鋼化應力對鋼化玻璃自爆的影響

1、鋼化應力對鋼化玻璃自爆的影響孫文遷摘要：鋼化玻璃作為安全玻璃在建筑門窗、幕墻上的應用越來越普及。鋼化玻璃之所以具有普通退火 玻璃45倍的強度，在于鋼化玻璃經過特殊熱處理后具有內張外壓應力。但鋼化玻璃的鋼化應力大小又與 玻璃的自爆有著密切的關系，本文就此進行探討。關鍵詞：鋼化玻璃；鋼化應力；自爆；鋼化程度刖言鋼化玻璃作為安全玻璃在建筑門窗、幕 墻上的應用越來越普及，但鋼化玻璃在使用 過程中的自爆現(xiàn)象時有發(fā)生。鋼化玻璃的自 爆輕則引起使用不便，重則危及人身安全。鋼化玻璃的生產按加工工藝分為物理法 和化學法兩種。建筑用鋼化玻璃主要是采用 物理法生產工藝加工的鋼化玻璃。物理法鋼化玻璃的加工工藝簡單的概

2、括 為將玻璃加熱到一定的溫度，然后迅速冷 卻，以增加玻璃的機械性能與熱穩(wěn)定性。其 原理是將玻璃在加熱爐內加熱到轉變溫度 以上50C60C，然后迅速送入冷卻裝置， 用一定壓力的常溫氣流進行淬冷，玻璃外層 首先收縮硬化，由于玻璃的導熱系數(shù)小，這 時玻璃內部仍處于高溫狀態(tài)，等待玻璃內部 開始硬化時，已經硬化的外層將阻止內層的 收縮，從而使先硬化的外層產生壓應力，后 硬化的內層產生張應力。由于玻璃表面的這 種壓應力的存在，當外力作用于該表面時， 首先必須抵消這部分壓應力，這就大大提高 了玻璃的機械強度。正是由于鋼化玻璃這種內張外壓應力的 存在，使得鋼化玻璃的強度可以達到普通平 板玻璃強度的45倍，同時

3、鋼化玻璃破碎 后立即分裂成沒有尖角產生的小碎片，大大 減小了對人身傷害的程度。因此，鋼化玻璃 作為安全玻璃廣泛應用于建筑門窗和幕墻 上。鋼化玻璃的自爆普通平板玻璃經鋼化處理后，表面層形 成壓應力。內部板芯層呈張應力，壓應力和 張應力共同構成一個平衡體。由于玻璃本身 是一種脆性材料，耐壓但不耐拉，所以玻璃 的大部分破碎是由張應力引發(fā)的。自爆一般定義為鋼化玻璃在無直接外力 作用下發(fā)生自動炸裂的現(xiàn)象。實際上，玻璃 鋼化加工過程中的自動爆裂與貯存、運輸、 使用過程中的自爆是二個完全不同的概念， 二者不可混淆。前者一般由玻璃中的砂粒、 氣泡等夾雜物及人為造成的缺口、刮傷、爆 邊等工藝缺陷引起的。后者則主

4、要由玻璃中 硫化鎳(NiS )相變引起的體積膨脹所導致。 只有后者才會導致嚴重的質量問題及引起 社會關注，所以一般提到的自爆均指后一種 情況，也是本文探討的問題。NiS的存在主要是由于平板玻璃的生產 過程所致。NiS是一種晶體，存在二種晶相， 即高溫相a-NiS和低溫相P-NiS，相變溫度 為379C。玻璃在鋼化爐內加熱時，加熱溫 度約為650C左右，遠高于相變溫度，因此 NiS全部轉變?yōu)閍相。然而在隨后的淬冷過 程中，a-NiS相來不及轉變?yōu)镻-NiS相，從 而被凍結在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下， a-NiS相是不穩(wěn)定的，有逐漸轉變?yōu)镻-NiS 相的趨勢。在晶相的轉變過程中，NiS體積 膨脹約

