玻璃退火应力
浮法玻璃退火产生的缺陷及控制
浮法玻璃中退火产生的缺陷及控制理工大学战营一、玻璃的退火玻璃退火的目的是减弱和防止玻璃制品中出现过大的剩余应力和光学不均匀性，稳定玻璃部的构造。
玻璃的退火可分成两个主要过程：一是玻璃中应力的减弱或消失，二是防止应力的重新产生。
玻璃中应力的减弱和消除是以松弛理论为根底的，所谓应力松弛是指材料在分子热运动的作用下使应力消散的过程，应力的松弛速度在很大程度上决定于玻璃所处的温度。
玻璃在加热或冷却过程中，由于其导热性较差，在其外表层和层之间必然产生温度梯度，因而在外层之间产生应力。
这种由于温度梯度存在而产生的应力称为温度应力或热应力，此种应力的大小，既取决于玻璃中的温度梯度，又与玻璃的热膨胀系数有关〔玻璃的化学成分决定玻璃的热膨胀系数〕。
热应力按其存在的特点可分为暂时应力和永久应力。
暂时应力，当玻璃受不均匀的温度变化时产生的热应力，随着温度差的存在而存在，随温度差的消失而消失，被称为暂时应力。
应力的建立和消失过程。
当制品冷却开场时，因为玻璃的外层冷却速度快，所以外部温度比部温度低，外层收缩大，而这时层温度较高，且力求阻碍外层收缩，这样造成玻璃外层产生应力，部产生压应力。
在应力过渡到压应力之间存在着中间层，其应力值为零。
当冷却接近完毕时，外层体积几乎不再收缩，但此时玻璃部仍有一定的温度，其体积力求收缩，此时造成外部受压应力，层受应力。
由此可见，在冷却完毕时，产生的应力恰好和冷却开场时产生的应力性质相反，两者可以得到局部抵消。
冷却全部完毕时，即当玻璃的外层温度和层温度趋向完全一致时，上述两种应力恰好抵消。
我们称这种应力为暂时应力。
永久应力，当温度消失时〔制品的外表和部温度均等于常温时〕，残留在玻璃中的热应力称为永久应力，又称为应力。
玻璃中永久应力的成因，是由于在高温的弹塑性阶段热应力松弛而形成的温度变形被“冻结〞下来的缘故。
当玻璃板逐渐冷却到室温均衡时，玻璃中残存的应力实际等于玻璃在高温阶段松弛掉的热弹应力，但方向相反。
浮法玻璃退火窑的热机械应力与变形模拟
浮法玻璃退火窑的热机械应力与变形模拟浮法玻璃是当前广泛应用于建筑、汽车等行业的重要材料之一。
在浮法玻璃生产过程中，退火窑是一个关键的环节，用于消除玻璃板的内部应力和变形，以提高其质量和稳定性。
在退火过程中，热机械应力与变形是一个十分重要的问题，本文将对浮法玻璃退火窑的热机械应力与变形进行模拟分析。
热机械应力与变形的产生是由于玻璃在退火过程中受到热膨胀和冷却收缩的影响，导致玻璃板出现内部应力和变形。
在退火窑中，玻璃板首先会经历加热阶段，高温下的热膨胀使得玻璃板产生应力和变形，然后在冷却阶段，玻璃板受到较低温度的影响而收缩，进一步引起内部应力和变形。
因此，了解和控制热机械应力与变形是优化退火过程、提高玻璃品质的关键。
为了模拟浮法玻璃退火窑的热机械应力与变形，首先需要选取合适的数值模型和材料参数。
一般使用有限元方法来模拟退火过程中的应力和变形，将玻璃板分割成小单元，对每个单元进行力学计算。
在建立有限元模型时，需要考虑玻璃板的几何形状和尺寸，并通过试验数据得到玻璃的力学参数，如杨氏模量、热膨胀系数等。
在数值模拟过程中，需要考虑热传导、热膨胀和力学应力之间的相互作用。
首先，需要确定退火窑内的温度分布，可以通过热传导方程来模拟热传导过程。
然后，结合玻璃的热膨胀系数和材料参数，计算热膨胀引起的应力和变形。
最后，通过求解力学平衡方程，确定玻璃板在退火过程中的应力状态。
在模拟分析中，还需要考虑一些影响热机械应力与变形的因素。
首先是退火窑的加热速率和降温速率，过快的加热和冷却会导致较大的应力和变形。
另外，退火窑的温度分布不均匀也会导致玻璃板出现应力集中和变形。
因此，在实际操作中，需要优化退火窑的设计和控制，以减小热机械应力与变形的影响。
为了验证数值模拟结果的准确性，可以进行实验测量和模拟分析的对比。
通过在实际退火窑中安装应变计和温度传感器，可以测量玻璃板的应力和变形，并与数值模拟结果进行对比。
若实验数据与模拟结果吻合较好，则说明数值模拟方法可以用于预测和控制热机械应力与变形。
玻璃退火的应力分析_张景超
第36卷第3期燕山大学学报V ol.36No.3 2012年5月Journal of Yanshan University May20120引言目前，玻璃的生产方法主要是浮法，浮法玻璃制品广泛应用于建筑、交通以及各个经济部门。
