玻璃缺陷检测和强度测试的实验研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.45MB 69 页 15积分
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摘 要
玻璃是典型的脆性材料，玻璃的破碎通常与玻璃表面或内部的杂质和缺陷密
切相关。玻璃的破坏一方面是由于玻璃表面的裂纹在外部压力的作用下缓慢扩展，
导致玻璃强度衰减而失效；另一方面是由于玻璃生产工艺本身造成玻璃存在结石、
砂粒、气泡、夹杂物等杂质引起玻璃面板应力集中，从而导致玻璃爆裂。本文主
要目的是研究玻璃的缺陷检测和强度测试技术，为玻璃的质量控制和工程设计提
供支持，具体完成了如下研究工作内容：
（1）利用 RFPA 软件模拟了玻璃裂纹尖端附近的数值光弹模拟图，分析了拉
应力和压应力方向以及夹杂物膨胀对裂纹扩展的影响；利用 ANSYS 软件分析了夹
杂物尺寸、弹性模量、几何形状，相互间距和温度对夹杂物附近应力分布的影响；
有限元分析表明，随着夹杂物的尺寸、几何构形差异增大及相互间距的减小，均
会导致夹杂物附近应力集中系数增大。
（2）利用 CCD 相机结合光弹法的玻璃缺陷检测技术在实验室对玻璃内部不
同缺陷或夹杂物在偏振光场下所引起的应力分布和条纹光斑进行研究；通过光弹
法可以观察出不同的缺陷或杂质引起的光斑图像的不同对其进行分类。正是由于
这一点使得光弹法检测具有更高的可靠性,有效性。
（3）将声发射装置和万能材料试验机结合，在球压加载过程中就可以得到损
伤和载荷的过程曲线，以确定临界载荷和声发射曲线之间的关系，计算出玻璃的
局部强度.该方法对于预测玻璃损伤和失效非常实用。
（4）通过激光测速系统对落球试验的测试可以获得 MBH 值,利用 MBH 值评
价夹层玻璃的抗冲击强度。该方法可以提供更精确的数值，使用更少的试验样品。
关键词：玻璃 缺陷 杂质 强度 光弹法 MBH 值 检测技术
ABSTRACT
Glass is a typical brittle material, quality control is a crucial issue to the glass
manufacturers, and defects existing in glass can dramatically depress glass grade. The
shatter of the glass is closely related with the surface or internal inclusions and defects.
The damage of glass, on the one hand, is because the surface crack slowly propagated
under the action of external stress, and resulted in the strength degradation and failure of
glass; On the other hand, due to the existence of stones, sands, bubbles, inclusions and
other impurities cause glass panels have stress concentration, and leading the glass to
shatter. The main objectives of this thesis are to study the detection of defects and the
strength tests,and to support the techniques for quality control and engineering
designing.The primary research works and obtained results are as follows:
（1）RFPA was used to simulate the numerical of photoelastic pattern of crack tip
of glass. The direction of the tensile, compressive stress and the expansion of inclusions
on crack propagation were analyzed. ANSYS was used to analyze the effects on stress
distribution of the inclusion size, elastic modulus, geometry, spacing, and temperature
around inclusions. It was showed by FEM analysis, that stress concentration factor near
inclusions increases with the inclusion of the size and geometric configuration
increasing, and the spacing decreasing.
（2）To inspect the stress distribution and fringe pattern in glass with defects or
inclusions under fields of the polarized light, a CCD camera combined with the defect
detection technique based on photoelasticity were used in the laboratory. Through the
method of photoelasticity, the variation of the fringe pattern can be observed and
classified by different defects or inclusions, it makes the photoelastic method more
reliable and effective.
（3）The system was organically integrated by acoustic emission sensor and
universal testing machine. It is expected to determine the corresponding load at the
injury moment during the force and deformation process for glass under sphere
indentation test. The local strength can be calculated by determining the curve of the
relationship between critical load and acoustic emission. The technique is important and
useful to detect and predict the fatigue properties and failure of glass materials.
（4）The application of the measurement of velocity by laser can obtain the MBH
(Mean Break Height) value in the tests of impact strength of laminate glass by a drop
ball. This method of determining the impact strength of laminate glass provides greater
precision value and uses fewer samples.
