第3-5章-玻璃的力学性能及热学性能等12年

1、第第3 3章玻璃的力学性能及热学性能章玻璃的力学性能及热学性能 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 3.23.2玻璃的热学性质玻璃的热学性质 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 3.1.13.1.1玻璃的机械强度（掌握）玻璃的机械强度（掌握） 3.1.23.1.2玻璃的弹性（熟悉）玻璃的弹性（熟悉） 3.1.33.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）玻璃的硬度和脆性（熟悉） 3.1.4 3.1.4 玻璃的密度（掌握）玻璃的密度（掌握） 3.1.13.1.1玻璃的机械强度（掌握）玻璃的机械强度（掌握） 1理论强度与实际强度（掌握）理论强度与实际强度（掌握） 2玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（

2、熟悉）玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉） 3影响强度的主要因素（掌握）影响强度的主要因素（掌握） 玻璃的机械强度玻璃的机械强度 耐压 抗折 抗张 抗冲击 机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示 理论强度：从不同理论角度来分析玻璃所能理论强度：从不同理论角度来分析玻璃所能 承受的最大应力承受的最大应力。 玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折 抗张不高、脆性大。抗张不高、脆性大。 1理论强度与实际强度（掌握）理论强度与实际强度（掌握） th xE 奥鲁凡（奥鲁凡（Orowan)假设假设 理论强度理论强度 弹性模量弹性模量

3、0.1-0.2 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 1010 101.5 10 th Pa 原因原因 玻璃的脆性、玻璃表面微裂纹、玻璃玻璃的脆性、玻璃表面微裂纹、玻璃 内部不均匀区及缺陷造成应力集中内部不均匀区及缺陷造成应力集中 表面微裂纹急剧扩展表面微裂纹急剧扩展 据测定据测定12玻璃表面上约有玻璃表面上约有300个微裂纹，深约个微裂纹，深约5微微 米，宽米，宽0.010.02微米，光学显微镜分不出来。微米，光学显微镜分不出来。 2玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉） 裂纹源形成裂纹源形成：玻璃由于内部缺陷、表面反应、表面损：玻璃由于内部缺陷、表面反

4、应、表面损 伤等影响，在其内部和表面形成了各种伤等影响，在其内部和表面形成了各种 缺陷裂纹源缺陷裂纹源 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 裂纹扩展裂纹扩展 在裂纹的尖端处存在着在裂纹的尖端处存在着应力集中应力集中驱使裂纹驱使裂纹 扩展的动力。扩展的动力。 裂纹扩展速度裂纹扩展速度 0.40.6 E 弹性模量弹性模量 密度密度 3影响强度的主要因素（掌握）影响强度的主要因素（掌握） 1 1）化学键与化学组成）化学键与化学组成 玻璃的键强包括各种的强度及数目。玻璃的键强包括各种的强度及数目。 键强大，机械强度好。键强大，机械强度好。 结构网络紧密，强度好。结构网络紧密，强度好。 3.13.

5、1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 一般情况下，一般情况下，CaO、BaO、B2O3(15%)、Al2O3、 ZnO能加强网络结构，对强度有提高作用。能加强网络结构，对强度有提高作用。 MgO、Fe2O3对强度作用不大。对强度作用不大。 常见的氧化物对抗张强度的提高作用是：常见的氧化物对抗张强度的提高作用是： CaOB2O3BaOAl2O3PbOK2ONa2O (MgO、Fe2O3) 常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：常见的氧化物对耐压强度的提高作用是： Al2O3（SiO2、MgO、ZnO)B2O3Fe2O3 (PbO、CaO ) 抗张强度和抗压强度可用加和性法则计算抗张强度和抗压强度可用加和

6、性法则计算 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 2 2）微不均匀性）微不均匀性 玻璃中都存在着微相和微不均匀结构，相邻玻璃中都存在着微相和微不均匀结构，相邻 两相间成分不同且结合力弱，膨胀系数不一两相间成分不同且结合力弱，膨胀系数不一 样，易产生应力，强度下降。样，易产生应力，强度下降。 3 3）宏观和微观缺陷）宏观和微观缺陷 缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。 4 4）活性介质）活性介质 渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展 起化学作用，使结构破坏 作用作用 水、酸、碱、某些盐类水、酸、碱、某些盐类 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 5 5）温度

7、）温度 低温低温时，温度升高，强度下降（裂纹端部分时，温度升高，强度下降（裂纹端部分 子的热运动起伏现象增加，积聚能量使键断子的热运动起伏现象增加，积聚能量使键断 裂）裂）200时，强度为最低。时，强度为最低。 高温高温时，强度增加（产生塑性变性，抵消部时，强度增加（产生塑性变性，抵消部 分应力）分应力） 6 6）应力）应力 玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均 匀，将导致其强度大下降。匀，将导致其强度大下降。 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 3.1.23.1.2玻璃的弹性（熟悉）玻璃的弹性（熟悉） 1 1概念概念 2 2弹性模量与成分的关系弹性模