5、2%4%，使玻璃承受巨大的相變張 應力，從而導致自爆。典型的NiS引起的自 爆碎片見圖1。圖1自爆碎片形態(tài)圖從圖1中可以看出，玻璃碎片呈放射狀 分布，放射中心有二塊形似蝴蝶翅膀的玻璃 塊，俗稱“蝴蝶斑”。NiS結石位于二塊 “蝴蝶斑”的界面上。圖2 NiS結石掃描電鏡照片圖2是從自爆后玻璃碎片中提取的 NiS結石的掃描電鏡照片，其表面起伏不 平、非常粗糙。研究表明，引起自爆的NiS包含物的粒 子尺寸變化大約在0.04mm到0.65mmN間， 平均在0.2mm，所有的能夠導致自爆的NiS 包含物都在鋼化玻璃的內部，在玻璃厚度 方向25%75%的范圍之間1即玻璃的張 應力區(qū)）。表面應力對玻璃自爆的

6、影響根據(jù)玻璃的鋼化原理，玻璃鋼化后，內 部存在的張應力與壓應力達到一個整體的 應力平衡，無論在生產的過程中或者是成品 使用過程中，一旦這種應力平衡被打破，玻 璃就會發(fā)生爆裂，即玻璃產生自爆。研究發(fā)現(xiàn)，導致玻璃自爆的NiS存在一個 臨界直徑Dc,這個臨界直徑取決于NiS包含 物周圍的應力 （玻璃內部NiS石頭位置 的退火水平）:3.55膏0.5式中：Kc=0.76x105Nm-3/2，應力強度因子；P0=615MPa，度量相變及熱膨脹的因 子。通過式（1）計算可知，在玻璃內部張應 力為65MPa時，破壞玻璃的最小NiS直徑大 約為 0.04mm。玻璃的鋼化其實就是玻璃的重新熱處 理。在實際使用中

7、發(fā)現(xiàn)，玻璃的鋼化程度越 高，鋼化玻璃的自爆比例就越大。玻璃的鋼化程度實質上可歸結于玻璃 內應力的大小。Jacob2給出了鋼化玻璃表面 壓應力值與50mmX50mm范圍內碎片顆粒數(shù) 之間的對應關系，見圖3?！繙y出的表面應力值圖3玻璃表面應力與碎片數(shù)對照表圖3為按照美國ASTMC1048標準確定 的鋼化玻璃表面應力范圍，從圖3中可以看 出，SSI鋼化玻璃表面應力儀測出的表面應 力為90MPa時，對應的碎片數(shù)大約為52片， 并且隨著鋼化玻璃表面應力的增大，對應的 玻璃碎片數(shù)也在增多。我國鋼化玻璃標準建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃GB15763.2-2005規(guī) 定了平面鋼化玻璃在厚度為4mm12m

8、m 時，50mmx50mm區(qū)域內的最少碎片數(shù)為40 片。板芯應力一般總是張應力，其數(shù)值等于 玻璃表面壓應力的二分之一。鋼化玻璃內部 應力（如1-）M g們:7_知1111111111111表面內部表面-壓應力張應力一圖4玻璃壓應力與張應力的關系張應力與表面壓應力關系見圖4。我國鋼化玻璃標準建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃GB15763.2-2005規(guī) 定了鋼化玻璃的表面應力不小于90MPa。通 過式(1)計算得到鋼化玻璃在不同的表面 應力情況下的NiS的臨界直徑Dc如表1所 示。表1玻璃表面應力及相應硫化鎳結石的臨界直徑表面應力(MPa)90100110120130140臨界直徑Dc(同68

9、5850443935通過表1可以看出，玻璃表面應力越大， 臨界直徑就越小，能引起自爆的NiS粒子也 就越多，自爆率相應也就越高。同一塊玻璃由于鋼化均勻度的不一致 也能導致玻璃的自爆。鋼化均勻度是指同一 塊玻璃不同區(qū)域的應力一致性，因此，可通 過測定由同一塊玻璃平面各部分的加熱溫 度及冷卻強度不一致產生的平面應力(area stress)來衡量玻璃的鋼化均勻度，這種鋼化 不均勻產生的平面應力疊加在厚度應力上， 使一些區(qū)域的實際板芯張應力上升，引起臨 界直徑Dc值下降，最終導致自爆率增加3工程應用中鋼化玻璃的檢測在鋼化玻璃檢測中，表面應力及碎片狀 態(tài)是鋼化玻璃檢測的重要性能。圖5表面應力儀的光學系