Key Word: Glass, Defects, Inclusions, Strength, Photoelasticity, MBH,
Detection technique
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题的背景及研究意义 ....................................................................................1
§1.2 国内外研究现状 ................................................................................................5
§1.3 本文主要研究内容及方法 ................................................................................8
第二章 玻璃裂纹扩展及缺陷应力集中的光弹有限元模拟 .........................................9
§2.1 引言 ....................................................................................................................9
§2.2 玻璃裂纹的光弹有限元模拟 ..........................................................................10
§2.2.1 RFPA 软件介绍 .........................................................................................10
§2.2.2 裂纹光弹数值模拟模型 ..........................................................................11
§2.2.3 结果与讨论 ..............................................................................................12
§2.3 玻璃内夹杂物的光弹有限元模拟 ..................................................................15
§2.3.1 夹杂物引起自爆的机理 ..........................................................................15
§2.3.2 PFPA 分析夹杂物膨胀的光弹模拟图 .....................................................17
§2.3.3 ANSYS 分析弹性模量对夹杂物附近应力场的影响 ...............................19
§2.3.4 ANSYS 分析温度对夹杂物附近应力场的影响 .......................................22
§2.4 本章小结 ..........................................................................................................23
第三章 基于光弹法的玻璃缺陷检测技术的实验研究 ...............................................25
§3.1 引言 ..................................................................................................................25
§3.2 检测原理及实验装置 ......................................................................................25
§3.3 玻璃的内部缺陷检测 ......................................................................................27
§3.4 真空玻璃失效的光弹检测 ..............................................................................29
§3.5 钢化玻璃的光弹检测 ......................................................................................31
§3.5.1 钢化玻璃内部的残余应力 ......................................................................31
§3.5.2 钢化玻璃自爆的现场勘查 ......................................................................33
§3.6 本章小结 ..........................................................................................................36
第四章 球压法和声发射技术测试玻璃的局部强度 ...................................................37
§4.1 引言 ..................................................................................................................37
§4.2 测试方法及原理 ..............................................................................................38
§4.2.1 球压法原理 ..............................................................................................38
§4.2.2 声发射原理 ..............................................................................................40
§4.3 实验 ..................................................................................................................41
§4.3.1 实验样品 ..................................................................................................41
§4.3.2 实验设备 ..................................................................................................41
§4.3.3 实验步骤 ..................................................................................................43
§4.4 结果与分析 ......................................................................................................46
§4.4.1 局部强度的测定 ......................................................................................46
§4.4.2 强度保证实验 ..........................................................................................48
