钢化应力对钢化玻璃自爆的影响

      0 前言

 

      钢化玻璃作为安全玻璃在建筑门窗、幕墙上的应用越来越普及，但钢化玻璃在使用过程中的自爆现象时有发生。钢化玻璃的自爆轻则引起使用不便，重则危及人身安全。

 

      建筑用钢化玻璃主要是采用物理法生产工艺加工。物理法加工的特点是先硬化的玻璃外层产生压应力，后硬化的玻璃内层产生张应力。由于玻璃表面的这种压应力的存在，在外力作用于玻璃表面时，首先要抵消已存在的压应力，从而大大提高了玻璃的机械强度。由于钢化玻璃这种内张外压应力的存在，使得钢化玻璃的强度可以达到普通平板玻璃强度的4 ～ 5 倍，同时钢化玻璃破碎后立即分裂成没有尖角产生的小碎片，大大减小了对人身伤害的程度。因此，钢化玻璃作为安全玻璃广泛应用于建筑门窗和幕墙上。

 

      1 钢化玻璃的自爆

 

      普通平板玻璃经物理法钢化热处理后，玻璃表面层的压应力和板芯层的张应力共同构成一个应力平衡体。玻璃是一种脆性材料，耐压但不耐拉，因此玻璃的破碎主要是因板芯层张应力所引发。

 

      钢化玻璃的自爆指玻璃在无直接外力作用下发生自动炸裂的现象。钢化玻璃的自爆主要有两种情况，一是玻璃钢化加工过程中的自动爆裂，二是玻璃在运输、贮存及使用过程中的自动爆裂。前一种情况主要因玻璃生产过程中存在的砂粒、气泡等夹杂物及人为造成的刮伤、爆边及缺口等工艺缺陷引起的；第二种情况主要因玻璃中残留的硫化镍（NiS）相变产生的体积膨胀所引起。一般我们常提到的钢化玻璃自爆主要指第二种情况，也是本文探讨的问题。

 

      NiS 的存在主要是由于平板玻璃的生产过程所致。NiS 是一种晶体，存在高温相（α-NiS）和低温相（β-NiS）二种晶相，相变温度为379℃。物理法钢化玻璃的热处理温度约为650℃，因玻璃加热时温度远高于NiS 的相变温度，因此，在钢化热处理过程中，玻璃中的NiS 全部转变为α 相。然而在随后的淬冷过程中，玻璃中NiS 的α 相来不及转变为β 相，从而被冻结在钢化玻璃中。在室温环境下，NiS 的α 相是不稳定的，有逐渐转变为β 相的趋势。在晶相的转变过程中，NiS 体积膨胀为2％～4％，使玻璃承受巨大的相变张应力，从而导致自爆。典型的NiS 引起的自爆碎片见图1。

 

 

      通过图1 可以看出，钢化玻璃破碎后，碎片呈放射状分布，在放射中心有二块形似蝴蝶翅膀的玻璃块，俗称“蝴蝶斑”。NiS 结石就位于二块“蝴蝶斑”的界面上。研究表明，引起自爆的NiS 包含物的粒子尺寸变化在0.04~0.65mm 之间，平均在0.2mm 左右。所有的能够导致玻璃自爆的NiS 包含物都在钢化玻璃的内部，大约在玻璃厚度方向25％ ～ 75％ 的范围之间（即位于玻璃的张应力区内）。

 

      2 表面应力对玻璃自爆的影响

 

      根据玻璃的钢化原理，玻璃钢化后，内部存在的张应力与压应力达到一个整体的应力平衡，无论在生产的过程中或者是成品使用过程中，一旦这种应力平衡被打破，玻璃就会发生爆裂，即玻璃产生自爆。

 

      研究发现，导致玻璃自爆的NiS 存在一个临界直径Dc，这个临界直径取决于NiS 包含物周围的应力σ0（玻璃内部NiS 石头位置的退火水平）：

 

      通过式（1）计算可知，在玻璃内部张应力为65MPa 时，破坏玻璃的最小NiS 直径大约为0.04mm。

 

      玻璃的钢化其实就是玻璃的重新热处理。在实际使用中发现，玻璃的钢化程度越高，钢化玻璃的自爆比例就越大。

 

