玻璃的退火與淬火

1、 第一節(jié) 玻璃的應(yīng)力 在生產(chǎn)過(guò)程中, 玻璃制品經(jīng)受激烈而又不均勻的溫度變化，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；溶制不良會(huì)造成玻璃中的不均勻區(qū)，導(dǎo)致熱學(xué)性質(zhì)差異而產(chǎn)生應(yīng)力。 這些都會(huì)降低制品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性,故一般玻璃產(chǎn)品成型后,需經(jīng)過(guò)退火處理,使其應(yīng)力限定在一定范圍內(nèi),以防在冷卻、存放、再加工及使用過(guò)程中自行破裂或太易破裂 。 第十五章 玻璃的退火與淬火一、玻璃應(yīng)力的分類:1.以產(chǎn)生原因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)：2.以作用范圍為標(biāo)準(zhǔn)：熱應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力宏觀應(yīng)力：由外力作用或熱作用產(chǎn)生；微觀應(yīng)力：玻璃的微觀不均勻區(qū)域中存在的或分相引起的應(yīng)力; 超微觀應(yīng)力：玻璃中相當(dāng)于晶胞大小的體積范圍內(nèi) 存在的應(yīng)力.二、熱應(yīng)力 當(dāng)玻璃溫度低與應(yīng)

2、變點(diǎn)(=10 13.6Pa.S)時(shí)處于彈性變形溫度范圍內(nèi)(1014Pa.S)即脆性狀態(tài)時(shí)，經(jīng)受不均勻的溫度變化時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 特點(diǎn)：隨溫度梯度的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨溫度梯度的消失而消失。 在溫度低于應(yīng)變點(diǎn)時(shí),玻璃內(nèi)結(jié)構(gòu)集團(tuán)已不能產(chǎn)生粘滯性流動(dòng),主要靠彈性松弛來(lái)消除應(yīng)力。熱應(yīng)力:玻璃中由于溫度差而產(chǎn)生的應(yīng)力。按其存在的特點(diǎn)又可分成暫時(shí)應(yīng)力和永久應(yīng)力。1.暫時(shí)應(yīng)力的產(chǎn)生過(guò)程:(一)暫時(shí)應(yīng)力:* 此示意圖可以說(shuō)明什么?溫度(Temperature)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0位置(Position)剖面實(shí)際溫度示意線暫 時(shí) 應(yīng) 力 示 意 線應(yīng)力( Strain)0T t外

3、界溫度(1) 玻璃處于某一個(gè)低與應(yīng)變點(diǎn)的均勻溫度分布狀態(tài):說(shuō)明：均勻溫度場(chǎng)下的玻璃平板中不存在溫度梯度，也不存在暫時(shí)應(yīng)力。0溫度(Temperature)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)冷卻起始溫度外界溫度應(yīng)力( Strain)位置(Position)TsT0T t剖面實(shí)際溫度示意線暫 時(shí) 應(yīng) 力 示 意 線(2)玻璃在一個(gè)低溫的環(huán)境中開(kāi)始冷卻:* 此示意圖可以說(shuō)明什么?說(shuō)明： 玻璃平板表面降溫比內(nèi)層快，收縮就比內(nèi)層大，受內(nèi)層阻礙而呈張應(yīng)力同時(shí)內(nèi)層受到反作用力而呈壓應(yīng)力。剖面實(shí)際溫度示意線溫度(Temperature)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)冷卻起始溫度外界溫度 應(yīng)力( S

4、train)位置(Position)TsT0T t0暫 時(shí) 應(yīng) 力 示 意 線(3)外層逐漸達(dá)到外界溫度的過(guò)程:* 此示意圖可以說(shuō)明什么? 說(shuō)明： 表面收縮趨于停止的同時(shí)受到繼續(xù)收縮的內(nèi)層所施的壓應(yīng)力逐漸抵消原有的張應(yīng)力。0溫度(Temperature)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)冷卻起始溫度外界溫度應(yīng)力( Strain)位置(Position)TsT0T t剖面實(shí)際溫度示意線暫 時(shí) 應(yīng) 力 示 意 線2.小結(jié): (1)在溫度低于應(yīng)變點(diǎn)溫度時(shí),溫度梯度的產(chǎn)生導(dǎo)致玻璃彈性松弛而形成暫時(shí)應(yīng)力；（2）溫度急劇的變化產(chǎn)生的暫時(shí)應(yīng)力若超過(guò)極限時(shí)會(huì)使制品破裂；（3）不能通過(guò)退火過(guò)程來(lái)消除暫時(shí)應(yīng)力

