Die mechanische Stabilität von Glas - ein fortwährendes Mysterium

Eine außergewöhnliche Materialeigenschaft, die selbst im 21. Jahrhundert nicht exakt vorhersehbar ist

Betrachtet man die mechanische Stabilität unterschiedlichster Materialklassen, so nehmen spröde Materialien, wie Glas eine Sonderstellung ein. Theoretische Berechnungen, die lediglich auf den Materialeigenschaften der einzelnen Glasverbundstoffen beruhen, ordnen Glas eine deutlich höhere mechanische Stabilität zu als beispielsweise herkömmlichen Metallen. Dabei sprechen eigene Erfahrungen aus dem Alltag deutlich gegen diese theoretische Prognose. Woher stammt dieser große Unterschied zwischen Praxis und Theorie?

Allgemein ist die mechanische Festigkeit eines Materials dadurch definiert, wie viel Kraft pro Fläche ausgeübt werden kann, bis ein Material versagt. Im Fall von Glas, entspricht das Versagen Bruch. Die mechanische Festigkeit von Glas ist nicht definiert durch die Kräfte, die die Atome im Glas miteinander verknüpfen, sondern sie ist vielmehr eine statistische Größe, deren Wert zum größten Teil von der Qualität der Oberfläche bestimmt wird. Allgemein gilt, je mehr Oberflächendefekte vorhanden sind beziehungsweise je größer diese Defekte sind, desto schlechter ist die Oberflächenqualität des Glases und umso höher ist dessen Bruchwahrscheinlichkeit unter mechanischer Belastung.
Während des gesamten Herstellungsprozess von Glas können Oberflächendefekte nicht vollständig vermieden werden. Jegliche Art von Warm- oder Kaltnachverarbeitung oder gar nur das einfache Hantieren mit dem Glas, kann die Oberflächenqualität beeinflussen. Darüber hinaus kann sowohl die Glastemperatur als auch die Form des Produkts einen wesentlichen Einfluss auf die finale mechanische Stabilität haben. Bei erhöhten Temperaturen, nahe der Glasübergangstemperatur, wird das Glas viskoser und kann einer geringeren mechanischen Belastung standhalten. Wobei nicht zwangsweise Bruch, sondern vielmehr Verformung des Materials Probleme bereiten kann. In Bezug auf die Produktform, kann ein vorgeschädigtes Rohrglas ein gutes Beispiel sein.
Abbildung 1 zeigt die Energie, die benötigt wird um ein Glasrohr an einer bestimmten Stelle zu brechen. Das Glasrohr wurde für diese Messungen in je 6 cm gleichlange Segmente gesägt und nach DIN 52295 (Pendelschlagversuch) vermessen. Die gemessene Bruchenergie ergibt sich durch die Oberflächenqualität der einzelnen Segmente und kann daher ein Indikator für die mechanische Stabilität sein. Würde man nun ein hinsichtlich der Länge intaktes 1500 mm langes Rohrglas mit gleicher Bruchenergieverteilung gleichmäßig mechanisch belasten, so würde es wahrscheinlich im Bereich 45 cm, 57 cm oder 63 cm brechen. Wie auch bei vielen anderen Gegebenheiten gilt auch hier: Das schwächste Glied in der Kette bestimmt die Stabilität der gesamten Kette. Speziell für Rohrglas lässt sich daraus ableiten, je länger ein Rohrglas ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Oberflächendefekt vorhanden sind und desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Rohrglas bei geringer mechanischer Belastung versagt.

Neben Temperatur, Form und Oberflächenbeschaffenheit, zeigt Glass zudem die außergewöhnliche Eigenschaft der statistischen Ermüdung. Wird Glas über einen definierten Zeitraum mit einer konstanten Kraft belastet, so kann es durchaus sein, dass es nicht sofort, sondern erst nach einer gewissen Zeit bricht. Ursache hierfür sind Wassermoleküle aus der Umgebungsluft. Wasser kann unter gewissen Umständen eine chemische Reaktion starten, die das Risswachstum beschleunigt. Sobald ein Defekt auf die kritische Rissgröße angewachsen ist, kommt es letztendlich zum Glasbruch. 
Abbildung 1: Aufgebrachte Energie bei Bruch als Funktion der Länge eines vorgeschädigten Glasrohrs. Das Rohrglas wurde in je 6 cm lange Segmente gesägt, wobei die notwendige Energie, die zum Glasbruch jedes einzelnen Segments führte, gemäß DIN 52295 bestimmt wurde. 
Berücksichtigt man all diese und noch alle weitere möglichen Einflussfaktoren, so stellt man schnell fest, dass das Produkt Glas und dessen mechanische Stabilität trotz Massenproduktion stets als ein Individuum betrachtet werden muss. Theoretische Gleichungen in Kombination mit empirischen Studien können helfen, die mechanische Festigkeit von Glas abzuschätzen und eine gewisse Bruchwahrscheinlichkeit zu bestimmen. Der tatsächliche Wert wird jedoch niemals exakt vorhersehbar sein.

Der wichtigste Faktor bei der Gasherstellung ist somit den gesamten Produktionszyklus konstant und stabil zu halten, um Oberflächendefekte auf ein geringes Level zu reduzieren. Nur eine hochwertige Glasproduktion kann ein hochwertiges Glasprodukt gewährleisten. Mit einer Erfahrung von mehr als 130 Jahren kann SCHOTT diese hohen Anforderungen der heutigen premium Gläser erfüllen. Lange Rohrgläser mit den unterschiedlichsten Durchmessern und Wanddicken in höchster Qualität sind möglich und unser Standard. 
 
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