玻璃的退火實(shí)用教案

1、玻璃(b l)工藝學(xué)12.以作用范圍(fnwi)為標(biāo)準(zhǔn)：宏觀(hnggun)應(yīng)力：由外力作用或熱作用產(chǎn)生；微觀應(yīng)力：玻璃的微觀不均勻區(qū)域中存在的或分相引起的應(yīng)力; 超微觀應(yīng)力：玻璃中相當(dāng)于晶胞大小的體積范圍內(nèi) 存在的應(yīng)力.二.熱應(yīng)力熱應(yīng)力:玻璃中由于溫度差而產(chǎn)生的應(yīng)力。按其存在的特點(diǎn)又可分成暫時應(yīng)力和永久應(yīng)力。第1頁/共24頁第一頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)2 當(dāng)玻璃溫度低與應(yīng)變(yngbin)點(diǎn)(=10 13.6Pa.S)時處于彈性變形溫度范圍內(nèi)(1014Pa.S)即脆性狀態(tài)時，經(jīng)受不均勻的溫度變化時產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 特點(diǎn)：隨溫度梯度的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨溫度梯度的消失而消失。 在溫度低于應(yīng)變

2、點(diǎn)時,玻璃內(nèi)結(jié)構(gòu)集團(tuán)已不能產(chǎn)生粘滯性流動,主要靠彈性(tnxng)松弛來消除應(yīng)力。暫時應(yīng)力的產(chǎn)生過程: :( (一) )暫時應(yīng)力: :第2頁/共24頁第二頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)3溫度(Temperature)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0位置(Position)剖面實(shí)際溫度示意線暫 時 應(yīng) 力 示 意 線應(yīng)力( Strain)0T t外界溫度(1) (1) 玻璃處于某一個低與應(yīng)變點(diǎn)的均勻溫度分布(fnb)(fnb)狀態(tài): :說明(shumng)：均勻溫度場下的玻璃平板中不存在溫度梯度，也不存在暫時應(yīng)力。第3頁/共24頁第三頁，共25頁。玻璃(b l)工藝

3、學(xué)40溫度(Temperature)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)冷卻起始溫度外界溫度應(yīng)力( Strain)位置(Position)TsT0T t剖面實(shí)際溫度示意線暫 時 應(yīng) 力 示 意 線(2)(2)玻璃在一個低溫(dwn)(dwn)的環(huán)境中開始冷卻: :說明： 玻璃平板表面降溫比內(nèi)層(ni cn)快，收縮就比內(nèi)層(ni cn)大，受內(nèi)層(ni cn)阻礙而呈張應(yīng)力，同時內(nèi)層(ni cn)受到反作用力而呈壓應(yīng)力。第4頁/共24頁第四頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)5剖面實(shí)際溫度示意線溫度(Temperature)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)冷卻起始溫度外界溫度 應(yīng)力( S

4、train)位置(Position)TsT0T t0暫 時 應(yīng) 力 示 意 線(3)(3)外層(wi cn)(wi cn)逐漸達(dá)到外界溫度的過程: : 說明： 表面收縮趨于停止(tngzh)的同時受到繼續(xù)收縮的內(nèi)層所施的壓應(yīng)力逐漸抵消原有的張應(yīng)力。第5頁/共24頁第五頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)60溫度(Temperature)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)冷卻起始溫度外界溫度應(yīng)力( Strain)位置(Position)TsT0T t剖面實(shí)際溫度示意線暫 時 應(yīng) 力 示 意 線說明：溫度梯度在此時消失，應(yīng)力(yngl)同時完全抵消而呈無應(yīng)力(yngl)狀態(tài)。(4)內(nèi)層溫度逐漸達(dá)

