玻璃的力學性能

會計學1玻璃的力學性能5.2玻璃的熱學性能5.2.1玻璃的熱膨脹系數(shù)5.2.2玻璃的比熱5.2.3玻璃的導熱性5.2.4玻璃的熱穩(wěn)定性第1頁/共59頁5.1.1.1理論強度與實際強度所謂材料的理論強度，就是從不同理論角度來分析材料所能承受的最大應力或分離原子（離子或分子等）所需的最小應力。取決于原子間的相互作用及熱運動。5.1.1玻璃的機械強度第2頁/共59頁σth=xE

E：彈性模量

X：為與物質(zhì)結構和鍵型有關的常數(shù)，一般為0.1~0.2E：彈性模量γ：形成單位新表面所做的功a：每一緊鄰原子對的間距第3頁/共59頁材料名稱鍵型彈性模量E/Pa系數(shù)x理論強度/Pa實際強度/Pa石英玻璃纖維離子-共價鍵12.4×10100.11.24×10101.05×1010玻璃纖維離子-共價鍵7.2×10100.10.72×10100.2~0.3×1010塊狀玻璃離子-共價鍵7.2×10100.10.72×10108~15×107氯化鈉離子鍵4.0×10100.060.24×10100.44×107有機玻璃共價鍵0.4~0.6×10100.10.04~0.06×101010~15×107鋼金屬鍵20×10100.153.0×10100.1~0.2×1010不同材料的彈性模量、理論強度與實際強度第4頁/共59頁

塊狀玻璃的實際強度與理論強度相差2~3個數(shù)量級。原因：玻璃的脆性、玻璃中存在微裂紋（尤其是表面微裂紋）和內(nèi)部不均勻區(qū)及缺陷的存在造成應力集中。第5頁/共59頁5.1.1.2玻璃的斷裂力學斷裂力學的基本概念脆性斷裂理論

假定在一個無限大的平板內(nèi)有一橢圓形裂紋，它與外力垂直分布，長度為2c，在一定應力σ的作用下，此裂紋處的彈性應變能為：而同時產(chǎn)生兩個新裂口表面，相應的表面斷裂能為：第6頁/共59頁因而在外力作用下，裂紋得以擴展的條件為：得到：這時的σ相當于斷裂應力σf，則：第7頁/共59頁玻璃材料的缺陷及裂紋的擴展玻璃材料由于在其表面和內(nèi)部存在著不同的雜質(zhì)、缺陷或微不均勻區(qū)，在這些區(qū)域引起應力的集中導致微裂紋的產(chǎn)生。裂紋尖端處的應力超過臨界應力時，裂紋就迅速分裂，使玻璃斷裂。第8頁/共59頁玻璃斷裂過程分為兩個階段：第一階段主要是初生裂紋緩慢增長，形成斷裂表面的鏡面部分；第二階段，隨著初生裂紋的增長，次生裂紋同時產(chǎn)生和增長，在其相互相遇時形成以鏡面為中心的輻射狀碎裂條紋。第9頁/共59頁第10頁/共59頁從裂紋擴展過程中的能量平衡，推導出臨界裂紋應力σc的一般式：近似為：第11頁/共59頁5.1.1.3影響玻璃強度的因素化學鍵、化學組成鍵強：橋氧，非橋氧鍵強不同；堿金屬、堿土金屬鍵強也不同。鍵數(shù)：網(wǎng)絡的疏密程度?；瘜W組成：不同組成的玻璃結構骨架不同。第12頁/共59頁第13頁/共59頁表面微裂紋格里菲斯認為玻璃破壞時是從表面微裂紋開始；據(jù)測定，1mm2玻璃表面上含有300個左右的微裂紋；微裂紋的存在使玻璃抗張、抗折強度僅為抗壓強度的1/10~1/15；提高玻璃強度的兩個途徑：減少和消除玻璃的表面缺陷；使玻璃表面形成壓應力，以克服表面微裂紋的作用。第14頁/共59頁微不均勻性電鏡觀察玻璃中存在微相和微不均勻結構；結構中的微不均勻性降低了玻璃強度；原因：微相之間易生成裂紋，兩相交界面間結合力較弱，兩相成分不同，熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生應力。第15頁/共59頁玻璃中的宏觀、微觀缺陷宏觀缺陷：氣泡、條紋、結石。因成分與主體玻璃不一致，熱膨脹系數(shù)不同而造成內(nèi)應力；微觀缺陷：點缺陷、局部析晶、晶界。常在宏觀缺陷的地方集中導致裂紋產(chǎn)生。第16頁/共59頁活性介質(zhì)活性介質(zhì)指水、酸、堿、某些鹽類等?；钚越橘|(zhì)對玻璃表面的兩種作用一是滲入裂紋像楔子一樣使裂紋擴展；二是與玻璃起化學作用破壞結構。活性介質(zhì)中玻璃的強度降低。玻璃強度的測定最好在真空或液氮中進行，以免受活性介質(zhì)的影響。第17頁/共59頁溫度低溫和高溫對玻璃強度的影響是不同的；接近絕對零度至200℃，強度隨溫度升高而降低；200℃為強度最低點；高于200℃，強度逐漸增大。第18頁/共59頁第19頁/共59頁

