热强化玻璃及表面应力仪测定

     1、热强化玻璃以及表面应力仪

　　以平板玻璃做素材的热强化（也叫风冷强化、物理强化）玻璃的用途以及性能比较多样化。因此它的品质管理也就相应的变得比较重要了。特别是表面的应力与强度有着直接性的关联。强度分别为1000kg/cm2的玻璃与几百kg/cm2的玻璃各有各的实用之处。后者被称为“倍强度玻璃”——比未强化过的玻璃强度大数倍程度的玻璃，新的JIS也就发行了。要对表面应力进行管理，就需要利用光学现象、基于光弹性原理基础上的表面应力仪来检测。

　　2、玻璃表面应力的分布以及光弹性效果

　　平板玻璃的表面，如果忽略大气压的话就是一个自由的表面，作用于表面成直角的力为零，因此应力只是平行于表面的。3个存在并相互垂直的主应力，一个垂直于表面，强度为零。其他两个都在玻璃表面（如图1）

平板玻璃

　　图1平板玻璃的三条主应力线的角度关系其中一条垂直与表面并且值为零

　　光沿着表面进入玻璃内部，如果存在应力，玻璃就会带有双折射性，一条振动波线垂直于表面，相对应另外一条振动波线平行于表面，两者各自都带有不同的折射率。（图2）这两者的折射率的差叫做双折射△n双折射是与光的路线呈直角，与表面平行的应力，表面垂直的应力之间的差成比例的。但是由于两者的应力之后为零，所以双折射只同与光的线路成直角方向的表面应力成比例了。比例定数C是根据玻璃的组成来决定玻璃的性质，被称之为光弹性常数。因此就诞生了如下公式双折射△n=C*表面应力P公式（1）使用穿透光来进行的光弹性实验中，通常使用nm/cmkg/cm2来表示光弹性常数的单位。在使用公式（1）进行换算的时候将nm/cm读成10-7比较好。比如平板玻璃的光弹性常数大约为2。6（nm/cm）/(kg/cm2)=2。6*10-7(kg/cm2)-1代替kg/cm2也可以用Pa和Mpa来换算成光弹性常数。折射率利用真空中的光速度与玻璃中的光速度的比例，因此用穿透光进行光弹性测定的公式也就出来了，即光路差=C*应力*光经过的长度=△n*光经过的长度

　　图2传播到玻璃表面的光垂直于表面的振动波A与平行于表面的振动波B

　　3、无损检测

　　将玻璃表面产生的应力双折射用折射仪来检测，根据公式（1）就可以得出应力值。但是通常的折射仪是将光从样品的一端射入的（图3），利用与表面平行的光的折射原理来测定的。这个方法不适于检测大型强化平板玻璃的无损检测。关于光电子学用的装置，比如光的集成电路的研究，一般都是在表面的光导向内注入光，再从导向内导出光。这也是对于表面应力测定的一种有用的技术。但是前提必须是样品表面有光的导向的性质。

　　4、锡面的导光性

　　平板玻璃的两面，有一面通常会在制造工程中涂上锡溶液（也称为底面或者下部面），玻璃中的Na离子和溶液中的锡离子会产生离子交换，随着深度的不同，锡离子的浓度也会有所不同（图4），因此，折射率也会相应随之变化，锡离子进入的深度通常为10-30μm。表面的高折射率层与光通信纤维同理，不让光发散而能让光传播的很远（光的电波导向效果）。这种折射率层能让很多光通过，因此为表面的光弹性测定提供了非常有利的条件。为了保证光的射入与射出，需要使用利用高折射率的光学玻璃制出来的棱镜。