Lasin jännitykset

Lasin jännityksillä, niiden synnyllä ja erityisesti ehkäisemisellä on suuri merkitys onnistuneen ja kestävän lasityön valmistuksessa.

Kuumaan ja pehmeään lasiin kohdistuva voima muuttaa sen muotoa, mutta kun voima kohdistuu kiinteään lasiin, se aiheuttaa jännityksiä. (Jännitettä on vain sähkölaitteissa.)

Koska lasi on kovaa mutta haurasta, ja sen kimmoisuus on pieni, se ei pysty mukautumaan jännityksiin hyvin. Mikäli voima kasvaa liian suureksi, jännitys ylittää lasin lujuuden ja lasi rikkoontuu. Yleensä syy on liian suuri vetojännitys.

• Vetojännitys vetää aineen rakenneosia (atomeja ja molekyylejä) kauemmaksi toisistaan.
• Puristusjännitys puristaa rakenneosia kasaan.

Lasi kestää hyvin puristusjännitystä, mutta huonosti vetojännitystä. Yleensä lasiin kohdistuu molempia jännityksiä yhtä aikaa. Esimerkiksi lasilevyä taivutettaessa sen toiselle puolelle syntyy vetojännitys ja toiselle puristusjännitys.

Jännitykset voivat rikkoa lasin jo valmistusvaiheessa tai pian sen jälkeen. Koska jännityksillä on taipumus voimistua aikaa myöten, lasi voi särkyä jopa kauan esineen valmistumisen jälkeen – erityisesti, jos siihen kohdistuu lisärasitusta, kuten voimakkaita lämpötilanvaihteluita tai mekaanista käsittelyä. Lasin kylmätyöstö, erityisesti voimakas käsittely kuten sahaus tai hionta, rikkookin helposti lasin, jossa on jäännösjännityksiä. Myös kevyempi käsittely, esimerkiksi pinnan naarmutus ja hiekkapuhallus, voi laukaista jännitykset.

Jännityksillä on taipumus keskittyä terävien muotojen sekä lasissa olevien vikojen ja virheiden ympärille. Esineen kulmien, aukkojen ja särmien lisäksi jännityksiä voivat kerätä myös lasissa olevat terävät, eriväriset kuviot, kuten siksak-kuvio.

 

Tilapäiset ja pysyvät jännitykset

• Tilapäisiä jännitykset häviävät, kun ne aiheuttanut voima häviää. Tilapäisiä jännityksiä voi syntyä esimerkiksi lasin taivuttamisessa (kylmän lasin taivuttaminen) tai lämpöshokista. 
• Ulkoiset jännitykset johtuvat lasiin kohdistuvasta ulkoisesta voimasta, kuten puristuksesta.
• Pysyviä sisäisiä jännityksiä puolestaan aiheuttavat valmistuksen aikaiset lämpötilaerot tai lasien yhteensopimattomuus. Koska pysyvät jännitykset eivät häviä valmiista lasista, pyritään estämään vääränlaisten tai liian suurten jäännösjännitysten syntyminen.

 

Lämpötilaerojen aiheuttamat jännitykset

Lasi johtaa lämpöä huonosti, minkä vuoksi lämpötilan muuttuessa lasikappaleen pintojen, sisuksen ja eri osien välille syntyy helposti lämpötilaeroja. Nämä erot tasoittuvat hitaasti ja usein eriaikaisesti.

• Lämpötilagradientti  (lämpötilaero suhteessa mitta-alaan) kasvaa, jos lämpötilan muutos tapahtuu liian nopeasti.
• Lämpölaajenemisen vuoksi lasikappale laajenee hieman kuumennettaessa, ja jäähtyessään se pyrkii palaamaan alkuperäiseen tilavuuteensa, eli kutistuu.

Kun lasin lämpögradientti on suuri, myös lasin lämpölaajeneminen on epätasaista sen osien kesken. Tämä voi aiheuttaa lasiin jännityksiä.

Esimerkkinä nopeasti jäähtyvä lasi: Lasikappaleen vapaa pinta jäähtyy ensimmäisenä ja jähmettyy kuuman, edelleen laajentuneen sisäosan ympärille. Kun sisus jäähtyy, sekin pyrkii  palaamaan alkuperäiseen tilavuuteensa. Koska ulkopinta on jo kiinteä, eikä anna periksi, sisäosan ja pinnan välille syntyy jännityksiä. Samalla tavalla syntyy jännityksiä myös esineen paksujen ja ohuiden osien välille.

 

Lämpöshokki

Nopea lämpötilan muutos voi aiheuttaa lasiesineeseen tilapäisiä jännityksiä eli lämpöshokin.

Mitä pienempi lasin lämpölaajeneminen on, sitä paremmin se kestää lämpöshokkia. Myös lasin lujuus vaikuttaa lämmönkestävyyteen.

Borosilikaattilasin lämpölaajeneminen on hyvin pientä, ja lämpöshokinkesto erinomainen. Borosilikaatista valmistetaankin esimerkiksi astioita, joihin voi kaataa vaikka kiehuvaa nestettä. Tavallinen soodalasi kestää rikkoontumatta vain noin 40–50 celsiusasteen lämpötilamuutoksen.

Lasi on herkkä lämpöshokille alle noin 400–550 celsiusasteen lämpötiloissa. Lämpötila-alue on kuitenkin hieman erilainen eri lasityypeillä, ja sen yläraja on yleensä hieman alemman jäähdytysrajan (StP, Strain Point) yläpuolella.

