玻璃的力学性能及热学性能

1、第4章 玻璃的力学性能及热学性能,4.1 玻璃的力学性质,4.1.1 玻璃的机械强度（掌握） 4.1.2 玻璃的弹性（熟悉） 4.1.3 玻璃的硬度和脆性（熟悉）,4.1.1 玻璃的机械强度（掌握）,1 理论强度与实际强度（掌握） 2 玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉） 3 影响强度的主要因素（掌握）,玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折抗张不高、脆性大。,机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示。,理论强度：从不同理论角度来分析玻璃所能 承受的最大应力。,1 理论强度与实际强度（掌握）,奥鲁凡（Orowan)假设,理论强度,弹性模量,据测定1mm2玻璃表面上约有300个微裂纹，深约5微米，宽

2、0.010.02微米，光学显微镜分不出来。,2 玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）,3 影响强度的主要因素（掌握）,1）化学键与化学组成,玻璃的键强包括各种键的强度及数目。 键强大，机械强度好。 结构网络紧密，强度好。,一般情况下，CaO、BaO、B2O3(15%)、Al2O3、ZnO能加强网络结构，对强度有提高作用。 MgO、Fe2O3对强度作用不大。,常见的氧化物对抗张强度的提高作用是：,CaO B2O3 BaO Al2O3 PbO K2O Na2O (MgO、Fe2O3),常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：,Al2O3SiO2,(MgO,ZnO)B2O3Fe2O3 (PbO,CaO

3、),2）微不均匀性,玻璃中都存在着微相和微不均匀结构，相邻两相间成分不同且结合力弱，膨胀系数不一样，易产生应力，强度下降。,3）宏观和微观缺陷,缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。,4）活性介质,5）温度,低温时，温度升高，强度下降（裂纹端部分子的热运动起伏现象增加，积聚能量使键断裂）200时，强度为最低。,高温时，强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）,6）应力,玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀，将导致其强度大大下降。,4.1.2 玻璃的弹性（熟悉）,1 概念,弹性：材料在外力作用下发生变形，当外力去掉后恢复原来形状的性质。,塑性：材料在外力作用下发生变形，如外力去掉后仍停留在完全或部

4、分变形状态。,2 弹性模量与成分的关系,与组成、结构、键强之间的关系与强度类似。结构紧密，弹性模量高。,常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是：,CaO MgO BaOFe2O3Al2O3BaOZnOPbO,同一氧化物处于高配位时，其弹性模量要比低配位时大。玻璃中引入离子半径小的极化能力强的离子（Li+，Be2+，Mg2+，Al3等）则提高弹性模量。,在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸盐玻璃中，有硼铝反常现象。,Na2O或K2O弹性模量，PbO不起作用。,玻璃的弹性模量可用加和法则进行近似计算。,3 弹性模量与热处理的关系,退火玻璃的弹性模量大于淬火玻璃（因退火玻璃的密度大，结构牢固）。,4

5、弹性模量与温度的关系,大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升而下降（因离子间距增大，相互作用力降低；高温时质点热运动动能增大）。,Tg以上，玻璃逐渐失去弹性，并趋于软化。,石英玻璃、高硅氧玻璃、硼酸盐玻璃，因膨胀系数小，温度升高，则弹性模量。,4.1.3 玻璃的硬度和脆性（熟悉）,1 硬度概念,表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。 一般用显微硬度表示。,利用金刚石正方锥以一定负荷在玻璃表面打入印痕，再测量对角线的长度进行计算,2 硬度影响因素（组成、结构）,网络生成体增加硬度，网络外体降低硬度 温度升高，硬度下降 淬火玻璃硬度小于退火玻璃硬度 与玻璃的冷加工工艺有关,结论,硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬

6、度最大；含有适量B2O3的硼酸盐玻璃硬度也较大；高铅或碱性氧化物的玻璃硬度较小； 各种氧化物对玻璃硬度提高的顺序为：,SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO)Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO,一般玻璃硬度为57（莫氏硬度）,3 脆性概念,当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的塑性变形而立即破裂的性能。,松驰速度低,4 脆性影响因素,化学组成及结构、热历史、试样的形状及厚度等。,4.2 玻璃的热学性质,4.2.1 玻璃的热膨胀系数（掌握）,1 热膨胀系数的概念,通常用室温300（或400）的平均线膨胀系数表示玻璃的热膨胀系数。,2 热膨胀系数与成分的关系,能增强网络结构，则;使网络断裂者，则,R2O与RO主要是断网作用，积聚作用是次要的，当引入时，一般使，同一主族的阳离子随原子半径增大，则,高价阳离子(Zr4+、La3+)积聚作用是主要的，则,网络形成体， ，对于网络中间体，在游离氧足够的条件下也能,Tg点以下，可以通过加和法则计算。,3 热膨胀系数与温度及热历史的关系,Tg点以下，是线性的 Tg点以下，退火玻璃的淬火玻璃 Tg点附近，质点开始移动，结构调整引起收缩，淬火玻璃的收缩大于热膨胀，伸长量减小，则淬火玻璃线在退火玻璃线的下方 Tg点以上，退火玻璃与退火玻璃曲线都急剧上升，结构调整引起的伸