玻璃工艺学3玻璃的力学性能

玻璃工艺学1

第三节玻璃的力学性能

机械强度弹性硬度和脆性密度玻璃工艺学2

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玻璃工艺学3

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，而实际强度缺乏108Pa一般c(抗压)=49~196×108PaF(抗张)=34.3~83.3×106Pa玻璃工艺学4

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外表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。玻璃工艺学5

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增大那么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→σthσ2cσ玻璃工艺学6

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↓，外表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.外表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↓。玻璃工艺学7

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〕石英玻璃强度最高参加RO，强度↓参加R2O，强度↓↓玻璃工艺学8

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起化学反响使结构破坏。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。真空那么无。②温度较低时无〔反响速度慢〕，温度升高疲劳现象加剧。玻璃工艺学9

第三节玻璃的力学性能(四)玻璃增强①物理钢化使玻璃外表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贴层玻璃在玻璃外表贴一层α低的物质〔陶瓷釉〕④火抛光使玻璃外表伤痕、裂纹弥合。⑤覆盖硅有机化合物放入氯硅烷〔SiCl4〕溶液中，通过水解在玻璃外表形成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，使外表缺少Na＋玻璃工艺学10

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帕玻璃工艺学11

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%15玻璃工艺学12

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。玻璃工艺学13

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。玻璃工艺学14

第三节玻璃的力学性能(三)弹性模量的计算E=∑EiPi〔Kgf/mm2〕Pi--wt%玻璃工艺学15

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/l2l--对角线长(mm)P--载荷〔Kgf/mm2〕玻璃工艺学16

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>PbO玻璃工艺学17

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---耐压强度玻璃工艺学18

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。玻璃工艺学19

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反映了根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/cm3玻璃工艺学20

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

玻璃工艺学21

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>BaO玻璃工艺学22

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↓玻璃工艺学23

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，假设T↑，那么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/d↓玻璃工艺学24

第三节玻璃的力学性能(三)密度的计算

V=1/D=∑Vmfm玻璃工艺学25

第三节玻璃的力学性能测量精度：0.0002g/cm32.可检测出成分变化:Na2O±0.05%CaO

±0.03%SiO2±0.1%生产中的应用1.砂水分波动3~10%，密度变