玻璃工艺06玻璃的机械性质.ppt

1、第六章 玻璃的机械性质 mechanical property,一、机械强度mechanical intensity 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）,1. 玻璃的理论强度 材料的强度取决于组成单元间的作用力,th约1010帕，而实际强度不足108帕 一般 F= 34.383.3106 帕 c= 49196108 帕,2.Griffith断裂理论 （1）要点 a. 实际强度低的原因是表面与有许多光学显微镜下看不见的

2、半椭圆的微裂纹（宽0.010.02 m, 深5m） 裂纹常在相界产生，尺寸与分相液滴相近。 b. 微裂纹起应力中心作用。应力集中是使应力扩展 的 动力。 c. 玻璃的断裂从微裂纹开始，比无缺陷的玻璃发生早。,（2）玻璃的断裂过程 a.初生裂纹的缓慢扩展（形成镜面区） b.次生裂纹的形成。最初传播速度较慢，然后急剧增大。 （雾状区） （颈毛区）,a. 外力超过f 时玻璃断裂 b. c 增大则f 减小，即强度由裂纹大小而不是多少决定。 c. 当 c 趋近于 a0 时f th 参见式（6-11）,（3）Griffith方程 前提：断裂时新增的表面能由弹性应变能提供。,3.影响玻璃强度的因素 （1）表

3、面状态 微裂纹使玻璃的抗张、抗折强度比抗压强度低1/101/15。 （2）玻璃组成 键强大，结构紧密则强度高。 可提高强度的有CaO、BaO、B2O3 (15%)、Al2O3、ZnO等。,（4）活性介质（极性物质如酸、碱） 作用：渗入裂纹使裂纹扩展 起化学反应使结构破坏。 水可大大降低f。 干空气、非极性物质、憎水性有机硅对f影响小。,（3）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） 界面处有应力。,（5）残余应力 非均匀分布的应力使强度大大降低。,T ，分子热运动加剧以抗衡分子间引力， f 。 200C后可能由塑性变形使f。,（6）温度,（7）疲劳现象 定义

4、： 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。 解释：,裂纹尖端在集中的应力作用下加快了与水分的作用，而水分溶解了一部分玻璃，从而延长裂纹，达到临界长度就发生断裂。,只有水分存在时才有疲劳现象。真空则无。 温度较低时无（反应速度慢），温度升高疲劳现象加剧。,结论：,4.玻璃增强 物理钢化（淬火） 使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。 化学钢化 r大离子取代r小离子 贴层玻璃 在玻璃表面贴一层低的物质（陶瓷釉） 火抛光 使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。, 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

5、膜。 使微裂纹弥合，形成压应力层。,5.计算（自学） 加和法。P93,二、玻璃的弹性 elastic reactance 1. 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=/ 相对纵向变形 一般 E = 441108882108 帕,2.影响弹性模量的因素 （1）组成 （2）热处理 （3）温度 （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：

6、在15%（wt）有极值。 * 硼铝反常（铝硼硅酸盐）,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。,硼铝反常（铝硼硅酸盐）,（2）热处理 * 淬火玻璃E退火玻璃E 约27% * 玻纤在300350C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。 （内部结构重组，弱结合转强结合）,3. 弹性模量的计算 E=EiPi（Kgf/mm2） Pi-wt% P96,

7、三、玻璃的硬度和脆性（hardness and brittleness) 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（57） 研磨硬度 刻划硬度 显微硬度（压痕法） 正方锥以一定载荷压在玻璃表面，得一压痕，用显微镜测其对角线长度。,H=1.854P/ l2 l-对角线长(mm) P-载荷 （Kgf / mm2）,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 (MgO ZnO BaO) Al2O3 Fe2O3 K2O Na

8、2O PbO,2. 表示方法 玻璃破坏时受到的冲击强度表示。,冲击强度D=C/S C是耐压强度,脆性 1. 定义：当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的现象。,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小。 * 淬火试样强度比退火样大57倍。,1. 定义：物质单位体积的质量 d = m/V 生产上用于日常控制玻璃成分。 2. 影响因素 密度取决于原子质量、堆积密度等。 （1）组成（2）温度 （3）热历史 （4）压力,四、玻璃的密度density,（1）组成 * r较小的M离子填充网络，使d增大。而r大的（K+、Ba2+）使d减小。 * 配位数 B3+为BO4,中间体氧化物为IO6时密度增大。 （硼反常，铝反常）,（2）温度 T d,（3）热历史