8、量与成分的关系 3 3弹性模量与热处理的关系弹性模量与热处理的关系 4 4弹性模量与温度的关系弹性模量与温度的关系 1 1概念概念 弹性弹性：材料在外力作用下发生变形，当外力去：材料在外力作用下发生变形，当外力去 掉后恢复原来形状的性质。掉后恢复原来形状的性质。 塑性塑性：如外力去掉后仍停留在完全或部分如外力去掉后仍停留在完全或部分 变形状态。变形状态。 玻璃的弹性弹性模量玻璃的弹性弹性模量EE 应力应力 相对的纵相对的纵 向变形向变形 表表5 54 4 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 2 2弹性模量与成分的关系弹性模量与成分的关系 与组成、结构、键强之间的关系与强度类似。与组成、结

9、构、键强之间的关系与强度类似。 结构紧密，弹性模量高。结构紧密，弹性模量高。 常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是：常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是： CaOMgOB2O3Fe2O3Al2O3BaO ZnOPbO 同一氧化物处于高配位时，其弹性模量要比同一氧化物处于高配位时，其弹性模量要比 低配位时大。玻璃中引入离子半径小的极化低配位时大。玻璃中引入离子半径小的极化 能力强的离子（能力强的离子（Li+Be+Mg2+Al3 等）则提高 等）则提高 弹性模量弹性模量 在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸 盐玻璃中，有硼铝反常现象。盐玻璃中，有硼铝反常现象。

10、Na2O或或K2O弹性模量，弹性模量，PbOPbO不起作用不起作用 玻璃的弹性模量可用加和法 则进行近似计算 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 3 3弹性模量与热处理的关系弹性模量与热处理的关系 退火玻璃的弹性模量大于淬火玻璃（因退火退火玻璃的弹性模量大于淬火玻璃（因退火 玻璃的密度大，结构牢固）玻璃的密度大，结构牢固） 4 4弹性模量与温度的关系弹性模量与温度的关系 大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升 而下降（因离子间距增大，相互作用力降低；而下降（因离子间距增大，相互作用力降低； 高温时质点热运动动能增大）高温时质点热运动动能增大） Tg以

11、上，玻璃逐渐失去弹性，并趋于软化以上，玻璃逐渐失去弹性，并趋于软化 石英玻璃、高硅氧玻璃、硼酸盐玻璃，因石英玻璃、高硅氧玻璃、硼酸盐玻璃，因 膨胀系数小，温度升高，则弹性模量膨胀系数小，温度升高，则弹性模量(反反 常现象：常现象：TT，离子间距增大而造成相互作，离子间距增大而造成相互作 用力用力，使，使E E 下降的原因已不存在下降的原因已不存在） 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 3.1.33.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）玻璃的硬度和脆性（熟悉） 概念概念 影响因素影响因素 1硬度概念硬度概念 表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。 一般用一般用显微硬度显

12、微硬度表示表示 利用金刚石正方锥以一利用金刚石正方锥以一 定负荷在玻璃表面打入定负荷在玻璃表面打入 印痕，在测量对角线的印痕，在测量对角线的 长度进行计算长度进行计算 2硬度影响因素（组成、结构）硬度影响因素（组成、结构） 网络生成体增加硬度，网络外体降低硬度网络生成体增加硬度，网络外体降低硬度 温度升高，硬度下降温度升高，硬度下降 淬火玻璃硬度小于退火玻璃硬度淬火玻璃硬度小于退火玻璃硬度 与玻璃的冷加工工艺有关与玻璃的冷加工工艺有关 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 结论结论 硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬度最大；含硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬度最大；含 有适量有适量B2O3的硼酸盐玻璃硬度也

13、较大；的硼酸盐玻璃硬度也较大； 高铅或碱性氧化物的玻璃硬度较小；高铅或碱性氧化物的玻璃硬度较小； 各种氧化物对玻璃硬度提高的顺序为各种氧化物对玻璃硬度提高的顺序为 SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO) Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO 一般玻璃硬度为一般玻璃硬度为5 57（莫氏硬度莫氏硬度） 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 3脆性概念脆性概念 当负荷超过玻璃的极限强度时，当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显不产生明显 的塑性变形的塑性变形而立即破裂的性能。而立即破裂的性能。 松驰速度低松驰速度低 4脆性影响因素脆性影响因素 化学组成及结构、热历史、试样的形状化学组成及

