玻璃工藝學(xué)3玻璃的力學(xué)性能

1、玻璃工藝學(xué)1 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能 機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度 彈性彈性 硬度和脆性硬度和脆性 密度密度玻璃工藝學(xué)2 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能 一一. 機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度定義定義：指玻璃抵抗外來(lái)負(fù)荷作用的能力。：指玻璃抵抗外來(lái)負(fù)荷作用的能力。 抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度 抵抗張應(yīng)力（拉伸應(yīng)力）的能力。抵抗張應(yīng)力（拉伸應(yīng)力）的能力。 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 受壓應(yīng)力作用破壞時(shí)的極限應(yīng)力。受壓應(yīng)力作用破壞時(shí)的極限應(yīng)力。 抗折抗折(彎彎)強(qiáng)度強(qiáng)度 受的最大彎曲載荷受的最大彎曲載荷 （彎曲力矩（彎曲力矩/阻力矩）阻力矩） 抗沖擊強(qiáng)度抗沖擊強(qiáng)度 受動(dòng)態(tài)載荷能力。受動(dòng)態(tài)載荷能力。 （功）（功）

2、玻璃的強(qiáng)度特征玻璃的強(qiáng)度特征 :1、理論強(qiáng)度比實(shí)際強(qiáng)度大得多、理論強(qiáng)度比實(shí)際強(qiáng)度大得多 2、抗張強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小、抗張強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小玻璃工藝學(xué)3 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能(一一) 玻璃的理論強(qiáng)度玻璃的理論強(qiáng)度材料的強(qiáng)度取決于組成單元間的作用力材料的強(qiáng)度取決于組成單元間的作用力E r a th= a 原子間原子間的平衡距離的平衡距離 th約約1010 1.51.510101010Pa，而實(shí)際強(qiáng)度不足，而實(shí)際強(qiáng)度不足108Pa一般一般 c (抗壓抗壓) = 49196108 Pa F (抗張抗張) = 34.383.3106 Pa 玻璃工藝學(xué)4 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃

3、的力學(xué)性能(二二)Griffith斷裂理論斷裂理論1.要點(diǎn)要點(diǎn)a. 實(shí)際強(qiáng)度低的原因是表面實(shí)際強(qiáng)度低的原因是表面上上有許多光學(xué)顯微有許多光學(xué)顯微 鏡下看不見(jiàn)的半橢圓的微裂紋（寬鏡下看不見(jiàn)的半橢圓的微裂紋（寬0.010.02 m, 深深5 m）， 裂紋常在相界產(chǎn)生，尺寸與分相液滴相近。裂紋常在相界產(chǎn)生，尺寸與分相液滴相近。b. 微裂紋起應(yīng)力中心作用。應(yīng)力集中是使應(yīng)力微裂紋起應(yīng)力中心作用。應(yīng)力集中是使應(yīng)力 擴(kuò)展擴(kuò)展 的的 動(dòng)力。動(dòng)力。c.玻璃的斷裂從微裂紋開(kāi)始，比無(wú)缺陷的玻璃發(fā)生早。玻璃的斷裂從微裂紋開(kāi)始，比無(wú)缺陷的玻璃發(fā)生早。玻璃工藝學(xué)5 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能2.Griff

4、ith方程方程 f= 2Ez /c z 形成新裂紋的表面能形成新裂紋的表面能a. 外力超過(guò)外力超過(guò)f 時(shí)玻璃斷裂時(shí)玻璃斷裂b. c 增大則增大則f 減小，減小，即強(qiáng)度由裂紋大小而不是即強(qiáng)度由裂紋大小而不是 多少?zèng)Q定。多少?zèng)Q定。c. 當(dāng)當(dāng) c 趨近于趨近于 r0 時(shí)，時(shí)，f th2 c玻璃工藝學(xué)6 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能(三三)影響玻璃強(qiáng)度的因素影響玻璃強(qiáng)度的因素3. .幾何尺寸幾何尺寸 幾何尺寸幾何尺寸，表面和內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的幾率，表面和內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的幾率，強(qiáng)度，強(qiáng)度。 如石英玻璃纖維的強(qiáng)度可達(dá)如石英玻璃纖維的強(qiáng)度可達(dá)1.05101010Pa。1.表面狀態(tài)表面狀態(tài) 微裂紋使玻

5、璃的抗張、抗折強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低微裂紋使玻璃的抗張、抗折強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低1/101/15。2.玻璃中的缺陷玻璃中的缺陷宏觀缺陷（氣泡、結(jié)石、結(jié)瘤）宏觀缺陷（氣泡、結(jié)石、結(jié)瘤）微觀缺陷（分相、析晶、點(diǎn)缺陷等）微觀缺陷（分相、析晶、點(diǎn)缺陷等） 界面處導(dǎo)致微裂紋、應(yīng)力集中界面處導(dǎo)致微裂紋、應(yīng)力集中, 。玻璃工藝學(xué)7 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能5.溫度溫度T200，T，強(qiáng)度，強(qiáng)度 T ，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇以抗衡分子間引力，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇以抗衡分子間引力， f ;200 C后可能由塑性變形使后可能由塑性變形使f 。200 C Tf4.化學(xué)鍵與化學(xué)組成化學(xué)鍵與化學(xué)組成（鍵強(qiáng)及單位體積內(nèi)鍵的數(shù)目鍵

