玻璃工艺第17章玻璃退火和淬火(new)

1、玻璃工艺学1玻璃工艺学2 第一节 玻璃的应力 在生产过程中在生产过程中, 玻璃制品经受激烈而又不均匀的温度变化，会产生玻璃制品经受激烈而又不均匀的温度变化，会产生热应力；溶制不良会造成玻璃中的不均匀区，导致热学性质差异而产生应热应力；溶制不良会造成玻璃中的不均匀区，导致热学性质差异而产生应力力。 这些都会降低制品的强度和热稳定性这些都会降低制品的强度和热稳定性,故一般玻璃产品故一般玻璃产品成型后成型后,需经过退火处理需经过退火处理,使其应力限定在一定范围内使其应力限定在一定范围内,以防在以防在冷却、存放、再加工及使用过程中自行破裂或太易破裂冷却、存放、再加工及使用过程中自行破裂或太易破裂 。

2、第十七章 玻璃的退火与淬火玻璃工艺学3一、玻璃应力的分类一、玻璃应力的分类:1.以产生原因为标准：以产生原因为标准：2.以作用范围为标准：以作用范围为标准：热应力热应力结构应力结构应力机械应力机械应力宏观应力：宏观应力：由外力作用或热作用产生；微观应力：微观应力：玻璃的微观不均匀区域中存在的或分相引起的应力; 超微观应力：超微观应力：玻璃中相当于晶胞大小的体积范围内 存在的应力.玻璃工艺学4二、热应力二、热应力 当玻璃温度低与应变点当玻璃温度低与应变点( ( =10 =10 13.613.6Pa.S)Pa.S)时处于弹性变形时处于弹性变形温度范围内温度范围内( ( 10101414Pa.S)P

3、a.S)即脆性状态时，经受不均匀的温度变即脆性状态时，经受不均匀的温度变化时产生的热应力。化时产生的热应力。 特点特点：随温度梯度的产生而产生，随温度梯度的消失而消失。随温度梯度的产生而产生，随温度梯度的消失而消失。 在温度低于应变点时在温度低于应变点时, ,玻璃内结构集团已不能产生粘玻璃内结构集团已不能产生粘滞性流动滞性流动, ,主要靠弹性松弛来消除应力。主要靠弹性松弛来消除应力。热应力热应力: :玻璃中由于温度差而产生的应力。玻璃中由于温度差而产生的应力。按其存在的特点又可分成暂时应力和永久应力。按其存在的特点又可分成暂时应力和永久应力。1.1.暂时应力的产生过程暂时应力的产生过程: :(

4、 (一一) )暂时应力暂时应力: :玻璃工艺学5* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ?温度(Temperature)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0位置(Position)剖面实际温度示意线暂 时 应 力 示 意 线应力( Strain)0T t外界温度(1) (1) 玻璃处于某一个低于应变点的均匀温度分布状态玻璃处于某一个低于应变点的均匀温度分布状态: :说明：均匀温度场下的玻璃平板中不存在温度梯度，也不存在暂时应力。说明：均匀温度场下的玻璃平板中不存在温度梯度，也不存在暂时应力。玻璃工艺学6(2)(2)玻璃在一个低温的环境中开始冷却玻璃在一个低温的

5、环境中开始冷却: :* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ?说明：说明： 玻璃平板表面降温比内层快，收缩就比内层大，受内层阻碍而呈张玻璃平板表面降温比内层快，收缩就比内层大，受内层阻碍而呈张应力同时内层受到反作用力而呈压应力。应力同时内层受到反作用力而呈压应力。0温度(Temperature)应变点温度 (=1013.6Pa.S)冷却起始温度外界温度应力( Strain)位置(Position)TsT0T t剖面实际温度示意线暂 时 应 力 示 意 线玻璃工艺学7(3)(3)外层逐渐达到外界温度的过程外层逐渐达到外界温度的过程: :剖面实际温度示意线温度(Temperature)

6、应变点温度 (=1013.6Pa.S)冷却起始温度外界温度 应力( Strain)位置(Position)TsT0T t0暂 时 应 力 示 意 线* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ? 说明：说明： 表面收缩趋于停止的同时受到继续收缩的内层所施的压应力逐渐抵消表面收缩趋于停止的同时受到继续收缩的内层所施的压应力逐渐抵消原有的张应力。原有的张应力。玻璃工艺学8* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ?说明：说明：温度梯度在此时消失，应力同时完全抵消而呈无应力状温度梯度在此时消失，应力同时完全抵消而呈无应力状态。态。0温度(Temperature)应变点温度 (=10

7、13.6Pa.S)冷却起始温度外界温度应力( Strain)位置(Position)TsT0T t剖面实际温度示意线暂 时 应 力 示 意 线(4)内层温度逐渐达到外界温度的过程内层温度逐渐达到外界温度的过程:玻璃工艺学92.小结:(1)在温度低于应变点温度时在温度低于应变点温度时,温度梯度的产温度梯度的产生导致玻璃弹性松弛而形成暂时应力；生导致玻璃弹性松弛而形成暂时应力；（2）温度急剧的变化产生的暂时应力若超）温度急剧的变化产生的暂时应力若超过极限时会使制品破裂；过极限时会使制品破裂；（3）不能通过退火过程来消除暂时应力。）不能通过退火过程来消除暂时应力。玻璃工艺学10（二）永久应力：（二）

8、永久应力： 玻璃在高于其应变点时玻璃在高于其应变点时,温度梯度会引起玻璃结构变化温度梯度会引起玻璃结构变化,这种玻璃结构变化在低于应变点时产生并保持的热应力。这种玻璃结构变化在低于应变点时产生并保持的热应力。特点特点:温度梯度消失之后温度梯度消失之后,永久应力不消失永久应力不消失1.1.永久应力的产生过程永久应力的产生过程(1)处于某一高于应变点的均匀温度场时处于某一高于应变点的均匀温度场时*此示意图说明了什么?温度(Temperature)剖面实际温度示意线0位置(Position)外界温度T t应力( Strain) 永 久 应 力 示 意 线 应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷

