鋼化應(yīng)力對鋼化玻璃自爆的影響

孫文遷，黃 楠，齊雅欣

（山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

前言

鋼化玻璃作為安全玻璃在建筑門窗、幕墻上的應(yīng)用越來越普及，但鋼化玻璃在使用過程中的自爆現(xiàn)象時(shí)有發(fā)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(chǎn)工藝加工。物理法加工的特點(diǎn)是先硬化的玻璃外層產(chǎn)生壓應(yīng)力，后硬化的玻璃內(nèi)層產(chǎn)生張應(yīng)力。由于玻璃表面的這種壓應(yīng)力的存在，在外力作用于玻璃表面時(shí)，首先要抵消已存在的壓應(yīng)力，從而大大提高了玻璃的機(jī)械強(qiáng)度。

由于鋼化玻璃這種內(nèi)張外壓應(yīng)力的存在，使得鋼化玻璃的強(qiáng)度可以達(dá)到普通平板玻璃強(qiáng)度的4～5倍，同時(shí)鋼化玻璃破碎后立即分裂成沒有尖角產(chǎn)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(yīng)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(jīng)物理法鋼化熱處理后，玻璃表面層的壓應(yīng)力和板芯層的張應(yīng)力共同構(gòu)成一個(gè)應(yīng)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(yīng)力所引發(fā)。

鋼化玻璃的自爆指玻璃在無直接外力作用下發(fā)生自動炸裂的現(xiàn)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(yùn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(shí)溫度遠(yuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)棣料?。然而在隨后的淬冷過程中，玻璃中NiS的α相來不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，從而被凍結(jié)在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下，NiS的α相是不穩(wěn)定的，有逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟内厔荨Ｔ诰嗟霓D(zhuǎn)變過程中，NiS體積膨脹為2%～4%，使玻璃承受巨大的相變張應(yīng)力，從而導(dǎo)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(jié)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?qū)е虏Ａё员腘iS包含物都在鋼化玻璃的內(nèi)部，大約在玻璃厚度方向25%～75%的范圍之間[1]（即位于玻璃的張應(yīng)力區(qū)內(nèi)）。

圖1 自爆碎片形態(tài)圖

2 表面應(yīng)力對玻璃自爆的影響

根據(jù)玻璃的鋼化原理，玻璃鋼化后，內(nèi)部存在的張應(yīng)力與壓應(yīng)力達(dá)到一個(gè)整體的應(yīng)力平衡，無論在生產(chǎn)的過程中或者是成品使用過程中，一旦這種應(yīng)力平衡被打破，玻璃就會發(fā)生爆裂，即玻璃產(chǎn)生自爆。

研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致玻璃自爆的NiS存在一個(gè)臨界直徑Dc，這個(gè)臨界直徑取決于NiS包含物周圍的應(yīng)力σ0（玻璃內(nèi)部NiS 石頭位置的退火水平）：

式中 K1c——應(yīng)力強(qiáng)度因子，K1c=0.76×105Nm-3/2；

P0——度量相變及熱膨脹的因子，P0=615MPa。

通過式（1）計(jì)算可知，在玻璃內(nèi)部張應(yīng)力為65MPa時(shí)，破壞玻璃的最小NiS直徑大約為0.04mm。

玻璃的鋼化其實(shí)就是玻璃的重新熱處理。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，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(shí)質(zhì)上可歸結(jié)于玻璃內(nèi)應(yīng)力的大小。Jacob[2]給出了鋼化玻璃表面壓應(yīng)力值與50mm×50mm范圍內(nèi)碎片顆粒數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，見圖2。

圖2為按照美國ASTMC1048標(biāo)準(zhǔn)確定的鋼化玻璃表面應(yīng)力范圍，從圖2中可以看出，SSI鋼化玻璃表面應(yīng)力儀測出的表面應(yīng)力為90MPa時(shí)，對應(yīng)的碎片數(shù)大約為52片，并且隨著鋼化玻璃表面應(yīng)力的增大，對應(yīng)的玻璃碎片數(shù)也在增多。

