用于确定由脆性-断裂材料制成的板状元件的边缘强度的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及一种材料的强度参数的确定方法。具体而言，本发明涉及一种脆 性-断裂材料、诸如玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷的强度的确定方法。本发明更优选用于确定玻璃 板的断裂强度。
【背景技术】
[0002] 例如，脆性-断裂材料与韧性材料在负载下失效方面的行为不同。韧性材料、特别 是许多金属在高达弹性极限的弯曲或拉伸负载下扩展，然后在很明确的负载下破裂。与此 相比，脆性-断裂材料的断裂不在材料特性值的强度极限下发生，而是基于作用的拉伸应 力而以统计学上的几率发生。断裂几率分布（例如、正常或韦布尔分布）的参数主要取决 于样品的处理，但是与韧性材料不同，它们仅仅稍微取决于材料。
[0003] 为了得到脆性-断裂材料的强度方面的知识，需要进行断裂测试。除了别的以外， 然后可以从这些测试中得出断裂强度分布的参数。
[0004] 如果由脆性-断裂材料制成的板状元件经受弯曲，额外的效应是强度明显由元件 的边缘的断裂强度确定。由此在表面区域中发生的断裂通常比较从元件的一个边缘起始的 断裂更少见。
[0005] 已知许多方法，通过其可以在没有任何接触的情况下确定薄玻璃的边缘强度。例 如，公开专利申请US 2014/0083198 Al描述了一种方法，在其中，板沿边缘局部地并在没有 任何接触的情况下进行加热。这导致在板边缘处产生拉伸应力。但是，使用此方法的测量 在时间方面代价高，并且不适于获得统计强度数据或处理监控。此外，在呈现较低膨胀（低 热膨胀系数）、诸如电子装置中使用的玻璃的情况下，它们完全失效。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种改进的测量方法以及对应的测量装置，使用它可以测 量由脆性-断裂材料制成的板状元件的边缘强度。
[0007] 本发明的目的通过独立权利要求的主题得以实现。本发明的有利实施例和改进方 案在各个从属权利要求中给出。
【附图说明】
[0008] 下面基于附图解释本发明的示例性实施例。在附图中，相同的标号表述相同或对 应的元件。在附图中： 图1示出用于测量板状、脆性-断裂元件的断裂强度的传统测量设备； 图2示出由脆性-断裂材料制成的条状，在其端部处设置有本发明测量设备的保持 器； 图3示出图2中所示设备的样品边缘的平面图； 图4示出条状的相同机械应力线（等值线）的分布； 图5示出用于进行本发明方法的测量设备； 图6示出具有根据本发明确定的弯曲半径的玻璃带的辊； 图7-9示出玻璃物品的弯曲测试作为从断裂测试中获得的统计参数的函数的最大和 最小弯曲半径； 图10示出玻璃带形式的玻璃物品，在其上通过辊施加具有预定弯曲半径的局部弯曲。
【具体实施方式】
[0009] 在评估玻璃物品的机械性能中的基本问题首先是脆性材料的强度的统计性 质。例如在韧性材料的情况下的弹性极限方面，玻璃没有强度，而是具有断裂统计，其例 如通过平均值和散点（scatter)来表征。因此，玻璃强度的测量需要在足够数目的随机 样品上进行（例如，见 K. Nattermann, A. Habeck: "Bruchstatistik"in"Festigkeit von Glas-Grundlagen and Messverfahren〃，ISBN3-921089-30-1)。尤其对于生产控制，所谓控 制图表也对于指出目标值的倾向/偏差有用（例如，根据ISO 7870)。
[0010] 薄玻璃的边缘强度可以通过2点弯曲法来确定。图1示出用于进行此方法的测量 设备2。在此方法中，玻璃样品10夹持在两个支撑板25、26之间并且通过将这些板25、26 相互靠拢而弯曲。
[0011] 在此情况下，在样品上产生应力的不均匀状态，应力在样品10的中部为最大。对 应地，也在两个支撑板25、26之间的中部，样品10的弯曲半径最小。
[0012] 然后通过确定破裂处存在的最小弯曲半径1?_以及通过基于此值确定边缘处的对 应拉伸应力，可以确定断裂处的拉伸应力。这里，拉伸应力σ与弯曲半径成反比。弯曲半 径R fflin接着取决于两个支撑板25、26之间的距离。为了确定样品10的破裂处的拉伸应力， 因此在断裂时间点处简单地记录两个支撑板51、52之间的距离a。
[0013] 但是，此方法中的测量区域的长度是可变的，并且长度越小，边缘强度越大。一般 而言，使用小样品上的测量结果，以估计显著更大的产品的强度。为此，下面关系式可以用 于计算失效的几率：
指数L由下式给出： (2) L = LproductZLsaJiiple ° 这里，Fsaill^和F produrt分别是测量样品和最终产品的失效几率； Lsanple是测量样品上的测量长度；以及 Lproduct是最终广品的边缘长度。
