玻璃的力学性能及热学性能解析课件

1、第4章玻璃的力学性能及热学性能4.1玻璃的力学性质4.1.1玻璃的机械强度（掌握）4.1.2玻璃的弹性（熟悉）4.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）4.1.1玻璃的机械强度（掌握）1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（熟悉）3影响强度的主要因素（掌握）玻璃的机械强度耐压 抗折 抗张 抗冲击玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折抗张不高、脆性大。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承受的最大应力。1理论强度与实际强度（掌握）奥鲁凡（Orowan)假设理论强度弹性模量原因玻璃的脆性、玻璃表面微裂纹、玻璃内部不均匀区及缺陷造成应力集中。表面

2、微裂纹急剧扩展。据测定1mm2玻璃表面上约有300个微裂纹，深约5微米，宽0.010.02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）裂纹源形成：玻璃由于内部缺陷、表面反应、表面损伤等影响，在其内部和表面形成了各种缺陷裂纹源。裂纹扩展 在裂纹的尖端处存在着应力集中驱使裂纹扩展的动力。裂纹扩展速度弹性模量 密度3影响强度的主要因素（掌握）1）化学键与化学组成玻璃的键强包括各种键的强度及数目。键强大，机械强度好。结构网络紧密，强度好。 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。MgO、Fe2O3对强度作用不大。常见的氧化

3、物对抗张强度的提高作用是：CaO B2O3 BaO Al2O3 PbO K2O Na2O (MgO、Fe2O3)常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：Al2O3SiO2,(MgO,ZnO)B2O3Fe2O3(PbO,CaO)2）微不均匀性 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，膨胀系数不一样，易产生应力，强度下降。3）宏观和微观缺陷缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。4）活性介质渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展起化学作用，使结构破坏作用水、酸、碱、某些盐类5）温度低温时，温度升高，强度下降（裂纹端部分子的热运动起伏现象增加，积聚能量使键断裂）200时，强度为最低。高温时，

4、强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）6）应力 玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀，将导致其强度大大下降。4.1.2玻璃的弹性（熟悉）1概念弹性：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。塑性：材料在外力作用下发生变形，如外力去掉后仍停留在完全或部分变形状态。玻璃的弹性弹性模量E应力相对的纵向变形2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。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：CaO MgO BaOFe2O3Al2O3BaOZnOPbO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能力强的离子（Li+，Be

5、2+，Mg2+，Al3等）则提高弹性模量。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。 Na2O或K2O弹性模量，PbO不起作用。玻璃的弹性模量可用加和法则进行近似计算。3 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（因退火玻璃的密度大，结构牢固）。4 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）。Tg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，因膨胀系数小，温度升高，则弹性模量。4.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）概念 影响因素1硬度概念 表示玻璃抵抗其它物

6、体侵入的能力。一般用显微硬度表示。利用金刚石正方锥以一定负荷在玻璃表面打入印痕，再测量对角线的长度进行计算2硬度影响因素（组成、结构）网络生成体增加硬度，网络外体降低硬度温度升高，硬度下降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结论硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬度最大；含有适量B2O3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； 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57（莫氏硬度）3脆性概念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能。松驰速度低4脆性影响因素化学

7、组成及结构、热历史、试样的形状及厚度等。4.2玻璃的热学性质4.2.1玻璃的热膨胀系数（掌握）1热膨胀系数的概念玻璃平均线膨胀系数（1/） 通常用室温300（或400）的平均线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能增强网络结构，则;使网络断裂者，则R2O与RO主要是断网作用，积聚作用是次要的，当引入时，一般使，同一主族的阳离子随原子半径增大，则高价阳离子(Zr4+、La3+)积聚作用是主要的，则网络形成体，对于网络中间体，在游离氧足够的条件下也能Tg点以下，可以通过加和法则计算。3热膨胀系数与温度及热历史的关系Tg点以下，是线性的Tg点以下，退火玻璃的淬火玻璃Tg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，伸长量减小，则淬火玻璃线在退火玻璃线的下方Tg点以上，退火玻璃与退火玻璃曲线都急剧上升，结构调整引起的伸长已大于膨胀作用4.2.2玻璃的热稳定性1概念表示试样在保持不破坏条件下所能经受的最大温度差。破坏过程温度急变沿玻璃厚度从表面到内部，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造成破坏。玻璃经受剧烈的温度变化而不破坏的性能。试样受急冷2影响因素组成：凡