摘要:通過對(duì)鋼化玻璃自爆殘片的電鏡觀察和成分分析，發(fā)現(xiàn)引起鋼化玻璃自爆源不僅僅是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的硫化鎳微粒，還有許多其它異質(zhì)相顆粒，如：?jiǎn)钨|(zhì)硅、氧化鋁和硅鋁酸鈉等。采用有限元對(duì)各種自爆源微粒引起自爆的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明玻璃中的裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展主要是由于異質(zhì)顆粒引起的殘余拉應(yīng)力和玻璃本身殘余應(yīng)力綜合作用所導(dǎo)致。導(dǎo)致這種局部應(yīng)力集中的原因可以分為兩類：一類是在相變膨脹過程所產(chǎn)生的應(yīng)力，另一類是由于異質(zhì)顆粒與玻璃基體的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力。
　　
　　關(guān)鍵詞：鋼化玻璃自爆應(yīng)力機(jī)理
　　
　　1我國(guó)鋼化玻璃自爆的研究現(xiàn)狀

　　隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，玻璃在人們的日常工作和生活中的應(yīng)用越來越廣泛。為提高玻璃的安全性和強(qiáng)度，鋼化玻璃普遍使用于汽車風(fēng)擋、建筑幕墻、家具灶具等制品。但是，由于玻璃本身是一種脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，在斷裂過程中幾乎沒有任何塑性變形，破壞往往是突發(fā)性的和災(zāi)難性的。到目前為止，國(guó)際上還沒有行之有效的方法避免玻璃產(chǎn)品的突發(fā)性破壞。汽車玻璃的自爆、建筑幕墻玻璃破碎下“玻璃雨”、浴室玻璃突然炸裂、鋼化玻璃茶幾和灶具等的破碎傷人事件仍然不斷被報(bào)道。在繁華的市區(qū)，鋼化玻璃制品成了“定時(shí)炸彈”，特別對(duì)于懸掛于高層建筑上的玻璃幕墻，任何一起幕墻玻璃的破裂或墜落事故都可能造成災(zāi)難性的后果。近幾年來，幕墻玻璃的安全隱患越來越多，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外專家和各國(guó)政府的關(guān)注[1-5]。
　　中國(guó)是世界上玻璃幕墻最多的國(guó)家（超過世界總量的一半），玻璃幕墻的安全問題不容忽視。到2004年底，我國(guó)已建成了約1.1億平方米的各式建筑幕墻（包括采光屋面），占世界總量的50％以上，其中明框、隱框約占全部幕墻的60％左右。近幾年，玻璃幕墻破裂事故頻繁發(fā)生，例如上海日?qǐng)?bào)2006年8月2日?qǐng)?bào)導(dǎo)，上海錦江國(guó)際購(gòu)物中心外36層玻璃幕墻上一塊玻璃突然墜落，濺落的玻璃碎片灑落到大樓門前約40平方米范圍的人行道和馬路上。2006年6月20日遼寧晚報(bào)報(bào)導(dǎo)，大連市一棟高樓20層的一塊玻璃幕墻掉下，碎片砸傷16人。2006年6月，深圳又發(fā)生一起玻璃幕墻墜落砸死小學(xué)男生的不幸事件。2006年9月8日，南京市山西路某大廈一塊玻璃幕墻從13樓墜落，砸傷6名行人。2006年7月31日晚，上海市中信泰富大廈玻璃幕墻爆裂，下了一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)75分鐘的“玻璃雨”，2人受傷。
