玻璃工藝學3玻璃的力學性能

玻璃工藝學1

第三節(jié)玻璃的力學性能

機械強度彈性硬度和脆性密度玻璃工藝學2

第三節(jié)玻璃的力學性能一.機械強度定義：指玻璃抵抗外來負荷作用的能力。抗張強度抵抗張應力〔拉伸應力〕的能力?？箟簭姸仁軌簯ψ饔闷茐臅r的極限應力?？拐?彎)強度受的最大彎曲載荷〔彎曲力矩/阻力矩〕抗沖擊強度受動態(tài)載荷能力?！补Α巢ＡУ膹姸忍卣?/p>

:1、理論強度比實際強度大得多2、抗張強度比抗壓強度小玻璃工藝學3

第三節(jié)玻璃的力學性能(一)玻璃的理論強度材料的強度取決于組成單元間的作用力Era

th=a—原子間的平衡距離th約1010～1.5×1010Pa，而實際強度缺乏108Pa一般c(抗壓)=49~196×108PaF(抗張)=34.3~83.3×106Pa玻璃工藝學4

第三節(jié)玻璃的力學性能(二)Griffith斷裂理論1.要點實際強度低的原因是外表上有許多光學顯微鏡下看不見的半橢圓的微裂紋〔寬0.01~0.02m,深5m〕，裂紋常在相界產(chǎn)生，尺寸與分相液滴相近。微裂紋起應力中心作用。應力集中是使應力擴展的動力。玻璃的斷裂從微裂紋開始，比無缺陷的玻璃發(fā)生早。玻璃工藝學5

第三節(jié)玻璃的力學性能2.Griffith方程

σf=2Eγz/πcγz

形成新裂紋的表面能a.外力超過σf時玻璃斷裂b.c增大那么σf減小，即強度由裂紋大小而不是多少決定。c.當c趨近于r0時，σf→σthσ2cσ玻璃工藝學6

第三節(jié)玻璃的力學性能(三)影響玻璃強度的因素3.幾何尺寸幾何尺寸↓，外表和內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的幾率↓，強度↑。如石英玻璃纖維的強度可達1.05×1010Pa。1.外表狀態(tài)微裂紋使玻璃的抗張、抗折強度比抗壓強度低1/10~1/15。2.玻璃中的缺陷宏觀缺陷〔氣泡、結(jié)石、結(jié)瘤〕微觀缺陷〔分相、析晶、點缺陷等〕界面處導致微裂紋、應力集中,α↓。玻璃工藝學7

第三節(jié)玻璃的力學性能5.溫度T<200℃，T↑，強度↓T>200℃，T↑，強度↑T

，分子熱運動加劇以抗衡分子間引力，σf↓;200C后可能由塑性變形使σf

。200CTσf4.化學鍵與化學組成〔鍵強及單位體積內(nèi)鍵的數(shù)目〕石英玻璃強度最高參加RO，強度↓參加R2O，強度↓↓玻璃工藝學8

第三節(jié)玻璃的力學性能7.活性介質(zhì)〔極性物質(zhì)如酸、堿〕①滲入裂紋使裂紋擴展②起化學反響使結(jié)構(gòu)破壞。水可大大降低σf。干空氣、非極性物質(zhì)、憎水性有機硅對σf影響小6.疲勞現(xiàn)象

玻璃長時間在交變載荷的作用下，在遠低于其極限應力的情況下發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。

加荷速度越大，時間越長，強度越小。①只有水分存在時才有疲勞現(xiàn)象。真空那么無。②溫度較低時無〔反響速度慢〕，溫度升高疲勞現(xiàn)象加劇。玻璃工藝學9

第三節(jié)玻璃的力學性能(四)玻璃增強①物理鋼化使玻璃外表產(chǎn)生均勻分布的壓應力層。②化學鋼化r大離子取代r小離子③貼層玻璃在玻璃外表貼一層α低的物質(zhì)〔陶瓷釉〕④火拋光使玻璃外表傷痕、裂紋彌合。⑤覆蓋硅有機化合物放入氯硅烷〔SiCl4〕溶液中，通過水解在玻璃外表形成SiO2膜。使微裂紋彌合，形成壓應力層。⑥霜化處理在so2氣氛中退火，使外表缺少Na＋玻璃工藝學10

第三節(jié)玻璃的力學性能二.玻璃的彈性(一)概述定義：玻璃在外力作用下發(fā)生變形，當外力去除后

能恢復原來形狀的性質(zhì)。彈性模量、剪切模量、泊松比、體積壓縮模量彈性模量：表示材料抵抗變形的能力。低溫下〔<Tg〕E=σ/εε相對縱向變形一般E=441×108~882×108帕玻璃工藝學11

第三節(jié)玻璃的力學性能(二)影響彈性模量的因素1.組成質(zhì)點間化學鍵越強變形越小，E越大。*一般大r、小Z的陽離子氧化物不利于提高E。R2O使E減小，但Li2O使玻璃分子體積縮小而使E提高*硼反常：EB2O3%15玻璃工藝學12

第三節(jié)玻璃的力學性能*硼鋁反常〔鋁硼硅酸鹽〕(Na2O–Al2O3)B2O3=

當

>1時:[BO4]、[AlO4]，E增大。當0<

<1時:

[BO4]、[BO3]、[AlO4]，

E減小。當

<0時:[BO3]、[AlO6]、[AlO4]，E又增大。玻璃工藝學13

第三節(jié)玻璃的力學性能2.熱處理*淬火玻璃E<退火玻璃E約2~7%*

玻纖在300~350

C處理后E增大同塊狀玻璃。*晶化后E增大，取決于主晶相種類、性質(zhì)。3.溫度*

T

E(大多數(shù)硅酸鹽玻璃)。離子間距增大

*石英、高硅氧玻璃和派萊克斯玻璃的E隨溫度升高而增大。玻璃工藝學14

第三節(jié)玻璃的力學性能(三)彈性模量的計算E=∑EiPi〔Kgf/mm2〕Pi--wt%玻璃工藝學15

第三節(jié)玻璃的力學性能三.玻璃的硬度和脆性(一)硬度1.意義：玻璃抵抗其它物體侵入其內(nèi)部的能力。2.表示方法：顯微硬度莫氏硬度〔5~7〕研磨硬度刻化硬度顯微硬度〔壓痕法〕:H=1.854P/l2l--對角線長(mm)P--載荷〔Kgf/mm2〕玻璃工藝學16

第三節(jié)玻璃的力學性能3.組成對硬度的影響*F離子使H提高。M離子使H降低。*同類玻璃，M離子場強越大H越高。*陽離子N越大H越高。*各組分對H的提高作用：

SiO2>B2O3>(MgOZnOBaO)>Al2O3>Fe2O3

>K2O>Na2O>PbO玻璃工藝學17

第三節(jié)玻璃的力學性能(二)脆性定義：當負荷超過玻璃的極限強度時立即破裂的現(xiàn)象。2.表示方法:玻璃破壞時受到的沖擊強度S表示:∑PhV∑Ph為總功V為試樣體積S=或脆弱度D表示:D=C/SC---耐壓強度玻璃工藝學18

第三節(jié)玻璃的力學性能3.影響因素*R+、R2+使脆性增大，且隨其半徑增大而上升。*B3+處于三角體時脆性較小。*試樣越厚抗沖擊強度越大，脆性越小。*淬火試樣強度比退火樣大5～7倍，脆性大大減小。玻璃工藝學19

第三節(jié)玻璃的力學性能四.玻璃的密度(一)概念1.定義：單位體積的玻璃的質(zhì)量

2.工藝意義：

(1)從定義看：D與分子體積有關(guān)，而Vm反映了根本結(jié)構(gòu)單元的緊密堆積程度和配位狀態(tài)

(2)D的測量是穩(wěn)定玻璃組成和生產(chǎn)的常規(guī)、有效的方法

(3)反映退火質(zhì)量

(4)是熱工計算中的重要參數(shù)石英玻璃為2.21g/cm3日用玻璃為2.5g/cm3防輻射玻璃為8g/cm3玻璃工藝學20

第三節(jié)玻璃的力學性能B3+為[BO4]，中間體氧化物為[IO6]時密度增大。(二)密度的影響因素：1.化學組成影響因素：原子量、原子緊密堆積程度、配位數(shù)(1)網(wǎng)絡(luò)體積：決定于四面體體積，大者D小[BO4]<[SiO4]<[GeO4]<[AlO4]<[GaO4]注意B、Al反常

玻璃工藝學21

第三節(jié)玻璃的力學性能(2)外加RmOn

rR>網(wǎng)絡(luò)空隙，分子體積↑，D↓rR<網(wǎng)絡(luò)空隙，分子體積↓，D↑

R2O：

R+處于網(wǎng)絡(luò)空隙中同量R2O的D：Li2O>Na2O>k2ORO：同R2O，rR↑，D↓

密度：BeO>CaO>SrO>BaO玻璃工藝學22

第三節(jié)玻璃的力學性能2、熱歷史與D的關(guān)系D與退火溫度、保溫時間、降溫速度有關(guān)(1)D淬＜D退

(2)退火溫度范圍內(nèi)保溫后，密度趨于平衡值。(3)冷卻快，偏離平衡密度的溫度越高，Tg也越高。(4)玻璃析晶。D↑。3、D與T的關(guān)系T↑,D↓玻璃工藝學23

第三節(jié)玻璃的力學性能5、D與P的關(guān)系P↑，D↑，但必須高壓或超高壓〔＞105atm〕D隨P的變化程度與組成有關(guān)：結(jié)構(gòu)越疏松，影響越大。加壓后，假設(shè)T↑，那么D會降低，直至原來的平衡值。石英玻璃在P作用下?？蓧合禂?shù)Δd/d↑，玻璃中R2O↑，Δd/d↓rR↑，Δd/d↓玻璃工藝學24

第三節(jié)玻璃的力學性能(三)密度的計算

V=1/D=∑Vmfm玻璃工藝學25

第三節(jié)玻璃的力學性能測量精度：0.0002g/cm32.可檢測出成分變化:Na2O±0.05%CaO

±0.03%SiO2±0.1%生產(chǎn)中的應用1.砂水分波動3~10%，密度變