玻璃的力学性能-课件

第三节玻璃的力学性能

机械强度弹性硬度和脆性密度1PPT课件第三节玻璃的力学性能1PPT课件

第三节玻璃的力学性能

一.机械强度定义：指玻璃抵抗外来负荷作用的能力。抗张强度抵抗张应力（拉伸应力）的能力。抗压强度受压应力作用破坏时的极限应力。抗折(弯)强度受的最大弯曲载荷（弯曲力矩/阻力矩）抗冲击强度受动态载荷能力。（功）玻璃的强度特征

:1、理论强度比实际强度大得多2、抗张强度比抗压强度小2PPT课件第三节玻璃的力学性能一.机械强度

第三节玻璃的力学性能(一)玻璃的理论强度材料的强度取决于组成单元间的作用力Era

th=a—原子间的平衡距离

th约1010～1.5×1010Pa，而实际强度不足108Pa一般

c(抗压)

=49~196×108Pa

F(抗张)

=34.3~83.3×106Pa

3PPT课件第三节玻璃的力学性能(一)玻璃的理论

第三节玻璃的力学性能(二)Griffith断裂理论1.要点实际强度低的原因是表面上有许多光学显微

镜下看不见的半椭圆的微裂纹（宽0.01~0.02m,深5m），裂纹常在相界产生，尺寸与分相液滴相近。微裂纹起应力中心作用。应力集中是使应力扩展的动力。玻璃的断裂从微裂纹开始，比无缺陷的玻璃发生早。4PPT课件第三节玻璃的力学性能(二)Griffi

第三节玻璃的力学性能2.Griffith方程

σf=2Eγz/πcγz

形成新裂纹的表面能a.

外力超过σf时玻璃断裂b.c增大则σf减小，即强度由裂纹大小而不是多少决定。c.

当c趋近于r0时，σf→σthσ2cσ5PPT课件第三节玻璃的力学性能2.Griffit

第三节玻璃的力学性能(三)影响玻璃强度的因素3.几何尺寸

几何尺寸↓，表面和内部缺陷产生的几率↓，强度↑。如石英玻璃纤维的强度可达1.05×1010Pa。1.表面状态

微裂纹使玻璃的抗张、抗折强度比抗压强度低1/10~1/15。2.玻璃中的缺陷宏观缺陷（气泡、结石、结瘤）微观缺陷（分相、析晶、点缺陷等）界面处导致微裂纹、应力集中,α↓

。6PPT课件第三节玻璃的力学性能(三)影响玻璃强度

第三节玻璃的力学性能5.温度T<200℃，T↑，强度↓T>200℃，T↑，强度↑T

，分子热运动加剧以抗衡分子间引力，σf↓;200C后可能由塑性变形使σf

。200CTσf4.化学键与化学组成（键强及单位体积内键的数目）

石英玻璃强度最高加入RO，强度↓加入R2O，强度↓↓

7PPT课件第三节玻璃的力学性能5.温度200C

第三节玻璃的力学性能7.活性介质（极性物质如酸、碱）

①渗入裂纹使裂纹扩展②起化学反应使结构破坏。

水可大大降低σf。干空气、非极性物质、憎水性有机硅对σf影响小6.疲劳现象

玻璃长时间在交变载荷的作用下，在远低于其极限应力的情况下发生突然断裂的现象。

加荷速度越大，时间越长，强度越小。

①只有水分存在时才有疲劳现象。真空则无。②温度较低时无（反应速度慢），温度升高疲劳现象加剧。8PPT课件第三节玻璃的力学性能7.活性介质（极性

第三节玻璃的力学性能(四)玻璃增强①物理钢化使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。②化学钢化

r大离子取代r小离子③贴层玻璃在玻璃表面贴一层α低的物质（陶瓷釉）④火抛光使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。⑤覆盖硅有机化合物放入氯硅烷（SiCl4）溶液中，通过水解在玻璃表面形成SiO2膜。使微裂纹弥合，形成压应力层。⑥霜化处理在so2气氛中退火，使表面缺少Na＋9PPT课件第三节玻璃的力学性能(四)玻璃增强⑤

第三节玻璃的力学性能二.玻璃的弹性(一)概述定义：玻璃在外力作用下发生变形，当外力去除后

能恢复原来形状的性质。弹性模量、剪切模量、泊松比、体积压缩模量弹性模量：表示材料抵抗变形的能力。低温下（<Tg）E=σ/εε相对纵向变形一般E=441×108~882×108帕10PPT课件第三节玻璃的力学性能二.玻璃的弹性低

第三节玻璃的力学性能(二)影响弹性模量的因素1.组成质点间化学键越强变形越小，E越大。*一般大r、小Z的阳离子氧化物不利于提高E。R2O使E减小，但Li2O使玻璃分子体积缩小而使E提高*硼反常：EB2O3%1511PPT课件第三节玻璃的力学性能(二)影响弹性模量