9、却起始温度T0说明：说明：均匀温度场下的玻璃平板中不存在温度梯度，也不存在永久应力均匀温度场下的玻璃平板中不存在温度梯度，也不存在永久应力玻璃工艺学11(2)将玻璃放置于低温环境中降温将玻璃放置于低温环境中降温,直至外层温度到达应变点直至外层温度到达应变点:*此示意图说明了什么? 说明：高于应变点时，表面较快的收缩产生的作用力通过说明：高于应变点时，表面较快的收缩产生的作用力通过应力松弛消除，平板呈无应力状态。应力松弛消除，平板呈无应力状态。 0温度(Temperature)应力( Strain)位置(Position)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t剖

10、面实际温度示意线永 久 应 力 示 意 线 玻璃工艺学120位置(Position)温度(Temperature)应力( Strain)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t永 久 应 力 示 意 线 剖面实际温度示意线(3)(3)制品继续降温制品继续降温, ,直至内层温度达到应变点的过程直至内层温度达到应变点的过程: :* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ? 说明：说明： 温度低于应变点的表面无应力松弛能力，同时降温较里层快而呈张应力温度低于应变点的表面无应力松弛能力，同时降温较里层快而呈张应力状态，里层为张应力；状态，里层为张应力； 温度在

11、应变点以上的内层则由于应力松弛作用而保持无应力状态。温度在应变点以上的内层则由于应力松弛作用而保持无应力状态。玻璃工艺学13温度(Temperature)应力( Strain)位置(Position)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t 永 久 应 力 示 意 线剖面实际温度示意线0（4）内层温度从应变点开始下降：）内层温度从应变点开始下降：* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ? 说明：说明：内层在至应变点以下时受到降温快、收缩快的外层内层在至应变点以下时受到降温快、收缩快的外层所施压力，同时外层受反作用力呈张应力状态所施压力，同时外层受反作

12、用力呈张应力状态。玻璃工艺学140温度(Temperature)应力( Strain)位置(Position)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t 永 久 应 力 示 意 线剖面实际温度示意线(5)(5)内外层继续冷却内外层继续冷却* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ?说明说明：随着内：随着内 层逐渐降温、收缩，原先的应力逐渐被抵消而减小。层逐渐降温、收缩，原先的应力逐渐被抵消而减小。玻璃工艺学15(6)(6)内外层继续冷却直至均达到环境温度内外层继续冷却直至均达到环境温度* * 此示意图可以说明什么此示意图可以说明什么? ? 说明：说明：到

13、此时为止，内层形成较外层更致密的结构，即收缩较外层大，到此时为止，内层形成较外层更致密的结构，即收缩较外层大，更趋于紧收，但受外层阻碍故呈张应力，外层则呈相反的压应力状态更趋于紧收，但受外层阻碍故呈张应力，外层则呈相反的压应力状态0温度(Temperature)应力( Strain)位置(Position)应变点温度 (=1013.6Pa.S)Ts冷却起始温度T0外界温度T t 永 久 应 力 示 意 线剖面实际温度示意线玻璃工艺学16小结小结:(1)在高于应变点的温度时在高于应变点的温度时,通过应力松弛的作用通过应力松弛的作用,温度温度梯度产生结构梯度梯度产生结构梯度,并在低于应变点时保持下

14、来并在低于应变点时保持下来,形形成永久应力成永久应力.(2)通过缓慢降温通过缓慢降温,减小温度梯度减小温度梯度,从而减小永久应力是从而减小永久应力是可能的可能的,这也是退火作用的本质这也是退火作用的本质玻璃工艺学17三、结构应力和机械应力三、结构应力和机械应力: (一一) 结构应力结构应力: 玻璃中局部区域化学组成不均匀导致结构不均匀而产生玻璃中局部区域化学组成不均匀导致结构不均匀而产生不同的膨胀系数，因而产生的应力。不同的膨胀系数，因而产生的应力。如条纹、结石、节瘤等不均匀体都会产生结构应力。如条纹、结石、节瘤等不均匀体都会产生结构应力。特点特点：结构应力是由于玻璃固有结构所造成的应力，结构

15、应力是由于玻璃固有结构所造成的应力，无法通过退火消除。无法通过退火消除。 （二）机械应力（二）机械应力: 当玻璃制品受到外力作用的时候当玻璃制品受到外力作用的时候,玻璃中产生的应力。在玻璃中产生的应力。在低温下外力撤去时，机械应力随之消失。低温下外力撤去时，机械应力随之消失。 如果机械应力超过应力极限，会导致制品破裂。如果机械应力超过应力极限，会导致制品破裂。玻璃工艺学18思考题思考题: 分析平板玻璃从应变点开始降温至常温过程分析平板玻璃从应变点开始降温至常温过程中暂时应力和永久应力合成过程。中暂时应力和永久应力合成过程。分析暂时应力和永久应力产生原因之异同。分析暂时应力和永久应力产生原因之异

16、同。玻璃在一般情况下玻璃在一般情况下,可能会同时受到几种应力可能会同时受到几种应力的作用。的作用。玻璃工艺学19控制应力是玻璃生产工艺中极其重要的环，应用适当热处理来控控制应力是玻璃生产工艺中极其重要的环，应用适当热处理来控制应力的方法已为玻璃技术人员所熟知。然而，如何准确测定玻璃应力制应力的方法已为玻璃技术人员所熟知。然而，如何准确测定玻璃应力仍是困挠广大玻璃厂的难题之一。下面介绍了常用的应力测定方法，仍是困挠广大玻璃厂的难题之一。下面介绍了常用的应力测定方法，（一）（一）. 应力测定的理论基础应力测定的理论基础1. 偏振光偏振光众所周知，光是一种电磁波，其振动方向与前进方向垂直，在所有众所

17、周知，光是一种电磁波，其振动方向与前进方向垂直，在所有与前进方向垂直的振动面上振动。如在光路中引入只允许某一振动方与前进方向垂直的振动面上振动。如在光路中引入只允许某一振动方向光线通过的偏振滤片，就可获得偏振光，简称偏光。向光线通过的偏振滤片，就可获得偏振光，简称偏光。. 双折射双折射玻璃是各向同性体，各方向的折射率相同。如玻璃中存在应力，玻璃是各向同性体，各方向的折射率相同。如玻璃中存在应力，各向同性的性质受到破坏，引起折射率变化，两主应力方向的折射率各向同性的性质受到破坏，引起折射率变化，两主应力方向的折射率不再相同，即导致双折射。折射率与应力值的关糸由下式确定：不再相同，即导致双折射。折

