玻璃強(qiáng)度及玻璃應(yīng)力的關(guān)系

1、玻璃強(qiáng)度與玻璃應(yīng)力的關(guān)系發(fā)布時間：2012年06月15日瀏覽：1569【錦泰高溫玻璃網(wǎng)】玻璃中的應(yīng)力一般分為熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。熱應(yīng)力是由于溫度梯度造成的。 這是因?yàn)椴Ａ且环N經(jīng)高溫熔融、快速冷卻而固化的非晶態(tài)產(chǎn)品，所以在生產(chǎn)過程中，玻璃板面上各部位 的溫度變化不可能均勻一致，因此就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力按其產(chǎn)生的特點(diǎn)可分為暫時應(yīng)力和永久應(yīng)力兩 類。一部分可以經(jīng)過退火而消除，這部分應(yīng)力稱為暫時應(yīng)力。還有一部分熱應(yīng)力即使溫度梯度消失以后， 仍然存在，這部分應(yīng)力稱為永久應(yīng)力。另外玻璃也會因?yàn)槠渲写嬖诮Y(jié)石、條紋或化學(xué)成分不均勻時而產(chǎn)生 應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為結(jié)構(gòu)應(yīng)力。結(jié)構(gòu)應(yīng)力是不能夠消除的，所以結(jié)

2、構(gòu)應(yīng)力也屬于永久應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力是指 玻璃受到外力的作用而引起的應(yīng)力，外力除去時，機(jī)械應(yīng)力也隨之消失。但若受到的外力過大，就會造成 玻璃的破裂。玻璃的應(yīng)力直接影響到玻璃的強(qiáng)度。玻璃的熱炸裂是由于熱應(yīng)力過大而引起的；玻璃的受擊破裂是由于玻 璃受到機(jī)械沖擊力或撞擊力而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力過大而導(dǎo)致的；玻璃的自爆是由于玻璃內(nèi)部應(yīng)力過大所致， 另外，由于熱鋼化或化學(xué)鋼化而使玻璃的強(qiáng)度增加，則是由于玻璃的表面壓應(yīng)力的增加所致。所以，玻璃 的應(yīng)力與強(qiáng)度有著密不可分的關(guān)系。本文將從玻璃應(yīng)力的角度，討論玻璃的強(qiáng)度以及與之相關(guān)的其它性質(zhì)。 1、玻璃的應(yīng)力與玻璃強(qiáng)度之間的關(guān)系1.1玻璃的應(yīng)力與玻璃的強(qiáng)度玻璃幾乎是一種理想

3、的彈性材料，所以可以用線彈性斷裂力學(xué)的理論來描述玻璃的力學(xué)行為。在線彈性斷 裂力學(xué)中，可以通過觀察斷裂現(xiàn)象來研究機(jī)械材料的行為。如果應(yīng)力強(qiáng)度因子K由于裂紋尖端部位的張應(yīng) 力七達(dá)到了臨界值時，玻璃就會發(fā)生斷裂。這里的應(yīng)力強(qiáng)度因子是反映裂紋尖端彈性應(yīng)力場強(qiáng)弱的物理量， 與裂紋幾何尺寸及應(yīng)力有關(guān)，并可以用多種方法(解析法、有限元計算、實(shí)驗(yàn)標(biāo)定等)計算特定裂紋的應(yīng) 力強(qiáng)度因子。應(yīng)力強(qiáng)度因子的單位是MPa - m1/2或MNm-3/2。對于張開型裂紋(外加正應(yīng)力使裂紋面張 開)可以用下式表示：K|=Ya (na) 1/2 (1)式中：K|_應(yīng)力強(qiáng)度因子；七_(dá)與裂紋平面相垂直的標(biāo)稱張應(yīng)力； Y一修正系數(shù)；

4、a一幾何參數(shù)，如裂紋深度或裂紋長度的一半。當(dāng)K產(chǎn)K|c時，玻璃就會發(fā)生瞬間斷裂。K。為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子或斷裂韌度應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂速度V(da/dt)之間的關(guān)系可以用(2)式表示： VW*/%)n一或 log (V) = nlog (K) + log (V0K-nC)(3)其中V0與n是與環(huán)境條件(濕度、溫度、介質(zhì))、玻璃的化學(xué)成分以及應(yīng)力荷載速度有關(guān)的物理量。 以應(yīng)力強(qiáng)度因子的對數(shù)值為橫坐標(biāo)，以斷裂速度V的對數(shù)值為縱坐標(biāo)作圖，如圖1所示。1如的單位周M )應(yīng)力強(qiáng)度因f圖1理想狀態(tài)下的關(guān)系圖圖1中的I區(qū)，可以用來預(yù)測玻璃的使用壽命。|區(qū)和III區(qū)在預(yù)測玻璃的使用壽命方面可以忽略不計。1.2玻璃