　　顯然，了解鋼化玻璃自爆的真正原因和機(jī)理，對(duì)減少和防止事故發(fā)生是至關(guān)重要的。一般認(rèn)為玻璃自爆起因可分為兩種：一是由玻璃中可見缺陷引起的自爆，如表面劃痕或邊緣缺陷的發(fā)展等。二是由玻璃中硫化鎳(NiS)雜質(zhì)發(fā)生相變膨脹引起的自爆。前者檢測(cè)相對(duì)容易，故生產(chǎn)中可控。后者則主要由玻璃中微小的硫化鎳顆粒體積膨脹引發(fā)，無法簡(jiǎn)易檢驗(yàn)，故不可控。在實(shí)際處理上，前者一般可以在安裝前剔除，后者因無法檢驗(yàn)而繼續(xù)存在，成為使用中鋼化玻璃自爆的主要因素，一般提到的自爆均指后一種情況。由于硫化鎳引發(fā)的自爆無法預(yù)測(cè)，且在服役中的自爆會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，被稱為“玻璃癌癥”。所以，本工作的目的就在于研究鋼化玻璃的自爆源類型和機(jī)理，從而減少和防止鋼化玻璃自爆事故的發(fā)生。
　　
　　2研究方法與過程

　　一般情況下，鋼化玻璃的自爆起因于拉應(yīng)力層中的雜質(zhì)顆粒引起的應(yīng)力集中。其典型的破壞形貌如圖1所示。自爆的共同特征是破壞源處都有一對(duì)蝴蝶形狀的碎片（蝴蝶斑），蝴蝶斑中間的界面上通常為破壞源發(fā)生點(diǎn)，并能在界面的拉力層找出引起破壞的雜質(zhì)顆粒。為明晰鋼化玻璃的自爆機(jī)理，本研究收集了9塊鋼化玻璃自爆現(xiàn)場(chǎng)的玻璃碎片，并對(duì)自爆源進(jìn)行了分析。在自爆源處的蝴蝶斑塊狀的玻璃碎片上，均發(fā)現(xiàn)橫斷截面上存在微小顆粒，通過掃描電鏡（LEO,Oberkochen,Germany）觀察并進(jìn)行局部顆粒成分分析，并采用有限元方法從理論上分析自爆產(chǎn)生的機(jī)理，從而完善鋼化玻璃自爆的機(jī)理。
　　　　
　　3鋼化玻璃自爆機(jī)理的研究結(jié)果

　　3.1硫化鎳微粒引起鋼化玻璃自爆的機(jī)理
　　硫化鎳微粒引起鋼化玻璃自爆的機(jī)理已經(jīng)得到廣泛的研究[6-9]。圖2為典型的硫化鎳微粒形貌圖，圖3為相應(yīng)的能譜分析結(jié)果。硫化鎳是一種晶體，存在高溫相和低溫相，相變溫度為379℃。玻璃在鋼化爐內(nèi)加熱時(shí)，因?yàn)榧訜釡囟雀哂谙嘧儨囟?，硫化鎳全部轉(zhuǎn)化為高溫相。在隨后的淬冷過程中，高溫相來不及轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵?，從而被凍結(jié)在鋼化玻璃中。在室溫環(huán)境下，高溫相是不穩(wěn)定的，有逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵嗟内厔?shì)。這種轉(zhuǎn)變伴隨著約2%~4%的體積膨脹，使玻璃承受巨大的相變張應(yīng)力，從而導(dǎo)致自爆。為了減少由硫化鎳微粒引起的自爆，可以對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行均質(zhì)處理[10,11]。國(guó)內(nèi)外的很多鋼化玻璃廠家都采用了均質(zhì)處理工藝來預(yù)防自爆，但實(shí)際應(yīng)用效果表明，進(jìn)行均質(zhì)處理后的鋼化玻璃，在服役過程中仍然會(huì)發(fā)生自爆現(xiàn)象。
　　3.2異質(zhì)顆粒引起的鋼化玻璃自爆的機(jī)理
　　我們從不同場(chǎng)合收集到9塊玻璃自爆裂紋源的蝴蝶斑碎片，均找到在界面上的破壞源小顆粒，直徑約為0.1-0.4mm。這些小顆粒都是在距玻璃表面有一定深度的拉應(yīng)力層，如圖4所示。圖4中的痕跡清楚地顯示了破壞過程，首先由于顆粒膨脹在玻璃的拉應(yīng)力區(qū)引起局部一次開裂，進(jìn)而產(chǎn)生二次破裂和整體破碎。
