第3-5章-玻璃的力學性能及熱學性能等12年

1、第第3 3章玻璃的力學性能及熱學性能章玻璃的力學性能及熱學性能 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 3.23.2玻璃的熱學性質(zhì)玻璃的熱學性質(zhì) 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 3.1.13.1.1玻璃的機械強度（掌握）玻璃的機械強度（掌握） 3.1.23.1.2玻璃的彈性（熟悉）玻璃的彈性（熟悉） 3.1.33.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）玻璃的硬度和脆性（熟悉） 3.1.4 3.1.4 玻璃的密度（掌握）玻璃的密度（掌握） 3.1.13.1.1玻璃的機械強度（掌握）玻璃的機械強度（掌握） 1理論強度與實際強度（掌握）理論強度與實際強度（掌握） 2玻璃材料的缺陷及其裂紋的擴展（

2、熟悉）玻璃材料的缺陷及其裂紋的擴展（熟悉） 3影響強度的主要因素（掌握）影響強度的主要因素（掌握） 玻璃的機械強度玻璃的機械強度 耐壓 抗折 抗張 抗沖擊 機械強度用玻璃所能承受的最大應力表示機械強度用玻璃所能承受的最大應力表示 理論強度：從不同理論角度來分析玻璃所能理論強度：從不同理論角度來分析玻璃所能 承受的最大應力承受的最大應力。 玻璃的機械強度特點：硬度高、耐壓、抗折玻璃的機械強度特點：硬度高、耐壓、抗折 抗張不高、脆性大?？箯埐桓?、脆性大。 1理論強度與實際強度（掌握）理論強度與實際強度（掌握） th xE 奧魯凡（奧魯凡（Orowan)假設假設 理論強度理論強度 彈性模量彈性模量

3、0.1-0.2 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 1010 101.5 10 th Pa 原因原因 玻璃的脆性、玻璃表面微裂紋、玻璃玻璃的脆性、玻璃表面微裂紋、玻璃 內(nèi)部不均勻區(qū)及缺陷造成應力集中內(nèi)部不均勻區(qū)及缺陷造成應力集中 表面微裂紋急劇擴展表面微裂紋急劇擴展 據(jù)測定據(jù)測定12玻璃表面上約有玻璃表面上約有300個微裂紋，深約個微裂紋，深約5微微 米，寬米，寬0.010.02微米，光學顯微鏡分不出來。微米，光學顯微鏡分不出來。 2玻璃材料的缺陷及其裂紋的擴展（熟悉）玻璃材料的缺陷及其裂紋的擴展（熟悉） 裂紋源形成裂紋源形成：玻璃由于內(nèi)部缺陷、表面反應、表面損：玻璃由于內(nèi)部缺陷、表面反

4、應、表面損 傷等影響，在其內(nèi)部和表面形成了各種傷等影響，在其內(nèi)部和表面形成了各種 缺陷裂紋源缺陷裂紋源 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 裂紋擴展裂紋擴展 在裂紋的尖端處存在著在裂紋的尖端處存在著應力集中應力集中驅(qū)使裂紋驅(qū)使裂紋 擴展的動力。擴展的動力。 裂紋擴展速度裂紋擴展速度 0.40.6 E 彈性模量彈性模量 密度密度 3影響強度的主要因素（掌握）影響強度的主要因素（掌握） 1 1）化學鍵與化學組成）化學鍵與化學組成 玻璃的鍵強包括各種的強度及數(shù)目。玻璃的鍵強包括各種的強度及數(shù)目。 鍵強大，機械強度好。鍵強大，機械強度好。 結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡緊密，強度好。結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡緊密，強度好。 3.13.

