玻璃的力学性能及热学性能-高职.ppt

第五章玻璃的力学性能及热学性能 主要内容 5 1玻璃的力学性能5 1 1玻璃的机械强度5 1 2玻璃的弹性5 1 3玻璃的硬度和脆性5 1 4玻璃的密度 5 2玻璃的热学性能5 2 1玻璃的热膨胀系数5 2 2玻璃的比热5 2 3玻璃的导热性5 2 4玻璃的热稳定性 5 1 1 1理论强度与实际强度所谓材料的理论强度 就是从不同理论角度来分析材料所能承受的最大应力或分离原子 离子或分子等 所需的最小应力 取决于原子间的相互作用及热运动 5 1 1玻璃的机械强度 th xEE 弹性模量X 为与物质结构和键型有关的常数 一般为0 1 0 2 E 弹性模量 形成单位新表面所做的功a 每一紧邻原子对的间距 不同材料的弹性模量 理论强度与实际强度 块状玻璃的实际强度与理论强度相差2 3个数量级 原因 玻璃的脆性 玻璃中存在微裂纹 尤其是表面微裂纹 和内部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中 5 1 1 2玻璃的断裂力学断裂力学的基本概念脆性断裂理论假定在一个无限大的平板内有一椭圆形裂纹 它与外力垂直分布 长度为2c 在一定应力 的作用下 此裂纹处的弹性应变能为 而同时产生两个新裂口表面 相应的表面断裂能为 因而在外力作用下 裂纹得以扩展的条件为 得到 这时的 相当于断裂应力 f 则 玻璃材料的缺陷及裂纹的扩展玻璃材料由于在其表面和内部存在着不同的杂质 缺陷或微不均匀区 在这些区域引起应力的集中导致微裂纹的产生 裂纹尖端处的应力超过临界应力时 裂纹就迅速分裂 使玻璃断裂 玻璃断裂过程分为两个阶段 第一阶段主要是初生裂纹缓慢增长 形成断裂表面的镜面部分 第二阶段 随着初生裂纹的增长 次生裂纹同时产生和增长 在其相互相遇时形成以镜面为中心的辐射状碎裂条纹 从裂纹扩展过程中的能量平衡 推导出临界裂纹应力 c的一般式 近似为 5 1 1 3影响玻璃强度的因素化学键 化学组成键强 桥氧 非桥氧键强不同 碱金属 碱土金属键强也不同 键数 网络的疏密程度 化学组成 不同组成的玻璃结构骨架不同 表面微裂纹格里菲斯认为玻璃破坏时是从表面微裂纹开始 据测定 1mm2玻璃表面上含有300个左右的微裂纹 微裂纹的存在使玻璃抗张 抗折强度仅为抗压强度的1 10 1 15 提高玻璃强度的两个途径 减少和消除玻璃的表面缺陷 使玻璃表面形成压应力 以克服表面微裂纹的作用 微不均匀性电镜观察玻璃中存在微相和微不均匀结构 结构中的微不均匀性降低了玻璃强度 原因 微相之间易生成裂纹 两相交界面间结合力较弱 两相成分不同 热膨胀系数不同 产生应力 玻璃中的宏观 微观缺陷宏观缺陷 气泡 条纹 结石 因成分与主体玻璃不一致 热膨胀系数不同而造成内应力 微观缺陷 点缺陷 局部析晶 晶界 常在宏观缺陷的地方集中导致裂纹产生 活性介质活性介质指水 酸 碱 某些盐类等 活性介质对玻璃表面的两种作用一是渗入裂纹像楔子一样使裂纹扩展 二是与玻璃起化学作用破坏结构 活性介质中玻璃的强度降低 玻璃强度的测定最好在真空或液氮中进行 以免受活性介质的影响 温度低温和高温对玻璃强度的影响是不同的 接近绝对零度至200 强度随温度升高而降低 200 为强度最低点 高于200 强度逐渐增大 玻璃中的应力玻璃中的残余应力 特别是分布不均匀的残余应力 使强度大为降低 玻璃钢化后 表面产生均匀的压应力 内部形成均匀的张应力 