玻璃工艺学3玻璃的力学性能

1、玻璃工艺学1 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能 机械强度机械强度 弹性弹性 硬度和脆性硬度和脆性 密度密度玻璃工艺学2 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能 一一. 机械强度机械强度定义定义：指玻璃抵抗外来负荷作用的能力。：指玻璃抵抗外来负荷作用的能力。 抗张强度抗张强度 抵抗张应力（拉伸应力）的能力。抵抗张应力（拉伸应力）的能力。 抗压强度抗压强度 受压应力作用破坏时的极限应力。受压应力作用破坏时的极限应力。 抗折抗折(弯弯)强度强度 受的最大弯曲载荷受的最大弯曲载荷 （弯曲力矩（弯曲力矩/阻力矩）阻力矩） 抗冲击强度抗冲击强度 受动态载荷能力。受动态载荷能力。 （功）（功）

2、玻璃的强度特征玻璃的强度特征 :1、理论强度比实际强度大得多、理论强度比实际强度大得多 2、抗张强度比抗压强度小、抗张强度比抗压强度小玻璃工艺学3 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能(一一) 玻璃的理论强度玻璃的理论强度材料的强度取决于组成单元间的作用力材料的强度取决于组成单元间的作用力E r a th= a 原子间原子间的平衡距离的平衡距离 th约约1010 1.51.510101010Pa，而实际强度不足，而实际强度不足108Pa一般一般 c (抗压抗压) = 49196108 Pa F (抗张抗张) = 34.383.3106 Pa 玻璃工艺学4 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃

3、的力学性能(二二)Griffith断裂理论断裂理论1.要点要点实际强度低的原因是表面实际强度低的原因是表面上上有许多光学显微有许多光学显微 镜下看不见的半椭圆的微裂纹（宽镜下看不见的半椭圆的微裂纹（宽0.010.02 m, 深深5 m）， 裂纹常在相界产生，尺寸与分相液滴相近。裂纹常在相界产生，尺寸与分相液滴相近。微裂纹起应力中心作用。应力集中是使应力微裂纹起应力中心作用。应力集中是使应力 扩展扩展 的的 动力。动力。a. 玻璃的断裂从微裂纹开始，比无缺陷的玻璃发生早。玻璃的断裂从微裂纹开始，比无缺陷的玻璃发生早。玻璃工艺学5 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能2.Griffith方程

4、方程 f= 2Ez /c z 形成新裂纹的表面能形成新裂纹的表面能a. 外力超过外力超过f 时玻璃断裂时玻璃断裂b. c 增大则增大则f 减小，减小，即强度由裂纹大小而不是即强度由裂纹大小而不是 多少决定。多少决定。c. 当当 c 趋近于趋近于 r0 时，时，f th2 c玻璃工艺学6 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能(三三)影响玻璃强度的因素影响玻璃强度的因素3. .几何尺寸几何尺寸 几何尺寸几何尺寸，表面和内部缺陷产生的几率，表面和内部缺陷产生的几率，强度，强度。 如石英玻璃纤维的强度可达如石英玻璃纤维的强度可达1.05101010Pa。1.表面状态表面状态 微裂纹使玻璃的抗张、

5、抗折强度比抗压强度低微裂纹使玻璃的抗张、抗折强度比抗压强度低1/101/15。2.玻璃中的缺陷玻璃中的缺陷宏观缺陷（气泡、结石、结瘤）宏观缺陷（气泡、结石、结瘤）微观缺陷（分相、析晶、点缺陷等）微观缺陷（分相、析晶、点缺陷等） 界面处导致微裂纹、应力集中界面处导致微裂纹、应力集中, 。玻璃工艺学7 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能5.温度温度T200，T，强度，强度 T ，分子热运动加剧以抗衡分子间引力，分子热运动加剧以抗衡分子间引力， f ;200 C后可能由塑性变形使后可能由塑性变形使f 。200 C Tf4.化学键与化学组成化学键与化学组成（键强及单位体积内键的数目键强及单位体

6、积内键的数目） 石英玻璃强度最高石英玻璃强度最高 加入加入RO，强度，强度 加入加入R2O，强度，强度 玻璃工艺学8 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能7.活性介质（极性物质如酸、碱）活性介质（极性物质如酸、碱） 渗入裂纹使裂纹扩展渗入裂纹使裂纹扩展 起化学反应使结构破坏。起化学反应使结构破坏。 水可大大降低水可大大降低f。干空气、非极性物质、憎水性有机硅对干空气、非极性物质、憎水性有机硅对f影响小影响小6.疲劳现象疲劳现象 玻璃长时间在玻璃长时间在交变载荷交变载荷的作用下，在远低于其极限应力的作用下，在远低于其极限应力的情况下发生突然断裂的现象。的情况下发生突然断裂的现象。 加荷加荷

7、速度越大，时间越长，强度越小。速度越大，时间越长，强度越小。 只有水分存在时才有疲劳现象。真空则无。只有水分存在时才有疲劳现象。真空则无。 温度较低时无（反应速度慢），温度升高疲劳现象加剧。温度较低时无（反应速度慢），温度升高疲劳现象加剧。玻璃工艺学9 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能(四四)玻璃增强玻璃增强 物理钢化物理钢化使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。 化学钢化化学钢化 r大大离子取代离子取代r小小离子离子 贴层玻璃贴层玻璃在玻璃表面贴一层在玻璃表面贴一层低的物质（陶瓷釉）低的物质（陶瓷釉） 火抛光火抛光 使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。使玻璃表面