[0014] 如可以看出，产品与样品之间的边缘长度比值是公式的指数，为此原因，其对结果 的影响非常大。相应地，产品失效的计算几率的不确定性也随指数变大而增大。
[0015] 在2点弯曲法中，由于方法的测量长度非常短，此比值以及因此在确定失效几率 中的不确定性对于较大产品非常大。另外，"减小的样品长度"接合到比值L produrt/Lsa"_* 并且必须为每个样品单独计算。这是由于如下原因：弯曲应力在样品长度上分布不均匀并 因此必须使用恒定应力计算"假定"的测量长度。另外的假设结合到此计算中并进一步增 大较大样品的结果的不准确度。
[0016] 在此方法中，因为整个样品10弯曲，样品10的两个边缘也总是测试其强度。在样 品10中，如果两个边缘使用不同方法制备，那么此测量方法仅仅可以用于测试制备较弱强 度质量的制备方法。
[0017] 在下面，将在基于薄玻璃的条状的示例性实施例中描述本发明。但是，本发明也可 以同样方式应用到其他板状元件。除非特别指出，除了薄玻璃或薄玻璃样品之外，也可以使 用另一种脆性-断裂材料，特别是玻璃陶瓷或陶瓷。
[0018] 总而言之，目前传统的测量方法的缺点包括如下几点： -测量长度过短。这导致再计算较大样品中的较大不确定性。 -样品长度上的应力分布不均匀。这也导致再计算较大样品时的进一步不确定性。 -两个边缘等同地经受应力，使得不同制备的边缘不能够彼此独立地进行测量。 -整个样品的弯曲也将表面区域沿弯曲轴线方向置于高拉伸应力下，其结果是，基于边 缘和表面的质量，在表面上可能出现断裂。 -该方法仅仅适于均匀厚度的样品，因为用于计算接着发生的弯曲变形的近似方法将 否则不再有效。
[0019] 本发明的测量方法和测量设备实际上解决了迄今为止传统的2点弯曲方法的所 有上述五个缺点： -实践上可以使用任何长度的样品， -样品中的应力在测量范围上很大程度上恒定， -拉伸应力在两个样品的边缘明显不同，使得断裂优选起始于可以预定并且可以因此 很大程度上独立于另一个边缘研究的边缘， -表面上的拉伸应力通过施加的应力分布而显著降低， -通过此方法也可以研究已知厚度分布的不均匀厚度样品，因为存在用于计算应力分 布的解析法。
[0020] 然后根据本发明实现此目的，因为在较短边缘处拉开较长样品（拉伸测试）。据此 传递力的点优选紧邻样品的基体表面的重心。如果传递力的点位于重心处，确保整个样品 宽度上的恒定拉伸应力。传递力的点的改变赋予了额外扭矩，这导致通常线性或者至少大 致线性的、倾斜应力曲线，但是这在不同情况下在样品宽度上起始于边缘。
[0021] 通过沿样品的短边缘适当选择传递力的点或其位置，可以调节测试边缘处的应力 与相对边缘处的应力之间的比值，结果是可以进行选择边缘的测试。
[0022] 因此，本发明提供一种用于确定由脆性-断裂材料制成的板状元件的边缘强度的 方法，其中提供由脆性-断力材料制成的板状样品，其具有相对的侧面以及沿样品的纵向 延伸的两个纵向边缘。条状的两端部中的每一个连接到保持器。然后将两个保持器拉伸 开，使得条状经受沿样品的纵向取向的拉伸应力。拉伸力据此相对于样品沿两个纵向边缘 延伸的中心线非对称地传递，使得在一个纵向边缘上比在相对纵向边缘上施加更高的拉伸 应力。拉伸力然后增大，直到样品破裂并记录样品破裂处的拉伸应力。作为此替代方案，也 可以仅仅增大拉伸力直到达到预定最大值。然后可以确定样品是否承受最大值的拉伸力。 以此方式可以确定板状材料是否满足对边缘强度的特定要求。
[0023] 如果样品经受应力直到其破裂，以确定玻璃的强度的统计参数，在多个样品上重 复进行上述方法。优选地，为了确定统计强度参数、例如韦布尔分布，测试至少10个并优选 最少20个样品。对于在高达预定拉伸力最大值的负载的实施例，可以使用多个样品重复该 方法，以确定统计值、例如失效几率。
[0024] 为了解释该方法，图2示出条状1的一个侧面10上的平面图。图3示出系统的一 个纵向边缘12的平面图。由于样品1的带状几何形状，其具有沿纵向5延伸的两个纵向边 缘12、13。在条状1的端部15、16处紧固对应的保持器2或4。
[0025] 样品1在实践上可以是任意长度。但是，其应当优选具有至少两倍于基体边缘长 度的长度，以在纵向边缘的测量范围中调节足够均匀的应力分布。相应地，优选使用具有长 度至少为其宽度两倍长的样品。根据一个示例性实施例，使用尺寸为20mm X 50mm的样品。
[0026] 在没有任何限制保持器2的特殊形式的情况下，如图中所示，金属通常优选用作 保持器的材料。与脆性-断裂材料、例如特别是与玻璃相比，金属能够吸收更大的拉伸力。 但是，拉伸应力方面更强的其他材料也可以用于保持器。例如，塑料或复合材料也可以用于 保持器。
[0027] 为了测试厚度在20 μπι-300 μπι范围中的薄玻璃，例如优选地，厚度在 0. lmm-0. 5mm范围中的板状保持器2、4是优选的。根据一个示例性实施例，图2和3中所示 的保持器2、4的厚度为0. 2_。但是，很显然，在本发明的应用性方面，对玻璃厚度方面没有 限制。因此，更厚的玻璃、例如厚度高达I. 5_的玻璃可以通过本发明的方法进行测