玻璃制品内应力的测量

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玻璃制品内应力的测量

 生产的玻璃制品中的应力测量对于质量控制和保证而言非常重要。所需的应力分布取决于玻璃的设计应用。例如，汽车侧窗和后窗经过回火处理，可在强化玻璃的表面产生较大的压缩应力。理想的光学玻璃是各向同性的，但在退火过程中由于玻璃内外温度不一致，或者退火炉内各处温度不一致等都会产生内应力。光学玻璃内应力的存在，破坏了各向同性，产生双折射现象，即当一束光线通过有内应力的玻璃时，将产生传播速度不同的两束光线，分别称为寻常光线和非常光线。钢化玻璃产品是表面应力为 70 MPa 或更高。电视面板的内应力要低得多，但这些应力可以增强面板抵抗玻璃因典型阴极射线管的真空而损坏的能力。汽车挡风玻璃或电视面板等退火产品具有低或中等的表面应力（小于或约 7 MPa）。所生产制品内的应力分布在很大程度上取决于工艺条件，因此该参数表示玻璃生产过程的控制。玻璃成型模型可以预测产品内的最终应力分布。因此，应力分布的准确测量可以提供有关此类模型准确性的信息，并可以指导改进模型的开发。

应力引起的双折射是众所周知的。当光照射到各向异性晶体（单轴晶体，如方解石、石英、红宝石等）时，发生两个不同方向的折射；对于单光材料来说，当光偏振方向垂直于光轴时，光所感受到的折射率为寻常光折射率，称为o光（ordinary ray、寻常光），另一束光的偏振方向平行于光轴则称为e光（extraordinary ray、非寻常光），这两束光都是偏振光，当寻常光折射率小于非寻常光折射率时称之正单光轴材料，反之称负单光轴材料。光线从一个特殊的角度射入晶体时不会发生双折射现象，这一角度称为晶体的光轴。

应力是一个张量，可以通过给出沿三个主轴的分量以及这些轴在对象中每个点处相对于对象的方向来指定。在任何表面上，其中一个主轴垂直于表面，主应力分量为零。对于均匀钢化，表面平面内的两个主应力相等且受压，垂直于表面方向的应力在整个玻璃厚度范围内为零。在钢化板中，沿给定方向的应力在该平面的表面上是受压的，在中间变成拉伸的，然后在另一个表面上受压。对于均匀钢化玻璃，该应力分布关于板的中平面对称，并且该应力通过板厚度的积分为零。对于薄玻璃板，这种应力分布是抛物线的，并且表面上的压缩幅度是中平面处张力幅度的两倍。冷却速率的边缘和任何横向空间变化导致两个平面内主应力轴变得不相等，并产生与此理想应力模式的偏差。

各向同性固体不表现出双折射。然而，当它们受到应力时，会产生双折射。当这样的样品放置在两个交叉的偏振器之间时，可以观察到彩色图案，因为光线的偏振在穿过双折射材料后会发生旋转，并且旋转量取决于波长。 用于分析固体应力分布的称为光弹性的实验方法基于相同的原理。 最近有研究使用玻璃板中的应力诱导双折射来产生光学涡旋和全庞加莱光束（在横截面上具有每种可能的偏振状态的光束）。

相关文献：Shepard, C.L., Cannon, B.D. and Khaleel, M.A. (2003), Measurement of Internal Stress in Glass Articles. Journal of the American Ceramic Society, 86: 1353-1359. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2003.tb03475.x

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