5、到外界(wiji)溫度的過程:第6頁/共24頁第六頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)7(二）永久(yngji)應(yīng)力 玻璃在高于其應(yīng)變點(diǎn)時,溫度梯度會引起玻璃結(jié)構(gòu)(jigu)變化,這種玻璃結(jié)構(gòu)(jigu)變化在低于應(yīng)變點(diǎn)時產(chǎn)生并保持的熱應(yīng)力。特點(diǎn):溫度梯度消失之后,永久應(yīng)力不消失永久應(yīng)力的產(chǎn)生過程：(1)處于某一高于應(yīng)變點(diǎn)的均勻溫度場時第7頁/共24頁第七頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)8溫度(Temperature)剖面實(shí)際溫度示意線0位置(Position)外界溫度T t應(yīng)力( Strain) 永 久 應(yīng) 力 示 意 線 應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0(1)處于

6、(chy)某一高于應(yīng)變點(diǎn)的均勻溫度場時說明：均勻溫度場下的玻璃(b l)平板中不存在溫度梯度，也不存在永久應(yīng)力第8頁/共24頁第八頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)90溫度(Temperature)應(yīng)力( Strain)位置(Position)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t剖面實(shí)際溫度示意線永 久 應(yīng) 力 示 意 線 (2)將玻璃放置于低溫環(huán)境中降溫,直至外層溫度(wnd)到達(dá)應(yīng)變點(diǎn): 說明：高于應(yīng)變(yngbin)點(diǎn)時，表面較快的收縮產(chǎn)生的作用力通過應(yīng)力松弛消除，平板呈無應(yīng)力狀態(tài)。 第9頁/共24頁第九頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)100位置(P

7、osition)溫度(Temperature)應(yīng)力( Strain)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t永 久 應(yīng) 力 示 意 線 剖面實(shí)際溫度示意線(3)(3)制品繼續(xù)降溫, ,直至內(nèi)層溫度達(dá)到應(yīng)變(yngbin)(yngbin)點(diǎn)的過程: : 說明： 溫度低于應(yīng)變點(diǎn)的表面無應(yīng)力松弛能力(nngl)，同時降溫較里層快而呈張應(yīng)力狀態(tài)，里層為張應(yīng)力； 溫度在應(yīng)變點(diǎn)以上的內(nèi)層則由于應(yīng)力松弛作用而保持無應(yīng)力狀態(tài)。第10頁/共24頁第十頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)11溫度(Temperature)應(yīng)力( Strain)位置(Position)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1

8、013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t 永 久 應(yīng) 力 示 意 線剖面實(shí)際溫度示意線0（4）內(nèi)層(ni cn)溫度從應(yīng)變點(diǎn)開始下降： 說明：內(nèi)層在至應(yīng)變點(diǎn)以下時受到降溫快、收縮快的外層所施壓力，同時(tngsh)外層受反作用力呈張應(yīng)力狀態(tài)。第11頁/共24頁第十一頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)120溫度(Temperature)應(yīng)力( Strain)位置(Position)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t 永 久 應(yīng) 力 示 意 線剖面實(shí)際溫度示意線(5)(5)內(nèi)外層繼續(xù)(jx)(jx)冷卻說明：隨著內(nèi) 層逐漸降溫(jing wn)、

9、收縮，原先的應(yīng)力逐漸被抵消而減小。第12頁/共24頁第十二頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)130溫度(Temperature)應(yīng)力( Strain)位置(Position)應(yīng)變點(diǎn)溫度 (=1013.6Pa.S)Ts冷卻起始溫度T0外界溫度T t 永 久 應(yīng) 力 示 意 線剖面實(shí)際溫度示意線(6)(6)內(nèi)外層(wi cn)(wi cn)繼續(xù)冷卻直至均達(dá)到環(huán)境溫度2.小結(jié)(xioji): (1)在高于應(yīng)變點(diǎn)的溫度時,通過應(yīng)力松弛的作用,溫度梯度產(chǎn)生結(jié)構(gòu)梯度,并在低于應(yīng)變點(diǎn)時保持下來,形成永久應(yīng)力. (2)通過緩慢降溫,減小溫度梯度,從而減小永久應(yīng)力是可能的,這也是退火作用的本質(zhì) 說明：到此時為止

