平板玻璃表面應力的測定技術

時間：2022-09-02

平板玻璃一般以表面壓應力大小的不同分為鋼化玻璃、半鋼化玻璃及退火玻璃。根據(jù)美國ASTMC1048-1997b標準規(guī)定，各種玻璃的表面壓應力范圍為：鋼化玻璃>69MPa(10，000psi)，半鋼化玻璃為：24MPa(3500psi)~51MPa(7500psi)。我國新近出臺的>國家標準也對應力作了明確要求，半鋼化玻璃為24-69MPa，鋼化玻璃為95MPa以上。

長期以來，國內廠家由于長期缺乏檢測手段期對**技術的了解，僅依賴大量的抗沖擊試驗及碎片試驗來確定鋼化生產工藝參數(shù)及對玻璃質量的控制。不僅成本高昂，而且費時費力，反饋慢，可操作性較差，檢驗工作往往流于形式，無法真正將批量產品質量置于有效控制之下。對于半鋼化玻璃而言，抗沖擊及碎片試驗無任何作用。以低成本快速方便地實現(xiàn)全面的質量控制，必須采用應力檢測方法來穩(wěn)定生產及產品質量。

表面應力無損檢測技術有利于穩(wěn)定鋼化玻璃的生產及質量，較重要的是為檢驗半鋼化玻璃質量提供了切實可行的測試手段。

1、玻璃應力檢測原理

玻璃經熱處理冷卻后，表面通常形成一定的壓力，其方向平行于玻璃表面。因玻璃表面壓應力與內部張應力相互平衡、及應力的各向同性，用垂直玻璃平面的透射光是無法測應力的。

當偏振光通過有應力的玻璃時，形成二束相互垂直且傳播速度不同的光束，此現(xiàn)象即通常所稱的“雙折射”，雙折射率為：Dn=na-nb，Dn與玻璃中的應力s成正比，即Dn=C*s。假設光線在玻璃中的傳播距離為t，則兩光束的光程差R=Dn*t，即應力可由如下公式算出：

s=Dn/C或s=R/t*c

其中C稱為應力光學常數(shù)，對于浮法玻璃，C=2。65。

目前測定表面應力的方法可歸納為二種：微分表面折射法，和表面掠角偏光法

2、ORIHARA折原表面應力儀

此種儀器由日本ORIHARA折原，中國建材院也研制成功了類似的儀器。ORIHARA折原表面應力儀一般由光源、棱鏡、濾鏡、望遠物鏡、測微目鏡等部分組成。

DSR的工作原理見圖二。當一定入射角的光線到達玻璃與棱鏡的交界面時，由于雙折射率的不同，光束會分成以不同臨界角a，b反射返回棱鏡的兩路光束，通過用測微目鏡測定兩光束之間的距離，即可得到Dn數(shù)據(jù)并依據(jù)公式s=Dn/C算出應力s值。

如果應力s=100MPa，浮法玻璃的C=2。65′10-12m2/N，則依據(jù)公式Dn=C*s=0。000265。此數(shù)據(jù)較小，很難精確測定，因此DSR表面應力儀精度不高，只能用于測定高應力玻璃，不能用于半鋼化玻璃。ORIHARA折原公司在其儀器操作手冊中明確表示：“此儀器無意、也不能夠用于測定應力值小于10，000psi（69MPa）的玻璃產品?！奔创祟悆x器做的再好，也不能用于半鋼化玻璃。

ORIHARA折原工作原理圖。入射偏振光束進入玻璃表面薄層，平行玻璃表面運行一段距離t后離開玻璃，由于玻璃表面壓應力作用，光束產生雙折射現(xiàn)象，其光程差可借助石英楔精確測出。石英楔可制成多種精度等級，因此無論應力大小如何，ORIHARA折原均可精確地予以測定。

3、儀器校驗方法

ORIHARA折原提供了一種校驗表面應力儀的方法，采用機械機構在玻璃條上施加恒定的機械應力，將計算得到的機械應力數(shù)值與儀器測定數(shù)據(jù)進行比較，就能得到校驗結果。

將寬為W，厚度等于t的玻璃條兩端簡支并在離兩端L。距離的位置上施加F力，則玻璃中間段表面應力S=F′6L0/wt2。

此種方法的校驗精確度主要取決于裝置各部分的幾何尺寸。L0數(shù)值誤差必須小于1%，這樣才能獲得1%精度的校驗結果。玻璃斷面形狀也是非常重要的，斷面為10mm′75mm的玻璃作2mm′45°磨邊，則會減少斷面模量約1%，實際應力比計算結果將同樣增加1%左右。

4、應用

（1）鋼化玻璃

傳統(tǒng)檢驗鋼化玻璃的方法是沖擊試驗，GB9963及GB9656規(guī)定在50mm′50mm范圍內的碎片數(shù)須大于40粒。試驗表明，在鋼化玻璃應力范圍內，表面應力值與碎片數(shù)存在著較好的對應關系，根據(jù)Jacobs給出的圖表，40粒碎片數(shù)對應的表面應力值約為82MPa。

(2)熱增強玻璃

熱增強玻璃在我國常被稱為“半鋼化玻璃”。國外在建筑上應用非常普遍，有較好的抗風壓能力。此種玻璃受自然災害破壞后傾向于留在窗框內不掉落，同時又可確保不會自爆。

需要指出，熱增強玻璃與鋼化玻璃是二種不同類型的玻璃，不能因為俗稱“半鋼化玻璃”而簡單地認為它是一種性能劣于鋼化玻璃的玻璃。一般說來，鋼化玻璃適用于人體能接觸到的部位及低層建筑。由于普通鋼化玻璃的自爆特性是難以完全避免的（玻璃中的硫化鎳雜質引起自爆），大量應用中必定有一些在使用過程中自爆，碎片落下易傷人，因此高層建筑上應盡量避免使用熱增強玻璃。如因其它原因必須使用鋼化玻璃，則應選用經老化處理的鋼化玻璃。

因碎片狀態(tài)類似于退火玻璃，半鋼化玻璃只能采用應力測定的方法檢驗其質量。需要注意的是：ASTM規(guī)定熱增強玻璃的應力范圍是24-51Mpa，鋼化玻璃的應力須大于69MPa。應力為51-69MPa范圍內的玻璃是廢品，它既不能用作鋼化玻璃，也不能作為熱增強玻璃使用。

(3)鋼化安全玻璃

大量經驗表明，當鋼化玻璃用于安全玻璃用途時，其表面應力值通常大于103MPa。常見的例子是汽車玻璃，如應力小于103MPa，雖然碎片數(shù)仍能滿足有關標準要求，但玻璃強度略嫌不夠。在安裝及使用過程中，由于應力不足以確保玻璃邊部不受損傷，常常發(fā)生玻璃碎裂的情況。

（4）熱彎玻璃

熱彎玻璃是一種退火玻璃，要求玻璃內應力盡可能小，確保玻璃不會因過大的不均勻應力而破裂。典型的用途是魚缸玻璃，在彎曲部分應力較集中，測定到的表面應力一般在15MPa左右，易導致玻璃碎裂。通過檢測應力值并有針對性地調整玻璃冷卻模式，較終可將局部應力降至7MPa以下，基本解決彎角破裂問題。

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詞條
詞條說明
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