18、射率与应力值的关糸由下式确定：nx - ny = CB (x y)式中：式中：nx 、ny 分别为分别为x及及y方向的折射率。方向的折射率。x 、y 分别为分别为x及及y方向的方向的应力。应力。CB 为应力光学常数，它是物性常数，仅与玻璃品种有关。为应力光学常数，它是物性常数，仅与玻璃品种有关。四玻璃内应力的表示方法和测定四玻璃内应力的表示方法和测定玻璃工艺学203 .干涉色干涉色两光矢分量透过检偏器后，在同平面内振动，且存在一定光程两光矢分量透过检偏器后，在同平面内振动，且存在一定光程差，满足相干条件，会发生干涉。干涉作用产生的光强差，满足相干条件，会发生干涉。干涉作用产生的光强I 由下式决

19、定：由下式决定：I = a2Sin22( )Sin2 (p/)式中各符号的意义见图式中各符号的意义见图1。由此式可得出如下结论：。由此式可得出如下结论：a) 当当 = 时，即两主应力方向分别与起偏器及检偏器方向一致时，时，即两主应力方向分别与起偏器及检偏器方向一致时，I = 0。此黑条纹即是。此黑条纹即是“等倾线等倾线”，线上所有点的应力具有相同的方向。，线上所有点的应力具有相同的方向。此原理常用来确定应力的方向。此原理常用来确定应力的方向。b) 当当 = 45o时，即主应力方向与偏振方向成时，即主应力方向与偏振方向成450，在，在 = 0、1、2、3N处，处，I = 0。也就是光程差为波长的

20、整数倍时，出现黑。也就是光程差为波长的整数倍时，出现黑色条纹。色条纹。c) 当当 = 45o时，下列波长的光能较好地透过：时，下列波长的光能较好地透过：Sin2 (p/) = 1, 即即 = 2、2/3、2/5、2/7、。而以下波长的光被阻：。而以下波长的光被阻：Sin2 (p/) = 0, 即即 = 、/2、/3、/4、。白光是波长。白光是波长从从400700nm范围内多种颜色光波的混合物，有效波长般按范围内多种颜色光波的混合物，有效波长般按565 nm计。计。 所以用白光作光源时，玻璃就出现多彩的干涉色，可用来估所以用白光作光源时，玻璃就出现多彩的干涉色，可用来估计应力值。相同的干涉色连成

21、的色带称计应力值。相同的干涉色连成的色带称“等色线等色线”，线上的应力值相，线上的应力值相等。等。玻璃工艺学21各种玻璃的允许应力玻璃制品的用途不同，其中允许存各种玻璃的允许应力玻璃制品的用途不同，其中允许存在的应力值也不相同：在的应力值也不相同：玻璃种类玻璃种类 允许应力（允许应力（nm/cm)玻璃种类允许应力（玻璃种类允许应力（nm/cm)光学玻璃精密退火光学玻璃精密退火 25 镜面玻璃镜面玻璃3040光学玻璃粗退火光学玻璃粗退火 1030空心玻璃空心玻璃60望远镜反光镜望远镜反光镜20玻璃管玻璃管120平板玻璃平板玻璃2095瓶罐玻璃瓶罐玻璃50400 当偏光透过一定厚度的有应力玻璃时，

22、由于各部位的密度不同，光通当偏光透过一定厚度的有应力玻璃时，由于各部位的密度不同，光通过时传播速度不同，分裂为分别在过时传播速度不同，分裂为分别在x及及y方向振动的分量，即发生双折射，方向振动的分量，即发生双折射，产生光程差产生光程差 其大小与玻璃中的应力成正比：其大小与玻璃中的应力成正比： = nx ny应力光学常数应力光学常数nx ，ny，轴方向的折射率，轴方向的折射率一般借助光干涉原理测出光程差，从而计算出应力值。一般借助光干涉原理测出光程差，从而计算出应力值。（二）表示方法（二）表示方法玻璃工艺学221偏光仪偏光仪（定性、半定量测量方法）定性、半定量测量方法）最简易的应力仪通常由一个白

23、光光源及二片偏光片组成，两偏最简易的应力仪通常由一个白光光源及二片偏光片组成，两偏光片的光轴互相垂直，玻璃样品置于两偏光片之间，主应力方向与光片的光轴互相垂直，玻璃样品置于两偏光片之间，主应力方向与偏振轴成偏振轴成450。如果玻璃中存在垂直于光线传播方向的非均匀应力，。如果玻璃中存在垂直于光线传播方向的非均匀应力，则可观察到黑、灰、白的干涉带，应力更高时，可见黄、红、蓝等则可观察到黑、灰、白的干涉带，应力更高时，可见黄、红、蓝等彩色干涉条纹。无应力的玻璃只能观察到均匀的暗场。彩色干涉条纹。无应力的玻璃只能观察到均匀的暗场。对于退火玻璃制品，一般仅出现灰白干涉色，此时为提高分辨对于退火玻璃制品，

24、一般仅出现灰白干涉色，此时为提高分辨率，需增加一块灵敏色片。灵敏色片其实是一种光程差为率，需增加一块灵敏色片。灵敏色片其实是一种光程差为565nm的的人工双折射片，相当于人为将总光程差增加或减少人工双折射片，相当于人为将总光程差增加或减少565nm，使视域，使视域中出现彩色干涉色，提高肉眼对干涉色的分辩能力。中出现彩色干涉色，提高肉眼对干涉色的分辩能力。 （二）（二） 常用的应力测定方法常用的应力测定方法 偏光仪结构示意图偏光仪结构示意图光源；起偏镜；灵敏色片；检偏镜；毛玻璃光源；起偏镜；灵敏色片；检偏镜；毛玻璃玻璃工艺学23有灵敏色片时，转动玻璃时视场颜色的变化为玻璃有灵敏色片时，转动玻璃时

