玻璃的理論強度和實際強度

1、玻璃的理論強度和實際強度     玻璃的機械強度一般用抗壓強度、抗折強度、抗張強度和抗沖擊強度等指標表示。從機械性能的角度來看，玻璃之所以得到廣泛應(yīng)用，就是因為它的抗壓強度高，硬度也高。然而，由于它的抗張強度與抗折強度不高，并且脆性很大，使玻璃的應(yīng)用受到一定的限制。 玻璃的理論強度按照 Orowan 假設(shè)計算等于 11.76GPa ，表面上無嚴重缺陷的玻璃纖維，其平均強度可達 686MPa 。玻璃的抗張強度一般在 34.3 83.3MPa 之間，而抗壓強度一般在 4.9 1.96GPa 之間。但是，實際上用作窗玻璃和瓶罐玻璃的抗折強度只有 6.86MPa

2、 ，也就是比理論強度相差 2 3 個數(shù)量級。 玻璃的實際強度低的原因是由于玻璃的脆性和玻璃中存在有微裂紋和不均勻區(qū)所引起。由于玻璃受到應(yīng)力作用時不會產(chǎn)生流動，表面上的微裂紋便急劇擴展，并且應(yīng)力集中，以致破裂。為了提高玻璃的機械強度，可采用退火、鋼化、表面處理與涂層、微晶化、與其他材料制成復(fù)合材料等方法。這些方法都能大大提高玻璃的機械強度，有的可使玻璃抗折強度成倍增加，有的甚至增強幾十倍以上。影響玻璃機械強度的主要因素有： 1 化學(xué)組成。 不同組成的玻璃其結(jié)構(gòu)間的鍵強也不同，如橋氧離子與非橋氧離子的鍵強不同，堿金屬離子與堿土金屬離子的鍵強也不一樣，從而影響玻璃的機械強度。 石英玻璃的強度最高，含

3、有 R 2+ 離子的玻璃強度次之，強度最低的是含有大量 R + 離子的玻璃。一般玻璃強度隨化學(xué)組成的變化在 34.3 88.2MPa 間波動。 CaO 、 BaO 、 B 2 O 3 (15 以下 ) 、 A1 2 O 3 對強度影響較大， MgO 、 ZnO 、 Fe 2 0 3 等影響不大。各種組成氧化物對玻璃抗張強度的提高作用的順序是： CaO B 2 0 3 BaO A1 2 0 3 PbO K 2 0 Na 2 0 (MgO ， Fe 2 0 3 ) 各組成氧化物對玻璃的抗壓強度的提高作用的順序是： A1 2 0 3 (Si0 2 、 MgO 、 ZnO) B 2 0 3 Fe 2

4、0 3 (BaO 、 CaO 、 PbO) 玻璃的抗張強度卯和抗壓強度即可按加和性法則計算。 F =P 1 F 1 +P 2 F 2 + P n F n （ 2 2 7) C =P 1 C 1 +P 2 C 2 + P n C n (2 2 8) 式中： P 1 、 P 2 、 P n 為玻璃中各組成氧化物的質(zhì)量百分含量； F 1 、 F 2 、 F n 為各組成氧化物抗張強度計算系數(shù)； C- 1 、 C 2 、 C n 為各組成氧化物的抗壓強度計算系數(shù)。 表 2 2 4 抗張強度與抗壓強度的計算系數(shù) 計算系數(shù) 氧 化 物 Na 2 0 K 2 0 MgO CaO BaO ZnO 抗張強度系數(shù)

5、 F 0.02 0.01 0.01 0.20 0.05 0.15 抗壓強度系數(shù) c 0.52 0.05 1.10 0.20 0.65 0.60 計算系數(shù) 氧 化 物 Na 2 0 K 2 0 MgO CaO BaO ZnO 抗張強度系數(shù) F 0.025 0.05 0.03 0.065 0.075 0.09 抗壓強度系數(shù) C 0.480 1.00 - 0.900 0.760 1.23 2 玻璃中的宏觀和微觀缺陷 宏觀缺陷如固態(tài)夾雜物、氣態(tài)夾雜物、化學(xué)不均勻等。由于其化學(xué)組成與主體玻璃的化學(xué)組成不一致而造成內(nèi)應(yīng)力，同時，一些微觀缺陷如點缺陷、局部析晶等在宏觀缺陷地方集中，因而導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生了微裂紋，

6、嚴重影響了玻璃的強度。 3 溫度低溫與高溫 對玻璃的影響不同，根據(jù)對 -200 + 500 范圍內(nèi)的測試，強度最低值位于 200 左右 ( 如圖 2 2 4) 。最初隨著溫度的升高，熱起伏現(xiàn)象有了增加，使缺陷處積聚了更多的應(yīng)變能，增加破裂的幾率。當溫度高于 200 時，強度的遞升可歸于裂口的鈍化，從而緩和了應(yīng)力的集中。玻璃纖維因表面積大，當使用溫度較高時，可引起表面微裂紋的增加和析晶。因此，溫度升高，強度下降。同時，不同組成的玻璃纖維的強度和溫度的關(guān)系有明顯的區(qū)別。4 玻璃中的應(yīng)力 玻璃中的殘余應(yīng)力，特別是分布不均勻的殘余應(yīng)力，使強度大為降低，實驗證明，殘余應(yīng)力增加到 1.5 2 倍，抗彎強度

7、降低 9 12 。玻璃進行鋼化后，玻璃表面存在壓應(yīng)力，內(nèi)部存在張應(yīng)力，而且是有規(guī)則的均勻分布，玻璃強度得以提高。除此之外，玻璃結(jié)構(gòu)的微不均勻性、加荷速度、加荷時間等均能影響玻璃的強度。 二、玻璃的硬度和脆性   1 玻璃的硬度 硬度是表示物體抵抗其他物體侵入的能力。玻璃的硬度決定于化學(xué)成分，網(wǎng)絡(luò)生成體離子使玻璃具有高硬度，而網(wǎng)絡(luò)外體離子則使玻璃硬度降低。石英玻璃和含有 10 12 B 2 0 3 的硼硅酸鹽玻璃硬度最大，含鉛的或堿性氧化物的玻璃硬度較小。各種氧化物組分對玻璃硬度提高的作用大致是: Si0 2 >B 2 0 3 >(MgO 、 ZnO 、 BaO)>A1 2 0 3 >Fe 2 0 3 >K 2 0>Na 2 0>PbO 一般玻璃硬度在莫氏硬度 5 7 之間。 2 玻璃的脆性玻璃的脆性，是指當負荷超過玻璃的極限強度時立即破裂的特性。玻璃的脆性通常用它破壞時所受到的沖擊強度來表示。沖擊強度的測定值與試樣厚度及樣品的熱歷史有關(guān)，淬火玻璃的強度較退火玻璃大 5 7 倍。 石英玻璃的脆性很大，向 SiO 2 中加入 R 2 O 和 RO 時，所得玻璃的脆性更大，并且隨加入離子 R