6、強(qiáng)及單位體積內(nèi)鍵的數(shù)目） 石英玻璃強(qiáng)度最高石英玻璃強(qiáng)度最高 加入加入RO，強(qiáng)度，強(qiáng)度 加入加入R2O，強(qiáng)度，強(qiáng)度 玻璃工藝學(xué)8 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能7.活性介質(zhì)（極性物質(zhì)如酸、堿）活性介質(zhì)（極性物質(zhì)如酸、堿） 滲入裂紋使裂紋擴(kuò)展?jié)B入裂紋使裂紋擴(kuò)展 起化學(xué)反應(yīng)使結(jié)構(gòu)破壞。起化學(xué)反應(yīng)使結(jié)構(gòu)破壞。 水可大大降低水可大大降低f。干空氣、非極性物質(zhì)、憎水性有機(jī)硅對(duì)干空氣、非極性物質(zhì)、憎水性有機(jī)硅對(duì)f影響小影響小6.疲勞現(xiàn)象疲勞現(xiàn)象 玻璃長(zhǎng)時(shí)間在玻璃長(zhǎng)時(shí)間在交變載荷交變載荷的作用下，在遠(yuǎn)低于其極限應(yīng)力的作用下，在遠(yuǎn)低于其極限應(yīng)力的情況下發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。的情況下發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。

7、 加荷加荷速度越大，時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越小。速度越大，時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越小。 只有水分存在時(shí)才有疲勞現(xiàn)象。真空則無(wú)。只有水分存在時(shí)才有疲勞現(xiàn)象。真空則無(wú)。 溫度較低時(shí)無(wú)（反應(yīng)速度慢），溫度升高疲勞現(xiàn)象加劇。溫度較低時(shí)無(wú)（反應(yīng)速度慢），溫度升高疲勞現(xiàn)象加劇。玻璃工藝學(xué)9 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能(四四)玻璃增強(qiáng)玻璃增強(qiáng) 物理鋼化物理鋼化使玻璃表面產(chǎn)生均勻分布的壓應(yīng)力層。使玻璃表面產(chǎn)生均勻分布的壓應(yīng)力層。 化學(xué)鋼化化學(xué)鋼化 r大大離子取代離子取代r小小離子離子 貼層玻璃貼層玻璃在玻璃表面貼一層在玻璃表面貼一層低的物質(zhì)（陶瓷釉）低的物質(zhì)（陶瓷釉） 火拋光火拋光 使玻璃表面?zhèn)?、裂紋彌合。

8、使玻璃表面?zhèn)?、裂紋彌合。 覆蓋硅有機(jī)化合物覆蓋硅有機(jī)化合物 放入氯硅烷（放入氯硅烷（SiCl4）溶液中，通過(guò)水解在玻璃表面）溶液中，通過(guò)水解在玻璃表面 形成形成SiO2膜。使微裂紋彌合，形成壓應(yīng)力層。膜。使微裂紋彌合，形成壓應(yīng)力層。霜化處理霜化處理在在soso2 2氣氛中退火，使表面缺少氣氛中退火，使表面缺少Na玻璃工藝學(xué)10 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能二二.玻璃的彈性玻璃的彈性 (一一)概述概述定義定義 ：玻璃在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力去除后：玻璃在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力去除后 能恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)。能恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)。 彈性模量、剪切模量、泊松比、體積壓縮模量彈性

9、模量、剪切模量、泊松比、體積壓縮模量彈性模量彈性模量 ：表示材料抵抗變形的能力。：表示材料抵抗變形的能力。低溫下（低溫下（1時(shí)時(shí): BO4、AlO4，E增大。增大。當(dāng)當(dāng) 0 1 時(shí)時(shí): BO4、BO3、AlO4， E減小。減小。當(dāng)當(dāng) 0 時(shí)時(shí) : BO3、AlO6、AlO4， E又增大。又增大。玻璃工藝學(xué)13 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能2.熱處理熱處理* 淬火玻璃淬火玻璃E B2O3 (MgO ZnO BaO) Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O PbO玻璃工藝學(xué)17 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能(二二)脆性脆性1. 定義定義：當(dāng)負(fù)荷超過(guò)玻璃的極限強(qiáng)度時(shí)立即