5、。* 此示意圖可以說(shuō)明什么?說(shuō)明：溫度梯度在此時(shí)消失，應(yīng)力同時(shí)完全抵消而呈無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。(4)內(nèi)層溫度逐漸達(dá)到外界溫度的過(guò)程:溫度(Temperature)剖面實(shí)際溫度示意線0位置(Position)外界溫度T t應(yīng)力( Strain) 永 久 應(yīng) 力 示 意 線 應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0（二）永久應(yīng)力： 玻璃在高于其應(yīng)變點(diǎn)時(shí),溫度梯度會(huì)引起玻璃結(jié)構(gòu)變化,這種玻璃結(jié)構(gòu)變化在低于應(yīng)變點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生并保持的熱應(yīng)力。特點(diǎn):溫度梯度消失之后,永久應(yīng)力不消失1.永久應(yīng)力的產(chǎn)生過(guò)程(1)處于某一高于應(yīng)變點(diǎn)的均勻溫度場(chǎng)時(shí)*此示意圖說(shuō)明了什么?說(shuō)明：均勻溫度場(chǎng)下的玻璃平板中不存在溫度

6、梯度，也不存在永久應(yīng)力0溫度(Temperature)應(yīng)力( Strain)位置(Position)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t剖面實(shí)際溫度示意線永 久 應(yīng) 力 示 意 線 (2)將玻璃放置于低溫環(huán)境中降溫,直至外層溫度到達(dá)應(yīng)變點(diǎn):*此示意圖說(shuō)明了什么? 說(shuō)明：高于應(yīng)變點(diǎn)時(shí)，表面較快的收縮產(chǎn)生的作用力通過(guò)應(yīng)力松弛消除，平板呈無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。 0位置(Position)溫度(Temperature)應(yīng)力( Strain)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t永 久 應(yīng) 力 示 意 線 剖面實(shí)際溫度示意線(3)制品繼續(xù)降溫,

7、直至內(nèi)層溫度達(dá)到應(yīng)變點(diǎn)的過(guò)程:* 此示意圖可以說(shuō)明什么? 說(shuō)明： 溫度低于應(yīng)變點(diǎn)的表面無(wú)應(yīng)力松弛能力，同時(shí)降溫較里層快而呈張應(yīng)力狀態(tài)，里層為張應(yīng)力； 溫度在應(yīng)變點(diǎn)以上的內(nèi)層則由于應(yīng)力松弛作用而保持無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。溫度(Temperature)應(yīng)力( Strain)位置(Position)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t 永 久 應(yīng) 力 示 意 線剖面實(shí)際溫度示意線0（4）內(nèi)層溫度從應(yīng)變點(diǎn)開(kāi)始下降：* 此示意圖可以說(shuō)明什么? 說(shuō)明：內(nèi)層在至應(yīng)變點(diǎn)以下時(shí)受到降溫快、收縮快的外層所施壓力，同時(shí)外層受反作用力呈張應(yīng)力狀態(tài)。0溫度(Temperature)應(yīng)力( St

8、rain)位置(Position)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t 永 久 應(yīng) 力 示 意 線剖面實(shí)際溫度示意線(5)內(nèi)外層繼續(xù)冷卻* 此示意圖可以說(shuō)明什么?說(shuō)明：隨著內(nèi) 層逐漸降溫、收縮，原先的應(yīng)力逐漸被抵消而減小。0溫度(Temperature)應(yīng)力( Strain)位置(Position)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t 永 久 應(yīng) 力 示 意 線剖面實(shí)際溫度示意線(6)內(nèi)外層繼續(xù)冷卻直至均達(dá)到環(huán)境溫度2.小結(jié): (1)在高于應(yīng)變點(diǎn)的溫度時(shí),通過(guò)應(yīng)力松弛的作用,溫度梯度產(chǎn)生結(jié)構(gòu)梯度,并在低于應(yīng)變點(diǎn)時(shí)保持下來(lái),