25、视场颜色的变化为玻璃与灵敏色片的总光程差与灵敏色片的总光程差当玻璃的应力为当玻璃的应力为张应力张应力时，视场总光程差为玻璃光时，视场总光程差为玻璃光程差与灵敏色片光程差之和，既玻璃光程差为程差与灵敏色片光程差之和，既玻璃光程差为视场总光视场总光程差减去程差减去565nm；当玻璃的应力为当玻璃的应力为压应力压应力时，视场总光程差为灵敏色时，视场总光程差为灵敏色片光程差与玻璃光程差之差，既玻璃光程差为片光程差与玻璃光程差之差，既玻璃光程差为565nm减去视场总光程差减去视场总光程差 * *另一种较为精确的颜色对比法是采用一套至少包括另一种较为精确的颜色对比法是采用一套至少包括6片的标准光片的标准光

26、程片组，将被测玻璃样品在偏光下与标准片对比干涉色，从而判断应程片组，将被测玻璃样品在偏光下与标准片对比干涉色，从而判断应力大小。力大小。 标准光程片是一种均匀的双折射片，每片的光程差人为控制标准光程片是一种均匀的双折射片，每片的光程差人为控制在在21.8 23.8 nm之间，直径至少之间，直径至少30mm，同组内各片的光程差基，同组内各片的光程差基本一致。本一致。 通过增减标准光程片数目，使玻璃样品的干涉色与标准片组通过增减标准光程片数目，使玻璃样品的干涉色与标准片组的干涉色相同，根据标准片的片数及各片光程数据，就能计算出玻璃的干涉色相同，根据标准片的片数及各片光程数据，就能计算出玻璃中的应力

27、值。中的应力值。玻璃工艺学24此种方法采用的光学元件及其方向匹配关系请参照图。此种方法采用的光学元件及其方向匹配关系请参照图。 起偏器及起偏器及检偏器的偏振方向均须与水平线成检偏器的偏振方向均须与水平线成45o，它们之间必须相互垂直。被，它们之间必须相互垂直。被测样品主应力之一的方向必须与水平线一致，即主应力方向须与偏振测样品主应力之一的方向必须与水平线一致，即主应力方向须与偏振方向成方向成45o，如样品是瓶子等圆柱形制品，则将瓶子水平放置、使瓶，如样品是瓶子等圆柱形制品，则将瓶子水平放置、使瓶子轴线与水平线重合即可。子轴线与水平线重合即可。检偏器是可以旋转的，转动角度由刻度指示。使用时，先将

28、检偏器检偏器是可以旋转的，转动角度由刻度指示。使用时，先将检偏器转至转至0刻度处；然后放置被测样品，调整样品方向，使被测点主应力的刻度处；然后放置被测样品，调整样品方向，使被测点主应力的方向与偏振方向成方向与偏振方向成45o；再转动检偏器，直到被测点变得最暗；记下；再转动检偏器，直到被测点变得最暗；记下转角读数，每度相当于转角读数，每度相当于3.14 nm 光程差。光程差。根据旋转方向可判断出是压应力还是张应力。如顺时针转动检偏器根据旋转方向可判断出是压应力还是张应力。如顺时针转动检偏器能使被测点变暗，则为张应力，反之为压应力。需要指出，如四分之能使被测点变暗，则为张应力，反之为压应力。需要指

29、出，如四分之一波片转动一波片转动90o安装，则检偏器旋转方向所代表的应力性质正好相反，安装，则检偏器旋转方向所代表的应力性质正好相反，读数绝对值不变。如果对仪器有疑问，可取读数绝对值不变。如果对仪器有疑问，可取25 X 200mm的平板玻璃的平板玻璃测其板芯应力，已知板芯应力是张应力，故能用来验证仪器的应力测测其板芯应力，已知板芯应力是张应力，故能用来验证仪器的应力测试方向。试方向。此法适用于测定己知应力方向的玻璃制品，如平板玻璃、瓶子、玻此法适用于测定己知应力方向的玻璃制品，如平板玻璃、瓶子、玻璃管等。对于应力方向复杂的制品，采用璃管等。对于应力方向复杂的制品，采用Tardy方法比较方便。方

30、法比较方便。2. Senarmont定量应力测定法 玻璃工艺学25与与Senarmont法不同：法不同：Tardy法增加了块四分之波片，两法增加了块四分之波片，两块四分之一波片的光轴均与偏振方向成块四分之一波片的光轴均与偏振方向成45o，两块波片均能从光路，两块波片均能从光路中移走；玻璃样品中的主应力方向与偏振方向重合。其余部分与中移走；玻璃样品中的主应力方向与偏振方向重合。其余部分与Senarmont法类似。法类似。测试时，先将两块四分之波片撤离光路；然后放入被测样品，测试时，先将两块四分之波片撤离光路；然后放入被测样品，此时可从检偏器中看见样品上黑色的应力等倾线，即在此线上，应此时可从检偏

31、器中看见样品上黑色的应力等倾线，即在此线上，应力方向均相同并与偏振方向一致；再调整样品的放置方向，使等倾力方向均相同并与偏振方向一致；再调整样品的放置方向，使等倾线通过被测点；将二块四分之波片推入光路，等倾线即消失；此线通过被测点；将二块四分之波片推入光路，等倾线即消失；此时可旋转检偏器，直至被测点光线最弱；后面步骤同时可旋转检偏器，直至被测点光线最弱；后面步骤同Senarmont法。法。由于由于Tardy法要求应力方向与偏振方向一致，故可利用等倾线法要求应力方向与偏振方向一致，故可利用等倾线性质实现方向的相对调整，不必准确确定应力的实际方向。性质实现方向的相对调整，不必准确确定应力的实际方向

32、。二块四分之一波片的光轴相互垂直，对光程的作用互为补偿，二块四分之一波片的光轴相互垂直，对光程的作用互为补偿，所以波片的精度要求可低些，只需控制二块波片之间的相对误差。所以波片的精度要求可低些，只需控制二块波片之间的相对误差。故此方法的测量精度要好于故此方法的测量精度要好于Senarmont法。法。3 Tardy定量应力测试方法定量应力测试方法 玻璃工艺学26补偿器是一种光程差可调的双折射元件，相当于在应力仪中补偿器是一种光程差可调的双折射元件，相当于在应力仪中加入一个应力值可调的人工应力片，其方向与被测玻璃样品中的加入一个应力值可调的人工应力片，其方向与被测玻璃样品中的应力方向相反，当两者数

