钢化玻璃材料.doc

中国矿业大学材料概论论文学院：力学与建筑工程学院班级：工程10-2班论文题目：玻璃钢材料姓名：田景茂学号：02100776日期：2010年12月20号钢化玻璃材料 我们的生活充满了玻璃，建筑、交通工具、家具、生活用品等等，都离不开玻璃的影子。玻璃有很多种类，比如钢化玻璃，它神奇的化学功能与物理功能给我们的生活增添了不少气息，钢化玻璃正发挥着越来越重要的作用。钢化玻璃具有抗冲击强度高(比普通平板玻璃高45倍)、抗弯强度大(比普通平板玻璃高5倍)、热稳定性好以及光洁、透明、可切割等特点。在遇超强冲击破坏时，碎片呈分散细小颗粒状，无尖锐棱角，故又称安全玻璃。 那它是如何制造的呢？它是用物理的或化学的方法，在玻璃表面会形成一个压应力层，但是玻璃本身具有较高的抗压强度，因此不会造成破坏。当玻璃在受到外力作用的时候，这个压力层可将部分拉应力抵销，避免玻璃的碎裂。钢化玻璃是平板 图1-1 玻璃的二次加工产品，钢化玻璃的加工可分为物理钢化法和化学钢化法。 物理钢化玻璃又称为淬火钢化玻璃。它将普通平板玻璃在加热炉中加热到接近玻璃的软化温度（600）时，通过自身的形变消除内部应力，然后将玻璃移出加热炉，再用多头喷嘴将高压冷 空气吹向玻璃的两面，使其迅速且均匀地冷却至室温，即可制得钢化玻璃。这种玻璃处于内部受拉，外部受压的应力状态，一旦局部发生破损，便会发生应力释放，玻璃被破碎成无数小块，这些小的碎片没有尖锐棱角，不易伤人。物理钢化法之所以能使玻璃具有安全性能，是因为玻璃经过物理钢化之后，即玻璃在加热炉内加热到软化点附近，然后在冷却设备中用空气等冷却介质迅速冷却，在其表面形成压力，内部形成张应力，提高了玻璃表面的抗拉伸性能。玻璃的强度提高了35倍。钢化玻璃经过热处理之后内部的内能急剧提高，表面压应力由内部的张应力平衡，当冲击能量超过内能时，玻璃在表面开始破裂并延伸至内部，在内能的作用下，玻璃被撕成小碎块，碎片的大小和数量与内能的高低有关，破裂后的小碎块对人的伤害很小。玻璃钢化后在急热或急冷情况下发生冷热变形，表面的应力抵消了玻璃变形产生的拉抻应力，使得玻璃的耐热性能得到提高，耐热冲可达到2820320所以，钢化玻璃是一种安全增强玻璃，具有良好的安全性能和可靠性。 化学钢化玻璃是通过改变玻璃的表面的化学组成来提高玻璃的强度，一般是应用离子交换法进行钢化。其方法是将含有碱金属离子的硅酸盐玻璃，浸入到熔融状态的锂（Li）盐中，使玻璃表层的Na或K离子与Li离子发生交换，表面形成Li离子交换层，由于Li的膨胀系数小于Na、K离子，从而在冷却过程中造成外层收缩较小而内层收缩较大，当冷却到常温后，玻璃便同样处于内层受拉，外层受压的状态，其效果类似于物理钢化玻璃。 钢化玻璃的主要优点：第一是强度较之普通玻璃提高数倍，抗弯强度是普通玻璃的35倍，抗冲击强度是普通玻璃510倍，提高强度的同时亦提高了安全性。 第二是使用安全，其承载能力增大改善了易碎性质，即使钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片，对人体的伤害极大地降低了. 钢化玻璃的耐急冷急热性质较之普通玻璃有23倍的提高，一般可承受150LC以上的温差变化，对防止热炸裂有明显的效果。