verhalten einiger Silicatgläser im viskoelastischen Bereich

Abstract

Die spannungsoptischen Koeffizienten zweier industrieller Hohlgläser, eines modifizierten Hohlglases und eines Kieselglases wurden im Bereich von Raumtemperatur bis 80 Κ oberhalb ihrer Transformationstemperaturen bzw. bis maximal 750 °C gemessen. Die Spannungsdoppelbrechung wurde im einachsigen Druckversuch mit Hilfe eines Intensitätsverfahrens direkt während des Belastungsvorganges der Glasproben bei Gesamtbelastungszeiten im Bereich von 500 s bis 50 ms bestimmt. Die spannungsoptischen Koeffizienten aller untersuchten Gläser steigen von Raumtemperatur zu höheren Temperaturen hin monoton, im Temperaturbereich unterhalb Tg weitgehendlinear an. Ihre Temperaturkoeffizienten liegen unterhalb Tg zwischen 1,0 · 10⁻⁴ für das Kieselglas und 3,5 · 10⁻⁴ Β K⁻¹ für eines der Hohlgläser. Im Einfrierbereich nimmt die Temperaturabhängigkeit zu, und die spannungsoptischen Koeffizienten der Gläser steigen während der Belastungszeit an, so daß die spannungsoptischen Koeffizienten bei gleichen Belastungsgeschwindigkeiten als Funktion der Temperatur steil ansteigen. Die Zellabhängigkeit wurde in Versuchen mit verschiedenen Belastungsgeschwindigkeiten (0,1 bis 1000 MPa s⁻¹) bestimmt, wobei sich im Falle des modifizierten Hohlglases die auftretende Spannungsdoppelbrechung in einen momentanen und einen verzögerten Anteil trennen läßt. Die verschiedenen Temperaturabhängigkeiten für den momentanen Wert und für den Endwert der verzögerten Spannungsdoppelbrechung können im Einfrierbereich linear approximiert werden und bilden die Normierungsfunktion für den zeitabhängigen spannungsoptischen Koeffizienten. Die in dieser Weise normierte verzögerte Spannungsdoppelbrechung kann nach dem Temperatur-Zeit-Äquivalenzprinzip in einer reduzierten Masterkurve dargestellt werden. Die zugehörigen Verschiebungsfaktoren genügen der WLF-Gleichung und stimmen mh denen der mechanischen viskoelastischen Funktionen überein. Die Ergebnisse sind im Hinblick auf eingefrorene Anisotropien bei Verformungsvorgängen von Bedeutung und werden mit der zunehmenden Depolymerisierung des Glasnetzwerkes mit steigender Temperatur gedeutet.

Stress optical behaviour of some silicate glasses in the visco-elastic range The stress optical coefficients of two container glasses, a modified container glass and a vitreous silica were measured from room temperature to 80 Κ above their tranformation temperatures, or up to a maximum temperature of 750 °C. The samples were loaded in uniaxial compression with total loading times ranging from 50 ms to 500 s. The stress induced birefringence was determined during constant stress rate loading using an intensity method. The stress optical coefficients of all the glasses increase monotonically from room temperature to higher temperatures, and almost linearly below Tg with temperature coefficients ranging from 1 · 10⁻⁴ for silica to 3,5 · 10⁻⁴ Β K⁻¹ for one of the container glasses. Within the transformation range the temperature dependence increases and the stress optical coefficients increase with time under load, i. e. the stress optical coefficients at constant rate of loading increase steeply with temperature. The time dependence was determined at different stress rates (0,1 to 1000 MPa s⁻¹), and in the case of the modified container glass was resolved into an instantaneous and a delayed component. The two components of the time-dependent optical coefficient have a different temperature dependence, which can be linearly approximated and serve to normalize the time and temperature dependence of the stress optical coefficients. Using the time-temperature superposition principle the normalized delayed birefringence can be plotted as a reduced master curve. The resulting shift factors fit the WLF equation and agree with those of the mechanical visco-elastic functions. The results are of interest in relation to anisotropy frozen in during forming operations and may be interpreted in terms of increasing depolymerization of the glass network with increasing tempeature.

Comportement photo-élastique de quelques verres de silicate dans le domaine viscoélastique Les coefficients photo-élastiques de deux verres creux industriels, d'un verre creux modifié et d'un verre de silice ont été mesurées dans le domaine allant de la température ambiante jusqu'à 80 Κ au-dessus de la température de transformation, ou jusqu'au maximum de 750 °C. La biréfringence a été déterminée, lors d'un essai de compression uniaxiale, par mesure de l'intensité directement pendant le processus de sollicitation mécanique des éprouvettes de verre, pour des temps de contrainte globaux situés entre 500 s et 50 ms. Les coefficients photo-élastiques de tous les verres étudiés augmentent depuis la température ambiante jusqu'aux températures plus élevées de façon monotone, et au-dessous de Tg linéairement de façon continue. Leurs coefficients de température se situent au-dessous de Tg entre 1,0 · 10⁻⁴ pour le verre de silice et 3,5 · 10⁻⁴ Β K⁻¹ pour l'un des verres creux. Dans le domaine de figeage, l'influence de la température augmente, et les coefficients photo-élastiques croissent pendant le temps de sollicitation, de telle sorte que ces dernières, pour des vitesses de sollichation égales, augmentent rapidement en fonction de la température. L'influence du temps a été déterminée par des essais à différentes vitesses de contrainte (0,1 à 1 000 MPa s⁻¹), ce qui entraîne, dans le cas du verre creux modifié, une biréfringence qui prend une valeur instantanée et une valeur différée. Les différentes influences de la température, pour la valeur instantanée et la valeur finale de la biréfringence différée, peuvent être déterminées, dans le domaine de figeage, par approximation linéaire et elles donnent une fonction pour normaliser le coefficient photo-élastique mesuré en fonction du temps. La biréfringence différée normalisée de cette manière peut, d'après le principe d'équivalence température-temps, être représentée par une courbe étalon réduite. Les facteurs différés correspondant satisfont à l'équation WLF et sont en accord avec ceux des fonctions mécaniques viscoélastiques. Les résultats relatifs aux anisotropies figées au cours des processus de déformation revêtent une grande importance et ils s'expliquent par la dépolymérisation croissante du réseau vitreux avec l'élévation de température.