什么是玻璃风冷钢化？

把玻璃加热到软化点附近（钠钙玻璃约600～650 ℃），向两面吹风急冷的处理。表面先固化，之后中心冷却收缩，在表面留下压应力、中心留下拉应力。表面压应力抑制缺陷处的开裂，强度可达普通玻璃的数倍。

钢化程度由什么决定？

冷却强度（换热系数）和板厚。瞬时冻结模型计算中，6 mm板换热系数100 W/m²K时表面压应力37 MPa，400 W/m²K时107 MPa。4 mm板在400时只有82 MPa，100时为26 MPa，板越薄需要越强的冷却。

怎样分析钢化玻璃的残余应力？

用传热分析求冷却过程中沿厚度的温度分布，用黏弹性模型（如Narayanaswamy模型）处理玻璃化转变温度区间的应力松弛。简单的瞬时冻结模型便于把握趋势，但应力偏大，要用实测（如偏光表面应力仪）确认。

玻璃钢化（风冷钢化）热应力分析

分类：热-结构耦合 | 2026-10-01 改写

CAE visualization for glass tempering theory - technical simulation diagram

玻璃淬火热处理分析

理论：固化顺序留下应力

概述

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听说钢化玻璃比普通玻璃强好几倍。仅靠热处理为什么能变得这么强？

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玻璃破裂是因为拉应力集中在表面的微小缺陷处。如果预先在表面留下压应力，外力在抵消这部分压应力之前就无法使缺陷张开。方法是把玻璃加热到600 ℃以上，向两面吹风急冷。表面先固化，仍然软的中心后冷却收缩，把已固化的表面拉成压应力，中心则为拉应力。应力大小由冷却强度和板厚决定。

瞬时冻结模型

$$ \sigma(z) = \frac{E\alpha}{1-\nu}\left[T_f(z) - \bar T_f\right], \qquad \text{parabolic } T_f:\ \ \sigma_{surf} = -\frac{2}{3}\frac{E\alpha}{1-\nu}\Delta T,\ \ \sigma_{centre} = +\frac{1}{3}\frac{E\alpha}{1-\nu}\Delta T $$

最简单的模型认为，中心冷却到玻璃化转变温度 $T_g$ 那一刻的温度分布 $T_f(z)$ 被原样固定。此后整块板均匀冷却到室温，固化时越热的部位（中心）收缩越大，成为拉应力。温度分布为抛物线时，表面应力是中心应力的−2倍。

$$ Bi = \frac{h\,(t/2)}{k} $$

用板厚 $t$ 的一半和热导率 $k$ 构成的毕渥数，是表面冷却与内部导热之比。玻璃热导率只有约1 W/mK，即使风冷，毕渥数也在1左右，板内形成很大的温差。

Coffee Break 随笔闲谈

鲁珀特之泪

把熔融玻璃滴入水中，会凝固成蝌蚪状。这种在17世纪英国被称为“鲁珀特之泪”而轰动一时的小玻璃，用锤子敲粗大的头部也不碎，但折断细尾整颗就瞬间粉碎。这是因为表面的强压应力与内部的强拉应力相平衡，与钢化玻璃机制相同。工业风冷钢化于20世纪前半叶在法国实用化，推广到汽车车窗等领域。钢化玻璃碎成小颗粒，也是内部储存的拉伸能量一下子释放的结果。

算例：板厚与冷却强度

钠钙玻璃（E 70 GPa、α 9×10⁻⁶ /K、ν 0.22、k 1.0 W/mK）从650 ℃用30 ℃空气两面冷却，在中心达到560 ℃时固定温度分布求残余应力（忽略辐射）。分类参照ASTM C1048：表面压应力24～52 MPa为半钢化，69 MPa以上为全钢化。

板厚	换热系数	毕渥数	冻结时温差	表面	中心	分类
4 mm	100	0.20	48 K	−26 MPa	+13 MPa	半钢化
4 mm	400	0.80	154 K	−82 MPa	+43 MPa	全钢化
6 mm	100	0.30	70 K	−37 MPa	+19 MPa	半钢化
6 mm	200	0.60	124 K	−66 MPa	+34 MPa	半钢化
6 mm	400	1.20	203 K	−107 MPa	+56 MPa	全钢化
10 mm	100	0.50	107 K	−57 MPa	+30 MPa	半钢化
10 mm	200	1.00	180 K	−95 MPa	+50 MPa	全钢化

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同样的冷却方式，板越薄应力越小。

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对。应力取决于板内温差，而温差由毕渥数即冷却强度×板厚一半决定。薄板热量很快传到中心，难以形成温差。10 mm板换热系数200就达到全钢化标准，4 mm却需要300以上。这就是薄钢化玻璃难做的原因，到2～3 mm时就不用风冷，而用离子交换把大离子引入表面的化学钢化。另外，表面与中心之比都约为−2，说明温度分布接近抛物线。

模型局限

瞬时冻结模型忽略了玻璃化转变温度区间应力逐渐松弛的效果，因此残余应力偏大。实际设计使用处理黏弹性和结构松弛的Narayanaswamy模型等，并用实测表面应力校准系数。实际炉中还有辐射冷却，高温时不可忽略。

分析步骤

由喷嘴布置和风量求玻璃表面换热系数分布（CFD或经验公式）。
用沿厚度的瞬态传热分析求温度历程，包括辐射。
用黏弹性与结构松弛模型求残余应力。
端部和孔周围面内应力也会变化，用二维/三维确认。
用表面应力仪或破碎试验（碎粒数）确认。

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“看起来有斑纹的钢化玻璃”

透过偏光太阳镜看建筑钢化玻璃，有时会看到斑驳的图案。称为“风斑”或“应力斑”，是换热系数随喷嘴排列逐点不同、残余应力略有差异留下的痕迹。通常没有强度问题，但可能引起外观投诉。通过分析求出喷嘴布置造成的换热系数分布，就能研究用喷嘴摆动幅度和风量调整来淡化图案。

常见错误

错误与对策

错误	后果	对策
直接用瞬时冻结模型值	高估应力	用黏弹性模型和实测修正
薄板用与厚板相同的冷却	钢化不足	按毕渥数确定冷却
忽略辐射	低估初期冷却	考虑辐射
换热系数取均匀	漏掉不均和斑纹	由喷嘴布置求分布
忽略端部	从端部破坏	用二维/三维确认

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我想试试相关计算。

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可以用热应力计算、毕渥数计算和热膨胀计算确认热应力、毕渥数和热膨胀。思路可参考热冲击分析、热残余应力和热膨胀系数梯度设计。