5、1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 一般情況下，一般情況下，CaO、BaO、B2O3(15%)、Al2O3、 ZnO能加強網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，對強度有提高作用。能加強網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，對強度有提高作用。 MgO、Fe2O3對強度作用不大。對強度作用不大。 常見的氧化物對抗張強度的提高作用是：常見的氧化物對抗張強度的提高作用是： CaOB2O3BaOAl2O3PbOK2ONa2O (MgO、Fe2O3) 常見的氧化物對耐壓強度的提高作用是：常見的氧化物對耐壓強度的提高作用是： Al2O3（SiO2、MgO、ZnO)B2O3Fe2O3 (PbO、CaO ) 抗張強度和抗壓強度可用加和性法則計算抗張強度和抗壓強度可用加和

6、性法則計算 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 2 2）微不均勻性）微不均勻性 玻璃中都存在著微相和微不均勻結(jié)構(gòu)，相鄰玻璃中都存在著微相和微不均勻結(jié)構(gòu)，相鄰 兩相間成分不同且結(jié)合力弱，膨脹系數(shù)不一兩相間成分不同且結(jié)合力弱，膨脹系數(shù)不一 樣，易產(chǎn)生應力，強度下降。樣，易產(chǎn)生應力，強度下降。 3 3）宏觀和微觀缺陷）宏觀和微觀缺陷 缺陷處應力集中，導致裂紋產(chǎn)生與擴展。缺陷處應力集中，導致裂紋產(chǎn)生與擴展。 4 4）活性介質(zhì)）活性介質(zhì) 滲入裂紋，象楔子一樣使裂紋擴展 起化學作用，使結(jié)構(gòu)破壞 作用作用 水、酸、堿、某些鹽類水、酸、堿、某些鹽類 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 5 5）溫度

7、）溫度 低溫低溫時，溫度升高，強度下降（裂紋端部分時，溫度升高，強度下降（裂紋端部分 子的熱運動起伏現(xiàn)象增加，積聚能量使鍵斷子的熱運動起伏現(xiàn)象增加，積聚能量使鍵斷 裂）裂）200時，強度為最低。時，強度為最低。 高溫高溫時，強度增加（產(chǎn)生塑性變性，抵消部時，強度增加（產(chǎn)生塑性變性，抵消部 分應力）分應力） 6 6）應力）應力 玻璃的殘余應力，在多數(shù)情況下分布不均玻璃的殘余應力，在多數(shù)情況下分布不均 勻，將導致其強度大下降。勻，將導致其強度大下降。 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 3.1.23.1.2玻璃的彈性（熟悉）玻璃的彈性（熟悉） 1 1概念概念 2 2彈性模量與成分的關系彈性模

8、量與成分的關系 3 3彈性模量與熱處理的關系彈性模量與熱處理的關系 4 4彈性模量與溫度的關系彈性模量與溫度的關系 1 1概念概念 彈性彈性：材料在外力作用下發(fā)生變形，當外力去：材料在外力作用下發(fā)生變形，當外力去 掉后恢復原來形狀的性質(zhì)。掉后恢復原來形狀的性質(zhì)。 塑性塑性：如外力去掉后仍停留在完全或部分如外力去掉后仍停留在完全或部分 變形狀態(tài)。變形狀態(tài)。 玻璃的彈性彈性模量玻璃的彈性彈性模量EE 應力應力 相對的縱相對的縱 向變形向變形 表表5 54 4 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 2 2彈性模量與成分的關系彈性模量與成分的關系 與組成、結(jié)構(gòu)、鍵強之間的關系與強度類似。與組成、結(jié)

9、構(gòu)、鍵強之間的關系與強度類似。 結(jié)構(gòu)緊密，彈性模量高。結(jié)構(gòu)緊密，彈性模量高。 常見的氧化物對彈性模量的提高順序是：常見的氧化物對彈性模量的提高順序是： CaOMgOB2O3Fe2O3Al2O3BaO ZnOPbO 同一氧化物處于高配位時，其彈性模量要比同一氧化物處于高配位時，其彈性模量要比 低配位時大。玻璃中引入離子半徑小的極化低配位時大。玻璃中引入離子半徑小的極化 能力強的離子（能力強的離子（Li+Be+Mg2+Al3 等）則提高 等）則提高 彈性模量彈性模量 在鈉硼硅玻璃中，有硼反?，F(xiàn)象。鋁硼硅酸在鈉硼硅玻璃中，有硼反常現(xiàn)象。鋁硼硅酸 鹽玻璃中，有硼鋁反?，F(xiàn)象。鹽玻璃中，有硼鋁反常現(xiàn)象。

