TP盖板玻璃强度分析上课讲义

DOL
CS：表面压应力值 DOL：压应力层深度 CT：中心张应力值
CS
厚
CT
度
国际大厂TP玻璃参数 CS>700MPa DOL>40um CT在40 ～80Mpa之间
CS
DOL
化学钢化玻璃厚度方向应力分布图
化学钢化玻璃
化学钢化玻璃表面和边缘理论许用强度
f
KIC CSX Yc
σf：失效应力 KIC/(Y*√c)：玻璃本征强度，受微裂纹尺寸最大值和 尖端曲率半径影响，与裂纹数量无关 CS：表面压应力 CT：中心张应力 X：未知量
一般而论，上下表面经过精抛光减薄后，微 裂纹尺寸较小且数量较少，而边缘由于机械 加工导致裂纹尺寸相对玻璃表面较大，且数 量相对较多，因而要重点关注边缘裂纹情况
化学钢化玻璃
■ TP盖板玻璃是玻璃原片经过化学增加处理后得到的
■ 化学增强法是在一定的温度下把玻璃浸入到高温熔盐中，玻璃中的碱金属离子与 熔盐中的碱金属离子因扩散而发生相互交换，使玻璃表面（边缘）形成一定厚度 的压应力层，压应力层使裂纹不易扩展，从而提高了玻璃的强度[1,6]
■ 普通平板玻璃的理论强度大于10000MPa，但测试结果表明，玻璃的实际强度只有30～ 80MPa。影响玻璃实际强度的因素:如存放环境、表面机械加工、样品尺寸、机械划伤以及 内部缺陷(气泡、结石)等，其中微裂纹的存在对玻璃实际强度影响最大[1,2]
■ 微裂纹产生的原因可归纳为内部缺陷、表面反应和表面磨损，但对强度影响较大的主要是 玻璃外表面的微裂纹[1,2]
TP盖板玻璃强度分析
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主要内容
■ 玻璃强度简介 ■ 研究目的和意义 ■ 实验条件和仿真模型 ■ 结果及分析 ■ 结论 ■ 参考文献
玻璃微裂纹
■ 随着智能手机屏幕的不断增大，玻璃成为整机结构设计中重要的结构件之一。而在破坏性 实验过程中，整机跌落测试常会出现TP盖板玻璃破裂的情况
700
0.6
0.55
0.5
0.4
0.73
0.62
0.51
0.33
959
1129
1373
2121
提高TP玻璃许用强度的途径： 1. 在一定范围内提高CS值 2. 提高表面和边缘加工质量，减小裂纹尺寸最大值，增大裂纹尖端曲率半径 3. 其他
■ 厂家根据不同的钢化工艺可以控制CS,CT及DOL值，在这三个数值的控制上各个厂家都相 对成熟，可在满足三者关系的前提下（按前述公式）控制三者的数值大小[8]
对于表面强度，X与DOL, CT, 厚度及裂纹形貌等 因素有关
对于边缘强度，X与DOL, CT及裂纹形貌等因素有 关 注：化学钢化玻璃强度影响因素繁多，无法用具体的公 式来衡量；CT如何影响玻璃强度尚未收集到相关资料
■ 各大厂家TP玻璃主要为铝硅酸盐玻璃，组分差别不大，影响本征强度的主要是微裂纹尺寸
玻璃微裂纹的产生
■ 玻璃边缘
– 机械加工所致，其中包括切，磨，CNC ，钻孔及抛光等。尤其是对玻璃进行机 械切割，钻孔将导致边缘产生尺寸较大 的微裂纹[2]
– 环境——大气中的H2O，致使玻璃表面 发生应力腐蚀
高质量的抛光能有效减小玻璃表面微裂纹尺 寸，高质量的抛光与不抛光玻璃原片的强度 差异可达到10%～50%左右[2]
■ TP玻璃表面和边缘的裂纹分布情况因各厂家加工水平而异，受各厂家加工设备和加工工艺 影响。上述因素将共同影响TP玻璃的许用强度值
■ 就TP玻璃而言，上下表面经过精抛光减薄后，微裂纹尺寸较小，而边缘由于机械加工导致 裂纹尺寸相对玻璃表面较大，导致玻璃边缘的强度要比表面强度低
■ 综上所述，对于玻璃整体而言，边缘失效强度要低于表面失效强度。整机自由跌落实验过 程中TP玻璃的失效大多数是由边缘裂纹受力扩展所致。在用户实际使用过程中则TP玻璃的 失效有边缘裂纹受力扩展情况，亦有表面裂纹扩展的情况情况。因此需分别研究玻璃的表 面强度和边缘强度
■ 本文通过对0.69mm和0.6mm两种厚度的TP盖板玻璃进行落球冲击实验，四点弯曲实验 及相应的仿真模拟验仿真中作为失效判断的大体依据。
■ 微裂纹尺寸的离散分布导致了玻璃强度大小不一，离散度较大[3] ■ 玻璃厚度一定，则CS值越大，玻璃表面和边缘强度越高[7]。但CS值不能无限增大。根据CS与CT之间的
关系（见下式），CS在增大的同时，CT值也在不断增大，玻璃产生“自爆”的几率也会变大
■ CT值大于玻璃的本征强度时，玻璃将发生自爆
比
■ 对于TP玻璃，若要求两种不同厚度的玻璃具有相同的最大承载能力（承受外力冲击能力 ），则厚度小的玻璃应该提高许用强度值。假设某种0.7mm厚TP玻璃的许用强度值为 700MPa，则其他厚度玻璃的许用强度值如下表所示
厚度（mm）
0.7
具有相同许用强度时所能 承受最大载荷（a.u.）
1
具有相同最大承载能力时 所要求的许用强度（MPa）
市场出现的TP玻璃破裂案例
表面微裂纹受力扩展
裂纹起始源
边缘微裂纹受力扩展
裂纹起始源
整机受扭而出现的裂纹
主要内容
■ 玻璃强度简介 ■ 研究目的和意义 ■ 实验条件和仿真模型 ■ 结果及分析 ■ 结论 ■ 参考文献
研究目的意义
■ 在我司先前的整机跌落仿真计算中，TP盖板玻璃的失效判据没有明确，致使仿真结果不 能很好地指导实际整机设计。因而有必要对TP盖板玻璃的仿真失效判据进行研究
■ 由于边缘微裂纹尺寸大于表面，因而当DOL值大于边缘微裂纹尺寸最大值时，则DOL对表面和边缘强度
影响不大。当DOL值小于边缘裂纹尺寸最大值时则对强度有较大影响[7]
CT CSDOL t 2DOL
——t为玻璃厚度
化学钢化玻璃
■ 根据 Pt2 [7]，构件在受到相同载荷的情况下，其所受的应力值与构件厚度平方成反
玻璃切割过程中边缘 产生的微裂纹
玻璃微裂纹的产生
■ 玻璃表面
– 玻璃原片采用熔融溢流法或浮法工艺制备，新制备玻璃的天然表面微裂纹数 量很少，尺寸很小
– 机械加工减薄——研磨，抛光，致使表面微裂纹的大量产生 – 环境——大气中的H2O，致使玻璃表面发生应力腐蚀而产生微裂纹[3]
水分子 玻璃表面
玻璃表面 开裂