10、統(tǒng)表面應力儀的測試原理是利用浮法玻璃 表面錫擴散層的光波導效應來進行測量。從 光源(白熾燈)發(fā)出的發(fā)散光經過狹縫，由 高折射率柱面棱鏡匯聚后變成平行光，通過 調節(jié)光源位置，使一束平行光以臨界角人射 至玻璃與棱鏡的交界面，由于玻璃表面存在 應力，光線分解成為兩個振動面相互垂直的 矢量光，這兩束光在浮法玻璃的錫擴散層中 傳播速度是不同的，因此以不同的全反射角 折射到棱鏡。從棱鏡射出的光經反光鏡反射 進入干涉濾光片，由望遠物鏡系統(tǒng)聚焦，再 經過分析鏡后在分劃板呈像而形成一個明 暗臺階圖像。通過測微目鏡可以精確測量臺 階的高度。鋼化玻璃表面應力儀的光學系統(tǒng)如圖5 所示，圖6為表面應力儀視場中不同應力狀

11、 態(tài)示意圖。沒有應力拉應力 壓應力圖6表面應力儀視場中不同應力狀態(tài)示意圖國標建筑用安全玻璃第2部分：鋼 化玻璃GB15763.2-2005規(guī)定了建筑用鋼 化玻璃的表面應力不小于90MPa；對鋼化玻 璃破碎后50mmx50mm區(qū)域內的最少碎片 數(shù)規(guī)定如表2。表2 50mmx50mm區(qū)域內的最少碎片數(shù)玻璃品種公稱厚度(mm)最少碎片數(shù)(片)平面鋼化玻璃33041240N1530曲面鋼化玻璃N430在鋼化玻璃的檢測中，我們采用SSM-2 型玻璃表面應力儀對6mm、8mm和10mm 三組各3塊鋼化玻璃的表面應力和破碎后 的碎片數(shù)進行統(tǒng)計，結果如表3。表3玻璃表面應力與碎片數(shù)玻璃規(guī)格(mm)樣品編號表面

12、應力值(MPa)50X50mm內碎片數(shù)(片)61934829550從表3中可以得出：表面應力越大，破 碎后的碎片數(shù)越多。鋼化程度是衡量鋼化玻 璃性能的重要標志之一，鋼化程度越高，玻 璃中的內應力越大，玻璃的抗沖擊強度越 大，破碎后的顆粒尺寸也就越小。玻璃中內應力的大小與分布的均勻程度 是鋼化程度的重要特征，所以宏觀上利用破 碎后鋼化玻璃顆粒尺寸的大小及均勻程度 來表征、檢驗、考核玻璃的鋼化程度和玻璃 中應力分布的均勻程度4由表3還可以看出，玻璃越厚，表面應 力越大。由于玻璃中內應力的產生取決于玻 璃中溫度梯度的存在，玻璃越厚淬冷時的溫 度梯度越大。條件相同時，玻璃越厚鋼化程 度越高，也即表面應

13、力越大。應對措施控制鋼化應力。鋼化應力越大，硫 化鎳結石的臨界直徑就越小，能引起自爆的 結石就越多。鋼化應力應控制在90MPa 110 MPa范圍內，這樣既可保證鋼化碎片顆 粒度滿足有關標準，也能避免高應力引起的 不必要自爆風險。平面應力(鋼化均勻度)應 越小越好，這樣不僅減小自爆風險，而且能 提高鋼化玻璃的平整度。均質處理(HST)。均質處理是公認 的徹底解決自爆問題的有效方法。將鋼化玻 璃再次加熱到290C左右并保溫一定時間， 使硫化鎳在玻璃出廠前完成晶相轉變，讓今 后可能自爆的玻璃在工廠內提前破碎。結語理論分析和工程實踐證明，預應力越 大，鋼化程度越高，自爆量也越大。普通平 板玻璃幾乎沒有自爆現(xiàn)象，是因為鋼化玻璃 沿玻璃板厚度方向上下兩表面處于壓應力， 中間層處于張應力。表面壓應力越高，一般 情況下鋼化玻璃的強度也越高，但是中間層 的張應力也越高，過大的張