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1、7.1 7.1 玻璃的退火玻璃的退火7.1.1玻璃中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，会产生热应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力力；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。 这这些些都都会会降降低低制制品品的的强强度度和和热热稳稳定定性性,故故一一般般玻玻璃璃产产品品成成型型后后,需需经经过过退退火火处处理理,使使其其应应力力限限定定在在一一定定范范围围内内,以以防防在在冷冷却却、存存放放、再再加加工工及及使使用用过过程程中中自自行行破破裂裂或或太太易易破破裂裂
2、。第七章 玻璃的热处理及加工1玻璃工艺学一、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.2玻璃工艺学二、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)
3、Pa.S)即脆性状态时，经受不均匀的温度即脆性状态时，经受不均匀的温度变化时产生的热应力。变化时产生的热应力。 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滞玻璃内结构集团已不能产生粘滞性流动性流动, ,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: :3玻璃工艺学* * 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。4玻璃工艺学(2)(2)玻璃在一个低温的环境中开始冷却玻璃在一个低温
5、的环境中开始冷却: :* * 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5玻璃工艺学(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。6玻璃工艺学* * 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态。温度梯度在此时消失，应力同时完全抵消而呈无应力状态。0温度(Temperature)应变点温度 (=101
7、3.6Pa.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:7玻璃工艺学2.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。8玻璃工艺学（二）永久应力：（二）永久
8、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冷却起
9、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9玻璃工艺学(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剖面实际温
10、度示意线永 久 应 力 示 意 线 10玻璃工艺学0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；温度在应变点以上的
11、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。11玻璃工艺学温度(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，同时外层受反作用力呈张应力
12、状态。12玻璃工艺学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(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。13玻璃工艺学(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：到此时为止，内层
13、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14玻璃工艺学小结小结:(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,温温度梯度产生结构梯度度梯度产生结构梯度,并在低于应变点时保持下来并在低于应变
14、点时保持下来,形成永久应力形成永久应力.(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,从而减小永久应力从而减小永久应力是可能的是可能的,这也是退火作用的本质这也是退火作用的本质15玻璃工艺学三、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，结构应力是由于玻璃固
15、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。16玻璃工艺学思考题思考题: 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同。玻璃在一般情况
16、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。17玻璃工艺学7.1.2玻璃的退火玻璃的退火一、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