玻璃中的應力玻璃中的殘余應力，特別是分布不均勻的殘余應力，使強度大為降低。玻璃鋼化后，表面產(chǎn)生均勻的壓應力，內(nèi)部形成均勻的張應力，機械強度大大提高。第20頁/共59頁玻璃的疲勞現(xiàn)象定義：常溫下，玻璃的破壞強度隨加荷速度或加荷時間而變化。加荷速度越大或加荷時間越長，破壞強度越小，短時間不會破壞的負荷，時間久了就可能破壞，這種現(xiàn)象稱為玻璃的疲勞現(xiàn)象。第21頁/共59頁定義：材料在外力作用下發(fā)生變形，外力去掉后能恢復原來形狀的性質(zhì)。表征彈性的參數(shù)彈性模量E剪切模量G泊松比

μ體積壓縮模量K5.1.2玻璃的彈性第22頁/共59頁第23頁/共59頁5.1.2.1彈性模量與成分的關系E主要取決于內(nèi)部質(zhì)點間化學鍵的強度，同時也與結構有關。質(zhì)點間化學鍵的強度越大，變形越小，E就越大；玻璃結構越堅實，E也越大。第24頁/共59頁鍵強：與原子半徑和價電子數(shù)有關。E是原子序數(shù)的周期函數(shù)。同一族元素，隨原子序數(shù)的遞增和原子半徑的增大，E降低。與離子間的吸引力呈直線關系。同一氧化物處于高配位時E比處于低配位時高。

結論：離子半徑較大、電荷較低的離子不利于提高E，相反有利于提高E。第25頁/共59頁結構：石英玻璃具有三維空間的架狀結構，E較高，705.6×108Pa；純B2O3玻璃具有層狀結構，E很低，僅175×108Pa。硼反常硼鋁反常結論：

E的增減實質(zhì)上反映了玻璃內(nèi)部結構的變化。第26頁/共59頁5.1.2.2彈性模量與溫度的關系大多數(shù)硅酸鹽玻璃E隨溫度升高而降低。對于石英玻璃、高硅氧玻璃、派來克斯玻璃，E與溫度的關系出現(xiàn)反常，隨溫度升高而增加。第27頁/共59頁5.1.2.3彈性模量與熱處理的關系淬火玻璃比退火玻璃低，一般低2~7%。玻璃纖維（774.2×108Pa）比塊狀玻璃（803.6×108Pa）低。微晶化后E增高，增高幅度主要取決于析出的主晶相的種類和性質(zhì)。第28頁/共59頁5.1.3玻璃的硬度和脆性5.1.3.1玻璃的硬度硬度：固體材料抵抗另一固體深入其內(nèi)部而不產(chǎn)生殘余形變的能力。表示方法：莫氏硬度（劃痕法）顯微硬度（壓痕法）研磨硬度（磨損法）刻化硬度（刻痕法）第29頁/共59頁一般玻璃用顯微硬度表示。方法：利用金剛石正方錐體以一定負荷在玻璃表面打入壓痕，測量壓痕對角線的長度。第30頁/共59頁玻璃的硬度主要取決于化學成分和結構。一般來說：網(wǎng)絡生成離子使玻璃硬度增加，網(wǎng)絡外體離子使玻璃硬度降低。硼反常、硼鋁反常、壓制效應在硬度-組成關系中同樣存在。硬度隨陽離子的配位數(shù)的增加而增大。玻璃的硬度還與溫度、熱歷史有關。第31頁/共59頁5.1.3.2玻璃的脆性定義：當負荷超過玻璃的極限強度時，不產(chǎn)生明顯的塑性變形而立即破裂的性質(zhì)。表示方法：破壞時受到的沖擊強度脆弱度——玻璃抗壓強度與抗沖擊強度之比脆裂負荷——測定顯微硬度時壓痕發(fā)生破裂時的負荷值第32頁/共59頁5.1.4玻璃的密度玻璃的密度主要取決于構成玻璃原子的質(zhì)量、原子堆積緊密程度以及配位數(shù)有關，是表征玻璃結構的一個標志。實際生產(chǎn)中，通過測定玻璃的密度來控制工藝過程，借以控制玻璃成分。第33頁/共59頁5.1.4.1玻璃密度與成分的關系不同組成玻璃密度差別很大。一般單組分玻璃的密度最小，添加網(wǎng)絡外體密度增大。玻璃中引入R2O和RO氧化物，隨離子半徑的增大，玻璃密度增加。同一氧化物配位狀態(tài)改變，對密度也產(chǎn)生影響。B2O3從[BO3]到[BO4]密度增加；中間體從網(wǎng)絡內(nèi)四面體[RO4]轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡外八面體[RO6]密度增加；硼反常、鋁反常、硼鋁反常第34頁/共59頁5.1.4.2玻璃密度與溫度及熱處理的關系隨溫度升高，玻璃密度下降。一般工業(yè)玻璃，溫度從室溫升至1300℃，密度下降約為6~12%。第35頁/共59頁玻璃從高溫狀態(tài)冷卻下來，同成分的淬火玻璃比退火玻璃具有較低的密度。在一定退火溫度下保持一定時間后，淬火玻璃和退火玻璃的密度趨向該溫度的平衡密度。冷卻速度越快，偏離平衡密度的溫度愈高，其Tg溫度也愈高。第36頁/共59頁第37頁/共59頁熱處理情況d/(g/cm3)Δd成形后未退火2.50000退火較差2.50500.005退火良好2.50700.007不同熱處理情況下玻璃瓶密度的變化第38頁/共59頁5.1.4.3玻璃密度與壓力的關系一定溫度下，隨壓力的增加玻璃的密度隨之增大。密度變化的幅度與加壓方法、玻璃組成、壓力大小、加壓時間有關。第39頁/共59頁第40頁/共59頁第41頁/共59頁5.2.1玻璃的熱膨脹系數(shù)5.2.1.1玻璃的熱膨脹線膨脹系數(shù)α和體膨脹系數(shù)β