　　為了進(jìn)一步分析這些破壞源小顆粒的形貌和成分，將這些碎片在相同的條件下進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析。結(jié)果表明導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的雜質(zhì)顆粒不僅僅是硫化鎳顆粒，很多情況下是由于其它的異質(zhì)相顆粒如單質(zhì)多晶硅、氧化鋁和硅鋁酸鈉等引起的。在我們所找到的9塊樣品中，有5塊是單質(zhì)多晶硅、2塊是NiS，1塊是Al2O3,1塊是Na2Al2Si5O10。正是由于很多自爆現(xiàn)象都是由這些異質(zhì)相顆粒所引起的，所以國(guó)內(nèi)外鋼化玻璃企業(yè)針對(duì)硫化鎳所進(jìn)行的均質(zhì)處理，并不能完全避免鋼化玻璃服役過程中的自爆現(xiàn)象。
　　由于單質(zhì)多晶硅、氧化鋁和硅鋁酸鈉等顆粒造成鋼化玻璃自爆的機(jī)理非常類似，所以我們以典型的異質(zhì)顆粒單質(zhì)多晶硅為例說明這類顆粒引起的鋼化玻璃自爆的機(jī)理。圖5是典型的異質(zhì)顆粒單質(zhì)多晶硅的截面圖以及沿圖中白線所采集的能譜分析結(jié)果。
　　顆粒大部分都是圓球形狀的，表面非常圓滑，如圖5所示。測(cè)得其顯微硬度值為6.5GPa，比周邊的玻璃硬度(5.4GPa)要高一些。單質(zhì)硅的膨脹系數(shù)約為3～5×10－6K-1,而普通鈉鈣硅玻璃的膨脹系數(shù)大約是其兩倍。在玻璃的降溫過程中周邊的玻璃對(duì)單質(zhì)硅球形顆粒產(chǎn)生越來越大的壓應(yīng)力，反之單質(zhì)硅微粒對(duì)周邊的玻璃形成相同的徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力。對(duì)于物理鋼化玻璃，表面受壓應(yīng)力，中間是與表面壓應(yīng)力保持平衡的拉應(yīng)力區(qū)。單質(zhì)硅顆粒周圍的切向拉應(yīng)力與鋼化玻璃的拉應(yīng)力疊加，使得顆粒周圍垂直于玻璃面的平面拉應(yīng)力達(dá)到最大，當(dāng)這種局部拉應(yīng)力達(dá)到一定程度就可導(dǎo)致玻璃破裂。同時(shí)當(dāng)最大拉應(yīng)力接近玻璃的斷裂強(qiáng)度便形成一種危險(xiǎn)的不穩(wěn)定系統(tǒng)，一旦有溫度變化或者外部受力，局部應(yīng)力峰值就可能超過強(qiáng)度值而發(fā)生破壞。從圖4中可以看出顆粒邊緣處的玻璃受到擠壓并在切向有開裂的痕跡。玻璃中的局部應(yīng)力主要是由于玻璃和單質(zhì)硅顆粒的膨脹系數(shù)之差所引起。根據(jù)彈性理論，這種擠壓應(yīng)力主要由溫差和兩種材料膨脹系數(shù)之差及彈性系數(shù)所決定。在顆粒周邊的玻璃中應(yīng)力狀態(tài)是球?qū)ΨQ分布，并且隨距離而快速衰減，徑向和切向應(yīng)力的絕對(duì)值相差一倍，即最大徑向應(yīng)力的絕對(duì)值是同一點(diǎn)切向應(yīng)力的兩倍。它們可以表示為：（略）
　　顆粒將受到靜水壓力，反之受到靜水拉力。對(duì)于硅顆粒在玻璃基體中，降溫過程溫差是負(fù)的，所以顆粒周邊的徑向應(yīng)力是壓力，切向應(yīng)力是拉力，所以切向應(yīng)力是裂紋啟始的根源。