钢化玻璃的缺点： 第一，钢化后的玻璃不能再进行切割，和加工，只能在钢化前就对玻璃进行加工至需要的形状，再进行钢化处理。 第二，钢化玻璃强度虽然比普通玻璃强，但是钢化玻璃在温差变化大时有自爆（自己破裂）的可能性，而普通玻璃不存在自爆的可能性。第三，钢化玻璃还存在一个缺陷，那就是光学畸变，因为玻璃在钢化的过程要经过720度左右，急冷的风压3.2毫米是12800帕，4毫米急冷风压是7000-8000帕，玻璃已经处于软化的时候，在短短的3秒钟突然承受这样的风压，玻璃的表面会存在风斑，同时玻璃的表面会存在凹凸不平现象，严重的程度要根据设备的好坏来决定，所以钢化后的玻璃不能做镜面的原因。钢化玻璃的特点：第一，钢化玻璃具有抗冲击强度高(比普通平板玻璃高45倍)、抗弯强度大(比普通平板玻璃高5倍)、热稳定性好以及光洁、透明、等特点。在遇超强冲击破坏时，碎片呈分散细小颗粒状，无尖锐棱角，故属于安全玻璃。第二，钢化玻璃强度高，其抗压强度可达125MPa以上，比普通玻璃大45倍；抗冲击强度也很高，用钢球法测定时，1kg的钢球从1m高度落下，玻璃可保持完好。钢化玻璃的弹性比普通玻璃大得多，一块l200mm350mm6mm的钢化玻璃，受力后可发生达100mm的弯曲挠度，当外力撤除后，仍能恢复原状，而普通玻璃弯曲变形只能有几毫米。热稳定性好，在受急冷急热时，不易发生炸裂是钢化玻璃的又一特点。这是因为钢化玻璃的压应力可抵销一部分因急冷急热产生的拉应力之故。钢化玻璃耐热冲击，最大安全工作温度为288，能承受204的温差变化。由于钢化玻璃具有较好的机械性能和热稳定性，所以在建筑工程、交通工具及其他领域内得到广泛的应用。平钢化玻璃常用作建筑物的门窗、隔墙、幕墙及橱窗、家具等，曲面玻璃常用于汽车、火车及飞机等方面。使用时应注意的是钢化玻璃不能切割、磨削，边角不能碰击挤压，需按现成的尺寸规格选用或提出具体设计图纸进加工定制。用于大面积的玻璃幕墙的玻璃在钢化上要给予控制，选择半钢化玻璃，即其应力不能过大，以避免受风荷载引起震动而自爆。根据所用的玻璃原片不同，可制成普通钢化玻璃、吸热钢化玻璃、彩色钢化玻璃、钢化中空玻璃等。钢化玻璃的自爆：钢化玻璃在无直接机械外力作用下发生的自动性炸裂叫做钢化玻璃的自爆。自爆是钢化玻璃固有的特性之一。 产生自爆的原因很多，简单地归纳以下几种： 玻璃质量缺陷的影响 A玻璃中有结石，杂质：玻璃中有杂质是钢化玻璃的薄弱点，也是应力集中处。特别是结石若处在钢化玻璃的张应力区是导致炸裂的重要因素。 结石存在于玻璃中，与玻璃体有着不同的膨胀系数。玻璃钢化后结石周围裂纹区域的应力集中成倍地增加。当结石膨胀系数小于玻璃，结石周围的切向应力处于受拉状态。伴随结石而存在的裂纹扩展极易发生。 B玻璃中含有硫化镍结晶物 硫化镍夹杂物一般以结晶的小球体存在，直径在0.12。外表呈金属状，这些杂夹物是NI3S2，NI7S6和NIXS，其中X=00.07。只有NI1XS相是造成钢化玻璃自发炸碎的主要原因。 已知理论上的NIS在379。C时有一相变过程，从高温状态的aNIS六方晶系转变为低温状态BNI三方晶系过程中，伴随出现2.38%的体积膨胀。