随着电子、化工、轻工、机械等行业的迅速发展和市场竞争的日趋激烈，对玻璃的质量要求越来越高，同时工业能源的资源也日趋紧张，因此缩短开发周期，优化工艺过程，提高产品质量，降低生产成本，已经成为生产的急切要求。
玻璃热应力的消除控制直接影响了玻璃的质量，所以对玻璃退火应力的分析变得非常的重要。
孙承绪等建立了浮法玻璃退火过程中玻璃带内温度场的数值计算与制图方法，给出了玻璃带厚度方向温度场的分布随时间的变化关系，用RD2-3型改进应力松弛试验机检测了6mm厚玻璃在570~480℃区间的应力情况[1]。
邵宏根通过有限元方法分析了不同厚度玻璃在相同热流密度条件下的降温情况和上下表面热流密度差对玻璃温度场的影响[2]。
林亢对玻璃退火上下限温度进行了论述，阐述了热应力的产生和变化机制，定性的分析了冷制品重热后再退火和热制品连续退火过程中玻璃温度和应力的变化情况，对热应力、结构应力和永久应力进行了计算[3-6]。
韩文梅等基于ANSYS 软件模拟分析了航空层合玻璃的热应力最大值和最小值随温度的变化规律[7]。
冯跃冲基于ANSYS 软件对退火窑进行了模拟计算，计算了玻璃的永久应力[8]，但没有给出玻璃应力在退火过程中具体变化规律。
随着计算机的发展和计算技术的不断提高，数值模拟技术成为了一种方便、实用的研究方法[9-11]，本文在以上基础上，基于ANSYS有限元软件建立了浮法玻璃的退火模型，得到了玻璃应力和表面层与中间层温度随退火时间的变化规律，并对它们的变化情况进行了理论分析。
得到了B区退火完成时玻璃的表面层和中间层应力、温差在不同退火速度下的量值，给出了它们随退火速度的变化规律。
1基本理论张朝晖编写的《热分析教程与实例解析》书中介绍了ANSYS有限元模拟软件对热应力的模拟计算，分析了由于互相接触的不同结构体或同一结构体的不同部分之间的热膨胀系数不匹配，在加热或冷却时彼此的膨胀或收缩程度不一致，而导致热应力产生的情况[12]。
玻璃的退火过程改善玻璃的抗压性能
玻璃的退火过程改善玻璃的抗压性能玻璃是一种常见的建筑材料和装饰材料，其优良的透明性和质地使其成为许多领域中不可或缺的材料之一。
然而，玻璃的脆弱性常常限制了其在某些应用中的使用。
退火是一种经常被用来改善玻璃抗压性能的工艺，通过在特定的温度范围内加热和冷却玻璃，可以显著提高其抗压性能，使其更加耐用和可靠。
退火是一种热处理工艺，通过加热和冷却材料来改变其内部结构和性能。
在玻璃的制备过程中，由于快速冷却的原因，玻璃中会存在大量的内部压应力。
这些内部压应力会降低玻璃的抗压性能，使其更容易在外力作用下破碎。
因此，需要对玻璃进行退火处理，以消除内部压应力，提高其抗压性能。
退火过程通常包括加热和冷却两个步骤。
在加热过程中，玻璃被加热到退火温度，这个温度通常比玻璃的软化温度略高。
在这个温度下，玻璃的内部结构开始松弛，内部压应力得以释放。
然后，玻璃被冷却到室温，形成新的内部结构，这个结构相对较为稳定，玻璃的抗压性能也得以显著提高。
退火温度是影响退火效果的重要因素之一。
温度过高或者过低都会影响到退火效果。
温度过高可能导致玻璃变得过软，而温度过低则可能无法使内部结构得到充分松弛。
因此，选择合适的退火温度是提高玻璃抗压性能的关键。
此外，退火的时间也是影响退火效果的重要因素之一，时间过长或者过短都可能影响到退火效果的达成。
除了影响玻璃抗压性能的材料本身的因素，退火还受到加热和冷却速率的影响。
加热速率过快或者加热温度过高可能导致玻璃发生热应力，从而影响到退火效果。
同样，冷却速率过快也可能导致内部结构重新产生应力，降低退火效果。
因此，在实际的退火过程中，需要综合考虑加热和冷却速率，以及温度选择等因素，来达到最佳的退火效果。
总的来说，玻璃的退火过程可以显著改善其抗压性能。
通过合理选择退火温度和时间，以及控制加热和冷却速率等因素，可以使玻璃的内部结构得到充分松弛，内部压应力得以释放。
从而提高玻璃的抗压性能，使其更加耐用和可靠。
退火工艺的应用使得玻璃材料在建筑和装饰等领域中能够发挥更大的作用，并且有望在未来得到更广泛的应用。
玻璃如何退火
在制作供应玻璃微珠时最重要的一点就是玻璃退火，那玻璃退火该注意些什么呢?