9、形成永久應(yīng)力. (2)通過(guò)緩慢降溫,減小溫度梯度,從而減小永久應(yīng)力是可能的,這也是退火作用的本質(zhì)* 此示意圖可以說(shuō)明什么? 說(shuō)明：到此時(shí)為止，內(nèi)層形成較外層更致密的結(jié)構(gòu)，即收縮較外層大，更趨于緊收，但受外層阻礙故呈張應(yīng)力，外層則呈相反的壓應(yīng)力狀態(tài)三、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力: (一) 結(jié)構(gòu)應(yīng)力: 玻璃中局部區(qū)域化學(xué)組成不均勻?qū)е陆Y(jié)構(gòu)不均勻而產(chǎn)生不同的膨脹系數(shù)，因而產(chǎn)生的應(yīng)力。如條紋、結(jié)石、節(jié)瘤等不均勻體都會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)應(yīng)力是由于玻璃固有結(jié)構(gòu)所造成的應(yīng)力，無(wú)法通過(guò)退火消除。 （二）機(jī)械應(yīng)力: 當(dāng)玻璃制品受到外力作用的時(shí)候,玻璃中產(chǎn)生的應(yīng)力。在低溫下外力撤去 時(shí)，機(jī)械應(yīng)力隨之消失。 如果機(jī)械

10、應(yīng)力超過(guò)應(yīng)力極限，會(huì)導(dǎo)致制品破裂。四、總結(jié)：玻璃在一般情況下,可能會(huì)同時(shí)受到幾種應(yīng)力的作用。玻璃中各種應(yīng)力由各自的產(chǎn)生原因和各自的特點(diǎn)；五、思考題: (一)分析平板玻璃從應(yīng)變點(diǎn)開(kāi)始降溫至常溫過(guò)程中暫時(shí)應(yīng)力和永久應(yīng)力合成過(guò)程。（二）分析暫時(shí)應(yīng)力和永久應(yīng)力產(chǎn)生原因之異同。二、玻璃的退火一、退火原理 在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域（TfTg）時(shí)，玻璃由典型的液態(tài)轉(zhuǎn)變成脆性狀態(tài)。而在Tg點(diǎn)以下的相當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)玻璃分子仍然能夠進(jìn)行遷移，可以消除玻璃中的熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不均勻性*。同時(shí)因?yàn)檎扯认喈?dāng)大，以致幾乎不發(fā)生其外形的改變。這段溫度區(qū)域成為玻璃的退火區(qū)域，相應(yīng)粘度在10121016Pa.s 。即退火溫度區(qū)域與

11、玻璃粘度有關(guān)。 *應(yīng)力松弛：由于玻璃在應(yīng)變點(diǎn)以上時(shí)具有粘彈性，它不能長(zhǎng)時(shí)間承受各方向不平衡力的作用，玻璃內(nèi)結(jié)構(gòu)基團(tuán)在力的作用下產(chǎn)生位移和變形，使溫度梯度所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得以消失。 玻璃的退火過(guò)程：將玻璃放置在某一溫度下保持足夠時(shí)間后再以緩慢的速度冷卻，以便不再產(chǎn)生超過(guò)允許范圍的永久應(yīng)力和暫時(shí)應(yīng)力。實(shí)質(zhì)就是減小或消除應(yīng)力并防止新的應(yīng)力產(chǎn)生。（一）退火溫度范圍與退火溫度 上限退火溫度：三分鐘內(nèi)消除95%應(yīng)力的溫度，一般相當(dāng)于退火點(diǎn)的溫度，也稱最高退火溫度，粘度為1012Pa.s。 下限退火溫度：三分鐘內(nèi)消除5%應(yīng)力的溫度，也稱最低退火溫度，粘度為1013.6 Pa.s。在此溫度以下玻璃完全處于彈性狀

12、態(tài)，該點(diǎn)溫度也可以稱為應(yīng)變點(diǎn)。 精密退火：對(duì)光學(xué)玻璃或某些技術(shù)玻璃，不但要消除永久應(yīng)力，而且還要消除由于冷卻過(guò)程中玻璃各層熱歷史不同以結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的程度不同而產(chǎn)生光學(xué)上的不均勻性。 可以通過(guò) 1、T曲線上得到1012Pa.s、1013.6 Pa.s的溫度確定上限、下限退火溫度。 2、計(jì)算（P358）求出玻璃在1012Pa.s時(shí)的溫度，即上限退火溫度。在退火溫度范圍內(nèi)確定某一保溫均熱的溫度，稱之為退火溫度。3、通過(guò)熱膨脹曲線確定Tg 的溫度值即作為最高退火溫度的大約數(shù)值。 4、通過(guò)差熱曲線確定上限或下限退火溫度：加熱過(guò)程的吸熱峰下限退火溫度，放熱峰上限退火溫度；降溫過(guò)程的放熱峰上限退火溫度，吸熱峰下

