Thermisches Vorspannen von Glas

Beim thermischen Vorspannen wird das Glas homogen, d.h. über den Querschnitt konstant, auf eine Temperatur erwärmt, die etwa 100°C über der Transformationstemperatur (ca. 620°C bis 670°C) liegt. Anschließend wird die Glasscheibe von den Oberflächen her rasch abgekühlt und in einen Eigenspannungszustand versetzt.

Die Abkühlung erfolgt dabei normalerweise durch Anblasen mit Luft. Zu Beginn des Abkühlprozesses ist die Spannung über den gesamten Querschnitt konstant. Dann beginnt die Abkühlung der Oberfläche, die sich dabei zusammenzuzieht. Dies wird durch den noch nicht abgekühlten Kern verhindert. Dadurch entsteht auf der Oberfläche kurzfristig eine Zugspannung, im Kern eine Druckspannung. Die Spannungen erreichen zu diesem Zeitpunkt jedoch nur geringe Werte, da sie durch die hohe Viskosität des heißen Glases rasch wieder abgebaut werden. Voraussetzung für den Abbau der Zugspannungen ist, dass die Ausgangstemperatur hoch genug gewählt worden ist. Ist dies nicht der Fall, und die Viskosität zu hoch, können die auftretenden Zugspannungen während des Vorspannprozesses zum Bruch der Scheiben führen.

In der Endphase der Abkühlung hat das Glas näherungsweise die Eigenschaften eines elastischen Körpers. Die Temperaturverteilung ist parabelförmig und der Kern ist wärmer als die Oberfläche. Um den Endzustand zu erreichen, muss sich der Kern daher um einen größeren Betrag abkühlen, als die Oberfläche. Der Kern erzeugt im schon „festen“ Glas somit Druckspannungen an der Oberfläche. Im Kern selbst entstehen aus Gleichgewichtsgründen Zugspannungen. Entscheidend für die Entstehung von bleibenden Spannungen (= Eigenspannungen) ist also das viskoelastische Materialverhalten des Glases. Dies soll am Vergleich des Materialverhaltens bei Abkühlung der Oberflächen eines elastischen Körpers mit dem eines viskoelastischen Körpers verdeutlicht werden.

Körper 1
Infolge des schnellen Wärmeentzugs an den Oberflächen und der relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Glases, kühlt sich die Glasoberfläche zunächst erheblich schneller ab als der Kern. Dabei entsteht ein parabelförmiges Temperaturprofil (Zustand 1). Dadurch hat die Oberfläche das Bestreben sich relativ zum Kern zusammenzuziehen, wird durch diesen aber daran gehindert. Dies hat Zugspannungen am Rand und eine kompensierende Druckspannung im Kern zur Folge. Während die Scheibe weiter abgekühlt wird, bleiben, so lange das Temperaturprofil konstant bleibt (Zustand 2), auch die Spannungen konstant. Zum Ende des Abkühlvorganges, wenn sowohl die Oberfläche, als auch der Kern die gleiche Temperatur annehmen (Zustand 3), verschwinden die unterschiedlichen Dehnungen und damit auch die Spannungen.

Körper 2
Die Temperaturverteilung ist während des gesamten Abkühlvorgangs identisch mit der des ersten Körpers. Auch hier entstehen vorübergehend Zugspannungen am Rand und Druckspannungen im Kern. Diese relaxieren jedoch ziemlich schnell (vorausgesetzt die Anfangstemperatur ist hoch genug gewählt). Dadurch ist der Querschnitt trotz eines Temperaturgefälles weitgehend spannungsfrei (Zustand 1). Dieser Zustand bleibt auch bei Überschreitung der Übergangstemperatur erhalten (Zustand 2). Danach kann man das Verhalten des jetzt erstarrten Glases näherungsweise als elastisch bezeichnen. Angenommen der Kern habe gerade die Temperatur T = Tg, dann hat die Oberfläche wegen des parabolischen Temperaturverlaufs eine niedrigere Temperatur. Am Ende des Abkühlvorganges haben sowohl der Kern als auch die Oberfläche den Wert der Umgebung TR angenommen (Zustand 3). Die Oberfläche hätte sich bei freier Ausdehnung um einen geringeren Betrag als der Kern zusammengezogen. Da die Dehnung über den Querschnitt konstant bleiben muss (der Körper bleibt eben), entsteht das bekannte parabelförmige Spannungsprofil.