14、结构、热历史、试样的形状 及厚度等。及厚度等。 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 3.1.4玻璃密度（掌握） 1密度 玻璃的密度决定于构成玻璃的各原子质量 和原子的堆积方式。 1密度概念密度概念 2密度与成份的关系密度与成份的关系 3密度与温度及热历史的关系密度与温度及热历史的关系 4密度与压力及析晶的关系密度与压力及析晶的关系 玻璃单位体积的质量称。玻璃单位体积的质量称。 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 2 2密度与成份的关系密度与成份的关系 成份发生微小变化，密度会敏感的反映出来。成份发生微小变化，密度会敏感的反映出来。 生产中常以测定密度值来监控玻璃成份。生产中常以测定

15、密度值来监控玻璃成份。 1）、在玻璃中加入在玻璃中加入R2OR2O和和RORO时，密度随原子时，密度随原子 序数的增加而增加序数的增加而增加 2）、同种氧化物在玻璃中的配位数不同，同种氧化物在玻璃中的配位数不同， 对密度的影响也不同，对密度的影响也不同，BaBa3+ 3+处于四面体 处于四面体 比三角体时大，而比三角体时大，而AlAl3+ 3+正好相反。 正好相反。 3）、）、玻璃中同时含有玻璃中同时含有Al2O3Al2O3和和B2O3B2O3时，玻璃时，玻璃 密度的变化变得复杂。密度的变化变得复杂。 4）、）、玻璃密度可以根据组成氧化物含量进玻璃密度可以根据组成氧化物含量进 行计算。行计算。

16、 3.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 随温度升高，密度下降。随温度升高，密度下降。 同成份玻璃的热历史不同，密度差别较大，同成份玻璃的热历史不同，密度差别较大， 如退火和淬火玻璃如退火和淬火玻璃 4密度与压力及析晶的关系密度与压力及析晶的关系 在常压下不受压力的影响。当承受在常压下不受压力的影响。当承受100100 200200* *10108 8PaPa时，密度变大并保持，当在时，密度变大并保持，当在TgTg附近附近 时，才恢复正常值。时，才恢复正常值。 析晶后质点进行有序排列，一般密度增大。析晶后质点进行有序排列，一般密度增大。 3密度与温度及热历史的关系密度与温度及热历史的关系 3

17、.13.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质 3.2玻璃的热学性质 3.2.13.2.1玻璃的热膨胀系数（掌握）玻璃的热膨胀系数（掌握） 3.2.23.2.2玻璃的热稳定性（掌握）玻璃的热稳定性（掌握） 3.2.13.2.1玻璃的热膨胀系数（掌握）玻璃的热膨胀系数（掌握） 1热膨胀系数的概念热膨胀系数的概念 2热膨胀系数与成分的关系热膨胀系数与成分的关系 3热膨胀系数与温度及热历史的关系热膨胀系数与温度及热历史的关系 1热膨胀系数的概念热膨胀系数的概念 玻璃平均玻璃平均线膨胀线膨胀系数系数 21 21 11 ll l tt t ll （1/） 通常用室温通常用室温300（或（或400）的平均线）的平

18、均线 膨胀系数表示玻璃的热膨胀系数膨胀系数表示玻璃的热膨胀系数 2热膨胀系数与成分的关系热膨胀系数与成分的关系 能增强网络结构的，则能增强网络结构的，则，使网络断裂者，使网络断裂者， 则则 R2OR2O与与RORO主要是断网作用，积聚作用是次要主要是断网作用，积聚作用是次要 的，当引入时，一般使的，当引入时，一般使，同一主族的阳，同一主族的阳 离子随原子半径增大，则离子随原子半径增大，则 高价阳离子（高价阳离子（Zr4+、 、La3+)积聚作用是主要的， 积聚作用是主要的， 则则 网络形成体，网络形成体， ，对于网络中间体，在对于网络中间体，在 游离氧足够的条件下也能游离氧足够的条件下也能 T

19、g（转变温度）点以下，（转变温度）点以下，可以通过加和法可以通过加和法 则计算则计算 3.2玻璃的热学性质 3热膨胀系数与温度及热历史的关系热膨胀系数与温度及热历史的关系 Tg点以下，点以下，是线性的是线性的 TgTg点以下，退火玻璃的点以下，退火玻璃的淬火玻璃淬火玻璃 TgTg点附近，质点开始移动，结构调整引起收点附近，质点开始移动，结构调整引起收 缩，淬火玻璃的收缩大于热膨胀，伸长量减缩，淬火玻璃的收缩大于热膨胀，伸长量减 小，则淬火玻璃线在退火玻璃线的下方小，则淬火玻璃线在退火玻璃线的下方 TgTg点以上，退火玻璃与淬火玻璃曲线都急剧点以上，退火玻璃与淬火玻璃曲线都急剧 上升，结构调整引