我國鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)《建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃》GB15763.2-2005規(guī)定了平面鋼化玻璃在厚度為4～12mm時(shí)，50mm×50mm區(qū)域內(nèi)的最少碎片數(shù)為40片。

圖2 玻璃表面應(yīng)力與碎片數(shù)對照表

板芯應(yīng)力一般總是張應(yīng)力，其數(shù)值等于玻璃表面壓應(yīng)力的1/2。鋼化玻璃內(nèi)部張應(yīng)力與表面壓應(yīng)力關(guān)系見圖3。

圖3 玻璃壓應(yīng)力與張應(yīng)力的關(guān)系

我國鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)《建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃》GB15763.2-2005規(guī)定了鋼化玻璃的表面應(yīng)力不小于90MPa。通過式（1）計(jì)算得到鋼化玻璃在不同的表面應(yīng)力情況下的NiS的臨界直徑Dc如表1所示。

表1 玻璃表面應(yīng)力及相應(yīng)硫化鎳結(jié)石的臨界直徑

從表1中看出，玻璃表面的壓應(yīng)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(dǎo)致玻璃的自爆。鋼化均勻度是指同一塊玻璃經(jīng)鋼化后不同區(qū)域的鋼化應(yīng)力一致性。通?？赏ㄟ^測定由同一塊玻璃平面各部分的平面應(yīng)力（area stress）來衡量玻璃的鋼化均勻度，這種鋼化不均勻產(chǎn)生的平面應(yīng)力疊加在厚度應(yīng)力上，使一些區(qū)域的實(shí)際板芯張應(yīng)力上升，引起臨界直徑Dc值下降，最終導(dǎo)致自爆率增加[3]。

3 工程應(yīng)用中鋼化玻璃的檢測

在鋼化玻璃檢測中，表面應(yīng)力及碎片狀態(tài)是鋼化玻璃檢測的重要性能。表面應(yīng)力儀的測試原理是利用浮法玻璃表面錫擴(kuò)散層的光波導(dǎo)效應(yīng)來進(jìn)行測量。國標(biāo)《建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃》GB15763.2-2005規(guī)定了建筑用鋼化玻璃的表面應(yīng)力不小于90MPa，對鋼化玻璃破碎后50mm×50mm區(qū)域內(nèi)的最少碎片數(shù)也作了相應(yīng)規(guī)定。

在鋼化玻璃的檢測中，我們采用SSM-2型玻璃表面應(yīng)力儀對6mm、8mm和10mm三組各3塊鋼化玻璃的表面應(yīng)力和破碎后的碎片數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2。

表2 玻璃表面應(yīng)力與碎片數(shù)

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

玻璃中內(nèi)應(yīng)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(yàn)、考核玻璃的鋼化程度和玻璃中應(yīng)力分布的均勻程度[4]。

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

4 應(yīng)對措施

4.1 控制玻璃的鋼化應(yīng)力

玻璃的鋼化應(yīng)力越大，NiS結(jié)石的臨界直徑就越小，引起玻璃自爆的NiS結(jié)石數(shù)量就越多。玻璃鋼化應(yīng)力應(yīng)控制在90～110MPa的范圍內(nèi)，這樣既能保證玻璃的鋼化碎片顆粒度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，又可避免應(yīng)力過高引起的玻璃自爆風(fēng)險(xiǎn)。減小鋼化玻璃的平面應(yīng)力（鋼化均勻度），既可減小玻璃的自爆風(fēng)險(xiǎn)，又可提高鋼化玻璃的平整度。

4.2 鋼化玻璃的均質(zhì)處理（HST）

均質(zhì)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(zhì)處理，可使NiS在玻璃出廠前完成晶相轉(zhuǎn)變，讓可能自爆的玻璃在工廠內(nèi)提前破碎。

[1] 劉軍.建筑鋼化玻璃的自爆問題及熱處理方法[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2007（12）：27-30.

[2] Jacob， L. Paper presented at IGM/Tenestration World， Columbus OH， Oct 25-27， 1995.

[3] 周天輝.鋼化玻璃的自爆問題[J].建筑玻璃與工業(yè)玻璃，2003（4）：6-10.

[4] 田純祥.鋼化玻璃的鋼化程度[J].玻璃，2009（8）：30-32.