玻璃是典型的脆性材料，存在許多裂紋或缺陷。據(jù)測定，在1mm²玻璃表面上含有300個(gè)左右的微裂紋，它們的深度為4～8 nm。微裂紋的存在使玻璃的抗張、抗折強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/10～1/15 。

在外力的作用下，這些裂紋和缺陷附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋就開始擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。這就是格里菲斯微裂紋脆性斷裂理論，指出脆性斷裂的本質(zhì)是裂紋擴(kuò)展。

該理論進(jìn)一步指出，材料的斷裂強(qiáng)度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定于裂紋的大小，即是由最危險(xiǎn)的裂紋尺寸（臨界裂紋尺寸）決定材料的斷裂強(qiáng)度，如式（1）所示。

s_c= 根號(hào)下2EG/πC——（1） 由于網(wǎng)頁無法顯示更好，閱讀是請注意！

G =πpCs²/E——（2）

式中：s_c —臨界應(yīng)力；

s—外加應(yīng)力；

E—彈性模量；

g—斷裂表面能；

C—裂紋半長；

G—裂紋擴(kuò)展力。

一旦裂紋超過臨界尺寸，裂紋就迅速擴(kuò)展而斷裂 。從式（2）可見，裂紋擴(kuò)展力G隨裂紋尺寸的增加而增大，釋放出多余的能量一方面使裂紋運(yùn)動(dòng)加速，變成動(dòng)能；另一方面，多余的能量還能使裂紋增值，產(chǎn)生分枝形成更多的新表面。

根據(jù)上述公式，就一條浮法線的產(chǎn)品而言，彈性模量E和斷裂表面能g恒定，導(dǎo)致玻璃強(qiáng)度降低（達(dá)到臨界應(yīng)力）的因素只有裂紋長度。本文試從浮法高溫玻璃生產(chǎn)過程分析導(dǎo)致裂紋起源與擴(kuò)展的因素。

1　退火應(yīng)力的影響

玻璃中的應(yīng)力分為熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力3類。在浮法生產(chǎn)控制過程中，熱引力與結(jié)構(gòu)用力最終決定了玻璃中的殘余應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力是外力的作用，是直接導(dǎo)致玻璃在堆垛、運(yùn)輸和冷加工過程中應(yīng)力集中而引起裂紋擴(kuò)展的原因。 在玻璃的搬運(yùn)過程中機(jī)械應(yīng)力不可避免，只能通過包裝、吊裝和堆放等環(huán)節(jié)使其最小化和均勻。

玻璃退火過程中的溫度差產(chǎn)生熱應(yīng)力是最普遍的應(yīng)力；玻璃組成的不均勻而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要是玻璃中的微缺陷引起的。

浮法高溫玻璃在退火過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力有平面應(yīng)力和端面應(yīng)力兩種表現(xiàn)形式。平面應(yīng)力在玻璃切割后通過形變得以釋放，尤其是玻璃板的長度小于玻璃帶的凈板寬時(shí)。所以影響玻璃強(qiáng)度的應(yīng)力主要體現(xiàn)在玻璃厚度上的端面應(yīng)力，即上下表面的壓應(yīng)力和中部的張應(yīng)力。端面應(yīng)力小，屬于過退火，玻璃強(qiáng)度低；端面應(yīng)力大，玻璃強(qiáng)度高，直至影響玻璃的切割，端面應(yīng)力大的極端就是鋼化。增加玻璃表面的壓應(yīng)力，是有效阻止微裂紋擴(kuò)展的重要因素。

玻璃端面應(yīng)力主要取決于退火區(qū)的溫降速度，速度快，玻璃密度小，端面應(yīng)力大；速度慢，玻璃密度大，端面應(yīng)力小。在生產(chǎn)過程中應(yīng)注意以下問題：