20、起的伸长已大于膨胀作用上升，结构调整引起的伸长已大于膨胀作用 补充补充：析晶使质点间作用力增强，：析晶使质点间作用力增强，（与析出（与析出 晶相的种类与数量有关）晶相的种类与数量有关） 3.2玻璃的热学性质 3.2.23.2.2玻璃的热稳定性（掌握）玻璃的热稳定性（掌握） 1概念概念 2影响因素影响因素 1概念概念 玻璃经受剧烈的玻璃经受剧烈的温度变化温度变化而不破坏的性能称而不破坏的性能称 表示表示 用试样在保持不破坏条件下所能经受的用试样在保持不破坏条件下所能经受的 最大温度差最大温度差 破坏过程破坏过程 温度急变沿玻璃厚度从表面到内部，温度急变沿玻璃厚度从表面到内部， 各层温度不一样，膨

21、胀量也不一样，各层温度不一样，膨胀量也不一样， 则产生应力，当其超过极限强度时就则产生应力，当其超过极限强度时就 造成破坏。造成破坏。 决定因素是抗张极限强度。决定因素是抗张极限强度。 试样受急冷试样受急冷 3.2玻璃的热学性质 2影响因素影响因素 组成：凡能降低玻璃热膨胀系数的组分都组成：凡能降低玻璃热膨胀系数的组分都 能提高热稳性；硅含量高而碱含量低时，能提高热稳性；硅含量高而碱含量低时， 热稳性好热稳性好 制品选型复杂、厚薄不均匀的，热稳性差制品选型复杂、厚薄不均匀的，热稳性差 制品越厚，热稳性差制品越厚，热稳性差 提高热稳性的途径提高热稳性的途径 降低玻璃的热膨胀系数；减小制品的壁降低

22、玻璃的热膨胀系数；减小制品的壁 厚等。厚等。 凡能降低玻璃机械强度的因素，都能使凡能降低玻璃机械强度的因素，都能使 热稳定性降低。热稳定性降低。 结论结论 3.2玻璃的热学性质 第第4 4章玻璃的化学稳定性章玻璃的化学稳定性 玻璃对水、酸、碱、盐及其它化学试剂溶液侵蚀的抵玻璃对水、酸、碱、盐及其它化学试剂溶液侵蚀的抵 抗能力称化学稳定性或耐久性、耐蚀性。抗能力称化学稳定性或耐久性、耐蚀性。 4.14.1侵蚀机理（掌握）侵蚀机理（掌握） 4.24.2影响化学稳定性的因素（掌握）影响化学稳定性的因素（掌握） 4.14.1侵蚀机理（掌握）侵蚀机理（掌握） 4.1.1侵蚀剂的分类侵蚀剂的分类 4.1.

23、2 水对玻璃的侵蚀水对玻璃的侵蚀 4.1.3酸对玻璃有侵蚀酸对玻璃有侵蚀 4.1.4碱对玻璃的侵蚀碱对玻璃的侵蚀 4.1.5大气对玻璃的侵蚀玻大气对玻璃的侵蚀玻 4.1.6 玻璃的脱片现象玻璃的脱片现象 只能改变、破坏或溶解玻璃结构组成中的只能改变、破坏或溶解玻璃结构组成中的 R2O和和RO等等 不仅对上述氧化物起作用，而且也对玻璃不仅对上述氧化物起作用，而且也对玻璃 结构中的硅氧骨架起作用的物质。结构中的硅氧骨架起作用的物质。 4.1.1侵蚀剂的分类侵蚀剂的分类 4.1.2 水对玻璃的侵蚀水对玻璃的侵蚀 侵蚀过程侵蚀过程 开始于开始于H2OH2O中中H H+ +和玻璃中的和玻璃中的NaNa+ +进行交换，之进行交换，之 后进行的是水化、中和三个反应。后进行的是水化、中和三个反应。 H2OH2O分子也能对硅氧骨架直接起反应而生分子也能对硅氧骨架直接起反应而生 成成Si(OH)4Si(OH)4极性分子，最后形成一层极性分子，最后形成一层 SiO2SiO2 XH2OXH2O薄膜，称薄膜，称硅酸凝胶保护膜硅酸凝胶保护膜。当。当 PH8PHAl2O3TiO2ZnOMgOCaOBaO 耐酸性耐酸性 ZrO2Al2O3ZnOCaOTiO2MgOBaO 4.2.2热处理热处理 退火玻璃比淬火玻璃的结构紧密，化稳性要好。退火玻璃比淬火玻璃的结构紧密，化稳性要好。 玻璃钢化处理后，其化稳性要好。