机械强度大大提高 玻璃的疲劳现象定义 常温下 玻璃的破坏强度随加荷速度或加荷时间而变化 加荷速度越大或加荷时间越长 破坏强度越小 短时间不会破坏的负荷 时间久了就可能破坏 这种现象称为玻璃的疲劳现象 定义 材料在外力作用下发生变形 外力去掉后能恢复原来形状的性质 表征弹性的参数弹性模量E剪切模量G泊松比 体积压缩模量K 5 1 2玻璃的弹性 5 1 2 1弹性模量与成分的关系E主要取决于内部质点间化学键的强度 同时也与结构有关 质点间化学键的强度越大 变形越小 E就越大 玻璃结构越坚实 E也越大 键强 与原子半径和价电子数有关 E是原子序数的周期函数 同一族元素 随原子序数的递增和原子半径的增大 E降低 与离子间的吸引力呈直线关系 同一氧化物处于高配位时E比处于低配位时高 结论 离子半径较大 电荷较低的离子不利于提高E 相反有利于提高E 结构 石英玻璃具有三维空间的架状结构 E较高 705 6 108Pa 纯B2O3玻璃具有层状结构 E很低 仅175 108Pa 硼反常硼铝反常结论 E的增减实质上反映了玻璃内部结构的变化 5 1 2 2弹性模量与温度的关系大多数硅酸盐玻璃E随温度升高而降低 对于石英玻璃 高硅氧玻璃 派来克斯玻璃 E与温度的关系出现反常 随温度升高而增加 5 1 2 3弹性模量与热处理的关系淬火玻璃比退火玻璃低 一般低2 7 玻璃纤维 774 2 108Pa 比块状玻璃 803 6 108Pa 低 微晶化后E增高 增高幅度主要取决于析出的主晶相的种类和性质 5 1 3玻璃的硬度和脆性 5 1 3 1玻璃的硬度硬度 固体材料抵抗另一固体深入其内部而不产生残余形变的能力 表示方法 莫氏硬度 划痕法 显微硬度 压痕法 研磨硬度 磨损法 刻化硬度 刻痕法 一般玻璃用显微硬度表示 方法 利用金刚石正方锥体以一定负荷在玻璃表面打入压痕 测量压痕对角线的长度 玻璃的硬度主要取决于化学成分和结构 一般来说 网络生成离子使玻璃硬度增加 网络外体离子使玻璃硬度降低 硼反常 硼铝反常 压制效应在硬度 组成关系中同样存在 硬度随阳离子的配位数的增加而增大 玻璃的硬度还与温度 热历史有关 5 1 3 2玻璃的脆性定义 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质 表示方法 破坏时受到的冲击强度脆弱度 玻璃抗压强度与抗冲击强度之比脆裂负荷 测定显微硬度时压痕发生破裂时的负荷值 5 1 4玻璃的密度 玻璃的密度主要取决于构成玻璃原子的质量 原子堆积紧密程度以及配位数有关 是表征玻璃结构的一个标志 实际生产中 通过测定玻璃的密度来控制工艺过程 借以控制玻璃成分 5 1 4 1玻璃密度与成分的关系不同组成玻璃密度差别很大 一般单组分玻璃的密度最小 添加网络外体密度增大 玻璃中引入R2O和RO氧化物 随离子半径的增大 玻璃密度增加 同一氧化物配位状态改变 对密度也产生影响 B2O3从 BO3 到 BO4 密度增加 中间体从网络内四面体 RO4 转变为网络外八面体 RO6 密度增加 硼反常 铝反常 硼铝反常 5 1 4 2玻璃密度与温度及热处理的关系随温度升高 玻璃密度下降 一般工业玻璃 温度从室温升至1300 密度下降约为6 12 玻璃从高温状态冷却下来 同成分的淬火玻璃比退火玻璃具有较低的密度 在一定退火温度下保持一定时间后 淬火玻璃和退火玻璃的密度趋向该温度的平衡密度 冷却速度越快 