（1）設(shè)計(jì)合理的退火窯，生產(chǎn)3~12 mm玻璃，退火區(qū)的參數(shù)不調(diào)整也能正常生產(chǎn)。這種情況下，薄玻璃易出現(xiàn)過退火現(xiàn)象。

（2）應(yīng)避免熱態(tài)切割，讓永久應(yīng)力在橫掰、縱掰過程中充分顯示，以便調(diào)整退火參數(shù)。

（3）取樣檢查玻璃冷態(tài)時(shí)玻璃板橫、縱方向的彎曲度和平整度，以便調(diào)整玻璃帶出錫槽或退火窯入口的溫度，以及退火區(qū)上下表面溫度。

2　結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

結(jié)構(gòu)應(yīng)力的本質(zhì)是玻璃組成不均勻引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象。典型的微缺陷是小氣泡和小結(jié)石，在側(cè)面光檢查中容易發(fā)現(xiàn)；小結(jié)瘤和小的光畸變點(diǎn)不容易察覺，輕微的淋子不影響光學(xué)變形角的質(zhì)量要求，比較容易忽視；端面照相的條紋分析可發(fā)現(xiàn)淋子并找出原因。可見，減少各種微缺陷的數(shù)量，是避免微裂紋擴(kuò)展的有效因素。

引起微缺陷的因素較多，概括如下：

①原料成分的波動(dòng)，包括外購碎玻璃的比例和加入均勻程度；

②砂子主產(chǎn)地的變化；

③玻璃成分的調(diào)整或波動(dòng)；

④熔化工藝的調(diào)整或波動(dòng)；

⑤流道溫度的調(diào)整；

⑥拉引量的變化；

⑦錫槽工藝制度的調(diào)整或波動(dòng)；

⑧與玻璃液接觸耐火材料質(zhì)量的影響。

對于生產(chǎn)狀態(tài)正常的浮法線，在力求原燃材料和工藝制度穩(wěn)定的前提下，采取如下措施穩(wěn)定生產(chǎn)：

（1）在配料中引入氧化鐵粉，避免因原料含鐵量的變化引起熔化對流的變化。

（2）每天做玻璃再退火的密度，消除生產(chǎn)過程中退火因素的影響，使用恒定的再退火溫度曲線，靈敏反應(yīng)玻璃成分的變化趨勢。

（3）分析玻璃帶條紋的變化，及時(shí)掌握玻璃液對流的變化趨勢。

最近幾年投產(chǎn)的一些大型浮法生產(chǎn)線，淋子出現(xiàn)的幾率較高，這與熔窯冷卻部的對流有直接關(guān)系。冷卻部的玻璃液進(jìn)入流槽是由3部分組成：一是從熔化部直接過來的主成形流；二是冷卻部回流到卡脖的玻璃液重新加入成形流形成的二次回流；三是經(jīng)多次回流最終加入到成型的玻璃液。多次回流的玻璃液與主成形流存在較大的時(shí)間差，玻璃成分或熔化工藝的波動(dòng)導(dǎo)致了玻璃板的組成不均勻，主要體現(xiàn)在玻璃帶的中間淋子重，兩邊輕。雖然玻璃液進(jìn)入錫槽前已產(chǎn)生淋子，但生產(chǎn)薄玻璃的過度拉引或不合理的拉引，會(huì)加重玻璃帶的淋子現(xiàn)象。

這種輕微的淋子的存在，是浮法高溫玻璃上下表面耐沖擊強(qiáng)度差別大的原因之一。

3　錫槽內(nèi)的離子交換反應(yīng)

