玻璃的力学性能及热学性能高职PPT课件

1、.,1,第五章玻璃的力学性能及热学性能,.,2,主要内容,5.1 玻璃的力学性能 5.1.1玻璃的机械强度 5.1.2 玻璃的弹性 5.1.3 玻璃的硬度和脆性 5.1.4 玻璃的密度,.,3,5.2玻璃的热学性能 5.2.1 玻璃的热膨胀系数 5.2.2 玻璃的比热 5.2.3 玻璃的导热性 5.2.4 玻璃的热稳定性,.,4,5.1.1.1理论强度与实际强度 所谓材料的理论强度，就是从不同理论角度来分析材料所能承受的最大应力或分离原子（离子或分子等）所需的最小应力。取决于原子间的相互作用及热运动。,5.1.1 玻璃的机械强度,.,5,th=xE E：弹性模量 X：为与物质结构和键型有关的常

2、数，一般为0.10.2,E：弹性模量 ：形成单位新表面所做的功 a：每一紧邻原子对的间距,.,6,不同材料的弹性模量、理论强度与实际强度,.,7,块状玻璃的实际强度与理论强度相差23个数量级。 原因：玻璃的脆性、玻璃中存在微裂纹（尤其是表面微裂纹）和内部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中。,.,8,5.1.1.2玻璃的断裂力学 断裂力学的基本概念 脆性断裂理论 假定在一个无限大的平板内有一椭圆形裂纹，它与外力垂直分布，长度为2c，在一定应力的作用下，此裂纹处的弹性应变能为：,而同时产生两个新裂口表面，相应的表面断裂能为：,.,9,因而在外力作用下，裂纹得以扩展的条件为： 得到： 这时的相当于断裂

3、应力f，则：,.,10,玻璃材料的缺陷及裂纹的扩展 玻璃材料由于在其表面和内部存在着不同的杂质、缺陷或微不均匀区，在这些区域引起应力的集中导致微裂纹的产生。裂纹尖端处的应力超过临界应力时，裂纹就迅速分裂，使玻璃断裂。,.,11,玻璃断裂过程分为两个阶段： 第一阶段主要是初生裂纹缓慢增长，形成断裂表面的镜面部分； 第二阶段，随着初生裂纹的增长，次生裂纹同时产生和增长，在其相互相遇时形成以镜面为中心的辐射状碎裂条纹。,.,12,.,13,从裂纹扩展过程中的能量平衡，推导出临界裂纹应力c的一般式： 近似为：,.,14,5.1.1.3 影响玻璃强度的因素 化学键、化学组成 键强：桥氧，非桥氧键强不同；

4、碱金属、碱土金属键强也不同。 键数：网络的疏密程度。 化学组成：不同组成的玻璃结构骨架不同。,.,15,.,16,表面微裂纹 格里菲斯认为玻璃破坏时是从表面微裂纹开始； 据测定，1mm2玻璃表面上含有300个左右的微裂纹； 微裂纹的存在使玻璃抗张、抗折强度仅为抗压强度的1/101/15； 提高玻璃强度的两个途径： 减少和消除玻璃的表面缺陷； 使玻璃表面形成压应力，以克服表面微裂纹的作用。,.,17,微不均匀性 电镜观察玻璃中存在微相和微不均匀结构； 结构中的微不均匀性降低了玻璃强度； 原因：微相之间易生成裂纹，两相交界面间结合力较弱，两相成分不同，热膨胀系数不同，产生应力。,.,18,玻璃中的

5、宏观、微观缺陷 宏观缺陷：气泡、条纹、结石。因成分与主体玻璃不一致，热膨胀系数不同而造成内应力； 微观缺陷：点缺陷、局部析晶、晶界。常在宏观缺陷的地方集中导致裂纹产生。,.,19,活性介质 活性介质指水、酸、碱、某些盐类等。 活性介质对玻璃表面的两种作用 一是渗入裂纹像楔子一样使裂纹扩展； 二是与玻璃起化学作用破坏结构。 活性介质中玻璃的强度降低。 玻璃强度的测定最好在真空或液氮中进行，以免受活性介质的影响。,.,20,温度 低温和高温对玻璃强度的影响是不同的； 接近绝对零度至200，强度随温度升高而降低； 200为强度最低点； 高于200，强度逐渐增大。,.,21,.,22,玻璃中的应力 玻