10、Na2O或或K2O彈性模量，彈性模量，PbOPbO不起作用不起作用 玻璃的彈性模量可用加和法 則進行近似計算 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 3 3彈性模量與熱處理的關系彈性模量與熱處理的關系 退火玻璃的彈性模量大于淬火玻璃（因退火退火玻璃的彈性模量大于淬火玻璃（因退火 玻璃的密度大，結(jié)構(gòu)牢固）玻璃的密度大，結(jié)構(gòu)牢固） 4 4彈性模量與溫度的關系彈性模量與溫度的關系 大多數(shù)硅酸鹽玻璃的彈性模量隨溫度的上升大多數(shù)硅酸鹽玻璃的彈性模量隨溫度的上升 而下降（因離子間距增大，相互作用力降低；而下降（因離子間距增大，相互作用力降低； 高溫時質(zhì)點熱運動動能增大）高溫時質(zhì)點熱運動動能增大） Tg以

11、上，玻璃逐漸失去彈性，并趨于軟化以上，玻璃逐漸失去彈性，并趨于軟化 石英玻璃、高硅氧玻璃、硼酸鹽玻璃，因石英玻璃、高硅氧玻璃、硼酸鹽玻璃，因 膨脹系數(shù)小，溫度升高，則彈性模量膨脹系數(shù)小，溫度升高，則彈性模量(反反 ?，F(xiàn)象：常現(xiàn)象：TT，離子間距增大而造成相互作，離子間距增大而造成相互作 用力用力，使，使E E 下降的原因已不存在下降的原因已不存在） 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 3.1.33.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）玻璃的硬度和脆性（熟悉） 概念概念 影響因素影響因素 1硬度概念硬度概念 表示玻璃抵抗其它物體侵入的能力。表示玻璃抵抗其它物體侵入的能力。 一般用一般用顯微硬度顯

12、微硬度表示表示 利用金剛石正方錐以一利用金剛石正方錐以一 定負荷在玻璃表面打入定負荷在玻璃表面打入 印痕，在測量對角線的印痕，在測量對角線的 長度進行計算長度進行計算 2硬度影響因素（組成、結(jié)構(gòu)）硬度影響因素（組成、結(jié)構(gòu)） 網(wǎng)絡生成體增加硬度，網(wǎng)絡外體降低硬度網(wǎng)絡生成體增加硬度，網(wǎng)絡外體降低硬度 溫度升高，硬度下降溫度升高，硬度下降 淬火玻璃硬度小于退火玻璃硬度淬火玻璃硬度小于退火玻璃硬度 與玻璃的冷加工工藝有關與玻璃的冷加工工藝有關 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 結(jié)論結(jié)論 硅酸鹽玻璃中，石英玻璃硬度最大；含硅酸鹽玻璃中，石英玻璃硬度最大；含 有適量有適量B2O3的硼酸鹽玻璃硬度也

13、較大；的硼酸鹽玻璃硬度也較大； 高鉛或堿性氧化物的玻璃硬度較?。桓咩U或堿性氧化物的玻璃硬度較??； 各種氧化物對玻璃硬度提高的順序為各種氧化物對玻璃硬度提高的順序為 SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO) Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO 一般玻璃硬度為一般玻璃硬度為5 57（莫氏硬度莫氏硬度） 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 3脆性概念脆性概念 當負荷超過玻璃的極限強度時，當負荷超過玻璃的極限強度時，不產(chǎn)生明顯不產(chǎn)生明顯 的塑性變形的塑性變形而立即破裂的性能。而立即破裂的性能。 松馳速度低松馳速度低 4脆性影響因素脆性影響因素 化學組成及結(jié)構(gòu)、熱歷史、試樣的形狀化學組成及

