玻璃工藝學(xué)3玻璃的力學(xué)性能

玻璃工藝學(xué)1

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能

機(jī)械強(qiáng)度彈性硬度和脆性密度玻璃工藝學(xué)2

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能一.機(jī)械強(qiáng)度定義：指玻璃抵抗外來負(fù)荷作用的能力?？箯垙?qiáng)度抵抗張應(yīng)力〔拉伸應(yīng)力〕的能力?？箟簭?qiáng)度受壓應(yīng)力作用破壞時(shí)的極限應(yīng)力?？拐?彎)強(qiáng)度受的最大彎曲載荷〔彎曲力矩/阻力矩〕抗沖擊強(qiáng)度受動(dòng)態(tài)載荷能力?！补Α巢ＡУ膹?qiáng)度特征

:1、理論強(qiáng)度比實(shí)際強(qiáng)度大得多2、抗張強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小玻璃工藝學(xué)3

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能(一)玻璃的理論強(qiáng)度材料的強(qiáng)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(shí)際強(qiáng)度缺乏108Pa一般c(抗壓)=49~196×108PaF(抗張)=34.3~83.3×106Pa玻璃工藝學(xué)4

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能(二)Griffith斷裂理論1.要點(diǎn)實(shí)際強(qiáng)度低的原因是外表上有許多光學(xué)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(yīng)力中心作用。應(yīng)力集中是使應(yīng)力擴(kuò)展的動(dòng)力。玻璃的斷裂從微裂紋開始，比無(wú)缺陷的玻璃發(fā)生早。玻璃工藝學(xué)5

第三節(jié)玻璃的力學(xué)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(shí)玻璃斷裂b.c增大那么σf減小，即強(qiáng)度由裂紋大小而不是多少?zèng)Q定。c.當(dāng)c趨近于r0時(shí)，σf→σthσ2cσ玻璃工藝學(xué)6

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能(三)影響玻璃強(qiáng)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(qiáng)度↑。如石英玻璃纖維的強(qiáng)度可達(dá)1.05×1010Pa。1.外表狀態(tài)微裂紋使玻璃的抗張、抗折強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)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(diǎn)缺陷等〕界面處導(dǎo)致微裂紋、應(yīng)力集中,α↓。玻璃工藝學(xué)7

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能5.溫度T<200℃，T↑，強(qiáng)度↓T>200℃，T↑，強(qiáng)度↑T

，分子熱運(yùn)動(dòng)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(xué)鍵與化學(xué)組成〔鍵強(qiáng)及單位體積內(nèi)鍵的數(shù)目〕石英玻璃強(qiáng)度最高參加RO，強(qiáng)度↓參加R2O，強(qiáng)度↓↓玻璃工藝學(xué)8

第三節(jié)玻璃的力學(xué)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(kuò)展②起化學(xué)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(jī)硅對(duì)σf影響小6.疲勞現(xiàn)象

玻璃長(zhǎng)時(shí)間在交變載荷的作用下，在遠(yuǎn)低于其極限應(yīng)力的情況下發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。

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

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能(四)玻璃增強(qiáng)①物理鋼化使玻璃外表產(chǎn)生均勻分布的壓應(yīng)力層。②化學(xué)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(jī)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(yīng)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(xué)10

第三節(jié)玻璃的力學(xué)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(dāng)外力去除后

能恢復(fù)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(duì)縱向變形一般E=441×108~882×108帕玻璃工藝學(xué)11

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能(二)影響彈性模量的因素1.組成質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵越強(qiáng)變形越小，E越大。*一般大r、小Z的陽(yáng)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(xué)12

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能*硼鋁反?！蹭X硼硅酸鹽〕(Na2O–Al2O3)B2O3=

當(dāng)

>1時(shí):[BO4]、[AlO4]，E增大。當(dāng)0<

<1時(shí):

[BO4]、[BO3]、[AlO4]，

E減小。當(dāng)

<0時(shí):[BO3]、[AlO6]、[AlO4]，E又增大。玻璃工藝學(xué)13

第三節(jié)玻璃的力學(xué)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(xué)14

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

第三節(jié)玻璃的力學(xué)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(duì)角線長(zhǎng)(mm)P--載荷〔Kgf/mm2〕玻璃工藝學(xué)16

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能3.組成對(duì)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(chǎng)強(qiáng)越大H越高。*陽(yáng)離子N越大H越高。*各組分對(duì)H的提高作用：

SiO2>B2O3>(MgOZnOBaO)>Al2O3>Fe2O3

>K2O>Na2O>PbO玻璃工藝學(xué)17

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能(二)脆性定義：當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強(qiáng)度時(shí)立即破裂的現(xiàn)象。2.表示方法:玻璃破壞時(shí)受到的沖擊強(qiáng)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(qiáng)度玻璃工藝學(xué)18

第三節(jié)玻璃的力學(xué)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(shí)脆性較小。*試樣越厚抗沖擊強(qiáng)度越大，脆性越小。*淬火試樣強(qiáng)度比退火樣大5～7倍，脆性大大減小。玻璃工藝學(xué)19

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能四.玻璃的密度(一)概念1.定義：?jiǎn)挝惑w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(cè)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(jì)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(xué)20

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能B3+為[BO4]，中間體氧化物為[IO6]時(shí)密度增大。(二)密度的影響因素：1.化學(xué)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(xué)21

第三節(jié)玻璃的力學(xué)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(xué)22

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能2、熱歷史與D的關(guān)系D與退火溫度、保溫時(shí)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(xué)23

第三節(jié)玻璃的力學(xué)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(huì)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(xué)24

第三節(jié)玻璃的力學(xué)性能(三)密度的計(jì)算

V=1/D=∑Vmfm玻璃工藝學(xué)25

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

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