玻璃退火，就是把具有永久应力的玻璃制品重新加热到玻璃内部质点可以移动的温度，利用质点的位移使应力分散(称为应力松弛)来消除或减弱永久应力。
应力松弛速度取决于玻璃温度，温度越高，松弛速度越快。
因此，一个合适的退火温度范围，是玻璃获得良好退火质量的关键。
高于退火温度限时，玻璃会软化变形：底于退火所需求温度时，玻璃结构实际上可以认为已固定，内部质点已不能移动，也就无法分散或消除应力。
玻璃在退火温度范围内保温一段时间，以使原有的永久应力消除。
之后要以适当的冷却速度冷却，以保证玻璃中不再产生新的永久应力，如果冷却速度过快，就有重新产生永久应力的可能，这在退火制度中用慢冷阶段保障，慢冷阶段必须持续到最低退火温度以下。
玻璃在退火温度以下冷却时，只会产生暂时应力，以节约时间和减少生产线长度，但也必须控制一定的冷却过快时，可能会使产生的暂时应力大于玻璃本身的极限强度而导致制品爆裂
相关参考资料：/。
5 玻璃的退火与退火窑(1)
玻璃退火工艺制度的计算（热风循环强制对流区）
热风循环强制对流区（RET区）：采取对玻璃直接吹循 环热风，使玻璃能以比后退火区大的降温速度或相同的 降温速率冷却，使玻璃带的温度由370~380℃降到 220~240 ℃。
通常又分为两个小区，此区后，一般有一3m的自然冷 却段，后面为直接室温冷却区。
玻璃退火工艺制度的计算（室温风强制对流冷却区）
5.1 退火的原理
温度变形被冻结：应力松弛只消除部分的温度差引起的 暂时应力，当玻璃被冷却到室温并达到内外温度平衡时， 这部分松弛下来的应力就残存下来。
玻璃中内应力的检验方法
原理：玻璃中的内应力使玻璃在光学上的各向同性变为 各向异性，从而使玻璃具有双折射的现象，双折射值的 大小与玻璃中的内应力成正比。光的双折射值可按照玻 璃中单位长度所产生的光程差来表示，测出光程差，根 据不同玻璃的偏光应力系数可以计算出玻璃的内应力。 （例如，对于普通的钠钙硅玻璃，应力系数为 2.85×10-12Pa-1），即0.1MPa的内应力所产生的光 程差约为2.85nm/cm
退火温度制度的确定
退火温度上下限差值：一般在50~100℃。与粘度随温度的 变化特性（料性）有关，料性长，其值偏大。浮法的最高退 火温度在540~570℃，最低退火温度在450~480℃。 制定退火温度制度时需要考虑的问题： 1.退火窑中的温度差：计算时取允许应力的一半进行，保温 时间比实际计算的适当延长，冷却速率适当降低。 2.制品的壁厚影响：厚制品的保温温度应适当降低，保温时 间适当延长。 3. 组成的影响
玻璃退火工艺制度的计算（重要冷却区）
重要冷却区：（按照6mm厚的玻璃计算）：
V----6mm玻璃的拉引速率； C---6mm玻璃在此区域允许的冷却速度（ ℃/Min）， ∆t—玻璃的退火温度上下限差值，取70~80℃ ∆n0—光程差； s—玻璃厚度的一半； LB—退火区的长度，m。 为了获得永久应力比较小的玻璃。玻璃应力的产生主要决定于玻 璃的冷却速度和退火区域内时应力形成的原因：玻璃制品在加热或冷却过程 中，由于其导热性较差，在其表面层和内层之间 必然产生温度梯度，因而在内外层之间产生一定 的热应力。应力的大小与取决于玻璃中的温度梯 度，与玻璃的热胀系数、玻璃 的化学成分有关。
第十章玻璃的退火讲解
热应力:玻璃中由于温度差而产生的应力。
按其存在的特点又可分成暂时应力和永久应力。
玻璃工艺学
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(一)暂时应力: 当玻璃温度低与应变点(=10 13.6Pa.S)时处于弹性 变形温度范围内(>1014Pa.S)即脆性状态时，经受不均 匀的温度变化时产生的热应力。 特点：随温度梯度的产生而产生，随温度梯度的消 失而消失。 暂时应力的产生过程: 在温度低于应变点时,玻璃内结构集团已不能产生粘 滞性流动,主要靠弹性松弛来消除应力。
3、慢冷阶段 为了使制品在冷却后不再产生永久应力或仅产生微小的永久 应力，冷却速度要求较慢，常采用线性降温。 开始冷却速度： ho ＝ （c/ 分） 下降10℃后继续冷却速度：
13a 2
ho h＝ （ 1 2 2
To－T 20
） c/分
H －每降低100c后下一个100c的降温速度 To－退火温度 T－每降低100c后的温度 慢冷阶段结束时温度必须小于或等于应变点温度，否则在快 冷阶段重新产生永久应力而退火无效。
5、容易分相的玻璃制品退火时，退火温度不能过高，退火时 间不能过长，次数要少。
玻璃工艺学
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玻璃工艺学 19
温度
退火温度
上限退火温度
下限退火温度
时间
加热 保温 慢冷 快冷
1、加热阶段 加热时玻璃制品表面为压应力，升温速度可较快：
130 最大升温速度 hc ＝ 2（c/ 分） a a－空心或单面受热的玻璃制品的总厚，cm 实心制品的半厚， cm 玻璃工艺学
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考虑表面微裂纹、缺陷、厚度均匀性及退火炉温度分布均匀 性，一般工业中采用
玻璃工艺学 23
2、形状复杂、厚度大的制品的加热及冷却速度要慢；
玻璃退火过程介绍
