玻璃的退火和淬火要求

6(1) h0 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↑
ht h0(130t0)(oC/min)
玻璃的退火和淬火要 求
4.1 玻璃的应力 4.2 玻璃的退火 4.3 玻璃的淬火
玻璃的热处理是指玻璃在转变温度与软化温度之间所进行 的热过程。
在该过程中玻璃的结构和性能往往能发生显著的变化：应 力的产生和消除，分相和晶化，发泡和烧结，表面处理和 增强等，使玻璃从一个状态转变到另一个状态，同组成的 玻璃可以有截然不同的性能。
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
式中Δn ——玻璃退火后允许存在a的2 内应力，nm/cm。 t 520 n
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3、慢冷阶段
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 nm/cm
光学玻璃精密退火 2-5
镜玻璃
30-40
光学玻璃粗退火 10-30 空心玻璃
60
望远镇、反光镜
20
玻璃管
120
平板玻璃
20-95 瓶罐玻璃 50-400
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
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。
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：
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
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；
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％；
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。
由上式可得出冷却速度 h0：
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。
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。
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
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。
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）
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。
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
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。
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。
4.1.3 玻璃中的机械应力
ha 1a320(oC/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1520%，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。
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。
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。