Uunitekniikoissa lämpöshokkiriski on huomioitava sekä lasia kuumennettaessa että jäähdytettäessä.

 

Pysyvät lämpöjännitykset

Lämpöjännityksiä syntyy, kun kuuman lasin osat jäähtyvät eri tahtiin: kuuman lasin lämpötilaerot muuttuvat jännityksiksi kiinteässä lasissa. Tämän estämiseksi lasi jäähdytetään kontrolloidusti tietyllä lämpötilavälillä.

Pehmenemislämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa lasi on viskoosia, ja lämpötilaerojen aiheuttamat jännitykset korjautuvat saman tien, mutta lasin muoto muuttuu. Lämpötilan laskiessa muodon muuttuminen ja lämpötilaerojen tasaantuminen hidastuvat.

Ylin jäähdytysraja on korkein lämpötila, jossa lasi voi olla muodon muuttumatta, ja jännitykset tasautuvat nopeasti (SP standardi: 15 minuutissa).

Alin jäähdytysraja on lämpötila, jossa lasin jännitykset purkautuvat hyvin hitaasti. Sen alapuolella lasiin jääneet jännitykset jäävät pysyviksi.

Lasin jäähdytys sijoittuu ylimmän ja alimman jäähdytysrajan väliin. Ensin lasista tasataan valmistuksessa syntyneet lämpötilaerot. Sitten lämpötilaa lasketaan alempaan jäähdytysrajaan niin hitaasti, ettei uusia lämpötilaeroja – ja jännityksiä – synny lasin osien välille. Alemman jäähdytysrajan alapuolella lasiin ei voi enää syntyä pysyviä jännityksiä, mutta työ jäähdytetään hitaasti lähelle huoneenlämpötilaa lämpöshokin estämiseksi.

 

Yhteensopimattomuuden aiheuttamat jännitykset

Kun sulatetaan yhteen lasipaloja, niiden on oltava yhteensopivia. Käytännössä se tarkoittaa sitä, että lämpölaajeneminen ja viskositeetti on sellaiset, ettei yhdistettyjen lasien välille synny jännityksiä. Sama koskee tilannetta, kun lasiin halutaan sulattaa kiinni muuta materiaalia, esimerkiksi metallia.

Yhteensopimattomuuden aiheuttamat jännitykset ovat pysyviä, eikä niitä voi poistaa jäähdytyksellä.

 

Saako lasissa olla jännityksiä?

Lasiesineisiin jää aina jonkin verran jännityksiä. Valmistuksessa pyritään estämään liiallisten jännitysten syntyminen.

Hyväksyttävä jännitysten määrä riippuu osin lasiesineen käyttötarkoituksesta. Mikäli esineeseen kohdistuu käytössä rasitusta – kuten pieniä iskuja ja naarmuttamista, tai se vuoroin lämpenee, vuoroin jäähtyy auringonvalossa – on hyvä, että lasissa on vain vähän jännityksiä valmistuksen jäljiltä. Esimerkiksi ruokalautasessa on hyvä olla vähemmän jäännösjännityksiä kuin seinälle ripustettavassa koristelautasessa.

Monimutkaiseksi asian tekee se, että voimakas pinnan puristusjännitys tekisi lasiesineistä, esimerkiksi lautasista, lujempia. Uunitekniikoissa on kuitenkin vaikea saada aikaan tasaista pintajännitystä esineen kaikille pinnoille. Siksi on parempi pyrkiä jännitysten vähentämiseen.

Jännitys muuttaa lasin läpi kulkevan valon polarisaatiotasoa. Siksi jännitykset pystytään havaitsemaan polarisoidun valon avulla.

Lue lisää  Jännitysten testaaminen

 

Hyödylliset jännitykset

Jännityksiä käytetään lasityössä myös hyväksi.

• Lasin leikkauksessa lasin pinta rikotaan viiltämällä. Kun viiltoon kohdistetaan painetta tai kuumuutta, lasi halkeaa viiltoa pitkin.
• Lämpöshokin avulla voidaan valmistaa lasimurskaa. Näin murskattu lasi lämpökarkaistuu ja lujittuu helposti, mikä voi vaikeuttaa sen jatkotyöstöä, esimerkiksi vasarointia hienommaksi.
• Lämpökarkaistu lasi. Oikeanlaisella kuumennuksella ja jäähdytyksellä lasin pintaan saadaan voimakas puristusjännitys ja sisälle vetojännitys. Rikkoutuessaan karkaistu lasi hajoaa pieniksi, vaarattomiksi muruiksi. Lämpökarkaistun lasin iskunkestävyys ja lämmönvaihtelun sietokyky ovat huomattavasti parempia kuin tavallisella lasilla. Lämpökarkaisun jälkeen lasia ei voi enää työstää, esimerkiksi leikata tai hioa. Lämpökarkaisu on vaativa prosessi.
• Kemiallisesti karkaistun lasin pinnan puristusjännitys ja sisäosan vetojännitys luodaan ioninvaihdolla, jossa lasin pinnan natriumionit vaihdetaan kalsiumioneihin. Verrattuna lämpökarkaisuun, kemiallisesti karkaistu lasi on useita kertoja vahvempaa ja kestää paremmin lämpötilan muutoksia sekä esimerkiksi taivutusta. Kemiallista karkaisua käytetään esimerkiksi kosketusnäyttöjen laseissa.