在退火阶段（＜1014.5ρ)，玻璃经结构调整减小了结构差（长度差，密度差和热膨胀系数差），趋向于密实化。玻璃的各部在经历的时间， （弹塑性体）、 （弹塑性初态）、 （亚刚体）和 （三者之和）上说，是有差别的。 ，尤其是 较大的单位，相应的密度高，长度短和热膨胀率低。与 ， 较小的部位之间产生了结构差，冷至刚体被固定而不可逆转，形成了永久应力即是结构应力，绝无第二种应力可言。
[1]退火阶段（1011～1014.5ρ，595～516.05 ℃）和后续退火阶段（1014.5～10∞ρ，516.05～30 ℃）
玻璃作结构调整，减小由温差产生的结构差，使冷至刚体时，被固定的、不可逆转的结构差所致的永久应力，符合制品的规定值。历经了最佳、次佳和最次三种退火状态。分别与弹塑性体、弹性体初态和亚刚体的三种物理特性相对应。
冷却过程中，玻璃的黏度呈指数剧增。然而，玻璃的物理特性却是呈现出连续、渐变的规律，总共历经了六个物理特性阶段[1]：
（1）自由流动的熔体
η＝101.88～105ρ，1 500～918.30 ℃[2]Δt＝581.70℃
文献依据：“＜105ρ时，玻璃液能作自由流动；拉薄开始于105.25ρ，893.86 ℃”。
①最佳退火状态（弹塑性体）
温差所致的结构差是玻璃冷至弹塑性体时产生的。并不是冷至弹性体初态的终点，于～1013ρ才产生的。高温下，玻璃的黏度较低，结构基团位移活度大，在均匀的温度场作“顺向位移”结构调整容易进行，减小结构差的效果最好，使制品中残留的永久应力更小之贡献最大。玻璃在弹塑性体阶段处于最佳退火状态。
②次佳退火状态（弹性体初态）
结构基团位移→分子位移。黏度剧增使位移活度锐减，减小结构差的调整明显削弱。玻璃在弹性体初态阶段处于次佳退火状态。
玻璃应力产生的原因及对玻璃的影响
玻璃应力产生的原因及对玻璃的影响从应力产生的原因及对玻璃的影响来分类，可分成二类：（1）平面应力：它是由退火窑横向温度不均引起。
各种在线应力仪测出的就是这种应力。
其大小与退火窑长度无关、即与玻璃带绝对降温速度无关，只取决于玻璃板横向温度分布。
平面应力对玻璃带掰断、掰边影响很大。
掰断去边之后，平面应力大部消失，对玻璃进－步加工影响很小。
对厚玻璃而言, 平面应力引起的问题主要是多缺角, 以及劈边,白渣等。
（2）厚度应力：又叫端面应力，是由玻璃表面与板芯在冷却时所产生的温度差所引起。
它由退火窑长度所决定，在退火窑长度一定时，各区的进出口温度即冷却速度直接决定了应力的大小。
厚度应力不但对玻璃一次生产有影响，而且对后续深加工也有很大影响,它应该是玻璃产品出厂质量的一项重要指标。
厚度应力对厚玻璃生产的影响主要是糖状物；对深加工的影响主要有不易切割,钢化炸炉。
在远离横掰机的玻璃带中,平面应力的方向与玻璃拉引方向平行,只存在纵向的平面应力,不存在横向平面应力。
平面应力转化定律: 在靠近横向掰断的地方,从相当于2倍板宽的距离开始,纵向平面应力数值逐渐减小,慢慢转变为横向平面应力。
在掰断处, 纵向平面应力消失, 横向平面应力达到最大。
此处的横向平面应力数值相当于纵向平面应力原值的1.5倍,应力符号相反。
这种纵向与横向的应力转换对玻璃生产具有重要意义。
我们一般要求玻璃带中部存在较小的平面张应力, 两边部是压应力。
在掰断口,中部的纵向平面张应力转换为与掰断边平行的横向压应力,这种横向压应力起到防止纵裂的作用。
同样道理, 边部的纵向压应力在掰断口转换为横向张应力,正是此横向张应力起到将边子沿刀痕拉开的作用。
厚玻璃应力的一个特点是暂时应力往往是影响生产的重要因素。
厚玻璃不易冷却,在掰断区的温度和温差都比较高,永久应力还没有完全发育,所以暂时应力有着举足轻重的作用。
由于暂时应力形成于退火窑半封闭部分和敞开部分,这些部位的工况易受外界因素的影响,变化较频繁,只有通过定时应力测定,才能及时跟踪工况的变化,有针对性地调整冷却工艺,实现预防问题的产生。
1.玻璃退火退火是为了尽可能地消除或减小玻璃制品在加工
1.玻璃退火Glass annealing退火是为了尽可能地消除或减小玻璃制品在加工成型过程中产生的永久应力，提高制品使用性能的一种热处理过程。
除玻璃纤维和薄壁小型空心制品外，几乎所有玻璃制品都需要退火。
根据玻璃内应力形成原因，退火过程实质上分为两部分：应力的减弱和消失；防止新的应力产生。
●应力的减弱和消失为了达到消除内应力的目的，必须通过加热减小玻璃的粘度，并使玻璃在转变温度Tg附近的某一温度保温均热，使应力松弛。
这一温度称为退火温度。
退火温度又可分为最高退火温度和最低退火温度。
大部分玻璃器皿的最高退火温度为550±20℃；平板玻璃为560±10℃；瓶罐玻璃为550~600℃；铅玻璃为460~490℃；硼硅酸盐玻璃为560~610℃。
低于最高退火温度50~150℃的温度为最低退火温度。
通常使用的退火温度比最高退火温度低20~30℃，作为退火保温温度。
●防止新的应力产生为防止新的应力产生，必须控制退火的冷却过程。
一般将冷却过程分为慢冷过程和快冷过程。
慢冷过程是指严格控制玻璃在退火温度范围内的冷却速度，缓慢冷却，防止在高温阶段出现大温差，再形成永久应力。
快冷的开始速度必须低于应变点，因为在应变点以下玻璃的结构完全固定，这是虽然有温度梯度，也不会形成永久应力。
（参见“永久应力”，“暂时应力”）2.玻璃研磨Glass grinding研磨是将玻璃制品粗糙不平或成型时余留的不需要的部分磨去，改变受磨部位制品的外形，使制品具有所需的形状和尺寸。
在研磨过程中可以根据研磨的要求，先用粗颗粒磨料，继用中等颗粒的磨料，最后使用细磨粒的磨料，直至表面成为细致均匀的毛面玻璃。
只有细磨才能改善玻璃的边部状态，减少微裂纹，增加玻璃强度。
