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平板玻璃表面應力的測定技術

更新時間:2021-11-12    點擊次數(shù):1786
   
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國際技術的了解,僅依賴大量的抗沖擊試驗及碎片試驗來確定鋼化生產(chǎn)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,可操作性極差,檢驗工作往往流于形式,無法真正將批量產(chǎn)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(chǎn)及產(chǎn)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(chǎn)及質量,更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(jīng)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)極小,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(chǎn)品。”即此類儀器做的再好,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(chǎn)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*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(jīng)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(jīng)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,最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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