7.1 Ủ thủy tinh
7.1.1 Ứng suất bên trong thủy tinh
Khi làm lạnh nhanh một mẫu thủy tinh đang nóng , lớp ngoài của nó sẽ bị nguội nhanh hơn lớp bên trong. Sự chênh lệch nhiệt độ ấy do thủy tinh dẫn nhiệt rất kém. Do sự nguội lạnh không đều của lớp bề mặt và lớp bên trong, trong thủy tinh xuất hiện ứng suất kéo và nén. Khi quá trình làm lạnh hoàn toàn kết thúc, nhiệt độ lớp trong và lớp ngoài bằng nhau ứng suất có thể còn lại( nếu là ứng suất vĩnh viễn) hoặc có thể biến mất ( ứng suất tạm thời).
Ứng suất vĩnh viễn là ứng suất nảy sinh trong quá trình chuyển thủy tinh từ trạng thái dẻo sang trạng thái giòn. Khi đó tính linh động của thủy tinh dần dần biến mất.
Ứng suất tạm thời nảy sinh trong quá trình tiếp tục làm lạnh thủy tinh ở trạng thái giòn, khi đó thực tếđộlinh động của thủy tinh đã bằng không.
Xét quá trình phát sinh ứng suất vĩnh viễn trong một quả cầu thủy tinh ở trạng thái nửa mềm. Khi làm lạnh nhanh lớp vỏ bên ngoài sẽ nguội nhanh hơn rất nhiều so với nhân bên trong. Từ khi bắt đầu làm lạnh đến khi thủy tinh còn khảnăng biến dạng dẻo, lớp ngoài sẽ bị biến dạng và co lại khá nhiều. Nhân bên trong lúc đó vẫn còn linh động và giữđược thểtích ban đầu. Tiếp tục làm lạnh nhân cũng sẽ co lại nhưng bây giờ lại bị sức chống lại của lớp vỏ cứng bên ngoài nên nhân không co lại được, khi bị làm lạnh nó vẫn giữ một thể tích lớn hơn thể tích tại nhiệt độ tương ứng. Do đó trong nhân sẽ xuất hiện ứng suất kéo còn lớp vỏ ngoài bị nhân kéo vào bên trong nên nó chịu ứng suất nén. Ứng suất tạm thời phát sinh khác với ứng suất vĩnh viễn. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ do làm lạnh, lớp thủy tinh nguội ở bê ngoài co lại còn lớp bên trong sẽ chống lại sự co ấy. Vì ở trạng thái giòn, thủy tinh không thể biến dạng dẻo được nên lớp ngoài không thể co lại đến mức cần thiết và trở nên bị kéo. Lớp bên trong lúc đó trở thành bị nén.
Ứng suất tạm thời quá lớn sẽ làm cho sản phẩm bị nứt vỡ một cách nhanh chóng, trong khi đó nếu ứng suất vĩnh viễn quá lớn có thể làm sản phẩm vỡ ngay mà cũng có thể mãi sau này mới gây
tác dụng phá vỡ ( khi gia công cơ học hay khi sử dụng). Thực tế sản phẩm thủy tinh ít bị phá hủy bởi ứng suất tạm thời vì khi nhiệt độ cân bằng, ứng suất này cũng biến mất. Đa số trường hợp thủy tinh bị vỡ là do ứng suất vĩnh viễn gây ra.
Tốc độ làm lạnh càng lớn, sản phẩm càng dày thì sự chênh lệch nhiệt độ lớp trong và lớp ngoài càng lớn ứng suất tạo thành càng lớn. Khi làm lạnh chậm ứng suất nội xuất hiện càng ít và khi làm lạnh rất chậm nhiệt độ bên trong bên ngoài không chênh lệch nên ứng suất cũng sẽ bị loại trừ. Thực tế không cần đòi hỏi phải loại trừ triệt để ứng suất trong sản phẩm thủy tinh. Tùy theo hình dáng, giá trị sử dụng và điều kiện làm việc của sản phẩm mà có thể cho phép ứng suất còn lại đến một mức độxác định nào đó.
Vậy, ủ là quá trình gia công nhiệt để cho ứng suất nội trong sản phẩm thủy tinh ở mức độ đảm bảo sự làm việc lâu dài và bền vững. Trong điều kiện sản xuất, ủ là quá trình làm lạnh sản phẩm mới được tạo thành hình đến nhiệt độmôi trường với lượng ứng suất tồn tại cho phép.
Ứng suất có thể đo bằng đơn vị cơ học [KG/cm2] hoặc đơn vị quang học [µm/cm]hay [nm/cm]. ( Theo đơn vị quang học là tính độlưỡng chiết D = (n1-n2)= ∆/d).
Ứng suất phá hủy thủy tinh vào khoảng 700 KG/cm2 hoặc 2000nm/cm. Khi ủ tốt trong sản phẩm thủy tinh còn lại khoảng 5% ứng suất phá hủy, nghĩa là còn ~ 15-30KG/cm2 hay 50- 100nm/cm.
7.1.2Nhiệt độủ cao, nhiệt độủ thấp, phương pháp xác định
Để thiết lập chếđộủ của một loại sản phẩm thủy tinh nào đấy trước hết cần xác định khoảng nhiệt độ có thể nảy sinh hoặc loại trừ được ứng suất vĩnh viễn. Khoảng nhiệt độ đó phụ thuộc vào thành phần thủy tinh và gọi là khoảng nhiệt độ ủ. Khoảng nhiệt độ ủ được giới hạn bởi nhiệt độủ cao và nhiệt độủ thấp.
Nhiệt độủcao tương ứng với độ nhớt của thủy tinh vào khoảng 1013p. Tại nhiệt độ này sau 5 phút ứng suất giảm 1/10 ứng suất ban đầu. Nhiệt độủ thấp tương ứng với độ nhớt 1014,5-1015p, khi đó để giảm 1/10 ứng suất cần một thời gian 100 lần lớn hơn so với ở nhiệt độủ cao. Có thểủở nhiệt độ giới hạn ứng với độ nhớt 1016p nhưng rất chậm.Tại nhiệt độ ủ giới hạn thời gian để ứng suất giảm đi 1/10 lớn gấp 1000 lần thời gian ứng với nhiệt độủ cao.
Về mặt lí thuyết, nhiệt độ ủ cao tương ứng với nhiệt độ giới hạn của trạng thái giòn ( nhiệt độ tạo thủy tinh hay nhiệt độ chuyển hóa ) Tg và vì vậy có thểxác định nhiệt độ đó trên đường cong giãn nở nhiệt. Để tránh biến sản phẩm thường chọn nhiệt độủ cao thấp hơn Tg khoảng 20-300C.
Người ta có thểxác định khoảng nhiệt độ ủ bằng các phương pháp thực nghiệm và tính toán.