      玻璃的钢化程度实质上可归结于玻璃内应力的大小。Jacob给出了钢化玻璃表面压应力值与50mm×50mm 范围内碎片颗粒数之间的对应关系，见图2。

 

      图2 为按照美国ASTMC1048 标准确定的钢化玻璃表面应力范围，从图2 中可以看出，SSI 钢化玻璃表面应力仪测出的表面应力为90MPa 时，对应的碎片数大约为52 片，并且随着钢化玻璃表面应力的增大，对应的玻璃碎片数也在增多。

 

      我国钢化玻璃标准《建筑用安全玻璃 第2 部分：钢化玻璃》GB15763.2-2005 规定了平面钢化玻璃在厚度为4 ～ 12mm 时，50mm×50mm区域内的最少碎片数为40 片。

 

      板芯应力一般总是张应力，其数值等于玻璃表面压应力的1/2。钢化玻璃内部张应力与表面压应力关系见图3。

 

 

      我国钢化玻璃标准《建筑用安全玻璃 第2 部分：钢化玻璃》GB15763.2-2005 规定了钢化玻璃的表面应力不小于90MPa。

 

      通过式（1）计算得到钢化玻璃在不同的表面应力情况下的NiS 的临界直径Dc 如表1 所示。

 

      从表1 中看出，玻璃表面的压应力越大，NiS 的临界直径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。

 

      同一块玻璃由于钢化均匀度的不一致也能导致玻璃的自爆。钢化均匀度是指同一块玻璃经钢化后不同区域的钢化应力一致性。通常可通过测定由同一块玻璃平面各部分的平面应力（area stress）来衡量玻璃的钢化均匀度，这种钢化不均匀产生的平面应力叠加在厚度应力上，使一些区域的实际板芯张应力上升，引起临界直径Dc 值下降，最终导致自爆率增加。

 

      3 工程应用中钢化玻璃的检测

 

      在钢化玻璃检测中，表面应力及碎片状态是钢化玻璃检测的重要性能。表面应力仪的测试原理是利用浮法玻璃表面锡扩散层的光波导效应来进行测量。国标《建筑用安全玻璃 第2部分：钢化玻璃》GB15763.2-2005 规定了建筑用钢化玻璃的表面应力不小于90MPa，对钢化玻璃破碎后50mm×50mm 区域内的最少碎片数也作了相应规定。

 

      在钢化玻璃的检测中，我们采用SSM-2 型玻璃表面应力仪对6mm、8mm 和10mm 三组各3 块钢化玻璃的表面应力和破碎后的碎片数进行统计，结果如表2。

 

      从表2 中可以得出：表面应力越大，破碎后的碎片数越多。钢化程度是衡量钢化玻璃性能的重要标志之一，钢化程度越高，玻璃中的内应力越大，玻璃的抗冲击强度越大，破碎后的颗粒尺寸也就越小。

      

      玻璃中内应力的大小与分布的均匀程度是钢化程度的重要特征，所以宏观上利用破碎后钢化玻璃颗粒尺寸的大小及均匀程度来表征、检验、考核玻璃的钢化程度和玻璃中应力分布的均匀程度。

 

      由表2 还可以看出，玻璃越厚，表面应力越大。由于玻璃中内应力的产生取决于玻璃中温度梯度的存在，玻璃越厚淬冷时的温度梯度越大。条件相同时，玻璃越厚钢化程度越高，也即表面应力越大。

 

      4 应对措施

 

      4.1 控制玻璃的钢化应力

 

      玻璃的钢化应力越大，NiS 结石的临界直径就越小，引起玻璃自爆的NiS 结石数量就越多。玻璃钢化应力应控制在90～110MPa 的范围内，这样既能保证玻璃的钢化碎片颗粒度满足相关标准要求，又可避免应力过高引起的玻璃自爆风险。减小钢化玻璃的平面应力（钢化均匀度），既可减小玻璃的自爆风险，又可提高钢化玻璃的平整度。

 

      4.2 钢化玻璃的均质处理（HST）

 

      均质处理是解决钢化玻璃自爆问题的有效方法，通过将钢化玻璃均质处理，可使NiS 在玻璃出厂前完成晶相转变，让可能自爆的玻璃在工厂内提前破碎。