玻璃破碎原因分析

玻璃破碎原因分析

1玻璃边部因素由于其自身的物理特性，所有材料都可以承受不同程度的负荷。承受负荷的同时,由于力的作用,物质就会产生应力。玻璃的应力产生的原因可能是:加热、运动、变形,比如膨胀或弯曲,如果外界的张力大于玻璃的抗拉强度及抗压强度,就会导致玻璃破裂。图1展现的是在玻璃上施加自上而下的力时玻璃的变形情况。这时,玻璃变形,按照力的方向出现弯曲,上部区域会出现压缩应力区,下部区域为材料因伸长而产生的张拉应力区。如果材料的张应力超过临界值,就会导致损坏以及破裂。因此玻璃的边部处理至关重要。一般来讲,玻璃破裂的发生根据阻力最小原则,边部缺口越深,玻璃受到冲击的力越大,冲击面越小,玻璃破裂发生的情况越多。没有任何缺口的理想的玻璃边能承受非常大的荷载。但理想的无损伤的玻璃边在实际玻璃的加工过程中是不可能存在的。玻璃在切割后,总归有大小不同的切口存在,即使微小的切口都会影响玻璃的载荷。不管是玻璃切割时还是掰片时,无论是机器还是人工操作,玻璃的边部不可避免的都会出现缺口及裂口。均匀的理想的未受损表面在受到张力的作用时,受力均匀分布于整个横断面,没有一个地方应力特别集中,材料可以正常(无损)状况承受较大的张力,直到达到玻璃能够承受的极限。存在凹痕的不均匀的表面在张力的作用下,缺口处会出现应力集中的现象。缺口处应力集中降低了玻璃承载的能力,最终导致玻璃破裂。2玻璃的应力及抗压强度众所周知,玻璃边部或者表面的裂口越深,导致玻璃破裂所需的力(张力)越小,在张力是由于温差而产生时导致玻璃破裂的温差也小。以下为常温情况下,由于潮湿空气或者水的作用导致玻璃破裂的张力———弯曲抗拉强度关系:式中:a———裂口深度,mm;!———弯曲抗拉强度,N/mm2;Z*———比例系数。其次玻璃是热的不良导体,所以玻璃局部受热时,不同区域的温差在玻璃中产生应力。此时,由于玻璃的弹性模量和线膨胀系数保持不变,从而可以得出温差——弯曲抗拉强度之间的关系:式中:E———弹性模量,N/mm2;△θ———温度,K;α———线性膨胀系数,K-1。根据上述公式得出有关作用的裂口深度,抗拉强度以及温差的关系,如表1所述。从表1中我们可以看到,玻璃表面温度差大约80℃时,裂口深度只要为0.01mm,就会引起玻璃破裂。也就是说普通白玻在一般情况下能够承受的最大温差为80℃左右,钢化玻璃能够承受200℃及90N/mm2的温差和张力。根据实际情况我们知道玻璃安装后会有各种各样的载荷起作用,图4列出了玻璃主体上可能出现的载荷。这些荷载以各种不同的复合形式出现。此外,由于运输不当、仓储不佳或操作不正确同样也会导致玻璃上的载荷发生变化,这些荷载可能在玻璃安装前就引发玻璃破裂或由于玻璃表面或玻璃边的提前损伤明显降低其负载能力。3错误原因分析3.1玻璃的抵抗效果热破裂的发生主要是由于温差变化超出了玻璃本身能够抵抗的最大温差(表1)。许多原因都会引起强烈的温差发生,从而导致玻璃破裂。经常出现的原因在表2中列出:3.2拉力学特性机械破裂的发生主要是玻璃在外力的作用下其弯曲抗拉强度超过其应力承受极限。由于机械破裂不同于热破裂,其外力作用多种多样,因此其破裂特征没有热破裂明显。判断其机械破裂虽然容易,但是原因较难分析。