強化ガラスの加熱による応力緩和とその破壊特性

強化ガラスの加熱による応力緩和とその破壊特性
地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター
開発本部開発第二部 材料グループ
○増田 優子、上部
１. 緒言
物理強化ガラス（熱強化ガラス）は、普通のガラスの
数倍の強度を有するほか、破片が小さく粒状に破壊する
ので破片による怪我の危険が小さく安全ガラスともいわ
れる。しかし、このガラスも高温度下で長期間使用する
と、表面の圧縮応力が緩和し強度が低下するほか、破片
が大きく鋭利になることがある。本研究では、物理強化
ガラスを安全に使うための基礎データや、破損事故の原
因究明に必要なデータを得ることを目的として、応力緩
和に関する温度や時間の影響、破損時の破片の数や形状
などを調べた。
２. 実験方法
２.１ 加熱試験
市販の物理強化ガラス（3 倍強化，φ=210 mm，t=4
mm）をサンプルとし、電気マッフル炉（ADVANTEC，
FUW252PA）で所定の温度・時間、熱処理をした。加
熱前後の表面応力をバビネ型表面応力計（㈱ルケオ，
LSM-902）を用いて測定し、応力の緩和量を調べた。
２.２ 破壊試験
各温度・時間で加熱したサンプルの表面をポンチで破
壊し、破片数・形状等の破損状況および破断面の観察を
行った。
隆男
緩和によるもの（Ea=164 kcal/mol 2））
」等が考えられる。
各熱処理における表面応力の緩和量より求めた見かけの
活性化エネルギーEa は、約 10～13 kcal/mol（約 42～
54 kJ/mol）となり、アルカリイオンの移動によるもの
に近い値を示した。
３.２ 破壊試験
表面応力の緩和が進むと、破片は大きく鋭利になった
（Fig.2）
。表面応力と破片数との相関を Fig.3 に示す。
表面応力が 110 MPa 以上では数千個レベルだったもの
が、表面応力が 80 MPa 以下まで緩和すると、数個レベ
ルにまで指数関数的に減少することが確認できた。
また、
強化ガラスが破損した際、破断面の中央部付近に現れる
ミスト面を観察したところ、今回用いた厚さ（t=4 mm）
のガラスにおいては、表面応力が 80 MPa 以下になると
ミスト面が現れないことがわかった。
加熱前
350℃-10h
350℃-40h
350℃-70h
119 MPa
81 MPa
64 MPa
55 MPa
Fig.2 破壊試験後の破損状況
３. 結果
３.１ 加熱試験
加熱試験の結果を Fig.1 に示す。加熱により、表面応
力が緩和することを確認できた。表面応力の緩和は、歪
点（504℃）以下でも起こり、加熱温度が高いほど緩和
の度合が著しいことがわかった。350℃においても、40 h
加熱すると表面応力は半減し、倍強度ガラス（JIS
R3222）のようになることが確認できた。
また、応力緩和の機構としては、
「アルカリイオンの移
動によるもの（Ea=10～20 kcal/mol 1））
」
、
「骨格構造の
Fig.3 表面応力と破片数との相関
４. まとめ
強化ガラスにおいては、使用環境等も含め、表面応力
の管理が重要である。本研究において、表面応力の変化
に伴い破損状況や破片数が変化する相関関係を、具体的
に把握することができた。これにより、実際に表面応力
を測定できないようなものに対しても、その破損状況か
ら表面応力を推測することができ、実製品における破損
事故解析で大いに役立つ結果が得られた。
【参考文献】
Fig.1 加熱による表面応力の緩和
1) M.J.Kerper, T.G.Scuderi, J. Am. Ceram. Soc., 49, 613-618 (1966)
2) O.S.Narayanaswamy, J. Am. Ceram. Soc., 54, 491-498 (1971)