（参见“边部加工”）3.玻璃抛光Glass polishing经研磨后的玻璃表面总会留下几μm的凹陷层，抛光过程就是要去掉这一凹陷层，使散光和不透明的玻璃变得透明光洁。
石英玻璃退火原理
石英玻璃退火原理
石英玻璃的退火原理主要涉及消除在制造过程中产生的热应力。
石英玻璃在成型过程中，由于经受了剧烈的温度变化，使内外层产生温度梯度，并且由于制品的形状、厚度、受冷却程度等的不同，引起制品中产生不规则的热应力。
这种热应力能降低制品的机械强度和热稳定性，也影响石英玻璃的光学均一性。
若应力超过制品的极限强度，便会自行破裂。
退火是一种热处理过程，通过在一定的温度下加热并保持一定时间，使石英玻璃管内部分子重新排列，从而释放应力、消除缺陷，改善其性能，降低断裂率和漏率。
退火工艺的效果受到温度、时间和气氛等因素的影响。
通常退火温度在1150℃至1400℃之间，保温时间一般为1小时至3小时不等，气氛必须是纯净的，以避免在管壁上产生冷凝。
退火过程一般分为加热阶段、恒温阶段、冷却阶段和自然冷却阶段。
在加热阶段，石英玻璃被缓慢加热到退火温度。
在恒温阶段，保持一定的时间，使制品受热梯度趋缓，各位置受热均匀。
然后，在冷却阶段，石英玻璃被缓慢冷却，以避免产生新的应力。
最后，在自然冷却阶段，石英玻璃在室温下自然冷却至室温。
总之，石英玻璃的退火原理是通过热处理过程，消除制品中的热应力，改善其性能，提高使用寿命。
玻璃内应力和退火温度测定
式中 R—玻璃的光程差，nm λ—照射光源的波长，nm Π—弧度，180° 当以白光灯为光源时， λ=540nm，则：R=3θ 在精密测定时，以钠光灯为光源， λ=589.3nm，则：R=3.27 θ
通常，用单位长度的光程差来表示玻璃的内应力：δ=R/d 式中 δ—单位长度的光程差，nm/cm
意义：由于生产工艺的特殊性，在制作完成后的玻璃制品中还或
多或少地存在内应力。在玻璃成形过程中，由于外部机械力的作用或冷却 时热不均匀所产生的应力称为热应力或宏观应力。在玻璃内部由于成分不 均匀而形成的微不均匀区所造成的应力称为结构应力或微观应力。在玻璃 内相当于晶胞大小的体积范围内所存在的应力称为超微观应力。由于玻璃 的结构特性，其中的微观与超微观应力极小，对玻璃的机械强度影响不大。 影响最大的是玻璃中的热应力，因为这种应力通常是极不均匀的，严重时 会降低玻璃制品的机械强度和热稳定性，影响制品的使用安全，甚至会发 生自裂现象。因此，为了保证使用时的安全，对各种玻璃制品都规定其残 余的内应力不能超过某一规定值。对于光学玻璃，较大的应力的存在将严 重影响光透过和成像质量。因此，测量玻璃的内应力是控制质量的一种手 段，特别是质量要求较高的、贵重的或精密的产品尤为重要。
布儒斯特（Brewster）等研究得出，玻璃的双折射程度与玻 璃内应力强度成正比，即：
R=Bσd* 10-5
式中 R—光程差 B—布儒斯特常数（应力光学常数），布，1布=10-12Pa-1 σ—单向应力 ，Pa d—光在玻璃中的行程长度，cm
2、光程差的测量原理
本实验采用补偿器测定法测量。
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2
3
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炉温用校正好的镍铬-镍铝热电偶及电位差组合测定，热电偶的热端刚好置于 试样的顶上，尽量靠近试样，但不要接触试样，用调压器控制升温速度。
玻璃退火工艺
玻璃退火工艺一、退火工艺各阶段划分及其影响因素成型结束后的玻璃，其制品内外两部分存在较大的温度差异，该温差将会造成制品存在很大的应力，退火目的就是要消除或减少这些应力到可以允许的限度。
根据消除应力的要求，将玻璃的退火划分为4个阶段：加热阶段、保温阶段、慢冷阶段及快速冷却阶段。
4个阶段分布如图2.14所示。
在玻璃退火工艺上，第Ⅰ，第Ⅱ阶段主要是使玻璃内原有的应力消除或减少到允许的限度；第Ⅲ阶段是确定在这个温度范围内的冷却速率，尽量使冷却过程中造成的内应力降到最低；第Ⅳ阶段是当玻璃内质点的黏性流动已达到最小时，可以加速制品的冷却速率，以所产生的暂时应力不造成制品破裂为限度。
上述4个阶段的划分随玻璃性质、制品厚度、外形尺寸和大小、要求而变化。
图2.14 玻璃退火的各个阶段Ⅰ—加热阶段；Ⅱ—保温阶段；Ⅲ—慢冷阶段；Ⅳ—快冷阶段退火温度和时间的选择，由于受玻璃组成、厚度、造型等因素的影响而有所不同。
影响退火的因素一般有下列3种。
（1）厚度与形状厚壁制品的内外温差较大，在退火温度范围内，厚壁制品的保温时间要相应地延长，以使制品内外层温度趋于一致，因而其冷却速率也必须相应地减慢，故总的退火时间就要延长。
造型复杂的制品应力容易集中，因此它与厚壁制品一样，保温温度应当略低，加热及冷却速率都应较缓慢。
应注意的是，厚壁制品保温时间的延长不是和制品的厚度成正比例增加，这是因厚度增加后荷重较大，若长时间的在较高温度下保温，制品易变形。
其次还经常存在这样的错觉，认为制品愈厚，其退火温度应该愈高，其实退火质量的好坏关键在于慢冷阶段，即应尽量使内应力的存在与再生成能力降低到最低限度。
（2）玻璃组成玻璃的化学组成影响退火温度的选择，凡能降低玻璃黏度的组成也都能降低退火温度。
例如，碱金属氧化物就能显著地降低退火温度，其中以Na2O的作用大于K2O。
SiO2，ZrO2和A12O3等难熔氧化物都会显著地提高退火温度。
