鋼化應力對鋼化玻璃自爆的影響

      0 前言

 

      鋼化玻璃作為安全玻璃在建筑門窗、幕墻上的應用越來越普及，但鋼化玻璃在使用過程中的自爆現象時有發生。鋼化玻璃的自爆輕則引起使用不便，重則危及人身安全。

 

      建筑用鋼化玻璃主要是采用物理法生產工藝加工。物理法加工的特點是先硬化的玻璃外層產生壓應力，后硬化的玻璃內層產生張應力。由于玻璃表面的這種壓應力的存在，在外力作用于玻璃表面時，首先要抵消已存在的壓應力，從而大大提高了玻璃的機械強度。由于鋼化玻璃這種內張外壓應力的存在，使得鋼化玻璃的強度可以達到普通平板玻璃強度的4 ～ 5 倍，同時鋼化玻璃破碎后立即分裂成沒有尖角產生的小碎片，大大減小了對人身傷害的程度。因此，鋼化玻璃作為安全玻璃廣泛應用于建筑門窗和幕墻上。

 

      1 鋼化玻璃的自爆

 

      普通平板玻璃經物理法鋼化熱處理后，玻璃表面層的壓應力和板芯層的張應力共同構成一個應力平衡體。玻璃是一種脆性材料，耐壓但不耐拉，因此玻璃的破碎主要是因板芯層張應力所引發。

 

      鋼化玻璃的自爆指玻璃在無直接外力作用下發生自動炸裂的現象。鋼化玻璃的自爆主要有兩種情況，一是玻璃鋼化加工過程中的自動爆裂，二是玻璃在運輸、貯存及使用過程中的自動爆裂。前一種情況主要因玻璃生產過程中存在的砂粒、氣泡等夾雜物及人為造成的刮傷、爆邊及缺口等工藝缺陷引起的；第二種情況主要因玻璃中殘留的硫化鎳（NiS）相變產生的體積膨脹所引起。一般我們常提到的鋼化玻璃自爆主要指第二種情況，也是本文探討的問題。

 

      NiS 的存在主要是由于平板玻璃的生產過程所致。NiS 是一種晶體，存在高溫相（α-NiS）和低溫相（β-NiS）二種晶相，相變溫度為379℃。物理法鋼化玻璃的熱處理溫度約為650℃，因玻璃加熱時溫度遠高于NiS 的相變溫度，因此，在鋼化熱處理過程中，玻璃中的NiS 全部轉變為α 相。然而在隨后的淬冷過程中，玻璃中NiS 的α 相來不及轉變為β 相，從而被凍結在鋼化玻璃中。在室溫環境下，NiS 的α 相是不穩定的，有逐漸轉變為β 相的趨勢。在晶相的轉變過程中，NiS 體積膨脹為2％～4％，使玻璃承受巨大的相變張應力，從而導致自爆。典型的NiS 引起的自爆碎片見圖1。

 

 

      通過圖1 可以看出，鋼化玻璃破碎后，碎片呈放射狀分布，在放射中心有二塊形似蝴蝶翅膀的玻璃塊，俗稱“蝴蝶斑”。NiS 結石就位于二塊“蝴蝶斑”的界面上。研究表明，引起自爆的NiS 包含物的粒子尺寸變化在0.04~0.65mm 之間，平均在0.2mm 左右。所有的能夠導致玻璃自爆的NiS 包含物都在鋼化玻璃的內部，大約在玻璃厚度方向25％ ～ 75％ 的范圍之間（即位于玻璃的張應力區內）。

 

      2 表面應力對玻璃自爆的影響

 

      根據玻璃的鋼化原理，玻璃鋼化后，內部存在的張應力與壓應力達到一個整體的應力平衡，無論在生產的過程中或者是成品使用過程中，一旦這種應力平衡被打破，玻璃就會發生爆裂，即玻璃產生自爆。

 

      研究發現，導致玻璃自爆的NiS 存在一個臨界直徑Dc，這個臨界直徑取決于NiS 包含物周圍的應力σ0（玻璃內部NiS 石頭位置的退火水平）：

 

      通過式（1）計算可知，在玻璃內部張應力為65MPa 時，破壞玻璃的最小NiS 直徑大約為0.04mm。

 

      玻璃的鋼化其實就是玻璃的重新熱處理。在實際使用中發現，玻璃的鋼化程度越高，鋼化玻璃的自爆比例就越大。

 

