玻璃的退火与淬火

4.1.3 玻璃中的机械应力
▪ 由外力作用在玻璃上引起的应力，当外力 除去时应力随之消失，此应力称机械应力。
▪ 在生产过程中，若对玻璃制品施加过大的 机械力会使玻璃制品破裂。如模型歪扭， 开模时所造成的制品撕裂，切割时用力过 猛使制品破裂等。
4.2 玻璃的退火
▪ 定义：消除玻璃制品在成形或热加工后
厚度为2a厘米的玻璃以恒速加热达到稳定状态时，中
心及表面的温度差为：
ha2
T
2k
式中h——加热速率（℃/分），k——玻璃导热系数。 阿丹姆斯及威廉逊求得玻璃的最大加热速度为：
ha
130 a2 (
C/
分）
式中a——玻璃厚度，空心玻璃制品为总厚度，实心
制品为厚度的一半。
为安全起见，一般技术玻璃取最大加热速度的15-
▪ 在温度低于应变点时，处于弹性变形温度 范围内(即脆性状态)的玻璃在经受不均匀 的温度变化时所产生的热应力，随温度梯 度的存在而存在，随温度的梯度的消失而 消失，这种应力称为暂时应力。
图4-1 玻璃暂时应力产生示意图 温度分布曲线； 应力分布曲线
2、永久应力（permanentstress）
▪ 当玻璃内外温度相等时所残留的热应力。 ▪ 由于应变点以上的玻璃具有粘弹性，即此
玻璃的退火与淬火
第四章 玻璃的退火与淬火
▪ 4.1 玻璃的应力 ▪ 4.2 玻璃的退火 ▪ 4.3 玻璃的淬火
4.1 玻璃的应力
▪ 4.1.1 玻璃中的热应力 ▪ 4.1.2 玻璃中的结构应力 ▪ 4.1.3 玻璃中的机械应力
4.1.1 玻璃中的热应力
1、暂时应力（temporary stress）
4.2.2 玻璃退火工艺
▪ 玻璃的退火制度与制品的种类、形状、大小、 容许的应力值、退火炉内温度分布等情况有 关。
▪ 一般根据退火原理，退火工艺可分为四个阶 段：加热阶段、均热阶段、慢冷阶段和快冷 阶段。
▪ 按上述四个阶段可作出温度-时间曲线，此曲 线称为退火曲线。
图4-3 玻璃退火曲线示意图 I-加热阶段；Ⅱ-均热阶段；Ⅲ-慢冷阶段；Ⅳ-快冷阶段
由上式可得出冷却速度
h0：
h0
6(1) E(a2 3x2)
▪ 在温度较高阶段,由温度梯度产生的热弹性 应力松弛速度很大，转变成永久应力的趋势 也大，所以初冷速率应最低。
▪ 最初的慢冷速度 h0(℃/min)为：
n h0 13a 2
温度↓，应力松弛速度↓，慢冷速度↑
t ht h0(1300)(C/min)
a2 t 520
n
▪ 式中Δn ——玻璃退火后允许存在的内应力， nm/cm。
3、慢冷阶段
▪ 在玻璃中原有应力消除后，必须防止在降温过 程中由于温度梯度而产生新的应力。
▪ 阿丹姆斯及威廉逊提出内应力与冷却速度的关
系： Eh0 (a23x2) 6(1)
α——膨胀系数；E——弹性模量； λ——导热系数；μ——泊松比； h0——冷却速度；a——制品厚度的一半； x——应力测试点离壁厚中线的距离。
式中 h0 ——在开始时的冷却速度； ht ——在t℃时的冷却速度。
慢冷阶段的结束温度，必须低于玻璃 的应变点。
▪ 最低退火温度（退火下限温度）——在此温 度下经三分钟只能消除应力5％；
▪ 退火温度范围——最高退火温度至最低退火 温度之间的范围。
▪ 一般：最高退火温度-(20~30)℃ ~ 最高退火温 度-(50~150℃)
2、退火温度与玻璃的关系
▪ 玻璃的退火温度与其化学组成有关，凡能降低玻 璃粘度的组成，也能降低退火温度。
1．加热阶段
▪ 一次退火：成型后直接进入退火炉进行退火； 二次退火：成型冷却后再经加热退火。
▪ 在加热过程中，玻璃表面产生压应力，内层受 张应力，由于玻璃抗压强度是抗张强度的十倍， 所以加热速率可相应高些。
▪ 在加热过程中由温度梯度所产生的暂时应力与 固有的永久应力之和不能大于其抗张强度极限， 否则将发生破裂。
4.2.1 玻璃的退火温度
1、玻璃的退火温度及退火温度范围
▪ 为了消除玻璃中的永久应力，必须将玻璃 加热到低于玻璃转变温度Tg附近的某一温 度进行保温均热，以消除玻璃各部分的温 度梯度，使应力松弛。这个选定的温度， 称为退火温度。
▪ 最高退火温度（退火上限温度）——在此温 度下经三分钟能消除应力95%，一般相当于 退火点（η=1012帕·秒）的温度；
20%，即20/a2~30/a2。光学玻璃取其5%以下。
2、均热（保温）阶段
▪ 将制品在退火温度进行保温、均热，主要目 的是消除快速加热时产生的温度梯度，并消 除制品中所固有的内应力。
▪ 主要参数是退火温度和在此温度下的保温时 间。
▪ 玻璃的退火温度，可采用比最高退火温度低 20-30℃，或者通过计算或测定求得。在退火 温度下的保温时间，可按 70a2 - 120a2 计算， 或者按应力允许值进行计算
时的玻璃为可塑状态，在受力后会产生位 移和变形，使由温度梯度所产生的内应力 消失，这个过程称为应力松弛过程。
图4-2 玻璃永久应力产生示意图 温度分布曲线； 应力分布曲线
4.1.2 玻璃中的结构应力
▪ 玻璃因化学组成不均导致结构上的不均而产 生的应力称结构应力，属于永久应力。
▪ 玻璃中的成分不均体，其热膨胀系数与主体 玻璃不相同，因而主体玻璃与不均体的收缩、 膨胀量也不相同，在其界面上产生了应力。 这种由于玻璃固有结构造成的应力，即使退 火也不能消除这类应力。
▪ 碱金属氧化物能显著地降低玻璃的退火温度，其 中Na2O的作用大于K2O的作用。
▪ SiO2，CaO和Al2O3能提高退火温度，BaO和 PbO降低退火温度，PbO的作用大于BaO的作用， ZnO和MgO的作用很小。
▪ 含B2O315-20%左右的玻璃，其退火温度将随着 B2O3含量的增加而显著地提高，超过15-20%的 则随着B2O3含量的增加而降低。
残留在制品内的永久应力的过程。
▪ 目的：防止炸裂和提高玻璃的机械强度。
表4-1 各种玻璃的允许应力（以光程差表示）
玻璃种类
nm/cm 玻璃种类
光学玻璃精密退火 2-5
百度文库
镜玻璃
光学玻璃粗退火 10-30 空心玻璃
望远镇、反光镜
20
玻璃管
平板玻璃
20-95 瓶罐玻璃
nm/cm 30-40
60 120 50-400