（3）不同规格制品若同一退火窑中置有各种不同厚度的制品或同一制品本身的厚度有变化，为避免制品发生变形或退火不完全，应根据最小的厚度来确定退火温度，根据最大的壁厚来确定退火的时间。
第五章退火窑..知识讲解
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烧重油的退火窑
• 燃烧设备： 中压外混喷嘴 R型低压喷嘴
• 特点： 合理的火焰流程，达到退火温度且分布
均匀，符合退火曲线，耗油少，结构简单。
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• 油嘴使用安装的特点： 1、火焰的温度分布特性刚好满足退火要求。 2、减少时间。 3、只安装一支喷嘴，有利于减少横向温差。 4、隔焰加热均匀，平稳。但油耗多。 • 逆向安装喷嘴效果最好。
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三、退火制度
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1、加热阶段 加热到高退火温度。速度不能过快，防止破裂。 有时，先冷却到退火温度。 2、保温阶段 有足够的温度和时间，使应力松驰，消除应力。 3、慢冷阶段 缓慢冷却，防止产生新永久应力。 4、快冷阶段 尽快冷却，但要防止破裂。
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四、退火曲线的确定 退火温度 加热、冷却速度 保温时间
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电热退火窑
使用电热丝或电热板作发热体， 也可采用远红外电热板。
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二、辊传动机构带动所有钢辊转动。 钢辊转速：浮法wmax=900m/h
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退火窑结构
1、钢壳： 若干节，每节3m
退火窑分为十个区域： A区：均匀加热带，预退火区 B区：重要退火带，退火区 C区：缓慢冷却带，间接冷却区 D区：间冷到直冷的过渡带，封闭自然冷却区 Ret1和Ret2区：热风循环冷却区 E区：敞开自然冷却区 F区：敞开强制冷却区
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强制气流循环式退火窑
• 结构（图5-10a、b） 加热带，慢冷带，快冷带（利用轴流风扇和风机强制循环） 慢冷带间接冷却；快冷带直接冷却 • 特点：
温度分布不均 气流速度快，对流快 风扇，热交换器，风扇的位置可调 网带使用期长 可利用冷却带排出的热空气作助燃空气，消耗低 高速喷嘴亦可形成强制气流循环（图5-11）
玻璃退火过程介绍
（1） 是结构调整，不是结构转变
以SiO2和Al2O3为骨架的网络离子，其余的氧化物是网络外离子的玻璃结构，早已在玻璃液产生时形成了。此后的冷却过程中，若无析晶产生新相，就不存在结构转变。冷至刚体，只是减小结构差，趋于密实化的结构调整过程。
（2） 是渐变，不是突变
微观是结构基团位移活跃，有助于结构调整速，减小结构差明显；微分变形容易，它是由剩余的结构差c所致的热应力引进的。变形而使该热应力作暂时性的吸收。然而，微分变形是不可能减小结构差的。有结构差必然有热应力。C的存在证明了热应力并未消失。玻璃极高的黏度和热的不良导体特性，决定了冷却极其缓慢也来不及作完善的结构调整。所以，必然会有微分变形。
这时，≥1014.5ρ位移终止，结构调整停顿，广义的应力松弛现象随位移和微分变形的消失而湮灭。剩余的结构差被残留而不可逆转，永久应力被固定，只有分子震动，是单纯的应力与应变成正比关系的刚体。温差只产生可逆转的结构差所致的、随温度均一而消失的暂时应力。玻璃处于暂时应力活跃，并与永久应力相叠加的后续退火阶段。只有与刚体物理特性相对应的后续退火状态。
（3） 不可逆转的结构差和可逆转的结构差
在退火阶段（＜1014.5ρ)，玻璃经结构调整减小了结构差（长度差，密度差和热膨胀系数差），趋向于密实化。玻璃的各部在经历的时间， （弹塑性体）、 （弹塑性初态）、 （亚刚体）和 （三者之和）上说，是有差别的。 ，尤其是 较大的单位，相应的密度高，长度短和热膨胀率低。与 ， 较小的部位之间产生了结构差，冷至刚体被固定而不可逆转，形成了永久应力即是结构应力，Байду номын сангаас无第二种应力可言。
a、b和c三个实时变量决定了Δ值的演绎。玻璃冷至弹塑性体阶段Δ＝0时，热应力测不出来，似乎结构差已经消失。其实这只是一种假象。正确的表达式是a－b＝c，c是被隐含着的结构差。冷至刚体Δ被固定而不可逆转导致了永久应力。
退火过程的分析
1.1应力分类及形成原因浮法玻璃在退火过程中可能产生的热应力有永久应力和暂时应力两种。
永久应力是当高温玻璃经退火到室温并达到温度均衡后，玻璃中仍然存在的热应力也称为残余应力。
暂时应力是随温度梯度的存在而存在，随温度梯度的消失而消失的热应力。
永久应力一般产生于转变温度和应变温度范围之间，暂时应力则伴随着整个退火过程。
①暂时应力当浮法玻璃处于弹性形变范围内（应变温度以下）进行加热或冷却过程时，由于其导热性较差，在其内外层之间必然产生一定的温度梯度，因而在内外层之间产生一定的热应力。
