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1、玻璃工艺学,1,第三节 玻璃的力学性能 机械强度 弹性 硬度和脆性 密度,玻璃工艺学,2,第三节 玻璃的力学性能,一. 机械强度 定义：指玻璃抵抗外来负荷作用的能力。 抗张强度 抵抗张应力（拉伸应力）的能力。 抗压强度 受压应力作用破坏时的极限应力。 抗折(弯)强度 受的最大弯曲载荷 （弯曲力矩/阻力矩） 抗冲击强度 受动态载荷能力。 （功）,玻璃的强度特征 : 1、理论强度比实际强度大得多 2、抗张强度比抗压强度小,玻璃工艺学,3,第三节 玻璃的力学性能,(一) 玻璃的理论强度 材料的强度取决于组成单元间的作用力,th约1010 1.51010Pa，而实际强度不足108Pa 一般 c (抗压
2、) = 49196108 Pa F (抗张) = 34.383.3106 Pa,玻璃工艺学,4,第三节 玻璃的力学性能,(二)Griffith断裂理论 1.要点 实际强度低的原因是表面上有许多光学显微 镜下看不见的半椭圆的微裂纹（宽0.010.02 m, 深5m）， 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 扩展 的 动力。 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 玻璃的力学性能,2.Griffith方程,a. 外力超过f 时玻璃断裂 b. c 增大则f 减小，即强度由裂纹大小而不是 多少决定。 c. 当 c 趋近于 r0
3、时，f th,玻璃工艺学,6,第三节 玻璃的力学性能,(三)影响玻璃强度的因素,3.几何尺寸 几何尺寸，表面和内部缺陷产生的几率，强度。 如石英玻璃纤维的强度可达1.051010Pa。,1.表面状态 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 宏观缺陷（气泡、结石、结瘤） 微观缺陷（分相、析晶、点缺陷等） 界面处导致微裂纹、应力集中, 。,玻璃工艺学,7,第三节 玻璃的力学性能,5.温度,T200，T，强度 T ，分子热运动加剧以抗衡分子间引力， f ; 200C后可能由塑性变形使f。,4.化学键与化学组成（键强及单位体积内键的数目） 石英玻璃强度最高 加入R
4、O，强度 加入R2O，强度,玻璃工艺学,8,第三节 玻璃的力学性能,7.活性介质（极性物质如酸、碱） 渗入裂纹使裂纹扩展 起化学反应使结构破坏。 水可大大降低f。 干空气、非极性物质、憎水性有机硅对f影响小,6.疲劳现象 玻璃长时间在交变载荷的作用下，在远低于其极限应力的情况下发生突然断裂的现象。 加荷速度越大，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。 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 玻璃的力学性能,(四)玻璃增强 物理钢化 使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。 化学钢化 r大离子取代r小离子 贴层玻璃 在玻璃表面贴一层低的物质（陶
5、瓷釉） 火抛光 使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。, 覆盖硅有机化合物 放入氯硅烷（SiCl4）溶液中，通过水解在玻璃表面 形成SiO2膜。使微裂纹弥合，形成压应力层。,霜化处理 在so2气氛中退火，使表面缺少Na,玻璃工艺学,10,第三节 玻璃的力学性能,二.玻璃的弹性 (一)概述 定义 ：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。 弹性模量、剪切模量、泊松比、体积压缩模量 弹性模量 ：表示材料抵抗变形的能力。,低温下（Tg） E=/ 相对纵向变形 一般 E = 441108882108 帕,玻璃工艺学,11,第三节 玻璃的力学性能,(二)影响弹性模量的因素 1.组成 质点间化学