10、破裂的現(xiàn)象。當(dāng)負(fù)荷超過(guò)玻璃的極限強(qiáng)度時(shí)立即破裂的現(xiàn)象。2. 表示方法表示方法:玻璃破壞時(shí)受到的玻璃破壞時(shí)受到的沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度S表示表示:Ph VPhPh為總功為總功 V V為試樣體積為試樣體積S=或或脆弱度脆弱度D表示表示:D=C/S C-C-耐壓強(qiáng)度耐壓強(qiáng)度 玻璃工藝學(xué)18 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能3. 影響因素影響因素* R+、R2+使脆性增大，且隨其半徑增大而上升。使脆性增大，且隨其半徑增大而上升。* B3+處于三角體時(shí)脆性較小。處于三角體時(shí)脆性較小。* 試樣越厚抗沖擊強(qiáng)度越大，試樣越厚抗沖擊強(qiáng)度越大，脆性越脆性越小。小。* 淬火試樣強(qiáng)度比退火樣大淬火試樣強(qiáng)度比退火樣

11、大57倍，倍，脆性大大減小脆性大大減小。玻璃工藝學(xué)19 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能四四 . 玻璃的密度玻璃的密度(一一)概念概念1.定義：定義：?jiǎn)挝惑w積的玻璃的質(zhì)量單位體積的玻璃的質(zhì)量 2.工藝意義：工藝意義： (1) 從定義看：從定義看：D與分子體積有關(guān)，而與分子體積有關(guān)，而Vm反映了基本結(jié)構(gòu)反映了基本結(jié)構(gòu) 單元的緊密堆積程度和配位狀態(tài)單元的緊密堆積程度和配位狀態(tài) (2) D的測(cè)量是穩(wěn)定玻璃組成和生產(chǎn)的常規(guī)、有效的方法的測(cè)量是穩(wěn)定玻璃組成和生產(chǎn)的常規(guī)、有效的方法 (3) 反映退火質(zhì)量反映退火質(zhì)量 (4) 是熱工計(jì)算中的重要參數(shù)是熱工計(jì)算中的重要參數(shù)石英玻璃為石英玻璃為2.21

12、g/cm2.21g/cm3 3日用玻璃為日用玻璃為2.5g/cm2.5g/cm3 3防輻射玻璃為防輻射玻璃為8g/cm8g/cm3 3玻璃工藝學(xué)20 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能B3+為為BO4，中間體氧化，中間體氧化物為物為IO6時(shí)密度增大。時(shí)密度增大。(二二) 密度的影響因素：密度的影響因素：1.化學(xué)組成化學(xué)組成影響因素：原子量、原子緊密堆積程度、配位數(shù)影響因素：原子量、原子緊密堆積程度、配位數(shù) (1) 網(wǎng)絡(luò)體積：網(wǎng)絡(luò)體積：決定于四面體體積，大者決定于四面體體積，大者D小小 BO4 SiO4 GeO4 AlO4 網(wǎng)絡(luò)空隙，分子體積網(wǎng)絡(luò)空隙，分子體積，D rRNa2Ok2O R

13、O：同：同R2O，rR，D 密度：密度：BeOCaOSrOBaO玻璃工藝學(xué)22 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能2、熱歷史與、熱歷史與D的關(guān)系的關(guān)系 D與退火溫度、保溫時(shí)間、降溫速度有關(guān)與退火溫度、保溫時(shí)間、降溫速度有關(guān) (1) D淬淬D退退 (2) 退火溫度范圍內(nèi)保溫后，密度趨于平衡值。退火溫度范圍內(nèi)保溫后，密度趨于平衡值。 (3) 冷卻快，偏離平衡密度的溫度越高，冷卻快，偏離平衡密度的溫度越高，Tg也越高。也越高。 (4) 玻璃析晶。玻璃析晶。D。3、D與與T的關(guān)系的關(guān)系 T, T, D玻璃工藝學(xué)23 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能5 5、D D與與P P的關(guān)系的關(guān)系

14、P，DD，但必須高壓或超高壓（，但必須高壓或超高壓（10105 5atmatm） D D隨隨P P的變化程度與組成有關(guān)：結(jié)構(gòu)越疏松，影響越大。的變化程度與組成有關(guān)：結(jié)構(gòu)越疏松，影響越大。 加壓后，若加壓后，若TT，則，則D D會(huì)降低，直至原來(lái)的平衡值。會(huì)降低，直至原來(lái)的平衡值。 石英玻璃在石英玻璃在P P作用下?？蓧合禂?shù)作用下?？蓧合禂?shù)d/dd/d， 玻璃中玻璃中R R2 2OO，d/d d/d r rR R，d/d d/d 玻璃工藝學(xué)24 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能(三三)密度的計(jì)算密度的計(jì)算 V=1/D = Vmfm玻璃工藝學(xué)25 第三節(jié)第三節(jié) 玻璃的力學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能測(cè)量精度：測(cè)量精度：0.0002g/cm32.可檢測(cè)出成分變化可檢測(cè)出成分變化: Na2O 0.05% CaO 0.03% SiO2 0.1%生產(chǎn)中的應(yīng)用生產(chǎn)中的應(yīng)用1.砂水分波動(dòng)砂水分波動(dòng)310%，密度變化為，密度變化為0. 001玻璃工藝學(xué)26.可監(jiān)測(cè)退火質(zhì)量情況可監(jiān)測(cè)退火質(zhì)量情況:退火較差退火較差2.5050g/cm3退火