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玻璃的力學性質玻璃的力學性質3.23.2玻璃的熱學性質玻璃的熱學性質3.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質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（熟悉）玻璃材料的缺陷

2、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?？箯埐桓摺⒋嘈源?。1理論強度與實際強度（掌握）理論強度與實際強度（掌握）thxE 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0.1-0.23.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質

3、1010101.5 10thPa 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、玻璃內部不均勻區(qū)及缺陷造成應力集中內部不均勻區(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：玻璃由于內部缺陷、表面反應、表面損：玻璃由于內部缺陷、表面反應、表面損傷等影響，在其內部和表面形成了各種傷等影響，在其內部和表面形成了各種

4、缺陷裂紋源缺陷裂紋源3.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質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使裂紋驅使裂紋擴展的動力。擴展的動力。裂紋擴展速度裂紋擴展速度 0.40.6E 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。結構網(wǎng)絡緊密，強度好。結構網(wǎng)絡緊密，強度好。3.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質一般情況下，一般情況下，CaO、BaO、B2O3(15%)、Al2O3、ZnO

5、能加強網(wǎng)絡結構，對強度有提高作用。能加強網(wǎng)絡結構，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性法則計算3.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質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構，相鄰玻璃中都

6、存在著微相和微不均勻結構，相鄰兩相間成分不同且結合力弱，膨脹系數(shù)不一兩相間成分不同且結合力弱，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）活性介質滲入裂紋，象楔子一樣使裂紋擴展起化學作用，使結構破壞作用作用水、酸、堿、某些鹽類水、酸、堿、某些鹽類3.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質5 5）溫度）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

7、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玻璃的力學性質玻璃的力學性質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

8、力作用下發(fā)生變形，當外力去掉后恢復原來形狀的性質。掉后恢復原來形狀的性質。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 43.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質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、結構、鍵強之間的關系與強度類似。與組成、結構、鍵強之間的關系與強度類似。結構緊密，彈性模量高。結構緊密，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：CaOMgOB2O3Fe2O3Al2O3BaOZnOPbO同

9、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?，F(xiàn)象。 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玻璃的力學性質玻璃的力學性質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

10、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，結構牢固）玻璃的密度大，結構牢固）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；高溫時質點熱運動動能增大）高溫時質點熱運動動能增大）Tg以上，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：?，F(xiàn)象：TT，離子間距增大而造成相互

11、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玻璃的力學性質玻璃的力學性質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、結構）硬度影響因素（組成、結構）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

12、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玻璃的力學性質玻璃的力學性質結論結論硅酸鹽玻璃中，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??；高鉛或堿性氧化物的玻璃硬度較?。桓鞣N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、13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質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構、熱歷史、試樣的形狀化學組成及結構、熱歷史、試樣的形狀及厚度等。及厚度等。3.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質3.1.4玻璃密度（掌握）1密度玻璃的密度決定于構成玻璃的各原子質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

14、位體積的質量稱。玻璃單位體積的質量稱。3.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質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）

15、、）、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。3.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質隨溫度升高，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100100200200* *10108 8PaPa時，密度變大并保持，當在時，密

16、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。析晶后質點進行有序排列，一般密度增大。析晶后質點進行有序排列，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3.13.1玻璃的力學性質玻璃的力學性質3.2玻璃的熱學性質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

17、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)212111llltttll （1/）通常用室溫通常用室溫300（或（或400）的平均線）的平均線膨脹系數(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)絡結構的，則能增強網(wǎng)絡結構的，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

18、，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 Tg（轉變溫度）點以下，（轉變溫度）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，質點開始移動，結構調整引起收點附近，質點開始移動，結構調整引起收縮，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

19、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，結構調整引起的伸長已大于膨脹作用上升，結構調整引起的伸長已大于膨脹作用補充補充：析晶使質點間作用力增強，：析晶使質點間作用力增強，（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

20、壞過程破壞過程溫度急變沿玻璃厚度從表面到內部，溫度急變沿玻璃厚度從表面到內部，各層溫度不一樣，膨脹量也不一樣，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

21、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。結論結論3.2玻璃的熱學性質第第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

22、）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、破壞或溶解玻璃結構組成中的只能改變、破壞或溶解玻璃結構組成中的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，而且也對玻璃結構中的硅氧骨架起作用的物質。結構中的硅氧骨架起作用的物質。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

23、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ZrO2Al2O3ZnOCaOTiO2MgOBaO4.2.2熱處理熱處理退火玻璃比淬火玻璃的結構緊密，化穩(wěn)性要好。退火玻璃比淬火玻璃的結構緊密，化穩(wěn)性要好。玻璃鋼化處理后，其化穩(wěn)性要好。玻璃