　　上述公式表明，為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)顆粒周邊的應(yīng)力分布和斷裂機(jī)理，采用有限元方法對(duì)溫差和膨脹系數(shù)的不一致引起的局部應(yīng)力進(jìn)行模擬。有限元網(wǎng)格劃分為40000單元，溫差為600℃，硅顆粒和玻璃的彈性模量分別為110GPa和70GPa，顆粒周邊的剪切應(yīng)力分布的計(jì)算結(jié)果如圖6(a)所示。它表明降溫過程中顆粒周邊確實(shí)有較大的應(yīng)力集中，而且這種應(yīng)力梯度隨顆粒尺寸的增大而增大，也就是說，顆粒越大，存在拉應(yīng)力的厚度層越大，也就越容易導(dǎo)致破壞。這種結(jié)果也可以從圖6(b)中兩個(gè)顆粒周邊的應(yīng)力層厚度比較看出明顯的應(yīng)力層厚度差別。從理論計(jì)算公式來看，只要材料參數(shù)和溫度參數(shù)給定，顆粒邊緣的最大拉應(yīng)力就可以算出，而且該應(yīng)力峰值與顆粒大小無關(guān)。但當(dāng)顆粒很小的時(shí)候往往不會(huì)導(dǎo)致破裂，這是由于應(yīng)力所占的空間不足以使得斷裂發(fā)生，根據(jù)均強(qiáng)度準(zhǔn)則[13]，脆性材料的斷裂起始取決于跟材料性能相關(guān)的區(qū)域內(nèi)的平均應(yīng)力，而不是取決于一點(diǎn)的應(yīng)力峰值。因此，小顆粒邊緣一點(diǎn)的應(yīng)力峰值雖然達(dá)到強(qiáng)度值，但不能引起開裂。單質(zhì)硅的熱膨脹系數(shù)比玻璃基體的熱膨脹系數(shù)小，玻璃生產(chǎn)時(shí)在玻璃緩慢冷卻過程中單質(zhì)硅周圍的擠壓應(yīng)力逐漸增大，從而在周圍的玻璃中產(chǎn)生較大的切向拉應(yīng)力，當(dāng)這些區(qū)域正好處于鋼化玻璃的拉應(yīng)力區(qū)時(shí)，該顆粒周邊的應(yīng)力集中可能導(dǎo)致玻璃的破裂。由于該處的應(yīng)力總是大于其他地方，即使沒有達(dá)到破壞應(yīng)力，當(dāng)受到一定的外力或變溫時(shí)，破壞也總是會(huì)從該處開始。由于單質(zhì)硅顆粒在降溫過程中使玻璃產(chǎn)生局部應(yīng)力，常規(guī)的均化爐升溫過程很難引爆含有硅顆粒的鋼化玻璃。因此，含有單質(zhì)硅顆粒的鋼化玻璃很難在常規(guī)的均化過程中排除。
　　
　　4結(jié)論
　　通過對(duì)不同場(chǎng)合發(fā)生自爆的鋼化玻璃的破壞源玻璃碎片橫截面的分析，發(fā)現(xiàn)引起鋼化玻璃自爆的來源不僅僅是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的硫化鎳微粒，還有許多其它異質(zhì)相顆粒如：?jiǎn)钨|(zhì)硅、氧化鋁和硅鋁酸鈉等。在收集到的總共9個(gè)案例中引起自爆的小顆粒中發(fā)現(xiàn)有5塊是單質(zhì)多晶硅、2塊是NiS，1塊是Al2O3,1塊是Na2Al2Si5O10。玻璃中的裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展主要是由于異質(zhì)顆粒引起的殘余拉應(yīng)力和玻璃本身殘余應(yīng)力綜合作用所導(dǎo)致。造成鋼化玻璃自爆的應(yīng)力主要有兩類：一類是由于相變過程所產(chǎn)生的應(yīng)力，另一類是由于異質(zhì)顆粒與玻璃的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

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