33、值相等时，应力相互抵消，在正交偏光应力方向相反，当两者数值相等时，应力相互抵消，在正交偏光下观察到消光黑条纹。下观察到消光黑条纹。补偿器般由两块石英楔构成，二者尺寸相同，光轴互相垂补偿器般由两块石英楔构成，二者尺寸相同，光轴互相垂直。一块楔是固定的，另块可滑动，滑动的位置由测微螺杆转直。一块楔是固定的，另块可滑动，滑动的位置由测微螺杆转换成读数，光程差值与楔滑动的距离成线性关糸。换成读数，光程差值与楔滑动的距离成线性关糸。此种方法操作较为简单，首先确定被测点的主应力方向，旋此种方法操作较为简单，首先确定被测点的主应力方向，旋转补偿器测微螺杆，直至被测点为黑条纹所覆盖，记下测微螺杆转补偿器测微螺

34、杆，直至被测点为黑条纹所覆盖，记下测微螺杆读数并乘以补偿器常数即得到玻璃的应力值。应力的方向亦根据读数并乘以补偿器常数即得到玻璃的应力值。应力的方向亦根据测微螺杆旋转方向加以确定。测微螺杆旋转方向加以确定。此法精度高，此法精度高，可测出可测出5nm的光程差的光程差。不足之处是补偿器价格。不足之处是补偿器价格昂贵。昂贵。 4 补偿器法补偿器法 玻璃工艺学27第二节、玻璃的退火第二节、玻璃的退火一、退火原理一、退火原理 在经过转变温度区域（在经过转变温度区域（TfTg）时，玻璃由典型的液态转变）时，玻璃由典型的液态转变成脆性状态。而在成脆性状态。而在Tg点以下的相当的温度范围内玻璃分子仍然能点以下

35、的相当的温度范围内玻璃分子仍然能够进行迁移，可以消除玻璃中的热应力和结构状态的不均匀性够进行迁移，可以消除玻璃中的热应力和结构状态的不均匀性*。同时因为粘度相当大，以致几乎不发生其外形的改变。这段温度同时因为粘度相当大，以致几乎不发生其外形的改变。这段温度区域成为玻璃的退火区域，相应粘度在区域成为玻璃的退火区域，相应粘度在10121016Pa.s 。即退火。即退火温度区域与玻璃粘度有关。温度区域与玻璃粘度有关。 *应力松弛应力松弛：由于玻璃在应变点以上时具有粘弹性，它不能长由于玻璃在应变点以上时具有粘弹性，它不能长时间承受各方向不平衡力的作用，玻璃内结构基团在力的作用下时间承受各方向不平衡力的

36、作用，玻璃内结构基团在力的作用下产生位移和变形，使温度梯度所产生的内应力得以消失。产生位移和变形，使温度梯度所产生的内应力得以消失。 玻璃的退火过程玻璃的退火过程：将玻璃放置在某一温度下保持足够时间将玻璃放置在某一温度下保持足够时间后再以缓慢的速度冷却，以便不再产生超过允许范围的永久应后再以缓慢的速度冷却，以便不再产生超过允许范围的永久应力和暂时应力。实质就是减小或消除应力并防止新的应力产生。力和暂时应力。实质就是减小或消除应力并防止新的应力产生。玻璃工艺学28（一）退火温度范围与退火温度（一）退火温度范围与退火温度 上限退火温度：上限退火温度：三分钟内消除三分钟内消除95%应力的温度，一般相

37、应力的温度，一般相当于退火点的温度，也称最高退火温度，粘度为当于退火点的温度，也称最高退火温度，粘度为1012Pa.s。 下限退火温度：下限退火温度：三分钟内消除三分钟内消除5%应力的温度，也称最应力的温度，也称最低退火温度，粘度为低退火温度，粘度为1013.6 Pa.s。在此温度以下玻璃完全处。在此温度以下玻璃完全处于弹性状态，该点温度也可以称为于弹性状态，该点温度也可以称为应变点应变点。 精密退火精密退火：对光学玻璃或某些技术玻璃，不但要消除永对光学玻璃或某些技术玻璃，不但要消除永久应力，而且还要消除由于冷却过程中玻璃各层热历史不同久应力，而且还要消除由于冷却过程中玻璃各层热历史不同以结构

38、转化的程度不同而产生光学上的不均匀性。以结构转化的程度不同而产生光学上的不均匀性。 可以通过可以通过 1、T曲线上得到曲线上得到1012Pa.s、1013.6 Pa.s的温度确的温度确定上限、下限退火温度。定上限、下限退火温度。 2、计算（、计算（P358）求出玻璃在）求出玻璃在1012Pa.s时的温度，即时的温度，即上限退火温度。上限退火温度。在退火温度范围内确定某一保温均热的温度，称之为退火温度。在退火温度范围内确定某一保温均热的温度，称之为退火温度。玻璃工艺学293、通过热膨胀曲线确定、通过热膨胀曲线确定Tg 的温度值即作为最高退火温的温度值即作为最高退火温度的大约数值。度的大约数值。

39、4、通过差热曲线确定上限或下限退火温度：、通过差热曲线确定上限或下限退火温度：加热过程的吸热峰下限退火温度，放热峰上限退火度；加热过程的吸热峰下限退火温度，放热峰上限退火度；降温过程的放热峰上限退火温度，吸热峰下限退火温度降温过程的放热峰上限退火温度，吸热峰下限退火温度TgL/L温度温度然后选取低于上限退火温度然后选取低于上限退火温度2030的温度点作为的温度点作为退火温度。退火温度。玻璃工艺学30退火温度与组成：退火温度与组成： 能提高粘度（尤其低温）的组分如能提高粘度（尤其低温）的组分如CaO、SiO2、Al2O3等提高退火温度；反之则降低退火温度（如等提高退火温度；反之则降低退火温度（如