这一结构在室温时保存下来。如果以后玻璃受热就可能迅速出现aB态转变。如果这些杂物在钢化玻璃受张应力的内部，则体积膨胀会引起自发炸裂。如果室温时存在aNIS，经过数年、数月也会慢慢转变到B态，在这一相变过程中体积缓慢增大未必造成内部破裂。 C玻璃表面因加工过程或操作不当造成有划痕、炸口、深爆边等缺陷，易造成应力集中或导致钢化玻璃自爆。 钢化玻璃中应力分布不均匀、偏移 玻璃在加热或冷却时沿玻璃厚度方向产生的温度梯度不均匀、不对称。使钢化制品有自爆的趋向，有的在激冷时就产生“风爆”。如果张应力区偏移到制品的某一边或者偏移到表面则钢化玻璃形成自爆。 钢化程度的影响，实验证明，当钢化程度提高到1级/时自爆数达2025%。由此可见应力越大钢化程度越高，自爆量也越大。 不论是上述哪个影响因素都与玻璃的加热和冷却条件密切相关。当玻璃均匀加热到钢化温度后骤然冷却时，由于内外层降温速度的不同，表层急剧冷却收缩，而内层降温收缩迟缓。结果内层因被压缩受压应力，表层受张应力。随着玻璃的继续冷却，表层已经硬化停止收缩，而内层仍在降温收缩，直至到达室温。这样表层因受内层的压缩形成压应力，内层则形成张应力，并被永久的保留在钢化玻璃中。由于玻璃是抗压强而抗拉弱的脆性材料，当超过抗张强度时玻璃即行破碎，所以内应力的大小及其分布形式是影响玻璃强度及炸裂的主要原因。另一种情况是玻璃在可塑状态下冷却时，不论是加热不均，还是冷却不均，只要在同一块玻璃上有温差，就会有不同的收缩量。在降至室温时，温度越高的地方降温越多，收缩量越大，玻璃也就越短。相反温度越低的地方降温少，收缩量也小，玻璃也就长。一块玻璃如各处长短不一则势必发生板面翘曲。这样我们就不难理解玻璃为什么会变形以及怎样防止变形。钢化玻璃的种类：1.钢化玻璃按形状分为平面钢化玻璃和曲面钢化玻璃。 平面钢化玻璃厚度有3.4、5、6、8、10、12、15、19mm八种；曲面钢化玻璃厚度也有3.4、5、6、8、10、12、15、19mm八种。但曲面(即弯钢化)钢化玻璃对每种厚度都有个最大的弧度限制。2.钢化玻璃按其外观分为：平钢化 ，弯钢化 。3.钢化玻璃从设备的分类来说，目前分水平钢化、垂直钢化、气垫钢化；从冷却介质来分有风钢化、微粒钢化、水雾钢化等；从钢化程度分为全钢化、半钢化和区域钢化；从产品形状来分有平钢化和弯钢化。钢化玻璃与普通玻璃的区别:由于钢化玻璃破碎后，碎片会破成均匀的小颗粒并且没有普遍玻璃刀状的尖角，从而被称为安全玻璃而广泛用于汽车、室内装饰之中，以及高楼层对外开窗户上。 图1-3一般普通玻璃破碎后锋利的刀状尖角很容易割伤小孩或者撞击者，造成对人身的伤害。玻璃破碎后是变成小颗粒还是刀状这是钢化玻璃与普通玻璃最主要区别方式。但在工程检验中，动不动采用这种破坏性的检验无疑是不现实的。 那么怎么能知道自己买的究竟是不是钢化玻璃呢？这还得从钢化玻璃制造原理来分析，钢化玻璃是将普通退火玻璃先切割成要求尺寸，然后加热到接近的软化点，再进行快速均匀的冷却而得到。钢化处理后玻璃表面形成均匀压应力，而内部则形成张应力，使玻璃的性能得以大幅度提高，抗拉度是后者的3倍以上，抗冲击力是后者的5倍以上。也正是这个特点，应力特征成为鉴别真假钢化玻璃的重要标志，那就是钢