Внутрішні напруги в склі, вітражі тіффані на замовлення - виготовлення від ескізу до монтажу

На багатьох інтернет-ресурсах, присвяченим вітражів досить докладно висвітлюється тема різання скла. Але просте керівництво, нехай навіть найдокладніше, не дає розуміння навіщо ми виконуємо деякі дії і яку вони несуть смислове навантаження. Тому мені хотілося б торкнутися таку складну, але цікаву і корисну для розуміння процесів, що відбуваються в розрізати склі тему, як внутрішня напруга в склі. Важливою особливістю скла як фізичного тіла є наявність внутрішніх напружень, внаслідок яких технологія його різання кардинально відрізняється від різання інших матеріалів.
Внутрішні напруження виникають в склі з наступних причин: скло має низьку теплопровідність (властивість матеріалу поширювати тепло по сусіднім верствам), високою щільністю, повільно зменшується при дуже високих температурах, і аморфною структурою (на відміну від кристалічної будови, де дотримано і ближній порядок, і дальній, це відсутність дальнього порядку в розташуванні молекул при наявності ближнього порядку). Виникає внутрішня напруга в склі при його затвердінні, коли скло остигає після варіння.
Розглянемо як поводиться скло в захололому аркуші, який вийшов з формування. Охолодження починається з зовнішніх шарів. Поки їх температура не опустилася до значення, при якому в'язкість не збільшилася і не вагалася пластичну деформацію, структура, змінюється з охолодженням, має можливість вирівнюватися. З завмиранням зовнішніх шарів (близько 600 ° С), коли ця можливість зникає, в зовнішніх шарах з'являється напруга розтягування, так як вони прагнуть стиснутися внаслідок охолодження, а не встигли віддати тепло внутрішні шари зі зменшенням обсягу запізнюються. Коли ж внутрішні шари віддають надлишок тепла і починають застигати, вже затверділі фіксують їх зовнішні шари не дозволяють їм стиснутися в потрібному ступені. Таким чином виходить, що напруга в зовнішніх шарах, які затвердевали при обсязі, відповідному більш високих температур, змінює своє значення, і в міру остигання скла переходить з напруги розтягнення в напругу стиснення. У внутрішніх же шарах, яким застиглі зовнішні шари не дозволили зайняти менший обсяг, формується напруга розтягування.
Тепер подивимося, що відбувається в товщі скла, коли ми виробляємо дії по його різанні. Спочатку ми проводимо по поверхні скла лінію склорізом. Склоріз залишає на поверхні V-образну канавку, правильність геометрії якої залежить і від використовуваного інструменту, і від досвіду працюючого з ним. Канавка, залишена склорізом - джерело мікротріщин, одна або декілька з них збільшаться і розпустять наше скло. Після проведення лінії різу рекомендується простукати скло із зворотного боку. Ударні хвилі від простукування, що йдуть знизу, з боку закінчень мікротріщин сприяють їх розколювання і подальшому просуванню в товщу скла. Рідина для склоріза так само сприяє розбіжності тріщин. Вона як по капіляри забирається між стінками тріщини, просуваючись з кожної ударною хвилею все глибше, і на молекулярному рівні не дає можливості тріщині зійтися назад. І коли така поступово збільшується мікротріщина добирається до шару, де скло відчуває напруження розтягу, то внутрішні шари вже самі розтягують цю тріщину, розколюючи скло по всій товщині.

Як розламується скло при неправильному додатку зусиль - результат наявності різноспрямованих напружень в склі

Правда, часто тріщина доходить до межі, де напруги розтягнення внутрішніх шарів змінюються напруженнями стиску зовнішнього шару і там зупиняються. Тоді щоб розпустити скло його доводиться ламати. Якщо ж замість розламування розтягувати скло в напрямку його площині, результат буде як на фотографії, яка наочно демонструє кордон різноспрямованих напружень в склі.

Тепер подивимося як середньовічні майстри різали скло, використовуючи перераховані вище властивості. Звернемося до Теофіла, глава 18 книги 2.

Глава 18 з книги 2 Теофіла (лат. Theophilus Presbyter)

Теофіл рекомендує різати скло, використовуючи точковий нагрів, який, посилюючи наявні в зовнішньому шарі напруги стиснення, руйнує поверхню скла. У разі, якщо не вдається отримати руйнування зовнішнього шару за допомогою точкового нагріву, Теофіл пропонує швидке точкове охолодження місця нагріву, яке викличе в різко охолоджується невеликої області напруги розтягнення, які вже напевно переможуть сили, що з'єднують матеріал.