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平板玻璃表面应力的测定
         平板玻璃一般以表面压应力大小的不同分为钢化玻璃、半钢化玻璃及退火玻璃。根据美国ASTMC1048-1997b标准规定,各种玻璃的表面压应力范围为:钢化玻璃>69MPa(10,000psi),半钢化玻璃为:24MPa(3500psi)~51MPa(7500psi)。我国新近出台的>国家标准也对应力作了明确要求,半钢化玻璃为24-69MPa,钢化玻璃为95MPa以上。
 
  长期以来,国内厂家由于长期缺乏检测手段期对国际技术的了解,仅依赖大量的抗冲击试验及碎片试验来确定钢化生产工艺参数及对玻璃质量的控制。不仅成本高昂,而且费时费力,反馈慢,可操作性极差,检验工作往往流于形式,无法真正将批量产品质量置于有效控制之下。对于半钢化玻璃而言,抗冲击及碎片试验无任何作用。以低成本快速方便地实现全面的质量控制,必须采用应力检测方法来稳定生产及产品质量。
 
  表面应力无损检测技术有利于稳定钢化玻璃的生产及质量,更重要的是为检验半钢化玻璃质量提供了切实可行的测试手段。
 
  1、玻璃应力检测原理
 
  玻璃经热处理冷却后,表面通常形成一定的压力,其方向平行于玻璃表面。因玻璃表面压应力与内部张应力相互平衡、及应力的各向同性,用垂直玻璃平面的透射光是无法测应力的。
 
  当偏振光通过有应力的玻璃时,形成二束相互垂直且传播速度不同的光束,此现象即通常所称的“双折射”,双折射率为:Dn=na-nb,Dn与玻璃中的应力s成正比,即Dn=C*s。假设光线在玻璃中的传播距离为t,则两光束的光程差R=Dn*t,即应力可由如下公式算出:
 
  s=Dn/C或s=R/t*c
 
  其中C称为应力光学常数,对于浮法玻璃,C=2。65。
 
  目前测定表面应力的方法可归纳为二种:微分表面折射法,和表面掠角偏光法
 
  2、ORIHARA折原表面应力仪
 
  此种仪器由日本ORIHARA折原,中国建材院也研制成功了类似的仪器。ORIHARA折原表面应力仪一般由光源、棱镜、滤镜、望远物镜、测微目镜等部分组成。
 
  DSR的工作原理见图二。当一定入射角的光线到达玻璃与棱镜的交界面时,由于双折射率的不同,光束会分成以不同临界角a,b反射返回棱镜的两路光束,通过用测微目镜测定两光束之间的距离,即可得到Dn数据并依据公式s=Dn/C算出应力s值。
 
  如果应力s=100MPa,浮法玻璃的C=2。65′10-12m2/N,则依据公式Dn=C*s=0。000265。此数据极小,很难精确测定,因此DSR表面应力仪精度不高,只能用于测定高应力玻璃,不能用于半钢化玻璃。ORIHARA折原公司在其仪器操作手册中明确表示:“此仪器无意、也不能够用于测定应力值小于10,000psi(69MPa)的玻璃产品。”即此类仪器做的再好,也不能用于半钢化玻璃。
 
  ORIHARA折原工作原理图。入射偏振光束进入玻璃表面薄层,平行玻璃表面运行一段距离t后离开玻璃,由于玻璃表面压应力作用,光束产生双折射现象,其光程差可借助石英楔精确测出。石英楔可制成多种精度等级,因此无论应力大小如何,ORIHARA折原均可精确地予以测定。
 
  3、仪器校验方法
 
  ORIHARA折原提供了一种校验表面应力仪的方法,采用机械机构在玻璃条上施加恒定的机械应力,将计算得到的机械应力数值与仪器测定数据进行比较,就能得到校验结果。
 
  将宽为W,厚度等于t的玻璃条两端简支并在离两端L。距离的位置上施加F力,则玻璃中间段表面应力S=F′6L0/wt2。
 
  此种方法的校验精确度主要取决于装置各部分的几何尺寸。L0数值误差必须小于1%,这样才能获得1%精度的校验结果。玻璃断面形状也是非常重要的,断面为10mm′75mm的玻璃作2mm′45°磨边,则会减少断面模量约1%,实际应力比计算结果将同样增加1%左右。
 
  4、应用
 
  (1)钢化玻璃
 
  传统检验钢化玻璃的方法是冲击试验,GB9963及GB9656规定在50mm′50mm范围内的碎片数须大于40粒。试验表明,在钢化玻璃应力范围内,表面应力值与碎片数存在着较好的对应关系,根据Jacobs给出的图表,40粒碎片数对应的表面应力值约为82MPa。
 
  (2)热增强玻璃
 
  热增强玻璃在我国常被称为“半钢化玻璃”。国外在建筑上应用非常普遍,有较好的抗风压能力。此种玻璃受自然灾害破坏后倾向于留在窗框内不掉落,同时又可确保不会自爆。
 
  需要指出,热增强玻璃与钢化玻璃是二种不同类型的玻璃,不能因为俗称“半钢化玻璃”而简单地认为它是一种性能劣于钢化玻璃的玻璃。一般说来,钢化玻璃适用于人体能接触到的部位及低层建筑。由于普通钢化玻璃的自爆特性是难以完全避免的(玻璃中的硫化镍杂质引起自爆),大量应用中必定有一些在使用过程中自爆,碎片落下易伤人,因此高层建筑上应尽量避免使用热增强玻璃。如因其它原因必须使用钢化玻璃,则应选用经老化处理的钢化玻璃。
 
  因碎片状态类似于退火玻璃,半钢化玻璃只能采用应力测定的方法检验其质量。需要注意的是:ASTM规定热增强玻璃的应力范围是24-51Mpa,钢化玻璃的应力须大于69MPa。应力为51-69MPa范围内的玻璃是废品,它既不能用作钢化玻璃,也不能作为热增强玻璃使用。
 
  (3)钢化安全玻璃
 
  大量经验表明,当钢化玻璃用于安全玻璃用途时,其表面应力值通常大于103MPa。常见的例子是汽车玻璃,如应力小于103MPa,虽然碎片数仍能满足有关标准要求,但玻璃强度略嫌不够。在安装及使用过程中,由于应力不足以确保玻璃边部不受损伤,常常发生玻璃碎裂的情况。
 
  (4)热弯玻璃
 
  热弯玻璃是一种退火玻璃,要求玻璃内应力尽可能小,确保玻璃不会因过大的不均匀应力而破裂。典型的用途是鱼缸玻璃,在弯曲部分应力较集中,测定到的表面应力一般在15MPa左右,易导致玻璃碎裂。通过检测应力值并有针对性地调整玻璃冷却模式,最终可将局部应力降至7MPa以下,基本解决弯角破裂问题。

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