把溫度低于應變點以下的、無應力的玻璃板進行雙面均勻自然冷卻,則玻璃表面層的溫度急劇下降,由于玻璃的導熱系數(shù)低,故內層冷卻緩慢,由此在玻璃內部產生了溫度梯度,沿厚度方向的溫度場分布呈拋物線形。
玻璃瓶在冷卻過程中處于較低溫度的外層收縮量應大于內層,但由于受到內層的阻礙而不能收縮到正常收縮量,所以外層產生了張應力,內層處于壓縮狀態(tài)而產生了壓應力。這時玻璃厚度方向的應力分布是外層為張應力,內層為壓應力,其應力分布呈拋物線形。在玻璃中間的某層,壓應力和張應力大小相等,應力方向相反,相互抵消,該層應力為零,稱中性層。
玻璃瓶繼續(xù)冷卻,當表面層冷卻到室溫后,表面溫度不再下降,其體積也不再收縮,但內層溫度高于外層,它將繼續(xù)降溫收縮,這樣外層開始受到內層的拉引而產生壓應力,此部分應力將部分抵消冷卻開始時所受到的張應力,而內層收縮時受到外層的拉伸呈張應力,將部分抵消冷卻開始時的壓應力。隨著內層溫度不斷下降,外層的張應力和內層的壓應力不斷相互抵消,當內外層溫度一致時,玻璃中不再存在應力.反之,若玻璃板由室溫開始加熱,直到應變點以下某溫度保溫時,其溫度變化曲線與應力變化曲線恰與上述相反。
暫時應力雖然隨溫度梯度的消失而消失,但其應力值應嚴加控制,若超過了玻璃的抗張強度的極限,玻璃會發(fā)生炸裂。通常應用這一現(xiàn)象以驟冷的方法來切割玻璃制品及玻璃管、玻璃棒等。
2.永久應力
當玻璃瓶玻璃內外溫度相等時所殘留的熱應力稱永久應力。
將一塊玻璃瓶加熱到高于玻璃應變點以上的某一溫度,待均熱后板兩面均勻自然冷卻,經一定時間后玻璃中溫度場呈拋物線分布。玻璃外層為張應力而內層為壓應力,由于應變點以上的玻璃具有粘彈性,即此時的玻璃為可塑狀態(tài),在受力后可以產生位移和變形,使由溫度梯度所產生的內應力消除。這個過程稱為應力松弛過程,這時的玻璃內外層雖存在著溫度梯度但不存在應力。當玻璃冷卻到應變點以下,玻璃已成為彈性體,以后的降溫與應力變化與前述的產生暫時應力的情況相同,待冷卻到室溫時雖然消除了應變點以下產生的應力,但不能消除應變點以上所產生的應力,此時,應力方向恰相反,即表面為壓應力,內部為張應力,這種應力為永久應力。
3.玻璃瓶中的結構應力
玻璃瓶因化學組成不均導致結構上的不均而產生的應力稱結構應力。它是屬于永久應力,玻璃瓶即使經退火也不能消除這種應力。玻璃中的成分不均體,其熱膨脹系數(shù)與主體玻璃不相同,因而主體玻璃與不均體的收縮、膨脹量也不相同,在其界面上產生了應力,所以,退火也不能消除這類應力。例如,當玻璃中存在結石、條紋和節(jié)瘤時,就會在這些缺陷的界面上引起應力。
4.機械應力
由外力作用在玻璃瓶中玻璃上引起的應力,當外力除去時該應力隨之消失,此應力稱機械應力。在生產過程中,若對玻璃瓶施加過大的機械力也會使玻璃制品破裂。
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