13、限退火溫度TgL/L溫度然后選取低于上限退火溫度2030的溫度點(diǎn)作為退火溫度。退火溫度與組成： 能提高粘度（尤其低溫）的組分如CaO、SiO2、Al2O3等提高退火溫度；反之則降低退火溫度（如R2O、PbO、BaO等）。B2O3則因硼反常出現(xiàn)含量在1520%隨氧化硼含量升高而升高、超過(guò)1520%時(shí)隨含量升高而降低的情況。（二）退火工藝 1、工藝過(guò)程 玻璃的退火工藝過(guò)程包括四個(gè)階段：加熱、保溫、慢冷及快冷。 一次退火：玻璃制品成形后不冷卻直接退火的工藝過(guò)程。 二次退火：玻璃制品成形后先冷卻后加熱再退火的工藝過(guò)程。加熱 保溫 慢冷 快冷溫度時(shí)間上限退火溫度下限退火溫度退火溫度1、加熱階段 加熱時(shí)玻

14、璃制品表面為壓應(yīng)力，升溫速度可較快：a空心或單面受熱的玻璃制品的總厚，cm 實(shí)心制品的半厚，cm光學(xué)玻璃2、保溫階段 目的：消除加熱過(guò)程產(chǎn)生的溫度梯度，并消除制品中所固有的內(nèi)應(yīng)力。 先確定保溫溫度，然后確定保溫時(shí)間。保溫時(shí)間 考慮表面微裂紋、缺陷、厚度均勻性及退火爐溫度分布均勻性，一般工業(yè)中采用3、慢冷階段 為了使制品在冷卻后不再產(chǎn)生永久應(yīng)力或僅產(chǎn)生微小的永久應(yīng)力，冷卻速度要求較慢，常采用線性降溫。開(kāi)始冷卻速度：下降10后繼續(xù)冷卻速度：H 每降低100c后下一個(gè)100c的降溫速度To退火溫度T每降低100c后的溫度慢冷階段結(jié)束時(shí)溫度必須小于或等于應(yīng)變點(diǎn)溫度，否則在快冷階段重新產(chǎn)生永久應(yīng)力而退火

15、無(wú)效。4、快冷階段為提高生產(chǎn)效率、降低燃耗，只要使該階段的暫時(shí)應(yīng)力不超過(guò)極限強(qiáng)度，可適當(dāng)加快降溫速度。厚度5mm厚度5mm總共退火時(shí)間為四個(gè)階段用時(shí)之和，約為11.5小時(shí)。（三）制定退火曲線使注意問(wèn)題1、加熱階段：保證壓應(yīng)力壓應(yīng)力極限。 慢冷階段：降溫速度同樣須考慮玻璃的允許應(yīng)力，結(jié)束 時(shí)溫度要低于或等于應(yīng)變點(diǎn)溫度。 快冷階段：暫時(shí)應(yīng)力不可超過(guò)抗張極限。 5、容易分相的玻璃制品退火時(shí)，退火溫度不能過(guò)高，退火時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，次數(shù)要少。2、形狀復(fù)雜、厚度大的制品的加熱及冷卻速度要慢； 3、多種制品共用退火窯是，取退火溫度低的數(shù)值作為退火溫度，并延長(zhǎng)保溫時(shí)間；同組成不同規(guī)格的制品一起退火時(shí)，由薄制品確定退火溫度，以免薄制品變形；由厚制品確定升溫、降溫的速度，以免厚制品破裂；4、確定升降溫速度要考慮退火窯溫度不均勻性而適當(dāng)取小值；普通玻璃三、玻璃物理鋼化淬火一、玻璃物理鋼化原理 物理鋼化：把玻璃加熱到軟化溫度以下、Tg點(diǎn)以上5060oc后進(jìn)行快速、均勻的冷卻而得。玻璃外部因迅速冷卻而固化，而內(nèi)部冷卻比較慢，當(dāng)內(nèi)部繼續(xù)收縮時(shí)使玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，