如：当玻璃从应变温度以下冷却时，玻璃内外产生了温差，玻璃外层温度低于内层，故外层收缩大于内层，这样，外层的收缩受到内层的膨胀作用（拉伸作用），内层膨胀受到外层的压缩作用，因此玻璃在冷却时表面受到张应力，内部受到压应力。
如果在外层玻璃冷却到一定温度而使整块玻璃进行均热时，玻璃外层已不再收缩，内层却随着温度的不断降低而继续收缩。
这样外层受到压应力，内层受到张应力。
它们的大小和冷却过程中所产生的应力大小相等，方向相反，所以当玻璃的温度均衡后，玻璃中的应力也就消失了。
但必须注意，当暂时应力超过玻璃的极限强度时，同样会产生破裂。
相反，玻璃在加热时表层受到压应力，内部受到张应力。
由于玻璃属于脆性材料，能够承受的抗压能力是抗张能力的10倍，因此，玻璃能够承受的加热速率可以比冷却速率大一些。
②永久应力如前所述，当浮法玻璃由高温（转变温度以上）逐渐冷却时，玻璃内外层产生温差。
开始处在转变温度区域（玻璃黏度在109～1012PaS）之内玻璃，由于分子的热运动能量较大，玻璃内部结构基团间可以产生位移变形等能够使由温差而产生的内应力得以消失，这个过程称为应力松弛。
由于应力松弛的作用，尽管此时存在温差却不产生应力。
当玻璃的冷却过程发生在退火温度区域（1013～1014。
5PaS ）时，玻璃从粘塑弹性体逐渐转变成弹性体，此时应力松弛的作用仅能消除温差内应力户的部分应力x。
浮法玻璃的应力与退火
低 于退 火 上 限温度 ，玻 璃呈 弹性 状 态 ，各 个分 子 间不再 有 位置 的移 动 ，玻 璃带 中依 然存 在温 度梯
度 。随着 温度 不 断 降低 ，玻 璃开 始收 缩 ，逐渐 从 弹
变化会产生热应 力 ，按其存在 的特点分为暂时应力 和
永久应力 。玻璃 因化学组成不均匀 导致 结构上 的不均
关， 一般浮法玻璃的退火上限温度为５０ ５０ ４～ ６ ℃。
３ 永 久 应 力 和 暂 时 应 力
３１ 永 久 应 力 ．
的残余 内应 力 ，使其在允许值 范围 内且 分布合理 。
平板玻璃 中的应 力通常 分为３ ，即 ：热应力 、 类
结构应力 和机 械应力 。在生产 中玻 璃受不均匀 的温度
．
， 。
／一 、 ／ ’ 、
是 端 面应 力 值 ，主要 是为考 核 玻璃 的拉 引速度 与退 火 窑 的降温 速度 的关 系 。它 的检 测是 将玻 璃切 成一
定 宽度 的窄条 ，沿 厚度 方 向逐点 测量 。它 的分 布形 式 一般 为 中间张应 力 ，两个 表 面为大 小相 同 的压 应
个退 火 区玻璃 带 的横 向温 度 分布 。平 面应力 通常几 倍或 十几倍 于端 面应 力 ，以平 面应 力 和端 面应 力在 玻璃 中的存 在形 式 和特性 比较 ，平 面应 力 的破坏性
当玻 璃 处 于 硬 性 状 态 分 子 间不 再 有 位 置 移 动 时 ，由于 外界 温度 的影 响 ，玻璃 会 产生热 涨冷 缩 的 现象 ，假 如玻璃 板上 的这 种温度 分 布不均 匀 ，那 么
臣 垂困Βιβλιοθήκη 图１ 玻璃 温度 分布 曲线示意 图
全国性建材科技期刊—— 《 玻璃 》 ２ １ 年 ０ １
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材料的应力与退火温度测定
一、实验目的意义
普通的无机材料在制备过程中都要经历各种高低温差不同的热冲击(受热与放热)，如果材料经受的热冲击激烈与不均匀，则该材料就存在热应力。
材料中存在应力会大大减少材料的使用寿命，因此必须采取措施改进材料的受热与放热工艺流程，退火工艺流程能将材料的应力减少到该材料可以正常使用为止。
本实验的目的：
1. 了解材料应力与退火的基本原理。
2. 掌握材料应力与退火的测试方法。
3. 掌握材料的应力消除与退火工艺流程设计。
二、实验基本原理
1、应力分类：
材料中存在的应力分为：(A) 热应力；(B) 结构应力；(C) 机械应力。
(1) 热应力
材料由于不均匀地受热与放热(存在温度差)产生的应力。
根据其存在的特点可以分为：(a) 暂时应力；(b) 永久应力。
(a) 暂时应力
在温度低于应变点时处于弹性变形温度范围(脆性状态)的材料，其经受不均匀的温度变化时所产生的热应力，随温度剃度的存在与消失，该应力也会相应地存在与消失，此应力被称为暂时应力。
(b) 永久应力
在温度低于应变点时处于弹性变形温度范围(脆性状态)的材料，其经受不均匀的温度变化时所产生的热应力，当材料所承受的温度剃度消失时(材料的内部与表面同为室温或常温)，其应力仍然残留于材料中，该应力被称为永久应力或内应力。
(2) 结构应力
基本化合物组成导致材料结构不均匀所产生的应力被称为结构应力。
因为材料的结构存在缺陷，如气泡、条纹、结石……等，上述缺陷存在于材料的内部与表面，已经无法清除，因此产生应力。
此种应力应为永久应力，无法根除。
(3) 机械应力
在材料的后加工过程中，因制造工艺控制不当或者生产机械设备使用不当所产生的应力被称为机械应力。
如玻璃与陶瓷的制造模具、陶瓷坯体的釉料涂层设备、玻璃与陶瓷制品的成型输送设备…等，只要严格执行正确的制造工艺及良好的生产机械设备，由此产生
1
2
的机械应力可以清除。
2、应力与双折射现象：
对透明材料(如玻璃、透明陶瓷)而言永久应力(内应力)的存在使材料在光学上产生不均匀，因此成为各向异性体。
材料中存在两个互相垂直的不同的内应力O x 、O y ，如果O y ＞O x ，则光线沿着X 、Y 轴的传播速度不一样，并且V y ＞V x ，这样就产生了光程差Δ，双折射现象由此产生。