6、璃中的残余应力，特别是分布不均匀的残余应力，使强度大为降低。 玻璃钢化后，表面产生均匀的压应力，内部形成均匀的张应力，机械强度大大提高。,.,23,玻璃的疲劳现象 定义：常温下，玻璃的破坏强度随加荷速度或加荷时间而变化。加荷速度越大或加荷时间越长，破坏强度越小，短时间不会破坏的负荷，时间久了就可能破坏，这种现象称为玻璃的疲劳现象。,.,24,定义：材料在外力作用下发生变形，外力去掉后能恢复原来形状的性质。 表征弹性的参数 弹性模量 E 剪切模量 G 泊松比 体积压缩模量 K,5.1.2 玻璃的弹性,.,25,.,26,5.1.2.1弹性模量与成分的关系 E主要取决于内部质点间化学键的强度，同时

7、也与结构有关。质点间化学键的强度越大，变形越小，E就越大；玻璃结构越坚实，E也越大。,.,27,键强：与原子半径和价电子数有关。E是原子序数的周期函数。同一族元素，随原子序数的递增和原子半径的增大， E降低。 与离子间的吸引力 呈直线关系。同一氧化物处于高配位时E比处于低配位时高。 结论：离子半径较大、电荷较低的离子不利于提高E，相反有利于提高E。,.,28,结构：石英玻璃具有三维空间的架状结构， E较高，705.6108Pa；纯B2O3玻璃具有层状结构， E很低，仅175108Pa。 硼反常 硼铝反常 结论： E的增减实质上反映了玻璃内部结构的变化。,.,29,5.1.2.2 弹性模量与温度

8、的关系 大多数硅酸盐玻璃E随温度升高而降低。 对于石英玻璃、高硅氧玻璃、派来克斯玻璃， E与温度的关系出现反常，随温度升高而增加。,.,30,5.1.2.3 弹性模量与热处理的关系 淬火玻璃比退火玻璃低，一般低27%。 玻璃纤维（774.2108Pa）比块状玻璃（803.6108Pa）低。 微晶化后E增高，增高幅度主要取决于析出的主晶相的种类和性质。,.,31,5.1.3 玻璃的硬度和脆性,5.1.3.1 玻璃的硬度 硬度：固体材料抵抗另一固体深入其内部而不产生残余形变的能力。 表示方法： 莫氏硬度（划痕法） 显微硬度（压痕法） 研磨硬度（磨损法） 刻化硬度（刻痕法）,.,32,一般玻璃用显微

9、硬度表示。方法：利用金刚石正方锥体以一定负荷在玻璃表面打入压痕，测量压痕对角线的长度。,.,33,玻璃的硬度主要取决于化学成分和结构。一般来说： 网络生成离子使玻璃硬度增加，网络外体离子使玻璃硬度降低。 硼反常、硼铝反常、压制效应在硬度-组成关系中同样存在。 硬度随阳离子的配位数的增加而增大。 玻璃的硬度还与温度、热历史有关。,.,34,5.1.3.2 玻璃的脆性 定义：当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的塑性变形而立即破裂的性质。 表示方法： 破坏时受到的冲击强度 脆弱度玻璃抗压强度与抗冲击强度之比 脆裂负荷测定显微硬度时压痕发生破裂时的负荷值,.,35,5.1.4 玻璃的密度,玻璃的密

10、度主要取决于构成玻璃原子的质量、原子堆积紧密程度以及配位数有关，是表征玻璃结构的一个标志。 实际生产中，通过测定玻璃的密度来控制工艺过程，借以控制玻璃成分。,.,36,5.1.4.1 玻璃密度与成分的关系 不同组成玻璃密度差别很大。 一般单组分玻璃的密度最小，添加网络外体密度增大。 玻璃中引入R2O和RO氧化物，随离子半径的增大，玻璃密度增加。 同一氧化物配位状态改变，对密度也产生影响。 B2O3从BO3到BO4密度增加； 中间体从网络内四面体RO4转变为网络外八面体RO6密度增加； 硼反常、铝反常、硼铝反常,.,37,5.1.4.2 玻璃密度与温度及热处理的关系 随温度升高，玻璃密度下降。