10、，內(nèi)層形成較外層更致密的結(jié)構(gòu)，即收縮較外層大，更趨于緊收，但受外層阻礙故呈張應(yīng)力，外層則呈相反的壓應(yīng)力狀態(tài)。第13頁/共24頁第十三頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)14 永久應(yīng)力產(chǎn)生小結(jié) (1)在高于應(yīng)變點(diǎn)的溫度時,通過應(yīng)力松弛的作用,溫度梯度產(chǎn)生結(jié)構(gòu)梯度，并在低于應(yīng)變點(diǎn)時保持下來，形成永久應(yīng)力。 (2)通過緩慢降溫，減小溫度梯度，從而減小永久應(yīng)力是可能的，這也是退火作用的本質(zhì)。 總之：玻璃中各種( zhn)應(yīng)力有各自的產(chǎn)生原因和各自的特點(diǎn)； 玻璃在一般情況下，可能會同時受到幾種應(yīng)力的作用。第14頁/共24頁第十四頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)15第二節(jié) 玻璃(b l)的退火一、退火(t

11、u hu)原理 在經(jīng)過轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域（TfTg）時，玻璃由典型的液態(tài)轉(zhuǎn)變成脆性狀態(tài)。而在Tg點(diǎn)以下的相當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)玻璃分子仍然能夠進(jìn)行遷移，可以消除玻璃中的熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不均勻性*。同時因?yàn)檎扯认喈?dāng)大，以致幾乎不發(fā)生其外形的改變。這段溫度區(qū)域成為玻璃的退火區(qū)域，相應(yīng)粘度在10121016Pa.s 。即退火溫度區(qū)域與玻璃粘度有關(guān)。 *應(yīng)力松弛：由于玻璃在應(yīng)變點(diǎn)以上時具有粘彈性，它不能長時間承受各方向不平衡力的作用，玻璃內(nèi)結(jié)構(gòu)基團(tuán)在力的作用下產(chǎn)生位移和變形，使溫度梯度所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得以消失。 玻璃的退火過程：將玻璃放置在某一溫度下保持足夠時間后再以緩慢的速度冷卻，以便不再產(chǎn)生超過允許范圍的永久

12、應(yīng)力和暫時應(yīng)力。實(shí)質(zhì)就是減小或消除應(yīng)力并防止新的應(yīng)力產(chǎn)生。第15頁/共24頁第十五頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)16二、退火(tu hu)溫度范圍與退火(tu hu)溫度 上限退火溫度：三分鐘內(nèi)消除95%應(yīng)力的溫度，一般相當(dāng)于退火點(diǎn)的溫度，也稱最高退火溫度，粘度為1012Pa.s。 下限退火溫度：三分鐘內(nèi)消除5%應(yīng)力的溫度，也稱最低退火溫度，粘度為1013.6 Pa.s。在此溫度以下玻璃(b l)完全處于彈性狀態(tài)，該點(diǎn)溫度也可以稱為應(yīng)變點(diǎn)。 精密退火：對光學(xué)玻璃或某些技術(shù)玻璃，不但要消除永久應(yīng)力，而且還要消除由于冷卻過程中玻璃各層熱歷史不同以結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的程度不同而產(chǎn)生光學(xué)上的不均勻性。 可以

13、通過 1、T曲線上得到1012Pa.s、1013.6 Pa.s的溫度確定上限、下限退火溫度。 2、計(jì)算（P358）求出玻璃在1012Pa.s時的溫度，即上限退火溫度。在退火溫度范圍內(nèi)確定某一保溫均熱的溫度，稱之為退火溫度。第16頁/共24頁第十六頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)173、通過(tnggu)熱膨脹曲線確定Tg 的溫度值即作為最高退火溫度的大約數(shù)值。 4、通過差熱曲線確定上限(shngxin)或下限退火溫度：加熱過程的吸熱峰下限退火溫度，放熱峰上限(shngxin)退火溫度；降溫過程的放熱峰上限(shngxin)退火溫度，吸熱峰下限退火溫度TgL/L溫度然后選取低于上限退火溫度20

