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1、College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”第第4章玻璃的力学性能及热学性能章玻璃的力学性能及热学性能4.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质4.1.14.1.1玻璃的机械强度（掌握）玻璃的机械强度（掌握）4.1.24.1.2玻璃的弹性（熟悉）玻璃的弹性（熟悉）4.1.34.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）玻璃的硬度和脆性（熟悉）4.1.14.1.1玻璃的机械强度（掌握）玻璃的机械强度（掌握）College of Chemistry&Materials Science无
2、机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”1理论强度与实际强度（掌握）理论强度与实际强度（掌握）2玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）3影响强度的主要因素（掌握）影响强度的主要因素（掌握）玻璃的机械强度玻璃的机械强度耐压耐压抗折抗折抗张抗张抗冲击抗冲击玻璃的机械强度特点：玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折硬度高、耐压、抗折抗张不高、脆性大。抗张不高、脆性大。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能
3、及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示。机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示。理论强度：理论强度：从不同理论角度来分析玻璃所能从不同理论角度来分析玻璃所能承受的最大应力承受的最大应力。1理论强度与实际强度（掌握）理论强度与实际强度（掌握）奥鲁凡（奥鲁凡（Orowan)假设假设理论强度理论强度弹性模量弹性模量College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”原因原因玻璃的玻璃的脆性脆性、玻璃、玻璃表面微裂纹表面微裂纹、玻璃、玻璃内内部不
4、均匀区部不均匀区及及缺陷缺陷造成应力集中。造成应力集中。表面表面微裂纹急剧扩展微裂纹急剧扩展。据测定据测定1mm2玻璃表面上约有玻璃表面上约有300个微裂纹，深约个微裂纹，深约5微米，宽微米，宽0.010.02微米，光学显微镜分不出来。微米，光学显微镜分不出来。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”2玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）裂纹源形成裂纹源形成：玻璃由于玻璃由于内部缺陷内部缺陷、表面反应表面反应、表面损表面损
5、伤伤等影响，在其内部和表面形成了各种等影响，在其内部和表面形成了各种缺陷裂纹源。缺陷裂纹源。裂纹扩展裂纹扩展 在裂纹的尖端处存在着在裂纹的尖端处存在着应力集中应力集中驱使驱使裂纹扩展的动力。裂纹扩展的动力。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”裂纹扩展速度裂纹扩展速度弹性模量弹性模量 密度密度3影响强度的主要因素（掌握）影响强度的主要因素（掌握）1）化学键与化学组成）化学键与化学组成玻璃的键强包括各种键的强度及数目。玻璃的键强包括各种键的强度及数目。键强大
6、，机械强度好。键强大，机械强度好。结构网络紧密，强度好。结构网络紧密，强度好。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”一般情况下，一般情况下，CaO、BaO、B2O3(15%)、Al2O3、ZnO能加强网络结构，对强度有提高作用。能加强网络结构，对强度有提高作用。MgO、Fe2O3对强度作用不大。对强度作用不大。常见的氧化物对抗张强度的提高作用是：常见的氧化物对抗张强度的提高作用是：CaOB2O3BaOAl2O3PbOK2ONa2O(MgO、Fe2O3)常见
7、的氧化物对耐压强度的提高作用是：常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：Al2O3SiO2,(MgO,ZnO)B2O3Fe2O3(PbO,CaO)College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”2）微不均匀性）微不均匀性 玻璃中都存在着微相和微不均匀结构，相邻两玻璃中都存在着微相和微不均匀结构，相邻两相间成分不同且结合力弱，膨胀系数不一样，易相间成分不同且结合力弱，膨胀系数不一样，易产生应力，强度下降。产生应力，强度下降。3）宏观和微观缺陷）宏观和微观缺陷缺陷处应力集中
8、，导致裂纹产生与扩展。缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”4）活性介质）活性介质渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展起化学作用，使结构破坏起化学作用，使结构破坏作用作用水、酸、碱、某些盐类水、酸、碱、某些盐类5）温度）温度低温低温时，温度升高，强度下降（裂纹端部分子的热时，温度升高，强度下降（裂纹端部分子的热运动起伏现象增加，积聚能量使键断裂）运动起伏现象增加，积聚能量使键断裂）200时，时，强
9、度为最低。强度为最低。高温高温时，强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）时，强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”6）应力）应力 玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀，玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀，将导致其强度大大下降。将导致其强度大大下降。4.1.2玻璃的弹性（熟悉）玻璃的弹性（熟悉）1 1概念概念弹性弹性：材料在外力作用下发生变形，当外力去材料在外力作用下发生变形，当外力去掉后恢复原来形状的性质。掉后恢