8、伤痕、裂纹弥合。 覆盖硅有机化合物覆盖硅有机化合物 放入氯硅烷（放入氯硅烷（SiCl4）溶液中，通过水解在玻璃表面）溶液中，通过水解在玻璃表面 形成形成SiO2膜。使微裂纹弥合，形成压应力层。膜。使微裂纹弥合，形成压应力层。霜化处理霜化处理在在soso2 2气氛中退火，使表面缺少气氛中退火，使表面缺少Na玻璃工艺学10 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能二二.玻璃的弹性玻璃的弹性 (一一)概述概述定义定义 ：玻璃在外力作用下发生变形，当外力去除后：玻璃在外力作用下发生变形，当外力去除后 能恢复原来形状的性质。能恢复原来形状的性质。 弹性模量、剪切模量、泊松比、体积压缩模量弹性模量、剪切

9、模量、泊松比、体积压缩模量弹性模量弹性模量 ：表示材料抵抗变形的能力。：表示材料抵抗变形的能力。低温下（低温下（1时时: BO4、AlO4，E增大。增大。当当 0 1 时时: BO4、BO3、AlO4， E减小。减小。当当 0 时时 : BO3、AlO6、AlO4， E又增大。又增大。玻璃工艺学13 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能2.热处理热处理* 淬火玻璃淬火玻璃E B2O3 (MgO ZnO BaO) Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O PbO玻璃工艺学17 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能(二二)脆性脆性1. 定义定义：当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的现象

10、。当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的现象。2. 表示方法表示方法:玻璃破坏时受到的玻璃破坏时受到的冲击强度冲击强度S表示表示:Ph VPhPh为总功为总功 V V为试样体积为试样体积S=或或脆弱度脆弱度D表示表示:D=C/S C-C-耐压强度耐压强度 玻璃工艺学18 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能3. 影响因素影响因素* R+、R2+使脆性增大，且随其半径增大而上升。使脆性增大，且随其半径增大而上升。* B3+处于三角体时脆性较小。处于三角体时脆性较小。* 试样越厚抗冲击强度越大，试样越厚抗冲击强度越大，脆性越脆性越小。小。* 淬火试样强度比退火样大淬火试样强度比退火样大57倍，

11、倍，脆性大大减小脆性大大减小。玻璃工艺学19 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能四四 . 玻璃的密度玻璃的密度(一一)概念概念1.定义：定义：单位体积的玻璃的质量单位体积的玻璃的质量 2.工艺意义：工艺意义： (1) 从定义看：从定义看：D与分子体积有关，而与分子体积有关，而Vm反映了基本结构反映了基本结构 单元的紧密堆积程度和配位状态单元的紧密堆积程度和配位状态 (2) D的测量是稳定玻璃组成和生产的常规、有效的方法的测量是稳定玻璃组成和生产的常规、有效的方法 (3) 反映退火质量反映退火质量 (4) 是热工计算中的重要参数是热工计算中的重要参数石英玻璃为石英玻璃为2.21g/cm2

12、.21g/cm3 3日用玻璃为日用玻璃为2.5g/cm2.5g/cm3 3防辐射玻璃为防辐射玻璃为8g/cm8g/cm3 3玻璃工艺学20 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能B3+为为BO4，中间体氧化，中间体氧化物为物为IO6时密度增大。时密度增大。(二二) 密度的影响因素：密度的影响因素：1.化学组成化学组成影响因素：原子量、原子紧密堆积程度、配位数影响因素：原子量、原子紧密堆积程度、配位数 (1) 网络体积：网络体积：决定于四面体体积，大者决定于四面体体积，大者D小小 BO4 SiO4 GeO4 AlO4 网络空隙，分子体积网络空隙，分子体积，D rRNa2Ok2O RO：同：同

13、R2O，rR，D 密度：密度：BeOCaOSrOBaO玻璃工艺学22 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能2、热历史与、热历史与D的关系的关系 D与退火温度、保温时间、降温速度有关与退火温度、保温时间、降温速度有关 (1) D淬淬D退退 (2) 退火温度范围内保温后，密度趋于平衡值。退火温度范围内保温后，密度趋于平衡值。 (3) 冷却快，偏离平衡密度的温度越高，冷却快，偏离平衡密度的温度越高，Tg也越高。也越高。 (4) 玻璃析晶。玻璃析晶。D。3、D与与T的关系的关系 T, T, D玻璃工艺学23 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能5 5、D D与与P P的关系的关系P，DD，

14、但必须高压或超高压（，但必须高压或超高压（10105 5atmatm） D D随随P P的变化程度与组成有关：结构越疏松，影响越大。的变化程度与组成有关：结构越疏松，影响越大。 加压后，若加压后，若TT，则，则D D会降低，直至原来的平衡值。会降低，直至原来的平衡值。 石英玻璃在石英玻璃在P P作用下。可压系数作用下。可压系数d/dd/d， 玻璃中玻璃中R R2 2OO，d/d d/d r rR R，d/d d/d 玻璃工艺学24 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能(三三)密度的计算密度的计算 V=1/D = Vmfm玻璃工艺学25 第三节第三节 玻璃的力学性能玻璃的力学性能测量精度：测量精度：0.0002g/cm32.可检测出成分变化可检测出成分变化: Na2O 0.05% CaO 0.03% SiO2 0.1%生产中的应用生产中的应用1.砂水分波动砂水分波动310%，密度变化为，密度变化为0. 001玻璃工艺学26.可监测退火质量情况可监测退火质量情况:退火较差退火较差2.5050g/cm3退火