14、30的溫度點(diǎn)作為退火溫度。第17頁/共24頁第十七頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)18退火溫度與組成： 能提高粘度（尤其低溫）的組分如CaO、SiO2、Al2O3等提高退火溫度；反之則降低退火溫度（如R2O、PbO、BaO等）。B2O3則因硼反常出現(xiàn)含量(hnling)在1520%隨氧化硼含量(hnling)升高而升高、超過1520%時隨含量(hnling)升高而降低的情況。三、退火(tu hu)工藝 1、工藝過程 玻璃的退火工藝過程包括四個階段：加熱、保溫、慢冷及快冷。 一次退火：玻璃制品成形后不冷卻直接退火的工藝過程。 二次退火：玻璃制品成形后先冷卻后加熱再退火的工藝過程。第18頁/共2

15、4頁第十八頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)19加熱 保溫 慢冷 快冷溫度時間上限退火溫度下限退火溫度退火溫度1、加熱階段 加熱時玻璃制品表面為壓應(yīng)力(yngl)，升溫速度可較快：分）（最大升溫速度c/a130hc 2a空心(kng xn)或單面受熱的玻璃制品的總厚，cm 實(shí)心制品的半厚，cm第19頁/共24頁第十九頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)20分）（c/a30a20ha22光學(xué)玻璃(gungxub l)分）（ c/a5ha22、保溫(bown)階段 目的：消除加熱過程產(chǎn)生的溫度梯度，并消除制品中所固有的內(nèi)應(yīng)力。 先確定保溫溫度，然后確定保溫時間。保溫時間na520t2 考慮表面微裂紋

16、、缺陷、厚度均勻性及退火爐溫度分布均勻性，一般工業(yè)中采用厘米，納米制品最后允許的應(yīng)力/n第20頁/共24頁第二十頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)213、慢冷階段(jidun) 為了使制品在冷卻后不再產(chǎn)生永久(yngji)應(yīng)力或僅產(chǎn)生微小的永久(yngji)應(yīng)力，冷卻速度要求較慢，常采用線性降溫。開始冷卻速度：分）（c/13aho2下降10后繼續(xù)冷卻速度：分）（c/212hoh20TToH 每降低100c后下一個100c的降溫速度To退火溫度T每降低100c后的溫度慢冷階段結(jié)束時溫度必須小于或等于應(yīng)變點(diǎn)溫度，否則在快冷階段重新產(chǎn)生永久應(yīng)力而退火無效。第21頁/共24頁第二十一頁，共25頁。玻璃

17、(b l)工藝學(xué)224、快冷階段(jidun)為提高生產(chǎn)效率、降低(jingd)燃耗，只要使該階段的暫時應(yīng)力不超過極限強(qiáng)度，可適當(dāng)加快降溫速度。分）（c/a10hc2厚度5mm厚度5mm分c/25hc總共退火時間為四個階段用時之和，約為11.5小時。（三）制定退火曲線使注意問題1、加熱階段：保證壓應(yīng)力壓應(yīng)力極限。 慢冷階段：降溫速度同樣須考慮玻璃的允許應(yīng)力，結(jié)束 時溫度要低于或等于應(yīng)變點(diǎn)溫度。 快冷階段：暫時應(yīng)力不可超過抗張極限。第22頁/共24頁第二十二頁，共25頁。玻璃(b l)工藝學(xué)23 5、容易分相的玻璃制品退火時，退火溫度(wnd)不能過高，退火時間不能過長，次數(shù)要少。2、形狀復(fù)雜(fz)、厚度大的制品的加熱及冷卻速度要慢； 3、多種制品共用退火窯是，取退火溫度低的數(shù)值作為退火溫度，并延長保溫時間；同組成不同規(guī)格的制品一起退火時，由薄制品確定退火溫度，以免薄制品變形；由厚制品確定升溫、降溫的速度，以免厚制品破裂；4、確定升降溫速度要考慮退火窯溫度不均勻性而適當(dāng)取小值；第23頁/共24頁第二十三頁，共25頁。玻璃(b l)