6、键越强变形越小，E越大。 * 一般 大r、小Z的阳离子氧化物不利于提高E。 R2O使E减小，但Li2O使玻璃分子体积缩小而 使E提高 * 硼反常：,玻璃工艺学,12,第三节 玻璃的力学性能,* 硼铝反常（铝硼硅酸盐）,当 1时: BO4、AlO4，E增大。 当 0 1 时: BO4、BO3、AlO4， E减小。 当 0 时 : BO3、AlO6、AlO4， E又增大。,玻璃工艺学,13,第三节 玻璃的力学性能,2.热处理 * 淬火玻璃E 退火玻璃E 约27% * 玻纤在300350C处理后E增大同块状玻璃 。 * 晶化后E增大，取决于主晶相种类、性质。,3.温度 * T E (大多数硅酸盐玻璃
7、)。 离子间距增大,*石英、高硅氧玻璃和派莱克斯玻璃的E随 温度升高而增大。,玻璃工艺学,14,第三节 玻璃的力学性能,(三)弹性模量的计算 E=EiPi（Kgf/mm2） Pi-wt%,玻璃工艺学,15,第三节 玻璃的力学性能,三. 玻璃的硬度和脆性 (一)硬度 1. 意义：玻璃抵抗其它物体侵入其内部的能力。 2. 表示方法： 显微硬度 莫氏硬度（57） 研磨硬度 刻化硬度 显微硬度（压痕法）:,H=1.854P/ l2 l-对角线长(mm) P-载荷 （Kgf / mm2）,玻璃工艺学,16,第三节 玻璃的力学性能,3. 组成对硬度的影响 * F离子使H提高。M离子使H降低。 * 同类玻璃
8、，M离子场强越大H越高。 * 阳离子N越大H越高。 * 各组分对H的提高作用： SiO2 B2O3 (MgO ZnO BaO) Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O PbO,玻璃工艺学,17,第三节 玻璃的力学性能,(二)脆性 定义：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: 玻璃破坏时受到的冲击强度S表示:,或脆弱度D表示:,D=C/S C-耐压强度,玻璃工艺学,18,第三节 玻璃的力学性能,3. 影响因素 * R+、R2+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。 * 试样越厚抗冲击强度越大，脆性越小。 * 淬火试样强度比退火样大57倍，脆性
9、大大减小。,玻璃工艺学,19,第三节 玻璃的力学性能,四 . 玻璃的密度,(一)概念 1.定义：单位体积的玻璃的质量 2.工艺意义： (1) 从定义看：D与分子体积有关，而Vm反映了基本结构 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 (3) 反映退火质量 (4) 是热工计算中的重要参数,石英玻璃为2.21g/cm3 日用玻璃为2.5g/cm3 防辐射玻璃为8g/cm3,玻璃工艺学,20,第三节 玻璃的力学性能,B3+为BO4，中间体氧化物为IO6时密度增大。,(二) 密度的影响因素：,1.化学组成 影响因素：原子量、原子紧密堆积程度、配位数 (1)
10、网络体积：决定于四面体体积，大者D小 BO4 SiO4 GeO4 AlO4 GaO4 注意B、Al反常,玻璃工艺学,21,第三节 玻璃的力学性能,(2) 外加RmOn rR网络空隙，分子体积，D rRNa2Ok2O RO：同R2O，rR，D 密度：BeOCaOSrOBaO,玻璃工艺学,22,第三节 玻璃的力学性能,2、热历史与D的关系,D与退火温度、保温时间、降温速度有关 (1) D淬D退 (2) 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，Tg也越高。 (4) 玻璃析晶。D。,3、D与T的关系,T, D,玻璃工艺学,23,第三节 玻璃的力学性能,5、D与P
11、的关系,P，D，但必须高压或超高压（105atm） D随P的变化程度与组成有关：结构越疏松，影响越大。 加压后，若T，则D会降低，直至原来的平衡值。 石英玻璃在P作用下。可压系数d/d， 玻璃中R2O，d/d rR，d/d ,玻璃工艺学,24,第三节 玻璃的力学性能,(三)密度的计算 V=1/D = Vmfm,玻璃工艺学,25,第三节 玻璃的力学性能,测量精度：0.0002g/cm3,2.可检测出成分变化: Na2O 0.05% CaO 0.03% SiO2 0.1%,生产中的应用 1.砂水分波动310%，密度变化为0. 001,玻璃工艺学,26,.可监测退火质量情况: 退火较差 2.5050g/cm3 退火良好 2.5070g/cm3,3.可监测熔制情况: 当天D波动0.001g/cm3，熔化不好。,玻璃工艺学,27,思考题： 、何谓玻璃的料性？料性对成形和退火过程有何影响？ 如何调整玻璃的料性？ 、为什么玻璃的实际强度比理论强度低？增强玻璃强度的方法有哪些？,
