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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、抗折強度僅為抗壓強度的1/10～1/15 。

在外力的作用下，這些裂紋和缺陷附近會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，當應力達到一定程度時，裂紋就開始擴展而導致斷裂。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)是裂紋擴展。

該理論進一步指出，材料的斷裂強度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定于裂紋的大小，即是由最危險的裂紋尺寸（臨界裂紋尺寸）決定材料的斷裂強度，如式（1）所示。

s_c= 根號下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 —臨界應力；

s—外加應力；

E—彈性模量；

g—斷裂表面能；

C—裂紋半長；

G—裂紋擴展力。

一旦裂紋超過臨界尺寸，裂紋就迅速擴展而斷裂 。從式（2）可見，裂紋擴展力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動加速，變成動能；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，導致玻璃強度降低（達到臨界應力）的因素只有裂紋長度。本文試從浮法高溫玻璃生產(chǎn)過程分析導致裂紋起源與擴展的因素。

1　退火應力的影響

玻璃中的應力分為熱應力、結構應力和機械應力3類。在浮法生產(chǎn)控制過程中，熱引力與結構用力最終決定了玻璃中的殘余應力。機械應力是外力的作用，是直接導致玻璃在堆垛、運輸和冷加工過程中應力集中而引起裂紋擴展的原因。 在玻璃的搬運過程中機械應力不可避免，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)生熱應力是最普遍的應力；玻璃組成的不均勻而產(chǎn)生的結構應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)生的熱應力有平面應力和端面應力兩種表現(xiàn)形式。平面應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。所以影響玻璃強度的應力主要體現(xiàn)在玻璃厚度上的端面應力，即上下表面的壓應力和中部的張應力。端面應力小，屬于過退火，玻璃強度低；端面應力大，玻璃強度高，直至影響玻璃的切割，端面應力大的極端就是鋼化。增加玻璃表面的壓應力，是有效阻止微裂紋擴展的重要因素。

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

（1）設計合理的退火窯，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）應避免熱態(tài)切割，讓永久應力在橫掰、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　結構應力的影響

結構應力的本質(zhì)是玻璃組成不均勻引起的應力集中現(xiàn)象。典型的微缺陷是小氣泡和小結石，在側面光檢查中容易發(fā)現(xiàn)；小結瘤和小的光畸變點不容易察覺，輕微的淋子不影響光學變形角的質(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，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；

④熔化工藝的調(diào)整或波動；

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；

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，靈敏反應玻璃成分的變化趨勢。

（3）分析玻璃帶條紋的變化，及時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系。冷卻部的玻璃液進入流槽是由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間差，玻璃成分或熔化工藝的波動導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度差別大的原因之一。

3　錫槽內(nèi)的離子交換反應

玻璃液進入錫槽，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和擴散反應。

下表面的離子交換反應 ：

Me²⁺+SnO=MeO+Sn²⁺

2Me⁺+SnO=Me₂O+Sn²⁺

上表面的離子交換反應：

Me²⁺ +H₂O=2H⁺+MeO

2Me⁺+H₂O=2H⁺+Me₂O

上下表面的擴散反應：

2OH^-+Me²⁺=MeO+H₂O

2OH^-+2Me+=Me₂O+H₂O

導致：

（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力，使得浮法高溫玻璃的強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力大于下表面，下表面機械強度比上表面低。

（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，玻璃表面產(chǎn)生微皺紋，導致虹彩缺陷的產(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散，是提高玻璃強度的因素，也是下表面強度低的原因。

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

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)濟意義，更是提高玻璃強度的需要。

4　玻璃下表面炸口

過渡棍臺是浮法高溫玻璃成形與退火工藝的連接設備，在此玻璃帶從錫液面上抬起轉變?yōu)檩佔虞斔停�玻璃帶受向上的外力，同時密閉的保護氣體空間消失，氣體的流動變得復雜，易形成浮法高溫玻璃下表面炸口缺陷 ，嚴重時從過渡棍臺和退火窯入口的間隙可見裂紋，更嚴重時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。這是因為：一是玻璃帶處于塑彈性范圍，內(nèi)部質(zhì)點遷移消除了裂紋擴展力；二是表面壓應力的形成使裂紋閉合。這種缺陷的分布特點是玻璃帶兩側重于中部，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。這往往與過渡棍臺的設計結構有直接的關系。

5　結語

從微裂紋斷裂力學角度考慮，浮法高溫玻璃強度與退火應力、結構應力、錫槽內(nèi)的離子交換反應和下表面炸口缺陷等有著密切的關系，這些因素直接導致裂紋起源或擴展。

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

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