14、結(jié)構(gòu)、熱歷史、試樣的形狀 及厚度等。及厚度等。 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 3.1.4玻璃密度（掌握） 1密度 玻璃的密度決定于構(gòu)成玻璃的各原子質(zhì)量 和原子的堆積方式。 1密度概念密度概念 2密度與成份的關系密度與成份的關系 3密度與溫度及熱歷史的關系密度與溫度及熱歷史的關系 4密度與壓力及析晶的關系密度與壓力及析晶的關系 玻璃單位體積的質(zhì)量稱。玻璃單位體積的質(zhì)量稱。 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 2 2密度與成份的關系密度與成份的關系 成份發(fā)生微小變化，密度會敏感的反映出來。成份發(fā)生微小變化，密度會敏感的反映出來。 生產(chǎn)中常以測定密度值來監(jiān)控玻璃成份。生產(chǎn)中常以測定

15、密度值來監(jiān)控玻璃成份。 1）、在玻璃中加入在玻璃中加入R2OR2O和和RORO時，密度隨原子時，密度隨原子 序數(shù)的增加而增加序數(shù)的增加而增加 2）、同種氧化物在玻璃中的配位數(shù)不同，同種氧化物在玻璃中的配位數(shù)不同， 對密度的影響也不同，對密度的影響也不同，BaBa3+ 3+處于四面體 處于四面體 比三角體時大，而比三角體時大，而AlAl3+ 3+正好相反。 正好相反。 3）、）、玻璃中同時含有玻璃中同時含有Al2O3Al2O3和和B2O3B2O3時，玻璃時，玻璃 密度的變化變得復雜。密度的變化變得復雜。 4）、）、玻璃密度可以根據(jù)組成氧化物含量進玻璃密度可以根據(jù)組成氧化物含量進 行計算。行計算。

16、 3.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 隨溫度升高，密度下降。隨溫度升高，密度下降。 同成份玻璃的熱歷史不同，密度差別較大，同成份玻璃的熱歷史不同，密度差別較大， 如退火和淬火玻璃如退火和淬火玻璃 4密度與壓力及析晶的關系密度與壓力及析晶的關系 在常壓下不受壓力的影響。當承受在常壓下不受壓力的影響。當承受100100 200200* *10108 8PaPa時，密度變大并保持，當在時，密度變大并保持，當在TgTg附近附近 時，才恢復正常值。時，才恢復正常值。 析晶后質(zhì)點進行有序排列，一般密度增大。析晶后質(zhì)點進行有序排列，一般密度增大。 3密度與溫度及熱歷史的關系密度與溫度及熱歷史的關系 3

17、.13.1玻璃的力學性質(zhì)玻璃的力學性質(zhì) 3.2玻璃的熱學性質(zhì) 3.2.13.2.1玻璃的熱膨脹系數(shù)（掌握）玻璃的熱膨脹系數(shù)（掌握） 3.2.23.2.2玻璃的熱穩(wěn)定性（掌握）玻璃的熱穩(wěn)定性（掌握） 3.2.13.2.1玻璃的熱膨脹系數(shù)（掌握）玻璃的熱膨脹系數(shù)（掌握） 1熱膨脹系數(shù)的概念熱膨脹系數(shù)的概念 2熱膨脹系數(shù)與成分的關系熱膨脹系數(shù)與成分的關系 3熱膨脹系數(shù)與溫度及熱歷史的關系熱膨脹系數(shù)與溫度及熱歷史的關系 1熱膨脹系數(shù)的概念熱膨脹系數(shù)的概念 玻璃平均玻璃平均線膨脹線膨脹系數(shù)系數(shù) 21 21 11 ll l tt t ll （1/） 通常用室溫通常用室溫300（或（或400）的平均線）的平