40、R2O、PbO、BaO等）。等）。B2O3则因硼反常出现含量在则因硼反常出现含量在1520%随氧化硼随氧化硼含量升高而升高、超过含量升高而升高、超过1520%时随含量升高而降低的情况。时随含量升高而降低的情况。（二）退火工艺（二）退火工艺工艺过程工艺过程 玻璃的退火工艺过程包括四个阶段：加热、保温、慢玻璃的退火工艺过程包括四个阶段：加热、保温、慢冷及快冷。冷及快冷。 一次退火一次退火：玻璃制品成形后不冷却直接退：玻璃制品成形后不冷却直接退火的工艺过程。火的工艺过程。 二次退火二次退火：玻璃制品成形后先冷却后加热：玻璃制品成形后先冷却后加热再退火的工艺过程。再退火的工艺过程。玻璃工艺学31加热加

41、热 保温保温 慢冷慢冷 快冷快冷温度温度时间时间上限退火温度上限退火温度下限退火温度下限退火温度退火温度退火温度1、加热阶段、加热阶段 加热时玻璃制品表面为压应力，升温速度可较快：加热时玻璃制品表面为压应力，升温速度可较快：分）（最大升温速度c/a130hc 2a空心或单面受热的玻璃制品的总厚，空心或单面受热的玻璃制品的总厚，cm 实心制品的半厚，实心制品的半厚，cm玻璃工艺学32分）（c/a30a20ha22光学玻璃光学玻璃分）（ c/a5ha22、保温阶段、保温阶段 目的：消除加热过程产生的温度梯度，并消除制品中目的：消除加热过程产生的温度梯度，并消除制品中所固有的内应力。所固有的内应力。

42、 先确定保温温度，然后确定保温时间。先确定保温温度，然后确定保温时间。保温时间保温时间na520t2 考虑表面微裂纹、缺陷、厚度均匀性及退火炉温度分布考虑表面微裂纹、缺陷、厚度均匀性及退火炉温度分布均匀性，一般工业中采用均匀性，一般工业中采用厘米，纳米制品最后允许的应力/n玻璃工艺学333、慢冷阶段、慢冷阶段 为了使制品在冷却后不再产生永久应力或仅产生微小的为了使制品在冷却后不再产生永久应力或仅产生微小的永久应力，冷却速度要求较慢，常采用线性降温。永久应力，冷却速度要求较慢，常采用线性降温。开始冷却速度：开始冷却速度：分）（c/13aho2下降下降10后继续冷却速度：后继续冷却速度：分）（c/

43、212hoh20TToH 每降低每降低100c后下一个后下一个100c的降温速度的降温速度To退火温度退火温度T每降低每降低100c后的温度后的温度 慢冷阶段结束时温度必须小于或等于应变点温度，慢冷阶段结束时温度必须小于或等于应变点温度，否则在快冷阶段重新产生永久应力而退火无效。否则在快冷阶段重新产生永久应力而退火无效。玻璃工艺学344、快冷阶段、快冷阶段 为提高生产效率、降低燃耗，只要使该阶段的暂时应为提高生产效率、降低燃耗，只要使该阶段的暂时应力不超过极限强度，可适当加快降温速度。力不超过极限强度，可适当加快降温速度。分）（c/a10hc2厚度厚度5mm厚度厚度5mm分c/25hc总共退火

44、时间为四个阶段用时之和，约为总共退火时间为四个阶段用时之和，约为11.5小时。小时。（三）制定退火曲线使注意问题（三）制定退火曲线使注意问题1、加热阶段：保证压应力加热阶段：保证压应力压应力极限。压应力极限。 慢冷阶段：降温速度同样须考虑玻璃的允许应力，结束慢冷阶段：降温速度同样须考虑玻璃的允许应力，结束 时温度要低于或等于应变点温度。时温度要低于或等于应变点温度。 快冷阶段：暂时应力不可超过抗张极限。快冷阶段：暂时应力不可超过抗张极限。玻璃工艺学35 5、容易分相的玻璃制品退火时，退火温度不能过高，容易分相的玻璃制品退火时，退火温度不能过高，退火时间不能过长，次数要少。退火时间不能过长，次数

45、要少。2、形状复杂、厚度大的制品的加热及冷却速度要慢；形状复杂、厚度大的制品的加热及冷却速度要慢； 3、多种制品共用退火窑是，取退火温度低的数值作为多种制品共用退火窑是，取退火温度低的数值作为退火温度，并延长保温时间；同组成不同规格的制品一起退火温度，并延长保温时间；同组成不同规格的制品一起退火时，由薄制品确定退火温度，以免薄制品变形；由厚退火时，由薄制品确定退火温度，以免薄制品变形；由厚制品确定升温、降温的速度，以免厚制品破裂；制品确定升温、降温的速度，以免厚制品破裂； 4、确定升降温速度要考虑退火窑温度不均匀性而适当确定升降温速度要考虑退火窑温度不均匀性而适当取小值；取小值； 玻璃工艺学3

46、6第三节、玻璃钢化第三节、玻璃钢化（一）、玻璃物理钢化原理（一）、玻璃物理钢化原理 物理钢化：物理钢化：把玻璃加热到软化温度以下、把玻璃加热到软化温度以下、Tg点以上点以上5060oc后进行快速、均匀的冷却而得。玻璃外部因迅速冷却而固化，而后进行快速、均匀的冷却而得。玻璃外部因迅速冷却而固化，而内部冷却比较慢，当内部继续收缩时使玻璃表面产生压应力，而内部冷却比较慢，当内部继续收缩时使玻璃表面产生压应力，而内部为张应力。内部为张应力。一玻璃物理钢化淬火一玻璃物理钢化淬火物理钢化法是目前国内外广泛应用的一种方法物理钢化法是目前国内外广泛应用的一种方法按淬冷介质的不同按淬冷介质的不同,又可分为又可分