11、一般工业玻璃，温度从室温升至1300，密度下降约为612%。,.,38,玻璃从高温状态冷却下来，同成分的淬火玻璃比退火玻璃具有较低的密度。 在一定退火温度下保持一定时间后，淬火玻璃和退火玻璃的密度趋向该温度的平衡密度。 冷却速度越快，偏离平衡密度的温度愈高，其Tg温度也愈高。,.,39,.,40,不同热处理情况下玻璃瓶密度的变化,.,41,5.1.4.3 玻璃密度与压力的关系 一定温度下，随压力的增加玻璃的密度随之增大。 密度变化的幅度与加压方法、玻璃组成、压力大小、加压时间有关。,.,42,.,43,.,44,5.2.1 玻璃的热膨胀系数,5.2.1.1玻璃的热膨胀 线膨胀系数和体膨胀系数,

12、.,45,和 之间存在近似关系：=3 的测定比简便而精确，通常采用讨论玻璃的热膨胀性质。 不同组成玻璃的热膨胀系数在5.815010-7/范围内变化，非氧化物玻璃甚至超过20010-7 /，微晶玻璃则可获得零膨胀或负膨胀。 硬质玻璃和软质玻璃,.,46,5.2.1.2 玻璃热膨胀系数与成分的关系 根本上取决于质点间的作用力，即各种阳离子与O2-之间的键力f。 从玻璃整体结构看，网络骨架对起着重要作用。,.,47,组分氧化物对的影响归纳如下： 在比较各组成氧化物对的作用时，首先区分氧化物的种类，即网络生成体、中间体和网络外体。 能增强网络的组分使降低，能断裂网络的组分使上升。 R2O和RO的断网

13、作用是主要的，积聚作用是次要的，使上升；而对于高键强、高配位离子积聚作用是主要的，使下降。 网络生成体使下降，中间体有足够“游离氧”也使下降。,.,48,5.2.1.3 热膨胀系数和温度的关系 热膨胀系数随温度的升高而增大。 在Tg温度以上，随温度升高显著增大，直到软化。,.,49,5.2.1.4 热处理对热膨胀系数的影响 热处理对有明显的影响，组成相同的淬火玻璃较退火玻璃的大百分之几。 退火玻璃和淬火玻璃的热膨胀曲线。 在约330 以下，曲线2在曲线1之上； 330500 之间，曲线2在曲线1之下； 500570 之间，曲线2折向下行，玻璃不是膨胀而是收缩； 在570 处，两条曲线都急转向上

14、，此温度为Tg。,.,50,在某一温度下单位质量的物质升高1所需的热量。 实际计算中多采用t1t2温度范围内的平均比热cm,5.2.2 玻璃的比热,.,51,比热与温度的关系 同其他物质一样，在绝对零度时为零。 随温度升高比热逐渐增大，在转变温度区域内增长较快。 熔融状态下，比热随温度升高逐渐增大。,.,52,比热与组成的关系 SiO2、Al2O3 、B2O3 、MgO、Na2O特别是Li2O 能提高玻璃的比热，含有大量PbO或BaO 的玻璃比热较低，其余氧化物影响不大。,.,53,导热性：物质依靠质点的振动将热能传递至较低温度物质的能力。 物质的导热性以热导率来表示。 热导率：温度梯度等于1

15、时，单位时间内通过试样单位横截面积上的热量。单位W/(mK) 热导率表征物质传递热量的难易，玻璃是一种热的不良导体，其热导率较低，介于0.7121.340W/(mK)之间。,5.2.3 玻璃的导热性,.,54,热导率与温度的关系 热导率随温度升高而增加。,.,55,热导率与组成的关系 石英玻璃的热导率最大，1.340W/(mK)； 硼硅酸盐玻璃的热导率也很大， 1.256W/(mK)； 普通钠钙硅玻璃为0.963W/(mK)； 含有PbO和BaO 的玻璃热导率较低， 0.796W/(mK)。 玻璃中添加SiO2、Al2O3 、B2O3 、CaO、MgO能提高玻璃的导热性。 热导率与其颜色的关系 玻璃颜色越深，其导热能力越小。,.,56,热稳定性：玻璃经受剧烈温度变化而不破坏的性能。 对玻璃的热稳定性具有决定性意义。 一般用试样在保持不破坏条件下所能承受的最大温差t来表示。,5.2.4 玻璃的热稳定性,.,57,.,58,凡能降低的成分都能提高热稳定性，如SiO2、Al2O3 、B2O3 、ZrO2、ZnO、MgO等。 玻璃自身机械强度对热稳定性的影响亦很显著。 玻璃受急热要比受急冷强得多。 淬火能使玻璃的热稳定性