18、均線 膨脹系數(shù)表示玻璃的熱膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)表示玻璃的熱膨脹系數(shù) 2熱膨脹系數(shù)與成分的關系熱膨脹系數(shù)與成分的關系 能增強網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的，則能增強網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的，則，使網(wǎng)絡斷裂者，使網(wǎng)絡斷裂者， 則則 R2OR2O與與RORO主要是斷網(wǎng)作用，積聚作用是次要主要是斷網(wǎng)作用，積聚作用是次要 的，當引入時，一般使的，當引入時，一般使，同一主族的陽，同一主族的陽 離子隨原子半徑增大，則離子隨原子半徑增大，則 高價陽離子（高價陽離子（Zr4+、 、La3+)積聚作用是主要的， 積聚作用是主要的， 則則 網(wǎng)絡形成體，網(wǎng)絡形成體， ，對于網(wǎng)絡中間體，在對于網(wǎng)絡中間體，在 游離氧足夠的條件下也能游離氧足夠的條件下也能 T

19、g（轉(zhuǎn)變溫度）點以下，（轉(zhuǎn)變溫度）點以下，可以通過加和法可以通過加和法 則計算則計算 3.2玻璃的熱學性質(zhì) 3熱膨脹系數(shù)與溫度及熱歷史的關系熱膨脹系數(shù)與溫度及熱歷史的關系 Tg點以下，點以下，是線性的是線性的 TgTg點以下，退火玻璃的點以下，退火玻璃的淬火玻璃淬火玻璃 TgTg點附近，質(zhì)點開始移動，結(jié)構(gòu)調(diào)整引起收點附近，質(zhì)點開始移動，結(jié)構(gòu)調(diào)整引起收 縮，淬火玻璃的收縮大于熱膨脹，伸長量減縮，淬火玻璃的收縮大于熱膨脹，伸長量減 小，則淬火玻璃線在退火玻璃線的下方小，則淬火玻璃線在退火玻璃線的下方 TgTg點以上，退火玻璃與淬火玻璃曲線都急劇點以上，退火玻璃與淬火玻璃曲線都急劇 上升，結(jié)構(gòu)調(diào)整引

20、起的伸長已大于膨脹作用上升，結(jié)構(gòu)調(diào)整引起的伸長已大于膨脹作用 補充補充：析晶使質(zhì)點間作用力增強，：析晶使質(zhì)點間作用力增強，（與析出（與析出 晶相的種類與數(shù)量有關）晶相的種類與數(shù)量有關） 3.2玻璃的熱學性質(zhì) 3.2.23.2.2玻璃的熱穩(wěn)定性（掌握）玻璃的熱穩(wěn)定性（掌握） 1概念概念 2影響因素影響因素 1概念概念 玻璃經(jīng)受劇烈的玻璃經(jīng)受劇烈的溫度變化溫度變化而不破壞的性能稱而不破壞的性能稱 表示表示 用試樣在保持不破壞條件下所能經(jīng)受的用試樣在保持不破壞條件下所能經(jīng)受的 最大溫度差最大溫度差 破壞過程破壞過程 溫度急變沿玻璃厚度從表面到內(nèi)部，溫度急變沿玻璃厚度從表面到內(nèi)部， 各層溫度不一樣，膨