§4.5 本章小结 ..........................................................................................................49
第五章 MBH 值评价夹层玻璃的抗冲击强度 ................................................................50
§5.1 引言 ..................................................................................................................50
§5.2 测试模型及 MBH 值计算 ..................................................................................51
§5.2.1 MBH 值计算 ...............................................................................................51
§5.2.1 测试模型 ..................................................................................................52
§5.3 实验 ..................................................................................................................56
§5.3.1 样品准备 ..................................................................................................56
§5.3.2 实验步骤 ..................................................................................................56
§5.4 结果与讨论 ......................................................................................................57
§5.5 本章小结 ..........................................................................................................58
第六章 结论及创新点 ...................................................................................................59
参考文献 .........................................................................................................................60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................65
致 谢 ...............................................................................................................................66
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的背景及研究意义
玻璃作为国民经济的基础材料，广泛应用于建筑、医药、医疗、汽车、航天、
通讯等各个行业。玻璃的破碎通常与玻璃表面或内部的杂质和缺陷密切相关。玻
璃的破坏一方面是由于玻璃表面的裂纹或划伤在外部环境和压力的变化下缓慢扩
展导致玻璃强度的衰减至损伤失效；另一方面是由于玻璃生产工艺本身或玻璃日
常使用和维护不当、温度变化等原因造成玻璃存在气泡、结石、砂粒、爆边、缺
口等缺陷，引起玻璃面板应力集中，从而导致玻璃爆裂。本课题主要目的是解决
玻璃突发性自爆或碎裂以及玻璃强度的检测预报问题。本文主要从玻璃的缺陷检
测和强度测试两个方面着手，为玻璃的质量控制和工程设计提供支持。
玻璃的强度是材料对塑性变形和断裂的抵抗力；同时还包括材料的“寿命”，即
材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力，使玻璃在服役期限内完
全有效的运行。在玻璃脆性材料的力学性能表征中，强度是一个重要的指标之一[1]。
如图1-1为玻璃材料的理论强度和实际强度，玻璃的理论强度极高，而实际强度很
低，从图中可以看出，从原子断裂能出发计算玻璃的理论强度高达16000MPa，而
实测强度却仅为50-100MPa，两者相差2-3个数量级。主要原因就是玻璃的表面存
在各种缺陷和微裂纹，这种裂纹称为格里菲斯裂纹[2]。如图1-2所示，为玻璃表面
微观裂纹的显微镜像图，可以看出玻璃的表面其实有非常多错综复杂的微裂纹，
正是由于这些裂纹的尖端应力高度集中，使得玻璃的实测强度大幅度降低。因此，
玻璃的实测强度是表征玻璃的安全性和可靠性的重要标准。
图1-1玻璃材料的理论强度和实际强度
玻璃缺陷检测和强度测试的实验研究
2
图1-2玻璃表面微观裂纹的显微镜像图
玻璃的种类很多，有浮法玻璃、钢化和半钢化玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、
真空玻璃、LOW-E镀膜玻璃、防火玻璃、吸热玻璃、光学玻璃、石英玻璃等等。
其中通过各种增强处理、如钢化、夹层、与其他高强透明材料复合、采用特殊玻
璃成分以及经过特殊处理而制成的具有更高强度的玻璃统称为安全玻璃。最常用
的安全玻璃是钢化玻璃和夹层玻璃。钢化玻璃是一种预应力玻璃,为提高玻璃的强
度,通常使用物理或者化学的方法，在玻璃表面形成压应力，使玻璃承受外力时首
先抵消表层应力，从而提高玻璃的承载能力，强度比普通玻璃提高数倍，抗弯强
度是普通玻璃的3到5倍，抗冲击强度是普通玻璃5到10倍，强度提高的同时也提高
了安全性，另外较高的承载能力也改善了易破碎的缺点，即使钢化玻璃破坏了，
无锐角的小碎片对物体的伤害程度极大地降低了。钢化玻璃的耐急冷急热的性质
比普通玻璃提高了2到3倍，可以承受大于150℃的温度变化。基于上述优点，钢化
玻璃因此被普遍用于玻璃幕墙、汽车、燃气灶面、高档浴室门、玻璃隔断门窗、
家用电器等很多地方。
但是玻璃由于生产工艺问题或日常使用和维护不当、温度变化等原因造成玻璃
内部存在气泡、结石、砂粒、爆边、缺口等缺陷，会引起玻璃的应力集中，容易
导致玻璃破裂。钢化玻璃最常见的一个缺陷是硫化镍（NiS）杂质膨胀引起自爆，
在常温状态下，硫化镍也会发生持续的低速相变，相变过程伴随着硫化镍体积的
膨胀，玻璃内部形成局部应力集中，使玻璃承受非常大的相变张应力，从而导致
钢化玻璃自爆[3,4]。
在医疗行业，玻璃因其透明、强度及硬度高、不透气；常温下呈化学惰性；
易于加工，价格低廉，品种功能繁多；因此在医疗行业应用相当广泛。医疗行业
对材料的要求非常高，尽管玻璃具有很多优点，但是玻璃是典型的脆性材料，其
抗拉性能差而抗压性能好，玻璃的脆性是玻璃受到应用限制的很大一个原因。由
于玻璃的脆性导致玻璃碎裂引起的安全隐患层出不穷。如国家食品药品监督管理
摘要：

摘要玻璃是典型的脆性材料，玻璃的破碎通常与玻璃表面或内部的杂质和缺陷密切相关。玻璃的破坏一方面是由于玻璃表面的裂纹在外部压力的作用下缓慢扩展，导致玻璃强度衰减而失效；另一方面是由于玻璃生产工艺本身造成玻璃存在结石、砂粒、气泡、夹杂物等杂质引起玻璃面板应力集中，从而导致玻璃爆裂。本文主要目的是研究玻璃的缺陷检测和强度测试技术，为玻璃的质量控制和工程设计提供支持，具体完成了如下研究工作内容：（1）利用RFPA软件模拟了玻璃裂纹尖端附近的数值光弹模拟图，分析了拉应力和压应力方向以及夹杂物膨胀对裂纹扩展的影响；利用ANSYS软件分析了夹杂物尺寸、弹性模量、几何形状，相互间距和温度对夹杂物附近应力分布的...

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