5、的壓應(yīng)力與玻璃的強(qiáng)度一般來講，玻璃的抗彎曲強(qiáng)度bb與玻璃的表面壓應(yīng)力。之間存在如下關(guān)系：ab=aa+kaa式中：ba退火浮法玻璃的強(qiáng)度；k經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。浮法白玻的強(qiáng)度與表面壓應(yīng)力之間也存在著線性關(guān)系，見圖2。衣就應(yīng)力八II、圖2 透明浮法玻璃抗彎強(qiáng)度與表面壓應(yīng)力 之間為關(guān)系采用四點(diǎn)彎曲法（圖3）測定浮法玻璃的抗彎曲強(qiáng)度，然后再測定浮法玻璃下表面的殘余應(yīng)力，測試數(shù)據(jù) 列于表1。樣品編號樣品編號表面壓應(yīng)力。/MPa表面壓應(yīng)力aab/MPa1退火玻璃-7.052.92熱增強(qiáng)玻璃-61.3116.33熱增強(qiáng)玻璃-61.3108.24熱增強(qiáng)玻璃-60.7118.25熱增強(qiáng)玻璃-64.0137.36熱增強(qiáng)玻璃

6、-61.8121.47鋼化玻璃-119.7184.98鋼化玻璃-120.3184.79鋼化玻璃-121.7186.610鋼化玻璃-120.6176.911鋼化玻璃-121.0182.3t反作用力反作用力f圖3四點(diǎn)彎曲法測定玻璃樣品的抗彎強(qiáng)度2太陽輻射熱應(yīng)力對玻璃強(qiáng)度的影響當(dāng)玻璃受到太陽輻射后，一部分能量被玻璃板表面反射，一部分能量被玻璃板吸收，還有一部分能量透過 玻璃板。被玻璃板吸收的那部分能量會轉(zhuǎn)化為熱能而使玻璃板的溫度升高。如果玻璃板是均勻受熱，或玻 璃板因溫度升高而引起的熱膨脹不受外部機(jī)械裝置的局限，或支撐玻璃板的支架能夠調(diào)節(jié)因熱膨脹而引起 的體積變化，就不會有熱應(yīng)力產(chǎn)生。但是，單片退火

7、窗用玻璃一般都被鑲嵌在窗框內(nèi)。當(dāng)窗玻璃的中心部 位受到太陽輻射后，由于邊部被遮擋或邊部處于陰涼處，使得玻璃板的受熱不均，導(dǎo)致熱應(yīng)力。在這種熱 應(yīng)力恰遇邊部有缺陷時，就可能造成玻璃板的熱破裂。例如在嚴(yán)冬季節(jié)，夜晚溫度極低，玻璃板相對于室 內(nèi)外溫度達(dá)到熱平衡。到了日出以后，受到陽光照射的玻璃板區(qū)域因溫度升高而膨脹，導(dǎo)致窗框內(nèi)的玻璃 板四周處于拉伸狀態(tài)（張應(yīng)力），這種拉伸力平行于玻璃板的邊部。如果玻璃板邊部存在微裂紋，當(dāng)拉伸 力達(dá)到臨界值時，玻璃板就會有破裂的危險。3應(yīng)力腐蝕對玻璃強(qiáng)度的影響玻璃的應(yīng)力腐蝕是玻璃在拉應(yīng)力（張應(yīng)力）集中和特定腐蝕環(huán)境的共同作用下發(fā)生腐蝕裂紋擴(kuò)展甚至斷裂 的現(xiàn)象。玻璃表面

8、有微裂紋存在時，這種微裂紋起到了應(yīng)力集中的作用，在裂紋的尖端，應(yīng)力值比無裂紋 部位大得多，隨著時間的推移，裂紋會逐漸變大，直至斷裂。影響應(yīng)力腐蝕的環(huán)境因素有濕度、溫度、玻 璃化學(xué)組成等。圖5圖7是不同的環(huán)境濕度、溫度以及不同玻璃化學(xué)組成條件下玻璃應(yīng)力腐蝕速度的響應(yīng) 曲線。從圖5可以看出，濕度越大，應(yīng)力腐蝕速度越快。這是因?yàn)樗肿幽軌蚴共ＡУ墓柩蹙W(wǎng)絡(luò)鍵斷開的 緣故。由圖6可見，應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，裂紋擴(kuò)散速度增加。這是因?yàn)闇囟雀?，體系能量增加，當(dāng)能量接 近或超越裂紋擴(kuò)散或生長的激活能時，會加快裂紋的擴(kuò)散速度速度大，這是因?yàn)殁c鈣硅玻璃中堿金屬離子 含量較高的緣故。h*i J的睡位是)M成力強(qiáng)度因子m雁圖5環(huán)境溫度對鈉鈣硅玻璃中裂紋擴(kuò)散速度的影響1初！ I的單位是h/h 1on 方無-4 -f一6 -一7 -W -=9 -U)-02 0J M0.50.6/M Pd . m 雁圖6溫度對鈉鈣硅玻璃中裝紋擴(kuò)散速度的影響log.!（的單位是血圖7 玻痛化學(xué)組成時玻璃中裝紋擴(kuò)散速度的影響4應(yīng)力對玻璃的碎片