第三节玻璃的力学性能*硼铝反常（铝硼硅酸盐）(Na2O–Al2O3)B2O3=

当

>1时:[BO4]、[AlO4]，E增大。当0<

<1时:

[BO4]、[BO3]、[AlO4]，

E减小。当

<0时:[BO3]、[AlO6]、[AlO4]，E又增大。12PPT课件第三节玻璃的力学性能*硼铝反常（铝硼

第三节玻璃的力学性能2.热处理*淬火玻璃E<退火玻璃E约2~7%*

玻纤在300~350

C处理后E增大同块状玻璃。*晶化后E增大，取决于主晶相种类、性质。3.温度*

T

E(大多数硅酸盐玻璃)。离子间距增大

*石英、高硅氧玻璃和派莱克斯玻璃的E随温度升高而增大。13PPT课件第三节玻璃的力学性能2.热处理3.温度

第三节玻璃的力学性能(三)弹性模量的计算

E=∑EiPi（Kgf/mm2）Pi--wt%14PPT课件第三节玻璃的力学性能(三)弹性模量的计

第三节玻璃的力学性能

三.玻璃的硬度和脆性

(一)硬度1.意义：玻璃抵抗其它物体侵入其内部的能力。2.表示方法：显微硬度莫氏硬度（5~7）研磨硬度刻化硬度显微硬度（压痕法）:

H=1.854P/l2

l--对角线长(mm)P--载荷（Kgf/mm2）15PPT课件第三节玻璃的力学性能三.玻璃

第三节玻璃的力学性能3.组成对硬度的影响*F离子使H提高。M离子使H降低。*同类玻璃，M离子场强越大H越高。*阳离子N越大H越高。*各组分对H的提高作用：

SiO2>B2O3>(MgOZnOBaO)>Al2O3>Fe2O3

>K2O>Na2O>PbO16PPT课件第三节玻璃的力学性能3.组成对硬度的

第三节玻璃的力学性能(二)脆性定义：当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的现象。2.表示方法:玻璃破坏时受到的冲击强度S表示:∑PhV∑Ph为总功V为试样体积S=或脆弱度D表示:D=C/SC---耐压强度17PPT课件第三节玻璃的力学性能(二)脆性2.表

第三节玻璃的力学性能3.影响因素*R+、R2+使脆性增大，且随其半径增大而上升。*B3+处于三角体时脆性较小。*试样越厚抗冲击强度越大，脆性越小。*淬火试样强度比退火样大5～7倍，脆性大大减小。18PPT课件第三节玻璃的力学性能3.影响因素18

第三节玻璃的力学性能四.玻璃的密度(一)概念1.定义：单位体积的玻璃的质量

2.工艺意义：

(1)从定义看：D与分子体积有关，而Vm反映了基本结构单元的紧密堆积程度和配位状态

(2)D的测量是稳定玻璃组成和生产的常规、有效的方法

(3)反映退火质量

(4)是热工计算中的重要参数石英玻璃为2.21g/cm3日用玻璃为2.5g/cm3防辐射玻璃为8g/cm319PPT课件第三节玻璃的力学性能四.玻璃的

第三节玻璃的力学性能B3+为[BO4]，中间体氧化物为[IO6]时密度增大。(二)密度的影响因素：1.化学组成影响因素：原子量、原子紧密堆积程度、配位数(1)网络体积：决定于四面体体积，大者D小[BO4]<[SiO4]<[GeO4]<[AlO4]<[GaO4]注意B、Al反常

20PPT课件第三节玻璃的力学性能B3+为[BO4]

第三节玻璃的力学性能(2)外加RmOn

rR>网络空隙，分子体积↑，D↓rR<网络空隙，分子体积↓，D↑

R2O：

R+处于网络空隙中同量R2O的D：Li2O>Na2O>k2ORO：同R2O，rR↑，D↓

密度：BeO>CaO>SrO>BaO21PPT课件第三节玻璃的力学性能(2)外加RmO

第三节玻璃的力学性能2、热历史与D的关系D与退火温度、保温时间、降温速度有关(1)D淬＜D退

(2)退火温度范围内保温后，密度趋于平衡值。(3)冷却快，偏离平衡密度的温度越高，Tg也越高。(4)玻璃析晶。D↑。3、D与T的关系T↑,D↓22PPT课件第三节玻璃的力学性能2、热历史与D的关

第三节玻璃的力学性能5、D与P的关系P↑，D↑，但必须高压或超高压（＞105atm）

D随P的变化程度与组成有关：结构越疏松，影响越大。

加压后，若T↑，则D会降低，直至原来的平衡值。

石英玻璃在P作用下。可压系数Δd/d↑，

玻璃中R2O↑，Δd/d↓

rR↑，Δd