浅析玻璃应力的产生及消除

二 应力的种类及其产生原因
以产生原因为标准可分为热应力、结构应力和 机械应力；以作用范围为标准可分为宏观应力(由外 力作用或热作用产生)、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)和超微观应力 (玻璃中相当于晶胞大小的体积范围内存在的应力)。
1 热应力 热应力是玻璃中由于温度差而产生的应力。 按其存在的特点又可分为暂时应力和永久应力。 (1) 暂时应力 暂时应力是指当玻璃温度低于应变点 ( η = 1 0 13.6P a ·S ) 时处于弹性变形温度范围内 (η=1014Pa·S)，即脆性状态时，经受不均匀的温度 变化产生的热应力。其特点是随温度梯度的产生 而产生，随温度梯度的消失而消失。 (2) 永久应力 永久应力是玻璃在高于其应变点时，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。其特点是温度 梯度消失后，永久应力不消失。 2 结构应力 结构应力是玻璃中两部分区域，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，如条纹、结石、节瘤等不均匀体都
此外，玻璃制品应力的消除还与玻璃的粘度 有关，粘度越小，应力的消除越快。
由于玻璃制品在吹制过程中产生应力情况不 同，因此退火的部位也各不相同。玻璃壁厚度不 同，退火的程度也会不同。一般要掌握以下原则：
(1) 薄壁玻璃管小面积熔融的两侧或四周的热 分界区，可用两倍于熔融面积宽度的氧化性火焰 加热，至火焰发红时(玻璃管在火焰中加热，达到
(3) 环形接头的应力部位 环形接头是指有内芯的焊接。这时产生的应 力分布情况除了与单接头旋转熔融的应力部位相 同外，在内芯的焊接处也存在较严重的应力，如图 3 所示。
三 灯工加工产生应力的分布情况 玻璃管在常温下，经灯工喷灯火焰局部加热
吹制成型，被加热部位与未被加热部位之间形成 一条很窄的热分界区，这个分界区就是应力集中 的部位。温度越高，应力越严重。在同样加工温度 条件下，膨胀系统大的玻璃比膨胀系数小的玻璃 应力严重。
经灯工加工而产生应力的分布情况大致有以 下几种：
(1) 旋转熔融的应力部位 玻璃管通过操作者双手在喷灯火焰中旋转熔 融，此时产生的应力不是在熔融部位，而分布在熔 融部位的两侧，约在离开火焰边缘的地方。因为玻 璃管是玻璃旋转加热，故应力呈环形线状出现(在 偏光仪下可显现出)，如图 1 所示。
图 ３ 环形接头应力的部位
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浅析玻璃应力的产生及消除
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摘 要： 应力存在于玻璃制品中是极为有害的，完成的产品如不经过仔细的退火处理，很可能引起产品 自然爆裂，造成意想不到的损失。因此在玻璃制品的生产过程中，必须严格控制应力的产生，当 应力不可避免的产生时，要采取一定的措施消除应力，以达到玻璃制品合格安全的目的。
图 ５ 加热不均匀引起的应力
四 应力的消除——退火 一般玻璃制品在加工完毕后均要进行退火。
所谓退火就是将制品加热至玻璃的转化温度以上， 然后缓慢冷却，使玻璃制品外层和内部的温度同 时降低到转化温度以下。其目的是消除应力，避免 制品爆裂。
一般来说，玻璃的膨胀系数越大，玻璃管壁 越厚，产品形状越复杂，应力越严重，相应的在开 始退火时，产品的预热和冷却所要求的时间就越 长。如硬质玻璃 GG-17 和 95 玻璃的退火时间约为 2h，而壁厚、大型的钠钙玻璃(软质玻璃)制品却需 要 5～6h。
参考文献 [1] 陈恭源. 浮法玻璃退火理论[M]. 2003. [2] 武汉建筑材料工业学院, 华东化工学院, 浙江大学. 玻璃工艺 原理[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1981. [3] 陈晖. 浅谈做好玻璃灯工实验的关键[J]. 南平师专学报, 1995, (4): 50. [4] 赵建军. 厚玻璃退火常见问题的解决方法[J]. 建材世界, 2009, 30(2): 62 － 63. [5] 陈恭源. 玻璃的退火[J]. 玻璃, 2005, 179(2): 54 － 59. [6] 干福熹. 光学玻璃[M]. 北京: 科学出版社, 1964:354. [7] 孙承绪, 刘全清. 浮法玻璃在退火过程中玻璃带内的温度场 和应力松弛[J]. 硅酸盐学报, 1991, 19(1): 86 － 91. [8] 托利 F V. 玻璃制造手册(下)[M]. 北京: 北京建筑工业出版社, 1983: 78.