偏离平衡密度的温度愈高 其Tg温度也愈高 不同热处理情况下玻璃瓶密度的变化 5 1 4 3玻璃密度与压力的关系一定温度下 随压力的增加玻璃的密度随之增大 密度变化的幅度与加压方法 玻璃组成 压力大小 加压时间有关 5 2 1玻璃的热膨胀系数 5 2 1 1玻璃的热膨胀线膨胀系数 和体膨胀系数 和 之间存在近似关系 3 的测定比 简便而精确 通常采用 讨论玻璃的热膨胀性质 不同组成玻璃的热膨胀系数在5 8 150 10 7 范围内变化 非氧化物玻璃甚至超过200 10 7 微晶玻璃则可获得零膨胀或负膨胀 硬质玻璃和软质玻璃 5 2 1 2玻璃热膨胀系数与成分的关系 根本上取决于质点间的作用力 即各种阳离子与O2 之间的键力f 从玻璃整体结构看 网络骨架对 起着重要作用 组分氧化物对 的影响归纳如下 在比较各组成氧化物对 的作用时 首先区分氧化物的种类 即网络生成体 中间体和网络外体 能增强网络的组分使 降低 能断裂网络的组分使 上升 R2O和RO的断网作用是主要的 积聚作用是次要的 使 上升 而对于高键强 高配位离子积聚作用是主要的 使 下降 网络生成体使 下降 中间体有足够 游离氧 也使 下降 5 2 1 3热膨胀系数和温度的关系热膨胀系数 随温度的升高而增大 在Tg温度以上 随温度升高显著增大 直到软化 5 2 1 4热处理对热膨胀系数的影响热处理对 有明显的影响 组成相同的淬火玻璃较退火玻璃的 大百分之几 退火玻璃和淬火玻璃的热膨胀曲线 在约330 以下 曲线2在曲线1之上 330 500 之间 曲线2在曲线1之下 500 570 之间 曲线2折向下行 玻璃不是膨胀而是收缩 在570 处 两条曲线都急转向上 此温度为Tg 在某一温度下单位质量的物质升高1 所需的热量 实际计算中多采用t1 t2温度范围内的平均比热cm 5 2 2玻璃的比热 比热与温度的关系同其他物质一样 在绝对零度时为零 随温度升高比热逐渐增大 在转变温度区域内增长较快 熔融状态下 比热随温度升高逐渐增大 比热与组成的关系SiO2 Al2O3 B2O3 MgO Na2O特别是Li2O能提高玻璃的比热 含有大量PbO或BaO的玻璃比热较低 其余氧化物影响不大 导热性 物质依靠质点的振动将热能传递至较低温度物质的能力 物质的导热性以热导率 来表示 热导率 温度梯度等于1时 单位时间内通过试样单位横截面积上的热量 单位W m K 热导率表征物质传递热量的难易 玻璃是一种热的不良导体 其热导率较低 介于0 712 1 340W m K 之间 5 2 3玻璃的导热性 热导率与温度的关系热导率随温度升高而增加 热导率与组成的关系石英玻璃的热导率最大 1 340W m K 硼硅酸盐玻璃的热导率也很大 1 256W m K 普通钠钙硅玻璃为0 963W m K 含有PbO和BaO的玻璃热导率较低 0 796W m K 玻璃中添加SiO2 Al2O3 B2O3 CaO MgO能提高玻璃的导热性 热导率与其颜色的关系玻璃颜色越深 其导热能力越小 热稳定性 玻璃经受剧烈温度变化而不破坏的性能 对玻璃的热稳定性具有决定性意义 一般用试样在保持不破坏条件下所能承受的最大温差 t来表示 5 2 4玻璃的热稳定性 凡能降低 的成分都能提高热稳定性 如SiO2 Al2O3 B2O3 ZrO2 ZnO MgO等 玻璃自身机械强度对热稳定性的影响亦很显著 玻璃受急热要比受急冷强得多 淬火能使玻璃的热稳定性提高1