玻璃液進(jìn)入錫槽，攤開的玻璃帶其上下表面發(fā)生堿及堿土金屬離子交換反應(yīng)和擴(kuò)散反應(yīng)。

下表面的離子交換反應(yīng) ：

Me²⁺+SnO=MeO+Sn²⁺

2Me⁺+SnO=Me₂O+Sn²⁺

上表面的離子交換反應(yīng)：

Me²⁺ +H₂O=2H⁺+MeO

2Me⁺+H₂O=2H⁺+Me₂O

上下表面的擴(kuò)散反應(yīng)：

2OH^-+Me²⁺=MeO+H₂O

2OH^-+2Me+=Me₂O+H₂O

導(dǎo)致：

（1）玻璃帶的上下表面都有堿及堿土金屬離子的損耗，玻璃表面最終形成壓應(yīng)力，使得浮法高溫玻璃的強(qiáng)度整體高于引上玻璃。

（2）由于上表面的羥基損耗高于下表面，所以玻璃上表面的壓應(yīng)力大于下表面，下表面機(jī)械強(qiáng)度比上表面低。

（3）錫槽中Sn²⁺滲入到玻璃的下表面。Sn²⁺離子80%集中在1μm的表面內(nèi)，出錫槽后的高溫階段Sn²⁺氧化成Sn⁴⁺，引起體積膨脹。滲錫量大時(shí)，玻璃表面產(chǎn)生微皺紋，導(dǎo)致虹彩缺陷的產(chǎn)生。

錫槽成形過程的高溫階段，有利于堿及堿土金屬氧化物的擴(kuò)散，是提高玻璃強(qiáng)度的因素，也是下表面強(qiáng)度低的原因。

同時(shí)，Sn²⁺離子交換也得以加強(qiáng)。雖然滲錫必然導(dǎo)致微裂紋數(shù)量的增加，但均勻和少量的滲錫，產(chǎn)生大量極微細(xì)裂紋，也能吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展。

滲錫是不可避免的，所以在工藝操作中高溫階段降低錫液中Sn²⁺含量，不僅具有經(jīng)濟(jì)意義，更是提高玻璃強(qiáng)度的需要。

4　玻璃下表面炸口

過渡棍臺(tái)是浮法高溫玻璃成形與退火工藝的連接設(shè)備，在此玻璃帶從錫液面上抬起轉(zhuǎn)變?yōu)檩佔(zhàn)虞斔停�玻璃帶受向上的外力，同時(shí)密閉的保護(hù)氣體空間消失，氣體的流動(dòng)變得復(fù)雜，易形成浮法高溫玻璃下表面炸口缺陷 ，嚴(yán)重時(shí)從過渡棍臺(tái)和退火窯入口的間隙可見裂紋，更嚴(yán)重時(shí)玻璃板上有肉眼可見炸口。

浮法高溫玻璃下表面炸口與輥傷（硌痕、輥痕）是兩種不同的缺陷，較為少見，尤其是輕微的缺陷即便在線上可見，最終的玻璃板肉眼卻看不出炸口來；這種明顯的裂紋，也沒有造成斷板事故的增加。這是因?yàn)椋阂皇遣Ａ�帶處于塑彈性范圍，�?nèi)部質(zhì)點(diǎn)遷移消除了裂紋擴(kuò)展力；二是表面壓應(yīng)力的形成使裂紋閉合。這種缺陷的分布特點(diǎn)是玻璃帶兩側(cè)重于中部，厚玻璃重于薄玻璃。

解決浮法高溫玻璃下表面炸口的關(guān)鍵，是避免玻璃帶抬起及抬起前后的下表面急冷。這往往與過渡棍臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。

5　結(jié)語

從微裂紋斷裂力學(xué)角度考慮，浮法高溫玻璃強(qiáng)度與退火應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、錫槽內(nèi)的離子交換反應(yīng)和下表面炸口缺陷等有著密切的關(guān)系，這些因素直接導(dǎo)致裂紋起源或擴(kuò)展。

從生產(chǎn)角度上考慮，改善玻璃破損問題的線索多而繁雜，往往需要較長的時(shí)間來排除。所以最好的避免破損問題的辦法就是，耐沖擊強(qiáng)度測試日常化，當(dāng)強(qiáng)度有下降的趨勢或上下表面的強(qiáng)度差增加時(shí)提前解決。

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