钢化玻璃自爆源和自爆机理详析

　　3.2异质颗粒引起的钢化玻璃自爆的机理 　　我们从不同场合收集到9块玻璃自爆裂纹源的蝴蝶斑碎片，均找到在界面上的破坏源小颗粒，直径约为0.1-0.4mm。这些小颗粒都是在距玻璃表面有一定深度的拉应力层，如图4所示。图4中的痕迹清楚地显示了破坏过程，**由于颗粒膨胀在玻璃的拉应力区引起局部一次开裂，进而产生二次破裂和整体破碎。 　　为了进一步分析这些破坏源小颗粒的形貌和成分，将这些碎片在相同的条件下进行扫描电镜观察和能谱分析。结果表明导致钢化玻璃自爆的杂质颗粒不仅仅是硫化镍颗粒，很多情况下是由于其它的异质相颗粒如单质多晶硅、氧化铝和硅铝酸钠等引起的。在我们所找到的9块样品中，有5块是单质多晶硅、2块是NiS，1块是Al2O3,1块是Na2Al2Si5O10。正是由于很多自爆现象都是由这些异质相颗粒所引起的，所以国内外钢化玻璃企业针对硫化镍所进行的均质处理，并不能完全避免钢化玻璃服役过程中的自爆现象。 　　由于单质多晶硅、氧化铝和硅铝酸钠等颗粒造成钢化玻璃自爆的机理非常类似，所以我们以典型的异质颗粒单质多晶硅为例说明这类颗粒引起的钢化玻璃自爆的机理。图5是典型的异质颗粒单质多晶硅的截面图以及沿图中白线所采集的能谱分析结果。 　　颗粒大部分都是圆球形状的，表面非常圆滑，如图5所示。测得其显微硬度值为6.5GPa，比周边的玻璃硬度（5.4GPa）要高一些。单质硅的膨胀系数约为3～5×10－6K-1,而普通钠钙硅玻璃的膨胀系数大约是其两倍。在玻璃的降温过程中周边的玻璃对单质硅球形颗粒产生越来越大的压应力，反之单质硅微粒对周边的玻璃形成相同的径向压应力和切向拉应力。对于物理钢化玻璃，表面受压应力，中间是与表面压应力保持平衡的拉应力区。单质硅颗粒周围的切向拉应力与钢化玻璃的拉应力叠加，使得颗粒周围垂直于玻璃面的平面拉应力达到**大，当这种局部拉应力达到一定程度就可导致玻璃破裂。同时当**大拉应力接近玻璃的断裂强度便形成一种危险的不稳定系统，一旦有温度变化或者外部受力，局部应力峰值就可能超过强度值而发生破坏。从图4中可以看出颗粒边缘处的玻璃受到挤压并在切向有开裂的痕迹。玻璃中的局部应力主要是由于玻璃和单质硅颗粒的膨胀系数之差所引起。根据弹性理论，这种挤压应力主要由温差和两种材料膨胀系数之差及弹性系数所决定。在颗粒周边的玻璃中应力状态是球对称分布，并且随距离而快速衰减，径向和切向应力的**值相差一倍，即**大径向应力的**值是同一点切向应力的两倍。它们可以表示为：（略） 　　颗粒将受到静水压力，反之受到静水拉力。对于硅颗粒在玻璃基体中，降温过程温差是负的，所以颗粒周边的径向应力是压力，切向应力是拉力，所以切向应力是裂纹启始的根源。 　　上述公式表明，为了进一步认识颗粒周边的应力分布和断裂机理，采用有限元方法对温差和膨胀系数的不一致引起的局部应力进行模拟。有限元网格划分为40000单元，温差为600℃，硅颗粒和玻璃的弹性模量分别为110GPa和70GPa，颗粒周边的剪切应力分布的计算结果如图6（a）所示。它表明降温过程中颗粒周边确实有较大的应力集中，而且这种应力梯度随颗粒尺寸的增大而增大，也就是说，颗粒越大，存在拉应力的厚度层越大，也就越容易导致破坏。这种结果也可以从图6（b）中两个颗粒周边的应力层厚度比较看出明显的应力层厚度差别。从理论计算公式来看，只要材料参数和温度参数给定，颗粒边缘的**大拉应力就可以算出，而且该应力峰值与颗粒大小无关。但当颗粒很小的时候往往不会导致破裂，这是由于应力所占的空间不足以使得断裂发生，根据均强度准则[13]，脆性材料的断裂起始取决于跟材料性能相关的区域内的平均应力，而不是取决于一点的应力峰值。因此，小颗粒边缘一点的应力峰值虽然达到强度值，但不能引起开裂。单质硅的热膨胀系数比玻璃基体的热膨胀系数小，玻璃生产时在玻璃缓慢冷却过程中单质硅周围的挤压应力逐渐增大，从而在周围的玻璃中产生较大的切向拉应力，当这些区域正好处于钢化玻璃的拉应力区时，该颗粒周边的应力集中可能导致玻璃的破裂。由于该处的应力总是大于其他地方，即使没有达到破坏应力，当受到一定的外力或变温时，破坏也总是会从该处开始。由于单质硅颗粒在降温过程中使玻璃产生局部应力，常规的均化炉升温过程很难引爆含有硅颗粒的钢化玻璃。因此，含有单质硅颗粒的钢化玻璃很难在常规的均化过程中排除。 　　 　　4结论 　　通过对不同场合发生自爆的钢化玻璃的破坏源玻璃碎片横截面的分析，发现引起钢化玻璃自爆的来源不仅仅是传统认识中的硫化镍微粒，还有许多其它异质相颗粒如：单质硅、氧化铝和硅铝酸钠等。在收集到的总共9个案例中引起自爆的小颗粒中发现有5块是单质多晶硅、2块是NiS，1块是Al2O3,1块是Na2Al2Si5O10。玻璃中的裂纹萌发和扩展主要是由于异质颗粒引起的残余拉应力和玻璃本身残余应力综合作用所导致。造成钢化玻璃自爆的应力主要有两类：一类是由于相变过程所产生的应力，另一类是由于异质颗粒与玻璃的热膨胀系数不匹配而产生的残余应力。

