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玻璃物理钢化的原理
 发布时间:2013年05月30日 浏览:7464
随着科学技术的不断发展,玻璃材料的应用领域不断扩大,尤其在玻璃深加工方面受到人们的重视。玻璃的钢化技术就是其中之一。

玻璃的诗句强度比理论强度低很多,根据玻璃的断裂机理,可以通过在玻璃表面造成压应力层的办法使玻璃的强度得到增强。这种通过在玻璃表面形成压应力层来增强玻璃的方法,称为玻璃的钢化。玻璃的钢化通常分为物理钢化和化学钢化两种方法。玻璃经过钢化处理后,强度得到很大程度提高,因此在各个工业领域广泛地使用。例如在建筑、火车、汽车、飞机等方面作为挡风玻璃而普遍使用。

将玻璃加热到一定温度,然后将玻璃迅速冷却,便玻璃内产生很大的永久应力,这个过程也称为玻璃的淬火。通过这样的热处理,在冷却后使玻璃内部具有均匀分布的内应力,从而提高玻璃的强度和热稳定性,这种淬火玻璃又称为钢化玻璃。它的强度比退火玻璃高4~6倍,达392Mpa(40kgf/mm2)左右,而热稳定性可提高到165~310℃左右。

玻璃的物理钢化是把玻璃加热到低于软化温度(其年度值高于107Pa·s)后进行均匀的快速冷却而得。玻璃外部因迅速冷却而固化,而内部冷却较慢。当内部继续收缩时使玻璃表面产生了压应力,而内部为张应力。

当退火玻璃板受荷载弯曲时玻璃的上表层受到张应力,下飙车受到压应力。玻璃的抗张强度较低,超过抗张强度玻璃就破裂,所以退火玻璃的强度不高。如果负载加到钢化玻璃上,钢化玻璃表面的压应力比退火玻璃小。同时在钢化玻璃种最大的张应力不像退火玻璃存在于表面上移向板中心。由于玻璃耐压强度要比抗张强度几乎大10倍,所以钢化玻璃在相同的负载下并不破裂。此外在钢化过程中玻璃表面上微裂纹受到强烈的压缩,同样也使钢化玻璃的机械强度提高。

同理,当钢化玻璃聚然经受极冷时,在其外层产生的张应力被玻璃外层原存在的方向相反的压应力所抵偿,使其热稳定性大大提高。

钢化玻璃的张应力存在于玻璃的内部,当玻璃破裂时,在外层的保护下(虽然保护力并不强),能使玻璃保存在一起活为布满裂缝的集合体。而且钢化玻璃内部存在的是均匀的内应力。根据测定,当内部张应力为294~313.6Mpa(30~32lgf/m2)时,可以产生0.6m2的断裂面,相当于把玻璃粉碎到10mm左右的颗粒。这也就解释了钢化玻璃在炸裂时分裂成小颗粒块状不易伤人的原因。

如前所述,永久应力产生是由应力松弛和温度聚变被冻结下来的结果。加热玻璃其温度愈高,应力松弛的速度也愈快,钢化后产生的应力也愈大;而且玻璃各部分以不同的速度冷却。使玻璃表面的结构具有较小的密度,而内层具有较大的密度。这种结构因素引起各部分的膨胀系数不同,也引起内应力的产生。

把钢化时玻璃开始均匀急冷的温度称为淬火温度或钢化温度T2,一般取T2=Tg+80℃(η108.5Pa·s)。工厂中钢化6mm的平板玻璃时,淬火温度为610~650℃,加热时间220~300℃范围内,或者以36~50s/mm加热时间予以计算。

根据巴尔杰涅夫提出,钢化玻璃的强度σ与钢化程度△有下列关系:

σ0+x/B

式中:

σ0——退火玻璃的表面强度,kg/cm2(1kgf/cm2=98kPa)

B——应力光学常数,2.5×10-7cm2/kgf(钠钙硅玻璃)

x——表示玻璃表面层与中间层应力的比例系数;

△——钢化程度,nm/cm

从上式可见,钢化玻璃的强度随着钢化程度和x的增大而增强。研究结果表面,钢化玻璃的强度主要取决于其表面的压应力(称为机械因素)大小,但近年来认为,除了这一因素外,由于高温急冷所引起的玻璃表面结构的变化也是影响物理钢化的重要因素之一。


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