光程差与材料样品的厚度d 以及光线传播速度差(V y －V x )成比例，(V y －V x )与内应力差(O y －O x )成比例。
()x y O O Bd −=Δ.；B 为应力光学常数。
单位厚度光程差Δ计算：
θλ⎟⎠
⎞⎜⎝⎛=Δd 180 式中：λ 单光色的波长(nm)
d 材料样品的厚度(cm)
θ 偏光镜分度盘旋转角度 当光程差大于1波长时，光程差Δ的计算为：
d
θ3=Δ (采用绿色滤光片，λ：540nm) 3、退火与应力消除：
无机材料的退火就是在一定的前提条件下(不改变材料的内外观形状、所需性能)在一定的温度、时间范围内对材料进行重新热处理，尽可能使材料达到均匀，即将材料的暂时应力、永久应力控制在允许的、可承受范围的热处理过程。
(1) 退火温度范围：
材料的转变温度范围就是材料的退火温度范围。
由于玻璃、陶瓷与搪瓷釉的粘度范围因组成变化较大，退火温度范围所对应的粘度值范围通常在1013~1017泊。
在一定的温度下在15分钟内消除其全部应力，或者在3分钟内能够消除95%内应力的温度被称为退火上限温度。
在一定的温度下在16小时内消除其全部应力，或者在3分钟内仅能消除5%内应力的温度被称为退火下限温度。
(2) 退火工艺过程： 退火工艺制度的确立与很多因素有关，具体涉及材料的基本化学构成、材料的体积大小与形状、应力允许的可承受范围、退火设备的种类等，应该根据具体情况选择最佳
的退火工艺曲线。
实际生产过程，因制品连续产出，通常采用线性退火工艺曲线，即采
用较高的退火温度，然后按照应力允许的可
承受数值大小恒速降温至快冷阶段。
材料的
退火可以一次退火与两次退火，退火工艺曲
线图7.1：
图7.1
退火工艺曲线
3
退火工艺过程一般可以分为四个阶段：a. 加热阶段；b. 均热阶段；c. 慢冷阶段；d. 快冷阶段。
加热阶段，就是将制品从室温加热到退火温度范围。
根据材料的实际情况与生产要求，可以将材料直接线性升温，或者分阶段线性升温。
根据材料的特点与性能，升温速度应该调节到最佳，同时结合考虑操作的经济成本。
通常加热速度控制在20/a 2~30/a 2 (°C/min)，其中a 为制品平均厚度的1/2。
均热阶段，就是将制品在退火温度范围进行保温。
保温的目的就是使材料的各个部分受温均匀，以达到应力消除。
保温涉及两个要素即在退火温度范围内以及保温时间。
慢冷阶段就是防止制品产生永久应力或者控制制品的永久应力在允许承受的范围内。
快冷阶段就是在材料的应变点以下，加速冷却，降低成本，提高生产效率。
由于材料在应变点以下只产生暂时应力，只要暂时应力的强度小于材料本身的强度，就不会对制品的质量产生重大的影响。
材料的慢冷与快冷速度取决于材料本身的性质，在生产过程中可以通过实际的操作加以确认。
三、实验仪器及装置
材料应力与退火温度测定的相关配套实验仪器为图7.2：
图中：1. 16. 17.为电源控制器；2. 光源；3. 毛玻璃；4. 起偏镜；5. 卧式电炉；6. 样品；7. 样品座；8. 1/4波长片；9. 检偏镜；10. 分度盘；11. 滤光片；12. 电位差计；13. 控温元件(热电偶)；14. 900旋转按钮；15. 导轨。
四、实验样品的要求及制备
1. 选择样品(A) 玻璃，(B) 透明陶瓷(表面施釉)。
2. 样品的制作(大小尺寸由实验指导教师规定)。
3. 样品的数量(由实验指导教师规定)。
4. 样品的质量检查(a 应力状况；b 表面裂纹状况；c 表面光洁度)。
5. 样品的保存(由实验指导教师规定)。
4
五、实验步骤
偏光镜操作过程：
1. 调节偏光镜分度盘的零点，检偏镜对准零点。
2. 调节光线补偿器使背景成黑暗。
3. 样品的放置(样品表面抛光面与视觉方向成90度，样品应处于平台中心)。
4. 样品观察操作(在实验教师指导下进行)，记录检偏镜旋转角度θ与材料样品的厚度
5. 应力计算：
B
O O x y Δ=
−.；B 为应力光学常数。
单位厚度光程差Δ计算： θλ⎟⎠
⎞⎜⎝⎛=Δd 1801；Δ1为正常单位厚度光程差。
⎟⎠
⎞⎜⎝⎛+=Δd T θ18032；T 为中性条纹和样品中间的黑颜色条纹数量；Δ2为λ为540nm 时的光程差。
材料退火操作过程：
1. 检查材料退火温度实验炉与电源控制器的工作状态。
2. 样品的安置到位。
3. 状态观察系统(检偏镜内样品影像)的调节。
4. 调节偏光镜分度盘的零点，检偏镜对准零点。
5. 调节光线补偿器使背景成黑暗。
6. 样品的放置(样品表面抛光面与视觉方向成90度，样品应处于平台中心)。
7. 样品观察操作(在实验教师指导下进行)，记录检偏镜旋转角度θ与材料样品的厚度。
8. 电位差计调零。
9. 设定升温加热曲线( ℃ / min )。
10. 启动实验炉电源控制器，加热开始。
11. 观察样品影像与记录开始温度值。
12. 调节记录检偏镜旋转角度θ、温度值(℃ / min)
13. 当样品影像到达退火温度范围附近时样品影像观察与记录温度值的频率增加。
14. 当光程差为零时实验结束，关闭实验炉电源控制器。
操作注意点：
1. 操作该仪器设备由于涉及高温必须在实验教师指导下进行, 安全防护措施必须到位。
2. 该实验涉及光学系统的操作，必须注意力集中。
六、实验结果与数据处理
1. 记录检偏镜旋转角度θ、温度值(°C/min)、条纹数量、单光色的波长(nm)、材料样品
的厚度等相关实验数据并制作成表。
2. 计算光程差与应力值。
七、实验结果与讨论
1. 应力消除的基本途径。
2. 退火工艺的制定条件基础？
5。