47、为风冷钢化、液冷钢化风冷钢化、液冷钢化和冷却板和冷却板钢化。钢化。根据生产过程中玻璃的支撑办法又可分为根据生产过程中玻璃的支撑办法又可分为垂直吊挂法垂直吊挂法（垂（垂直法）、直法）、水平法、水平支持法水平法、水平支持法（自重法）、（自重法）、气垫法气垫法等。等。玻璃工艺学37（二）、淬火玻璃的特性（二）、淬火玻璃的特性1、抗弯强度大、抗弯强度大淬火玻璃淬火玻璃普通玻璃普通玻璃因为淬火玻璃受载荷作用后上层的表面压应力增大了，而因为淬火玻璃受载荷作用后上层的表面压应力增大了，而由载荷造成的张应力被下层的表面压应力部分抵消而比退火玻由载荷造成的张应力被下层的表面压应力部分抵消而比退火玻璃小，同时最大

48、张应力不在表面而移向板中心。由于玻璃耐压璃小，同时最大张应力不在表面而移向板中心。由于玻璃耐压强度比抗张强度大得多（约强度比抗张强度大得多（约10倍），所以钢化玻璃在相同载荷倍），所以钢化玻璃在相同载荷下不易破裂，另外钢化过程中玻璃表面裂纹受强烈压缩，同样下不易破裂，另外钢化过程中玻璃表面裂纹受强烈压缩，同样也使钢化玻璃抗弯强度更高。也使钢化玻璃抗弯强度更高。玻璃工艺学38、热稳定性高、热稳定性高：当钢化玻璃骤冷时，表面产生的张应力当钢化玻璃骤冷时，表面产生的张应力与钢化玻璃表面原先存在的压应力相抵偿，因而钢化玻璃的与钢化玻璃表面原先存在的压应力相抵偿，因而钢化玻璃的热稳定性大大提高。热稳定性

49、大大提高。玻璃工艺学39、抗冲击强度高、抗冲击强度高4、安全性好、不能切割、安全性好、不能切割安全性安全性：张应力造成的裂纹在张应力造成的裂纹在玻璃内迅速扩散，同时受表面玻璃内迅速扩散，同时受表面压应力保护作用不易散落。强压应力保护作用不易散落。强化玻璃被击碎后形成圆形小颗化玻璃被击碎后形成圆形小颗粒，而不是尖锐的大块碎片。粒，而不是尖锐的大块碎片。 品品 种种 厚度厚度 抗弯强度抗弯强度 耐冲击耐冲击 耐热温差耐热温差(mm) (Pa) ( 钢球高度钢球高度 m) ( ) 普通窗玻璃普通窗玻璃 54.9 10 7 0.560 钢化窗玻璃钢化窗玻璃 5 4.9 10 8 2.5 250 玻璃工

50、艺学40（三）工艺流程与设备（三）工艺流程与设备玻璃工艺学41 钢化加热炉有多种不同的形式：钢化加热炉有多种不同的形式：按其单项功能有电加热和燃气加热、吊挂式与卧式、按其单项功能有电加热和燃气加热、吊挂式与卧式、间歇式与连续式、接触式和气垫式等。间歇式与连续式、接触式和气垫式等。根据制品的种类根据制品的种类 ( 平钢化和弯钢化平钢化和弯钢化 ) 、质量要求、质量要求 ( 高中低档高中低档 ) 、能源、能源 ( 电、燃气电、燃气 ) 、投资量等而有多种组、投资量等而有多种组合形式。例如，当生产一般平钢化玻璃时，常采用合形式。例如，当生产一般平钢化玻璃时，常采用电加电加热吊挂式间歇炉热吊挂式间歇炉

51、，而生产高级轿车用钢化玻璃则采用，而生产高级轿车用钢化玻璃则采用电电加热、气垫型的连续式钢化加热炉加热、气垫型的连续式钢化加热炉。图。图 2 5 8 为吊为吊挂式间歇电加热炉，它是目前生产一般平钢化玻璃的最挂式间歇电加热炉，它是目前生产一般平钢化玻璃的最常用的设备。常用的设备。根据制品的大小，其加热段可分为一段、二段、三根据制品的大小，其加热段可分为一段、二段、三段或四段。段或四段。 2 钢化加热炉钢化加热炉玻璃工艺学42 凡弯钢化玻璃都必须在钢化前进行凡弯钢化玻璃都必须在钢化前进行热弯，分为模压式、槽沉式和挠性弯曲成热弯，分为模压式、槽沉式和挠性弯曲成型三类。型三类。(1) 模压式热弯模压式

52、热弯。按曲面玻璃所需形状，。按曲面玻璃所需形状，做成阳模和阴模，在其外表面用玻璃布包做成阳模和阴模，在其外表面用玻璃布包裹，把热塑玻璃对压而成。该种热压机与裹，把热塑玻璃对压而成。该种热压机与机械加工的液压式牛头刨床槽类似。机械加工的液压式牛头刨床槽类似。(2) 槽沉式热弯成型槽沉式热弯成型。在加热炉内，热塑。在加热炉内，热塑玻璃在自重下弯曲而落在模具上，如图玻璃在自重下弯曲而落在模具上，如图 2-5-9 所示。所示。 3 玻璃的热弯玻璃的热弯玻璃工艺学434 风栅风栅热钢化法的急冷设备气垫式风栅垫式风栅手风琴式风栅手风琴式风栅箱式风栅（箱式风栅（是使用最广泛的风栅）是使用最广泛的风栅）固定式

53、风栅固定式风栅旋转式风栅旋转式风栅风栅风栅玻璃工艺学441 炉壁温度的确定炉壁温度的确定玻璃对不同波长热射线具有不同的吸收能力，为此选择玻璃对不同波长热射线具有不同的吸收能力，为此选择适宜的热源温度是必要的。下表适宜的热源温度是必要的。下表 列出了其间的关系。列出了其间的关系。平板玻璃的钢化温度一般都在平板玻璃的钢化温度一般都在 630 -750 ，因此，因此，炉壁温度选择在炉壁温度选择在750 -850 范围内是合适的，它的热辐射范围内是合适的，它的热辐射波长对玻璃是部分吸收，有利于玻璃内外层的均匀加热。波长对玻璃是部分吸收，有利于玻璃内外层的均匀加热。 ( 四四 ) 热钢化工艺制度的确定热