      玻璃的鋼化程度實質上可歸結于玻璃內應力的大小。Jacob給出了鋼化玻璃表面壓應力值與50mm×50mm 范圍內碎片顆粒數之間的對應關系，見圖2。

 

      圖2 為按照美國ASTMC1048 標準確定的鋼化玻璃表面應力范圍，從圖2 中可以看出，SSI 鋼化玻璃表面應力儀測出的表面應力為90MPa 時，對應的碎片數大約為52 片，并且隨著鋼化玻璃表面應力的增大，對應的玻璃碎片數也在增多。

 

      我國鋼化玻璃標準《建筑用安全玻璃 第2 部分：鋼化玻璃》GB15763.2-2005 規定了平面鋼化玻璃在厚度為4 ～ 12mm 時，50mm×50mm區域內的最少碎片數為40 片。

 

      板芯應力一般總是張應力，其數值等于玻璃表面壓應力的1/2。鋼化玻璃內部張應力與表面壓應力關系見圖3。

 

 

      我國鋼化玻璃標準《建筑用安全玻璃 第2 部分：鋼化玻璃》GB15763.2-2005 規定了鋼化玻璃的表面應力不小于90MPa。

 

      通過式（1）計算得到鋼化玻璃在不同的表面應力情況下的NiS 的臨界直徑Dc 如表1 所示。

 

      從表1 中看出，玻璃表面的壓應力越大，NiS 的臨界直徑Dc 就越小，引起玻璃自爆的NiS 粒子也就越多，玻璃的自爆率也就越高。

 

      同一塊玻璃由于鋼化均勻度的不一致也能導致玻璃的自爆。鋼化均勻度是指同一塊玻璃經鋼化后不同區域的鋼化應力一致性。通常可通過測定由同一塊玻璃平面各部分的平面應力（area stress）來衡量玻璃的鋼化均勻度，這種鋼化不均勻產生的平面應力疊加在厚度應力上，使一些區域的實際板芯張應力上升，引起臨界直徑Dc 值下降，最終導致自爆率增加。

 

      3 工程應用中鋼化玻璃的檢測

 

      在鋼化玻璃檢測中，表面應力及碎片狀態是鋼化玻璃檢測的重要性能。表面應力儀的測試原理是利用浮法玻璃表面錫擴散層的光波導效應來進行測量。國標《建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃》GB15763.2-2005 規定了建筑用鋼化玻璃的表面應力不小于90MPa，對鋼化玻璃破碎后50mm×50mm 區域內的最少碎片數也作了相應規定。

 

      在鋼化玻璃的檢測中，我們采用SSM-2 型玻璃表面應力儀對6mm、8mm 和10mm 三組各3 塊鋼化玻璃的表面應力和破碎后的碎片數進行統計，結果如表2。

 

      從表2 中可以得出：表面應力越大，破碎后的碎片數越多。鋼化程度是衡量鋼化玻璃性能的重要標志之一，鋼化程度越高，玻璃中的內應力越大，玻璃的抗沖擊強度越大，破碎后的顆粒尺寸也就越小。

      

      玻璃中內應力的大小與分布的均勻程度是鋼化程度的重要特征，所以宏觀上利用破碎后鋼化玻璃顆粒尺寸的大小及均勻程度來表征、檢驗、考核玻璃的鋼化程度和玻璃中應力分布的均勻程度。

 

      由表2 還可以看出，玻璃越厚，表面應力越大。由于玻璃中內應力的產生取決于玻璃中溫度梯度的存在，玻璃越厚淬冷時的溫度梯度越大。條件相同時，玻璃越厚鋼化程度越高，也即表面應力越大。

 

      4 應對措施

 

      4.1 控制玻璃的鋼化應力

 

      玻璃的鋼化應力越大，NiS 結石的臨界直徑就越小，引起玻璃自爆的NiS 結石數量就越多。玻璃鋼化應力應控制在90～110MPa 的范圍內，這樣既能保證玻璃的鋼化碎片顆粒度滿足相關標準要求，又可避免應力過高引起的玻璃自爆風險。減小鋼化玻璃的平面應力（鋼化均勻度），既可減小玻璃的自爆風險，又可提高鋼化玻璃的平整度。

 

      4.2 鋼化玻璃的均質處理（HST）

 

      均質處理是解決鋼化玻璃自爆問題的有效方法，通過將鋼化玻璃均質處理，可使NiS 在玻璃出廠前完成晶相轉變，讓可能自爆的玻璃在工廠內提前破碎。