10、复原来形状的性质。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”塑性塑性：材料在外力作用下发生变形，材料在外力作用下发生变形，如外力去掉如外力去掉后仍停留在完全或部分变形状态。后仍停留在完全或部分变形状态。玻璃的弹性玻璃的弹性弹性模量弹性模量E应力应力相对的纵相对的纵向变形向变形2弹性模量与成分的关系弹性模量与成分的关系与组成、结构、键强之间的关系与强度类似。与组成、结构、键强之间的关系与强度类似。结构紧密，弹性模量高。结构紧密，弹性模量高。College of
11、Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是：常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是：CaOMgOBaOFe2O3Al2O3BaOZnOPbO同一氧化物处于高配位时，其弹性模量要比低配位同一氧化物处于高配位时，其弹性模量要比低配位时大。玻璃中引入离子半径小的极化能力强的离子时大。玻璃中引入离子半径小的极化能力强的离子（Li+，Be2+，Mg2+，Al3等）则提高弹性模量。等）则提高弹性模量。在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸盐在钠硼硅玻璃中，有硼反常
12、现象。铝硼硅酸盐玻璃中，有硼铝反常现象。玻璃中，有硼铝反常现象。Na2O或或K2O弹性模量，弹性模量，PbO不起作用。不起作用。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”玻璃的弹性模量可用加和法则进行近似计算。玻璃的弹性模量可用加和法则进行近似计算。3弹性模量与热处理的关系弹性模量与热处理的关系 退火玻璃的弹性模量大于淬火玻璃（因退火玻璃退火玻璃的弹性模量大于淬火玻璃（因退火玻璃的密度大，结构牢固）。的密度大，结构牢固）。4弹性模量与温度的关系弹性模量与温度的
13、关系大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升而大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升而下降（因离子间距增大，相互作用力降低；高下降（因离子间距增大，相互作用力降低；高温时质点热运动动能增大）。温时质点热运动动能增大）。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”Tg以上，玻璃逐渐失去弹性，并趋于软化。以上，玻璃逐渐失去弹性，并趋于软化。石英玻璃、高硅氧玻璃、硼酸盐玻璃，因石英玻璃、高硅氧玻璃、硼酸盐玻璃，因膨胀系数小，温度升高，则弹性模量膨胀系数小，温度升高，则弹
14、性模量。4.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）玻璃的硬度和脆性（熟悉）概念概念 影响因素影响因素College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”1硬度概念硬度概念 表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。一般用一般用显微硬度显微硬度表示。表示。利用金刚石正方锥以一定负荷利用金刚石正方锥以一定负荷在玻璃表面打入印痕，再测量在玻璃表面打入印痕，再测量对角线的长度进行计算对角线的长度进行计算2硬度影响因素（组成、结构）硬度影响因素（组成、结构）网络生成
15、体增加硬度，网络外体降低硬度网络生成体增加硬度，网络外体降低硬度温度升高，硬度下降温度升高，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与玻璃的冷加工工艺有关与玻璃的冷加工工艺有关College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”结论结论硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬度最大；含有适量硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬度最大；含有适量B2O3的硼酸盐玻璃硬度也较大；高铅或碱性氧的硼酸盐玻璃硬度也较大；高铅或碱性氧化物的玻璃硬度较小；化物的玻璃硬度较小；各种氧化物对玻
16、璃硬度提高的顺序为：各种氧化物对玻璃硬度提高的顺序为：SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO)Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO一般玻璃硬度为一般玻璃硬度为57（莫氏硬度）（莫氏硬度）College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”3脆性概念脆性概念当负荷超过玻璃的极限强度时，当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显不产生明显的塑性变形的塑性变形而立即破裂的性能。而立即破裂的性能。松驰速度低松驰速度低4脆性影响因素脆性影响因素化学组成及结构、热历史、试样的形状及厚度等。化学组成及结构、热历史、试样的形状及厚度等。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学玻璃的力学性能及热学性能性能”4.2玻璃的热学性质玻璃的热学性质4.2.1玻璃的热膨胀系数（掌握）玻璃的热膨胀系数（掌握）1热膨胀系数的概念热膨胀系数的概念玻璃平均玻璃平均线膨胀线膨胀系数系数（1/