第42頁/共59頁α和β

之間存在近似關系：β=3αα的測定比β簡便而精確，通常采用α討論玻璃的熱膨脹性質(zhì)。不同組成玻璃的熱膨脹系數(shù)在5.8~150×10-7/℃范圍內(nèi)變化，非氧化物玻璃甚至超過200×10-7/℃，微晶玻璃則可獲得零膨脹或負膨脹。硬質(zhì)玻璃和軟質(zhì)玻璃第43頁/共59頁5.2.1.2玻璃熱膨脹系數(shù)與成分的關系α根本上取決于質(zhì)點間的作用力，即各種陽離子與O2-之間的鍵力f。從玻璃整體結構看，網(wǎng)絡骨架對α起著重要作用。第44頁/共59頁組分氧化物對α的影響歸納如下：在比較各組成氧化物對α的作用時，首先區(qū)分氧化物的種類，即網(wǎng)絡生成體、中間體和網(wǎng)絡外體。能增強網(wǎng)絡的組分使α降低，能斷裂網(wǎng)絡的組分使α上升。R2O和RO的斷網(wǎng)作用是主要的，積聚作用是次要的，使α上升；而對于高鍵強、高配位離子積聚作用是主要的，使α下降。網(wǎng)絡生成體使α下降，中間體有足夠“游離氧”也使α下降。第45頁/共59頁5.2.1.3熱膨脹系數(shù)和溫度的關系熱膨脹系數(shù)α隨溫度的升高而增大。在Tg溫度以上，α隨溫度升高顯著增大，直到軟化。第46頁/共59頁5.2.1.4熱處理對熱膨脹系數(shù)的影響熱處理對α有明顯的影響，組成相同的淬火玻璃較退火玻璃的α大百分之幾。退火玻璃和淬火玻璃的熱膨脹曲線。在約330℃以下，曲線2在曲線1之上；330~500℃之間，曲線2在曲線1之下；500~570℃之間，曲線2折向下行，玻璃不是膨脹而是收縮；在570℃處，兩條曲線都急轉(zhuǎn)向上，此溫度為Tg。第47頁/共59頁在某一溫度下單位質(zhì)量的物質(zhì)升高1℃所需的熱量。實際計算中多采用t1~t2溫度范圍內(nèi)的平均比熱cm5.2.2玻璃的比熱第48頁/共59頁比熱與溫度的關系同其他物質(zhì)一樣，在絕對零度時為零。隨溫度升高比熱逐漸增大，在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域內(nèi)增長較快。熔融狀態(tài)下，比熱隨溫度升高逐漸增大。第49頁/共59頁比熱與組成的關系SiO2、Al2O3

、B2O3、MgO、Na2O特別是Li2O

能提高玻璃的比熱，含有大量PbO或BaO的玻璃比熱較低，其余氧化物影響不大。第50頁/共59頁導熱性：物質(zhì)依靠質(zhì)點的振動將熱能傳遞至較低溫度物質(zhì)的能力。物質(zhì)的導熱性以熱導率λ來表示。熱導率：溫度梯度等于1時，單位時間內(nèi)通過試樣單位橫截面積上的熱量。單位W/(m·K)熱導率表征物質(zhì)傳遞熱量的難易，玻璃是一種熱的不良導體，其熱導率較低，介于0.712~1.340W/(m·K)之間。5.2.3玻璃的導熱性第51頁/共59頁熱導率與溫度的關系熱導率隨溫度升高而增加。第52頁/共59頁熱導率與組成的關系石英玻璃的熱導率最大，1.340W/(m·K)；硼硅酸鹽玻璃的熱導率也很大，1.256W/(m·K)；普通鈉鈣硅玻璃為0.963W/(m·K)；含有PbO和BaO的玻璃熱導率較低，0.796W/(m·K)。玻璃中添加