21、脹量也不一樣，各層溫度不一樣，膨脹量也不一樣， 則產(chǎn)生應力，當其超過極限強度時就則產(chǎn)生應力，當其超過極限強度時就 造成破壞。造成破壞。 決定因素是抗張極限強度。決定因素是抗張極限強度。 試樣受急冷試樣受急冷 3.2玻璃的熱學性質(zhì) 2影響因素影響因素 組成：凡能降低玻璃熱膨脹系數(shù)的組分都組成：凡能降低玻璃熱膨脹系數(shù)的組分都 能提高熱穩(wěn)性；硅含量高而堿含量低時，能提高熱穩(wěn)性；硅含量高而堿含量低時， 熱穩(wěn)性好熱穩(wěn)性好 制品選型復雜、厚薄不均勻的，熱穩(wěn)性差制品選型復雜、厚薄不均勻的，熱穩(wěn)性差 制品越厚，熱穩(wěn)性差制品越厚，熱穩(wěn)性差 提高熱穩(wěn)性的途徑提高熱穩(wěn)性的途徑 降低玻璃的熱膨脹系數(shù)；減小制品的壁降低

22、玻璃的熱膨脹系數(shù)；減小制品的壁 厚等。厚等。 凡能降低玻璃機械強度的因素，都能使凡能降低玻璃機械強度的因素，都能使 熱穩(wěn)定性降低。熱穩(wěn)定性降低。 結(jié)論結(jié)論 3.2玻璃的熱學性質(zhì) 第第4 4章玻璃的化學穩(wěn)定性章玻璃的化學穩(wěn)定性 玻璃對水、酸、堿、鹽及其它化學試劑溶液侵蝕的抵玻璃對水、酸、堿、鹽及其它化學試劑溶液侵蝕的抵 抗能力稱化學穩(wěn)定性或耐久性、耐蝕性?？鼓芰ΨQ化學穩(wěn)定性或耐久性、耐蝕性。 4.14.1侵蝕機理（掌握）侵蝕機理（掌握） 4.24.2影響化學穩(wěn)定性的因素（掌握）影響化學穩(wěn)定性的因素（掌握） 4.14.1侵蝕機理（掌握）侵蝕機理（掌握） 4.1.1侵蝕劑的分類侵蝕劑的分類 4.1.

23、2 水對玻璃的侵蝕水對玻璃的侵蝕 4.1.3酸對玻璃有侵蝕酸對玻璃有侵蝕 4.1.4堿對玻璃的侵蝕堿對玻璃的侵蝕 4.1.5大氣對玻璃的侵蝕玻大氣對玻璃的侵蝕玻 4.1.6 玻璃的脫片現(xiàn)象玻璃的脫片現(xiàn)象 只能改變、破壞或溶解玻璃結(jié)構(gòu)組成中的只能改變、破壞或溶解玻璃結(jié)構(gòu)組成中的 R2O和和RO等等 不僅對上述氧化物起作用，而且也對玻璃不僅對上述氧化物起作用，而且也對玻璃 結(jié)構(gòu)中的硅氧骨架起作用的物質(zhì)。結(jié)構(gòu)中的硅氧骨架起作用的物質(zhì)。 4.1.1侵蝕劑的分類侵蝕劑的分類 4.1.2 水對玻璃的侵蝕水對玻璃的侵蝕 侵蝕過程侵蝕過程 開始于開始于H2OH2O中中H H+ +和玻璃中的和玻璃中的NaNa+ +進行交換，之進行交換，之 后進行的是水化、中和三個反應。后進行的是水化、中和三個反應。 H2OH2O分子也能對硅氧骨架直接起反應而生分子也能對硅氧骨架直接起反應而生 成成Si(OH)4Si(OH)4極性分子，最后形成一層極性分子，最后形成一層 SiO2SiO2 XH2OXH2O薄膜，稱薄膜，稱硅酸凝膠保護膜硅酸凝膠保護膜。當。當 PH8PHAl2O3TiO2ZnOMgOCaOBaO 耐酸性耐酸性 ZrO2Al2O3ZnOCaOTiO2MgOBaO 4.2.2熱處理熱處理 退火玻璃比淬火玻璃的結(jié)構(gòu)緊密，化穩(wěn)性要好。退火玻璃比淬火玻璃的結(jié)構(gòu)緊密，化穩(wěn)性要好。 玻璃鋼化處理后，其化穩(wěn)性要好。