3.3玻璃材料的硬化钢化玻璃是热预应力玻璃,通过对玻璃加热处理实现玻璃的预应力。玻璃表面通过迅速均匀加热,温度达到600℃以上。随后进行的迅速均匀的用冷气冷却确保玻璃的外部区域迅速硬化。由于已硬化的外部区域阻碍玻璃核心拉紧,玻璃核心滞后的冷却会使玻璃出现钢化后特有的应力分布。钢化玻璃在承受荷载时会相应的弯曲,张力应力区向下移动,上部压力应力区扩大,下部压力应力区缩小(如图5所述)。在达到极限荷载时,张力应力区移动到玻璃边部,玻璃破裂。这时各个小区间的拉应力突然减小,爆炸性地游离,造成玻璃裂成碎屑。因此钢化玻璃的破裂是由分布在压力应力区到张力应力区的损伤引起。3.3.1温度上升和玻璃破裂不管浮法玻璃还是压延玻璃,玻璃上都会出现镍—硫的细小晶体,也就是所谓镍—硫杂质(NiS)。它们的大小一般小于0.2mm,因此无法用肉眼识别。在温度升高时,镍—硫杂质在钢化玻璃的张力应力区内它们就会改变已有的状态,其体积会增加。这会促使玻璃内部应力的急剧增加,NiS的体积膨胀到一定的程度就会导致没有外部影响的玻璃破裂情况发生。如果玻璃在自爆后没有分裂开,我们可以在玻璃破裂的地方看到镍、硫杂质。该杂质处在破裂中心出现的类似蝴蝶形的断裂处。生产浮法玻璃过程中,要获得绝对不含镍、硫杂质的浮法玻璃是不现实的,而后将玻璃加工成钢化玻璃后,只要有NiS存在,玻璃自爆的可能性始终存在。3.3.2热浸测试的目NiS在常温下大都以α相晶体存在于玻璃中,随着温度的升高α相的NiS晶体在320℃时完全转变为β相NiS晶体,在转变的过程中,其体积会剧烈膨胀,导致玻璃破裂。这种膨胀引起的破裂对于普通玻璃而言已经超出了其热破裂的温度极限。但是对钢化玻璃而言,耐温差超过200℃,热破裂的可能性得到降低的同时,NiS则会进一步增大,体积的膨胀破坏了局部区域内的微小应力的平衡,仍会最终导致玻璃破裂。热浸测试是将玻璃置于290℃±10℃的测试炉中8h,其中保温3h。其主要目的:一是模拟250℃以上的温差,保证钢化玻璃中镍、硫杂质的体积能够膨胀得足够大使得不能够承受如此大温差的钢化玻璃在出货前自爆;其二,290℃也是NiS由α相转变为β相的一个过渡阶段,其大部分α相转晶体变为β相大都在这个温度完成;其三,采用290℃温度而不是320℃做热浸测试,是因为玻璃在320℃时将达到软化温度,虽然NiS膨胀最大,但是钢化玻璃本身的刚度降低,反而起不到引爆的效果。因此采用290℃的热浸测试能够降低95%的玻璃由于NiS杂质导致的钢化玻璃自爆。为减少玻璃由于NiS的膨胀引起的自爆,欧洲都按照DIN18516第四部分对生产后的钢化玻璃进行热浸测试。热浸测试对于作为幕墙的钢化玻璃非常重要,这能把幕墙的钢化玻璃由于NiS自爆引起的玻璃破裂最大限度地降低。另外在室内,比如门、设备、淋浴设施、陈列柜等等,使用钢化玻璃时尤其建议进行热浸测试。4玻璃破裂和损伤的例子5利用其他工具检查破裂原因玻璃破碎的原因多种多样,以上所述破裂图很大程度上只是某种特例情况下的简单图例,并且只限于破裂图的主要部分。识别破裂的原因常常需要丰富的经验结合不同的条件环境因素进行综合考虑,即使有破裂图有时也无法对原因明确地进行分门别类。那时必须借助其他工具检查玻