64 SOLAR ENERGY 19/火候的重要 标志)，渐渐关闭压缩空气，让还原火焰“文火”略 微烘一下即可。必须注意，退火时不能将玻璃管烧 熔(最多烧至微呈暗红色)，否则将产生新的应力， 而退火时间太短或火焰温度太低，也不能达到退 火目的。
(2) 当玻璃管熔融面积大而火焰宽度不够时， 可移动工件以取得退火效果，也可将熔融部位两 侧的热分界分别加以退火。
(5) 软质玻璃制品退火时，当达到退火温度 后，温度需逐步降低，增加“文火”烘的时间，以 达到缓慢冷却的目的。
玻璃仪器生产单位，一般情况都是当天产品 当天进退火窑退火，所以喷灯火焰退火只要求使 应力扩散即可。而某些没有专门退火设备的科研 单位、实验室等，可根据上述几点原则处理。如果 掌握得当，虽有轻微应力存在，但产品不会爆裂， 不影响使用。
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(5) 加热不均匀引起的应力情况 在操作过程中，不小心将强烈氧气火焰烧到 不需要加热的部位，虽然立刻离开，但如果忘记及 时作退火处理，玻璃管内外层会产生很大的温度 差，从而形成块状应力，使玻璃管呈网状表面爆 裂。在加工毛细管时，如果未能安全熔融(即内层 未达到转化温度)，也会产生上述情况，见图 5。
图 １ 旋转熔融应力的部位
(2) 侧面熔的应力部位 玻璃管的开孔、侧接及侧面内芯焊接、玻璃 管加热时都不旋转，因此产生的应力分布情况与 上述情况不同。此时的应力是分布在熔融部位四 周，如图 2 所示。
图 ２ 侧面熔融应力的部位
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图 ４ 夹套两头封接的应力部位
(3) 夹层环形接头制品，除采取上述步骤外， 应增加“文火”的烘烤时间，目的是缩小内、外层 冷却时的温度差(使内、外层玻璃管基本上同时冷 却到转化温度以下)。
(4) 毛细管及大型壁厚制品退火时，表层虽已 达到退火温度，火焰也已发红，但由于壁厚，玻璃 内部很可能还未达到退火温度。这时应适当延长退 火时间(火焰温度不必提高)，冷却速度也应缓慢。
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会产生结构应力。其特点是：结构应力是由于玻璃 固有结构造成的应力，无法通过退火清除。
3 机械应力 机械应力是玻璃制品受到外力作用时玻璃中产 生的应力。在低温下外力撤去后，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。
关键词： 玻璃应力；退火
一 应力的基本概念 玻璃是一种热的不良导体，一块玻璃(无应力
存在)在加热或冷却的过程中，由于玻璃的外层直 接受热或首先冷却，而玻璃的内部间接受热(靠热 传导将外层热量传导到内部)或后冷却，因此在玻 璃表面和内部会产生温度差(称温度梯度)。加热 时，直接受热的玻璃表面温度高，间接受热的玻璃 内部温度低，这时受热的玻璃外层力求膨胀，向四 周扩张，而温度较低的内部企图维持其原状，就阻 碍着外层的扩张。这样在玻璃内部就产生了膨胀 与反膨胀的作用，也就产生了伸张与压缩的作用。 外层膨胀时有一压力作用于玻璃内层，玻璃内部 受力后产生一个对应的力作用于玻璃外层，压制 玻璃外层向内内膨胀。这样相互作用的结果就会 在玻璃内部产生两种应力，一种“压应力”，一种 是“张应力”。企图阻碍玻璃外层向玻璃内部膨胀 而作用于外层的力称作“压应力”，玻璃外层向内 膨胀而作用于玻璃内部的力称作“张应力”，即一 块玻璃在加热时，外层产生的是“压应力”，内部 产生的是“张应力”。“压应力”及“张应力”总称 为应力(或内应力)。
(4) 夹套产品两头封接的应力部位 尽管玻璃仪器夹套产品的形式多种多样，但 均为两头封接。例如普通直型冷凝管，当两头封接 完毕，不仅外套管上有应力存在，而且内芯也存在 严重的应力(通常所说的拉力)，如图 4 所示。如果 把它放在偏光仪中，可看到内芯与外套颜色明显 不同(内芯是黄色，外套是深紫色)。在这种情况 下，制品极易爆裂。