参考文献 [1] Foss, R.V., Safety glass test developments [C], Proc. of 5th Glass Processing Days, 1997, （1）, 96~100 [2] Hattis, D, Role and significance of human requireme nts and architecture in application of the performance concept in building [C], In Proc. 3rd CIB-ASTM-ISO-RILEM International Symposium, Tel Aviv, Israel, Becker. R. and Paciuk. M. （Eds）, 1996, （1）. 1~3 [3] Ballantyne E.R., C.S.I.R.O., Fracture of toughened glass wall cladding [R], Division of Building Research, Melbourne Australia Report, 1961, No. 061~5 [4] 龙文志, 玻璃幕墙癌症－钢化玻璃自爆[J]，建筑技术，2006，（5），7~12 [5] 周天辉，钢化玻璃自爆及应力无损测定方法[J]，建筑玻璃与工业玻璃，1996，（4），21~23 [6] Brungs M.P., Sugeng X.Y., Some solutions to the nickel sulphide problem in toughened glass [J], Glass Technology, 1995, 36（4）, 107~110 [7] Swain M.V., A fracture mechanism description of the microcracking about NiS inclusions in glass [J], Journal of Non Crystalline Solids, 1980, （38~39）, 451~456 [8] Swain M.V.,　Nickel sulfide inclusions in glass: an example of microcracking induced by a volumetric expa nding phase change [J], Journal of Material Sciences, 1981, （16）, 151~158 [9] Jacob L., A review of the nickel sulphide induced fracture in tempered glass [C], Proceeding on Glass Processing Days, 2001, （18~21）, 108~110 [10] Bordeaux F., Kasper A., Reliable and shorter heat soak test to avoid spontaneous fracture of heat streng-thened and tempered glasses[C], Proceeding on Glass Processing Days, 1997, （13~15）, 85~89 [11] Sakai C., Kikuta M., Adapted heat treatment for phase transformation of NiS inclusion in the heat streng thened and tempered glass [C], Proceeding on Glass Processing Days, 1999, （13~16）, 76~78 [12] Bao,Y.W., Liu,C.C., Huang,J.L., Effects of residual stresses on strength and toughness of particlereinforced TiN/Si3N4 composite: Theoretical investigation and FEM simulation [J]，Materials Science and Engineering A，2006，（434）, 250~258 [13] Bao Y.W., Jin Z.Z., Size Effects and a Mean-Strength Criterion For Ceramics [J]，J. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structure, 1993, 16 [8], 829~835