Szkło hartowane jest mocniejsze, bo jego powierzchnia została celowo uwięziona w stanie ściskania
Podczas hartowania taflę szkła ogrzewa się powyżej temperatury, w której struktura może się relaksować, a następnie gwałtownie chłodzi obie powierzchnie strumieniami powietrza. Warstwy zewnętrzne zestalają się pierwsze; wnętrze stygnie i kurczy dopiero później. Ostatecznie rdzeń „ciągnie” powierzchnię do środka, pozostawiając ją w trwałym naprężeniu ściskającym, a siebie w równoważącym rozciąganiu. Pęknięcie szkła zwykle zaczyna się od rysy otwieranej przez rozciąganie, więc zanim zewnętrzna siła zdoła otworzyć rysę, musi najpierw pokonać wstępne ściskanie powierzchni.
Szkło pęka dobrze w rozciąganiu rysy, źle znosi ich obecność
Kruche szkło ma wysoką teoretyczną wytrzymałość wiązań, lecz mikrorysy koncentrują naprężenie. Gdy powierzchnia jest rozciągana, czubek rysy doświadcza jeszcze większej lokalnej siły i pęknięcie szybko się propaguje.
Profil naprężeń w hartowanym szkle można mierzyć optycznie dzięki fotoelastyczności. Naprężenie zmienia dwójłomność materiału, więc spolaryzowane światło przechodzące przez taflę nabywa różnicę faz. Specjalne polaryskopy lub metody skanowania rekonstruują wielkość kompresji powierzchniowej. Niewidzialne pole mechaniczne zostawia zatem bezpośredni ślad w zachowaniu światła.
Hartowanie tworzy profil naprężenia bez zmiany składu
Nie trzeba dodawać nowej substancji ani powłoki. Proces termiczny ustala nierównomierną historię chłodzenia, a ta zostaje „zamrożona” w amorficznej strukturze.
Powierzchnia zastyga pierwsza
Szybkie chłodzenie powoduje skurcz i wzrost lepkości warstw zewnętrznych. W tym momencie gorący rdzeń jest jeszcze plastyczny i może dostosować się bez tworzenia ogromnego naprężenia.
Hartowanie działa tylko dla szkła o odpowiedniej geometrii i jakości krawędzi. Krawędź jest szczególnie krytyczna, bo defekty mogą sięgać przez warstwę ściskaną bliżej strefy rozciągania. Obróbkę otworów i cięcie wykonuje się zwykle przed hartowaniem; po procesie próba wiercenia może uwolnić pole naprężeń i spowodować natychmiastowe rozdrobnienie całej tafli.
Rdzeń kurczy się później
Kiedy wnętrze w końcu stygnie, chciałoby zmniejszyć objętość, ale jest związane z już sztywną powierzchnią. Powstaje równowaga: rdzeń zostaje w rozciąganiu, powierzchnia w ściskaniu.
Rysa musi pokonać kompresję
Aby pęknięcie się otworzyło, lokalne naprężenie rozciągające z zewnątrz musi przekroczyć istniejące ściskanie. Dlatego hartowana tafla znosi większe obciążenie i szoki termiczne niż analogiczna niehartowana.
Rozmiar fragmentów po pęknięciu zależy od poziomu naprężenia centralnego i grubości szkła. Większa zmagazynowana energia daje gęstszą sieć rozgałęzień i mniejsze kawałki. Normy bezpieczeństwa wykorzystują właśnie liczbę i rozmiar fragmentów jako pośredni test jakości hartowania. Charakterystyczne „kostki” nie są przypadkiem, lecz statystycznym skutkiem dynamicznej fragmentacji napędzanej energią elastyczną.
Po przebiciu warstwy energia uwalnia się gwałtownie
Jeśli pęknięcie dotrze do strefy rozciąganej i przekroczy krytyczny warunek, zmagazynowana energia sprężysta napędza wiele rozgałęziających się szczelin. Tafla rozpada się na liczne małe fragmenty zamiast kilku długich ostrych odłamków.
Bezpieczne rozdrobnienie i wytrzymałość mają ten sam mechanizm
Cecha zwiększająca odporność — duże naprężenie własne — odpowiada również za charakterystyczny sposób zniszczenia. Szkło hartowane nie jest „mniej kruche”; jest kruchym materiałem z celowo zaprojektowanym polem naprężeń.
Istnieje również szkło wzmacniane chemicznie, gdzie naprężenie powierzchniowe tworzy wymiana jonowa: mniejsze Na⁺ w warstwie powierzchniowej zastępuje się większymi K⁺ z kąpieli solnej. Większe jony są wciskane w tę samą sieć i wytwarzają kompresję bez gwałtownego chłodzenia. Smartfony często korzystają z tej strategii. Termiczne i chemiczne wzmacnianie prowadzą do podobnego celu — ściskanej powierzchni — przez zupełnie inne procesy.
Zwykłe szkło odprężone ma bardzo małe naprężenia szczątkowe, bo po formowaniu chłodzi się wolno przez zakres odprężania i struktura zdąża zrelaksować różnice objętości. Hartowanie robi dokładnie odwrotnie: celowo przechodzi szybko przez ten zakres, aby zablokować gradient. Dwa kawałki o identycznym składzie SiO₂–Na₂O–CaO mogą więc mieć zupełnie inną odporność mechaniczną wyłącznie przez historię termiczną. Jest to szklany odpowiednik obróbki cieplnej metalu, choć mechanizm nie wykorzystuje przemiany kryształów, bo szkło pozostaje amorficzne.
Naprężenia hartowania są „zamrożone” dlatego, że poniżej temperatury zeszklenia czas relaksacji struktury rośnie dramatycznie. Atomy nadal drgają, ale sieć nie ma wystarczającej ruchliwości, aby w rozsądnym czasie przepłynąć i wyrównać różnice objętości. Przy dostatecznie wysokiej temperaturze długotrwałe wygrzewanie może te naprężenia odprężyć. Hartowane szkło jest więc metastabilnym stanem mechanicznym utrzymywanym przez ogromną lepkość amorficznej sieci w temperaturze użytkowej.