平板玻璃表面應(yīng)力的測定技術(shù)

平板玻璃一般以表面壓應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，各種玻璃的表面壓應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)也對應(yīng)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(nèi)廠家由于長期缺乏檢測手段期對**技術(shù)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(zhì)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(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量控制，必須采用應(yīng)力檢測方法來穩(wěn)定生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量。 表面應(yīng)力無損檢測技術(shù)有利于穩(wěn)定鋼化玻璃的生產(chǎn)及質(zhì)量，較重要的是為檢驗半鋼化玻璃質(zhì)量提供了切實可行的測試手段。 1、玻璃應(yīng)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(yīng)力與內(nèi)部張應(yīng)力相互平衡、及應(yīng)力的各向同性，用垂直玻璃平面的透射光是無法測應(yīng)力的。 當(dāng)偏振光通過有應(yīng)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(yīng)力s成正比，即dn=c*s。假設(shè)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(yīng)力可由如下公式算出： s=dn/c或s=r/t*c 其中c稱為應(yīng)力光學(xué)常數(shù)，對于浮法玻璃，c=2。65。 目前測定表面應(yīng)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(yīng)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(yīng)力儀一般由光源、棱鏡、濾鏡、望遠(yuǎn)物鏡、測微目鏡等部分組成。 dsr的工作原理見圖二。當(dāng)一定入射角的光線到達(dá)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(yīng)力s值。 如果應(yīng)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(yīng)力儀精度不高，只能用于測定高應(yīng)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(yīng)力值小于10，000psi（69mpa）的玻璃產(chǎn)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力儀的方法，采用機(jī)械機(jī)構(gòu)在玻璃條上施加恒定的機(jī)械應(yīng)力，將計算得到的機(jī)械應(yīng)力數(shù)值與儀器測定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就能得到校驗結(jié)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(yīng)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(jié)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(yīng)力比計算結(jié)果將同樣增加1%左右。 4、應(yīng)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(nèi)的碎片數(shù)須大于40粒。試驗表明，在鋼化玻璃應(yīng)力范圍內(nèi)，表面應(yīng)力值與碎片數(shù)存在著較好的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)jacobs給出的圖表，40粒碎片數(shù)對應(yīng)的表面應(yīng)力值約為82mpa。 (2)熱增強(qiáng)玻璃 熱增強(qiáng)玻璃在我國常被稱為“半鋼化玻璃”。國外在建筑上應(yīng)用非常普遍，有較好的抗風(fēng)壓能力。此種玻璃受自然災(zāi)害破壞后傾向于留在窗框內(nèi)不掉落，同時又可確保不會自爆。 需要指出，熱增強(qiáng)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(rèn)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(zhì)引起自爆），大量應(yīng)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(yīng)盡量避免使用熱增強(qiáng)玻璃。如因其它原因必須使用鋼化玻璃，則應(yīng)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(yīng)力測定的方法檢驗其質(zhì)量。需要注意的是：astm規(guī)定熱增強(qiáng)玻璃的應(yīng)力范圍是24-51mpa，鋼化玻璃的應(yīng)力須大于69mpa。應(yīng)力為51-69mpa范圍內(nèi)的玻璃是廢品，它既不能用作鋼化玻璃，也不能作為熱增強(qiáng)玻璃使用。 (3)鋼化安全玻璃 大量經(jīng)驗表明，當(dāng)鋼化玻璃用于安全玻璃用途時，其表面應(yīng)力值通常大于103mpa。常見的例子是汽車玻璃，如應(yīng)力小于103mpa，雖然碎片數(shù)仍能滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但玻璃強(qiáng)度略嫌不夠。在安裝及使用過程中，由于應(yīng)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(nèi)應(yīng)力盡可能小，確保玻璃不會因過大的不均勻應(yīng)力而破裂。典型的用途是魚缸玻璃，在彎曲部分應(yīng)力較集中，測定到的表面應(yīng)力一般在15mpa左右，易導(dǎo)致玻璃碎裂。通過檢測應(yīng)力值并有針對性地調(diào)整玻璃冷卻模式，較終可將局部應(yīng)力降至7mpa以下，基本解決彎角破裂問題。
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