54、钢化工艺制度的确定热源温度、波长及玻璃的吸收热源温度、波长及玻璃的吸收 热源温度热源温度 ( ) 900 600 500 热源波长热源波长 ( n) 2.5 3.5 3.7 波波 长长 ( m) 2.7 2.7-4.5 4.5 玻璃吸收状况玻璃吸收状况 透射透射 部分吸收部分吸收 吸收吸收 玻璃工艺学452 钢化温度的确定钢化温度的确定常用以下两种方法来确定玻璃的钢化温度。常用以下两种方法来确定玻璃的钢化温度。(1) 应用经验公式确定：应用经验公式确定：Tc=Tg+80 ( 2-5-1 )式中式中 :Tc 钢化温度；钢化温度；Tg 玻璃的转变温度，以理论计算玻璃的转变温度，以理论计算来确定。来

55、确定。(2) 以玻璃粘度为以玻璃粘度为 10 7.5 Pa s 时的温度为钢化温度。时的温度为钢化温度。在上述两种方法中以经验公式来确定玻璃钢化温度的方法最常在上述两种方法中以经验公式来确定玻璃钢化温度的方法最常用和最简便。用和最简便。3 炉子温度的确定炉子温度的确定常用下式计算确定：常用下式计算确定：log(Tv 一一 Tc)=ct+log(Tv 一一 Tr) ( 2-5-2 )式中式中 :Tv 炉子温度；炉子温度；Tr 室温；室温；Tc 玻璃钢化温度；玻璃钢化温度；t 加热时间；加热时间； c 与玻璃组成、厚度有关的常与玻璃组成、厚度有关的常数。数。玻璃工艺学464 电炉的宽度电炉的宽度

56、选择炉膛宽度应考虑玻璃选择炉膛宽度应考虑玻璃能否均匀加热。其与玻璃和能否均匀加热。其与玻璃和辐射元件之间的距离、玻璃辐射元件之间的距离、玻璃和炉膛砖之间的距离密切相和炉膛砖之间的距离密切相关。此外，为使玻璃均匀受关。此外，为使玻璃均匀受热，炉子上下前后可采用分热，炉子上下前后可采用分区调节。区调节。5 风冷时间风冷时间 玻璃的过度冷却是使玻璃产生翘曲的原因之一。另外，玻璃的过度冷却是使玻璃产生翘曲的原因之一。另外，为节约电能，应采用两段冷却法，即先急冷后缓冷，从图为节约电能，应采用两段冷却法，即先急冷后缓冷，从图 2 5 14 中可以看出，在急冷中可以看出，在急冷 15s 后，玻璃表面温度后，

57、玻璃表面温度已降到已降到 500 以下，此时已不会再增加钢化强度，所以以下，此时已不会再增加钢化强度，所以可以缓冷。可以缓冷。 玻璃工艺学47 热钢化产生的应力是二维各向同性的平面应力，只是随平热钢化产生的应力是二维各向同性的平面应力，只是随平板的厚度而变，习惯上把中心面上的张应力板的厚度而变，习惯上把中心面上的张应力 M 称称“钢化程钢化程度度”，简称钢化度，以此作为钢化的量值。，简称钢化度，以此作为钢化的量值。影响玻璃钢化度的因素有：淬火温度、介质的传热速率、玻影响玻璃钢化度的因素有：淬火温度、介质的传热速率、玻璃厚度、玻璃组成等。璃厚度、玻璃组成等。（五（五 ) 影响热钢化的因素影响热钢

58、化的因素 玻璃开始急冷的温度称淬火温度。玻璃的钢化度决定于冷玻璃开始急冷的温度称淬火温度。玻璃的钢化度决定于冷却时的应力松弛程度，它随淬火温度的提高而增大，当达到某却时的应力松弛程度，它随淬火温度的提高而增大，当达到某一值时，应力松弛程度不再增加，钢化度趋于极值，如图一值时，应力松弛程度不再增加，钢化度趋于极值，如图 2 5 15 所示。玻璃在急冷过程中，玻璃越厚，其内外温差就所示。玻璃在急冷过程中，玻璃越厚，其内外温差就越大，应力松弛层相应越厚，所以钢化度就越大。厚玻璃比薄越大，应力松弛层相应越厚，所以钢化度就越大。厚玻璃比薄玻璃更易钢化的原因也在此，如图玻璃更易钢化的原因也在此，如图 2

59、5 15 所示。所示。 1 玻璃的淬火温度及玻璃厚度玻璃的淬火温度及玻璃厚度玻璃工艺学48玻璃工艺学49 它表示淬火的冷却速率。对于风钢化，淬火的冷却速它表示淬火的冷却速率。对于风钢化，淬火的冷却速率是由风压、风温、喷嘴与玻璃间距离以及在排气过程中率是由风压、风温、喷嘴与玻璃间距离以及在排气过程中是否形成了热气垫等因素决定。钢化度与综合传热速率的是否形成了热气垫等因素决定。钢化度与综合传热速率的关系如图关系如图 2 5 16 所示。喷嘴与玻璃间距离对钢化度所示。喷嘴与玻璃间距离对钢化度的影响，如图的影响，如图 2 5 17 所示。风温对钢化度有影响，所示。风温对钢化度有影响，例如，冬天的冷却速

60、率比夏天大；冷却风受热后的热气流例如，冬天的冷却速率比夏天大；冷却风受热后的热气流不能很快排除，将形成热气垫，这会妨碍玻璃板的进一步不能很快排除，将形成热气垫，这会妨碍玻璃板的进一步冷却，因而降低了钢化度，为此常加长喷嘴的长度。冷却，因而降低了钢化度，为此常加长喷嘴的长度。 2 冷却介质的对流传热速率冷却介质的对流传热速率玻璃工艺学50玻璃工艺学513 玻璃组成玻璃组成 凡是能增加玻璃热膨胀系数的氧化物都能增加玻璃的凡是能增加玻璃热膨胀系数的氧化物都能增加玻璃的钢化度。如图钢化度。如图 2 5 一一 18 表示不同组成玻璃的钢化度。表示不同组成玻璃的钢化度。 玻璃工艺学52（五）钢化玻璃自爆的