玻璃强度与玻璃应力的关系
玻璃强度与玻璃应力的关系 发布时间:2012年06月15日 浏览:1569【锦泰高温玻璃网】 玻璃中的应力一般分为热应力、结构应力和机械应力。热应力是由于温度梯度造成的。这是因为玻璃是一种经高温熔融、快速冷却而固化的非晶态产品，所以在生产过程中，玻璃板面上各部位的温度变化不可能均匀一致，因此就会产生热应力。热应力按其产生的特点可分为暂时应力和永久应力两类。一部分可以经过退火而消除，这部分应力称为暂时应力。还有一部分热应力即使温度梯度消失以后，仍然存在，这部分应力称为永久应力。另外玻璃也会因为其中存在结石、条纹或化学成分不均匀时而产生应力，这种应力称为结构应力。结构应力是不能够消除的，所以结构应力也属于永久应力。机械应力是指玻璃受到外力的作用而引起的应力，外力除去时，机械应力也随之消失。但若受到的外力过大，就会造成玻璃的破裂。玻璃的应力直接影响到玻璃的强度。玻璃的热炸裂是由于热应力过大而引起的；玻璃的受击破裂是由于玻璃受到机械冲击力或撞击力而产生的机械应力过大而导致的；玻璃的自爆是由于玻璃内部应力过大所致，另外，由于热钢化或化学钢化而使玻璃的强度增加，则是由于玻璃的表面压应力的增加所致。所以，玻璃的应力与强度有着密不可分的关系。本文将从玻璃应力的角度，讨论玻璃的强度以及与之相关的其它性质。1、玻璃的应力与玻璃强度之间的关系1.1玻璃的应力与玻璃的强度玻璃几乎是一种理想的弹性材料，所以可以用线弹性断裂力学的理论来描述玻璃的力学行为。在线弹性断裂力学中，可以通过观察断裂现象来研究机械材料的行为。如果应力强度因子KI由于裂纹尖端部位的张应力n达到了临界值 时，玻璃就会发生断裂。这里的应力强度因子是反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量，与裂纹几何尺寸及应力有关，并可以用多种方法（解析法、有限元计算、实验标定等）计算特定裂纹的应力强度因子。应力强度因子的单位是MPa·m1/2或MN·m-3/2。对于张开型裂纹（外加正应力使裂纹面张开）可以用下式表示：KI=Yn（）1/2（1）式中：KI应力强度因子；n与裂纹平面相垂直的标称张应力；Y修正系数；几何参数，如裂纹深度或裂纹长度的一半。当KIKIC时，玻璃就会发生瞬间断裂 。KIC为临界应力强度因子或断裂韧度应力强度因子与断裂速度V(da/dt）之间的关系可以用（2）式表示：V=V0(KI/KIC)n（2）或 log（V）= nlog（KI）+ log（V0K-nIC）（3）其中V0与n是与环境条件（湿度、温度、介质）、玻璃的化学成分以及应力荷载速度有关的物理量。以应力强度因子 的对数值为横坐标，以断裂速度V 的对数值为纵坐标作图，如图1所示。 图1中的I区，可以用来预测玻璃的使用寿命。II区和III区在预测玻璃的使用寿命方面可以忽略不计。1.2 玻璃的压应力与玻璃的强度一般来讲，玻璃的抗弯曲强度b与玻璃的表面压应力a之间存在如下关系：b=a+ka式中：a退火浮法玻璃的强度；k经验系数。浮法白玻的强度与表面压应力之间也存在着线性关系，见图2。采用四点弯曲法（图3）测定浮法玻璃的抗弯曲强度，然后再测定浮法玻璃下表面的残余应力，测试数据列于表1。样品编号样品编号表面压应力a /MPa表面压应力ab/MPa1退火玻璃-7.052.92热增强玻璃-61.3116.33热增强玻璃-61.3108.24热增强玻璃-60.7118.25热增强玻璃-64.0137.36热增强玻璃-61.8121.47钢化玻璃-119.7184.98钢化玻璃-120.3184.79钢化玻璃-121.7186.610钢化玻璃-120.6176.911钢化玻璃-121.0182.32 太阳辐射热应力对玻璃强度的影响当玻璃受到太阳辐射后，一部分能量被玻璃板表面反射，一部分能量被玻璃板吸收，还有一部分能量透过玻璃板。被玻璃板吸收的那部分能量会转化为热能而使玻璃板的温度升高。如果玻璃板是均匀受热，或玻璃板因温度升高而引起的热膨胀不受外部机械装置的局限，或支撑玻璃板的支架能够调节因热膨胀而引起的体积变化，就不会有热应力产生。但是，单片退火窗用玻璃一般都被镶嵌在窗框内。当窗玻璃的中心部位受到太阳辐射后，由于边部被遮挡或边部处于阴凉处，使得玻璃板的受热不均，导致热应力。在这种热应力恰遇边部有缺陷时，就可能造成玻璃板的热破裂。例如在严冬季节，夜晚温度极低，玻璃板相对于室内外温度达到热平衡。到了日出以后，受到阳光照射的玻璃板区域因温度升高而膨胀，导致窗框内的玻璃板四周处于拉伸状态（张应力），这种拉伸力平行于玻璃板的边部。如果玻璃板边部存在微裂纹，当拉伸力达到临界值时，玻璃板就会有破裂的危险。3 应力腐蚀对玻璃强度的影响玻璃的应力腐蚀是玻璃在拉应力（张应力）集中和特定腐蚀环境的共同作用下发生腐蚀裂纹扩展甚至断裂的现象。玻璃表面有微裂纹存在时，这种微裂纹起到了应力集中的作用，在裂纹的尖端，应力值比无裂纹部位大得多，随着时间的推移，裂纹会逐渐变大，直至断裂。影响应力腐蚀的环境因素有湿度、温度、玻璃化学组成等。图5图7 是不同的环境湿度、温度以及不同玻璃化学组成条件下玻璃应力腐蚀速度的响应曲线。从图5可以看出，湿度越大，应力腐蚀速度越快。这是因为水分子能够使玻璃的硅氧网络键断开的缘故。由图6可见，应 力强度因子降低，裂纹扩散速度增加。这是因为温度高，体系能量增加，当能量接近或超越裂纹扩散或生长的激活能时，会加快裂纹的扩散速度速度大，这是因为钠钙硅玻璃中碱金属离子含量较高的缘故。4 应力对玻璃的碎片状态的影响玻璃的碎片状态是玻璃中储存能量的函数，也就是残余应力和荷载应力的函数。由实验可以看出，钢化玻璃破碎后，玻璃碎片最小，基本为小于1 cm的颗粒，对人体的伤害最小，这就是为什么称这种玻璃为安全玻璃的缘故。钢化玻璃的碎片最小的原因就是这类玻璃中的残余应力最大。
