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女子洗澡时钢化玻璃突然炸裂,右手筋切断,钢化玻璃为何会爆炸?

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近日,有网友称出租屋内浴室的玻璃门突然炸裂,导致自己右手肌腱断裂,身上多处受伤缝针。

3月18日,羊城晚报记者联系上当事人陈女士(化姓),她介绍,自己租住在浙江一间公寓内,3月15日晚7时许,自己洗完澡后推开浴室的门,没想到钢化玻璃门突然爆炸,碎掉的玻璃全部砸了下来……



好端端的钢化玻璃为何会爆炸?日常使用时要注意什么?

不要听到是钢化玻璃,就以为是防弹玻璃,就使劲造。

二者是完全不一样的。

首先呢,钢化玻璃其实是普通玻璃经过加热和急冷处理所形成的:

从600~700°C的玻璃软化点,辅以高压气流吹气,使其迅速冷却。 玻璃表面受冷收缩,产生很高的压应力。 由于中心冷却更慢,最后凝固时,内部会产生很高的拉应力。


从左到右,从上到下:高温、急冷、应力产生、压应力(左)与张应力(右)关系


两侧的压应力层, 约1/6玻璃厚度

钢化玻璃上的特殊张力分布,使其在受到外部压力时,更不容易破裂。



一般来说,经过钢化处理的玻璃,强度可提高到原来的3~5倍,甚至以上。



钢化玻璃的钢化程度,和冷却前加热温度的高低有关。

关系式如下:



玻σ玻 即为钢化玻璃的强度。 σ0 为退火玻璃的表面强度。 B 为应力光学常数,2.5×10^-7 cm^2/kg。 x 为玻璃表面层应力与中间层应力的比例系数。 Δ 为钢化程度,mm/cm(也即1cm光程内的光程差)。

钢化程度 Δ ,与温度呈现 S 曲线增长关系。



从关系图可以看出,加热不足500℃时,钢化程度不高。

500℃以上,钢化程度显著提升。

600℃左右,具有最高的钢化增益。

700℃左右,钢化效益接近峰值,更高温度后增益不多。

可见温度控制对玻璃钢化非常重要。

钢化玻璃的强度这么高,为啥还会“爆炸”呢?

刚才我们知道了,钢化玻璃本身就受到非常大的自身应力,外压内拉。

想象这不是一块玻璃,这是一块果冻……

如此强大的张力下,是不是就直接崩碎了?

钢化玻璃平时不碎掉,其实就是自身强度和压力、拉力之间形成了一个平衡。

这个平衡一被打破,玻璃就会直接爆碎。

钢化玻璃上容易打破平衡的点,被称为薄弱点。

薄弱点主要有三种类型:

源于切割的薄弱点:四角边缘 源于材料的薄弱点:杂质颗粒 源于意外的薄弱点:表面损伤



由于四角和边缘是切割的,如果磕碰使得表面压力层破坏,产生的裂口到达内部拉力层,整个玻璃就会受力不均,彻底崩碎。

其它表面损伤、缺陷,也是同样的道理,因为扩大损伤到内部而破碎。

以上往往是磕碰、外力等原因造成的,杂质引起的则完全不同。

杂质颗粒导致的崩碎,也是我们通常所说的「自爆」。

在加工、运输、贮存、使用过程中都可能遇到,直接和钢化玻璃的生产工艺相关。

一般来说,加工自爆,可能由多种原因造成。而使用时产生的自爆,通常只和一种物质有关:

玻璃中残留的硫化镍(NiS)[1] [2]

NiS 是一种晶体,具有两种同质异形体。

α相和β相。


NiS: α相 VS β相

α相为六角形晶胞,β相为菱面体晶胞。

α相在379 °C以上温度稳定,在较低温度下相变为β相。



变成 β相后,体积会增加2~4%[3]。

由于钢化玻璃的热处理温度是600~700℃,远远高于379 °C。

所以钢化玻璃刚刚加热完成时,内部的 NiS 会全部转化成α相。

由于钢化玻璃是急冷却处理的,所以内部的α相 NiS 来不及转化成β相。

室温环境中,α相会缓慢转化成β相。


NiS杂质的电竞扫描

随着不断相变膨胀,玻璃内部产生的应力越来越高,超过平衡极限,最终自爆就会发生。

NiS 自爆产生的纹路,往往呈现显著的蝴蝶纹:


NiS 杂质晶体处于「蝴蝶纹」界面,大小0.04~0.65mm,平均0.2mm,位于内部张应力区

玻璃自爆的NiS杂质临界直径,有以下关系:



K1c 为应力强度因子,大小为 0.76×10^5Nm^(-3/2)。 p0 为度量相变及热膨胀的因子,大小为 615MPa。 σ0 为 NiS 晶体周围的应力大小。

由这个公式,计算可得:

钢化玻璃内部张力为 65MPa 时,NiS 最小直径为 0.04mm 。

当玻璃中的 NiS 杂质比例相对固定时,玻璃的钢化强度越高,越容易自爆。



除此之外,钢化强度越高,最后破碎后的颗粒尺寸也越小。

越小就会越安全。


普通玻璃碎片大,容易划伤人。钢化玻璃碎片小,越不容易划伤人。

国家为了安全考虑,对钢化玻璃的碎片数目和大小,进行了明确的规定:



而为了保证使用质量,国家同样规定了碎片的数目上限:



也就是说,对于平面钢化玻璃,碎片个数的要求,通常在40~90个的范围内。

要求表面应力≥90MPa,最大值与最小值差≤15MPa。

网传钢化玻璃国家标准有着千分之三的自爆率,这其实并不属实。

国家标准中仅仅只有降低自爆率的建议:



其实钢化玻璃自爆率的确在千分之三左右,不过国家不设定标准是合理的。因为工艺变化对自爆率影响很大,国家如果设定很细的标准很有可能会面临适用范围和时间的问题。

其实,钢化玻璃从α相到β相,是一个缓慢的时间过程。

很明显,你买回去就自爆了,必然是产品问题,而不能解释称3%的自爆率。

一般来说,钢化玻璃可能在2~5年内,发生较低的自爆率,这是大家在使用过程中需要注意的。

一经发生意外,一定要积极维权。

可能很多人以为自己用的是钢化玻璃,就有用防弹玻璃一样的错觉。

但其实两个东西,虽然都说是玻璃,但其实可以说是完全不同的“物种”。

防弹玻璃是典型的多层设计,会用到大量的塑料材质:



防弹玻璃的子弹冲击效果是这样的:


碎而不破,呈放射状破裂

钢化玻璃和防弹玻璃价格差异巨大,防弹玻璃价格往往超过千元每平米,通常是钢化玻璃的10~100倍范围内。

所以,对于居家使用钢化玻璃比较多的,还是需要多注意。

避免边角磕碰,使用年限较长以后,能替换的尽量替换。

参考

  1. ^Kasper, Andreas. "Spontaneous cracking of thermally toughened safety glass. Part one: properties of nickel sulphide inclusions." Glass Structures & Engineering 4.3 (2019): 279-313.
  2. ^Kasper, Andreas, Nho Pyeonglae, and Zheng Yuan. "Spontaneous cracking of thermally toughened safety glass Part two: nickel sulphide inclusions identified in annealed glass." Glass Structures & Engineering 4.3 (2019): 315-343.
  3. ^Yousfi, Oussama, et al. "Phase transformations in the NiS Nickel sulphide: microstructure, mechanisms and modelling through in situ microscopy." Solid State Phenomena 172 (2011): 402-407.

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