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玻璃的應(yīng)力直接影響到玻璃的強度。玻璃的熱炸裂是由于熱應(yīng)力過大而引起的；玻璃的受擊破裂是由于玻璃受到機械沖擊力或撞擊力而產(chǎn)生的機械應(yīng)力過大而導(dǎo)致的；玻璃的自爆是由于玻璃內(nèi)部應(yīng)力過大所致，另外，由于熱鋼化或化學(xué)鋼化而使玻璃的強度增加，則是由于玻璃的表面壓應(yīng)力的增加所致。所以，玻璃的應(yīng)力與強度有著密不可分的關(guān)系。本文將從玻璃應(yīng)力的角度，討論玻璃的強度以及與之相關(guān)的其它性質(zhì)。

1、玻璃的應(yīng)力與玻璃強度之間的關(guān)系

1.1玻璃的應(yīng)力與玻璃的強度

玻璃幾乎是一種理想的彈性材料，所以可以用線彈性斷裂力學(xué)的理論來描述玻璃的力學(xué)行為。在線彈性斷裂力學(xué)中，可以通過觀察斷裂現(xiàn)象來研究機械材料的行為。如果應(yīng)力強度因子K_I由于裂紋尖端部位的張應(yīng)力σ_n達到了臨界值 時，玻璃就會發(fā)生斷裂。這里的應(yīng)力強度因子是反映裂紋尖端彈性應(yīng)力場強弱的物理量，與裂紋幾何尺寸及應(yīng)力有關(guān)，并可以用多種方法（解析法、有限元計算、實驗標定等）計算特定裂紋的應(yīng)力強度因子。應(yīng)力強度因子的單位是MPa·m^1/2或MN·m^-3/2。對于張開型裂紋（外加正應(yīng)力使裂紋面張開）可以用下式表示：

K_I=Yσ_n（πα）^1/2——（1）

式中：

K_I——應(yīng)力強度因子；

σ_n——與裂紋平面相垂直的標稱張應(yīng)力；

Y—修正系數(shù)；

α—幾何參數(shù)，如裂紋深度或裂紋長度的一半。

當(dāng)K_I≥K_IC時，玻璃就會發(fā)生瞬間斷裂 。

K_IC為臨界應(yīng)力強度因子或斷裂韌度

應(yīng)力強度因子與斷裂速度V(da/dt）之間的關(guān)系可以用（2）式表示：

V=V₀(K_I/K_IC)ⁿ——（2）

或 log（V）= nlog（K_I）+ log（V₀K^-n_IC）——（3）

其中V₀與n是與環(huán)境條件（濕度、溫度、介質(zhì)）、玻璃的化學(xué)成分以及應(yīng)力荷載速度有關(guān)的物理量。

以應(yīng)力強度因子 的對數(shù)值為橫坐標，以斷裂速度V 的對數(shù)值為縱坐標作圖，如圖1所示。

圖1中的I區(qū)，可以用來預(yù)測玻璃的使用壽命。II區(qū)和III區(qū)在預(yù)測玻璃的使用壽命方面可以忽略不計。

1.2 玻璃的壓應(yīng)力與玻璃的強度

一般來講，玻璃的抗彎曲強度σ_b與玻璃的表面壓應(yīng)力σ_a之間存在如下關(guān)系：

σb=σa+kσa

式中：

σa——退火浮法玻璃的強度；

k——經(jīng)驗系數(shù)。

浮法白玻的強度與表面壓應(yīng)力之間也存在著線性關(guān)系，見圖2。

采用四點彎曲法（圖3）測定浮法玻璃的抗彎曲強度，然后再測定浮法玻璃下表面的殘余應(yīng)力，測試數(shù)據(jù)列于表1。

2 太陽輻射熱應(yīng)力對玻璃強度的影響

當(dāng)玻璃受到太陽輻射后，一部分能量被玻璃板表面反射，一部分能量被玻璃板吸收，還有一部分能量透過玻璃板。被玻璃板吸收的那部分能量會轉(zhuǎn)化為熱能而使玻璃板的溫度升高。如果玻璃板是均勻受熱，或玻璃板因溫度升高而引起的熱膨脹不受外部機械裝置的局限，或支撐玻璃板的支架能夠調(diào)節(jié)因熱膨脹而引起的體積變化，就不會有熱應(yīng)力產(chǎn)生。但是，單片退火窗用玻璃一般都被鑲嵌在窗框內(nèi)。當(dāng)窗玻璃的中心部位受到太陽輻射后，由于邊部被遮擋或邊部處于陰涼處，使得玻璃板的受熱不均，導(dǎo)致熱應(yīng)力。在這種熱應(yīng)力恰遇邊部有缺陷時，就可能造成玻璃板的熱破裂。例如在嚴冬季節(jié)，夜晚溫度極低，玻璃板相對于室內(nèi)外溫度達到熱平衡。到了日出以后，受到陽光照射的玻璃板區(qū)域因溫度升高而膨脹，導(dǎo)致窗框內(nèi)的玻璃板四周處于拉伸狀態(tài)（張應(yīng)力），這種拉伸力平行于玻璃板的邊部。如果玻璃板邊部存在微裂紋，當(dāng)拉伸力達到臨界值時，玻璃板就會有破裂的危險。

3 應(yīng)力腐蝕對玻璃強度的影響

玻璃的應(yīng)力腐蝕是玻璃在拉應(yīng)力（張應(yīng)力）集中和特定腐蝕環(huán)境的共同作用下發(fā)生腐蝕裂紋擴展甚至斷裂的現(xiàn)象。玻璃表面有微裂紋存在時，這種微裂紋起到了應(yīng)力集中的作用，在裂紋的尖端，應(yīng)力值比無裂紋部位大得多，隨著時間的推移，裂紋會逐漸變大，直至斷裂。影響應(yīng)力腐蝕的環(huán)境因素有濕度、溫度、玻璃化學(xué)組成等。圖5~圖7 是不同的環(huán)境濕度、溫度以及不同玻璃化學(xué)組成條件下玻璃應(yīng)力腐蝕速度的響應(yīng)曲線。從圖5可以看出，濕度越大，應(yīng)力腐蝕速度越快。這是因為水分子能夠使玻璃的硅氧網(wǎng)絡(luò)鍵斷開的緣故。由圖6可見，應(yīng) 力強度因子降低，裂紋擴散速度增加。這是因為溫度高，體系能量增加，當(dāng)能量接近或超越裂紋擴散或生長的激活能時，會加快裂紋的擴散速度速度大，這是因為鈉鈣硅玻璃中堿金屬離子含量較高的緣故。

4 應(yīng)力對玻璃的碎片狀態(tài)的影響

玻璃的碎片狀態(tài)是玻璃中儲存能量的函數(shù)，也就是殘余應(yīng)力和荷載應(yīng)力的函數(shù)。由實驗可以看出，鋼化玻璃破碎后，玻璃碎片最小，基本為小于1 cm的顆粒，對人體的傷害最小，這就是為什么稱這種玻璃為安全玻璃的緣故。鋼化玻璃的碎片最小的原因就是這類玻璃中的殘余應(yīng)力最大。