4-玻璃的力学性能及热学性能

CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”第4章玻璃的力学性能及热学性能4.1玻璃的力学性质4.1.1玻璃的机械强度（掌握）4.1.2玻璃的弹性（熟悉）4.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）4.1.1玻璃的机械强度（掌握）CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”1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）3影响强度的主要因素（掌握）玻璃的机械强度耐压抗折抗张抗冲击玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折抗张不高、脆性大。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示。理论强度：从不同理论角度来分析玻璃所能承受的最大应力。1理论强度与实际强度（掌握）thxE奥鲁凡（Orowan)假设理论强度弹性模量CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”1010101.510thPa原因玻璃的脆性、玻璃表面微裂纹、玻璃内部不均匀区及缺陷造成应力集中。表面微裂纹急剧扩展。据测定1mm2玻璃表面上约有300个微裂纹，深约5微米，宽0.01～0.02微米，光学显微镜分不出来。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”2玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）裂纹源形成：玻璃由于内部缺陷、表面反应、表面损伤等影响，在其内部和表面形成了各种缺陷裂纹源。裂纹扩展在裂纹的尖端处存在着应力集中驱使裂纹扩展的动力。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”裂纹扩展速度0.40.6E弹性模量密度3影响强度的主要因素（掌握）1）化学键与化学组成玻璃的键强包括各种键的强度及数目。键强大，机械强度好。结构网络紧密，强度好。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”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。MgO、Fe2O3对强度作用不大。常见的氧化物对抗张强度的提高作用是：CaOB2O3BaOAl2O3PbOK2ONa2O(MgO、Fe2O3)常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：Al2O3SiO2,(MgO,ZnO)＞B2O3Fe2O3(PbO,CaO)CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”2）微不均匀性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，易产生应力，强度下降。3）宏观和微观缺陷缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”4）活性介质渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展起化学作用，使结构破坏作用水、酸、碱、某些盐类5）温度低温时，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）200℃时，强度为最低。高温时，强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”6）应力玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀，将导致其强度大大下降。4.1.2玻璃的弹性（熟悉）1概念弹性：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。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”塑性：材料在外力作用下发生变形，如外力去掉后仍停留在完全或部分变形状态。玻璃的弹性弹性模量EE应力相对的纵向变形2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。结构紧密，弹性模量高。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”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。在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸盐玻璃中，有硼铝反常现象。Na2O或K2O↓弹性模量，PbO不起作用。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”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）。4弹性模量与温度的关系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；高温时质点热运动动能增大）。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”Tg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，因膨胀系数小，温度升高，则弹性模量↑。4.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）概念影响因素CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”1硬度概念表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。一般用显微硬度表示。利用金刚石正方锥以一定负荷在玻璃表面打入印痕，再测量对角线的长度进行计算2硬度影响因素（组成、结构）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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CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”结论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；高铅或碱性氧化物的玻璃硬度较小；各种氧化物对玻璃硬度提高的顺序为：SiO2＞B2O3＞(MgO、ZnO、BaO)＞Al2O3＞Fe2O3＞K2O＞Na2O＞PbO一般玻璃硬度为5～7（莫氏硬度）CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”3脆性概念当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的塑性变形而立即破裂的性能。松驰速度低4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。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”4.2玻璃的热学性质4.2.1玻璃的热膨胀系数（掌握）1热膨胀系数的概念玻璃平均线膨胀系数212111llltttll（1/℃）通常用室温～300℃（或400℃）的平均线膨胀系数表示玻璃的热膨胀系数。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”2热膨胀系数与成分的关系能增强网络结构，则α↓;使网络断裂者，则α↑R2O与RO主要是断网作用，积聚作用是次要的，当引入时，一般使α↑，同一主族的阳离子随原子半径增大，则α↓高价阳离子(Zr4+、La3+)积聚作用是主要的，则α↓网络形成体，α↓，对于网络中间体，在游离氧足够的条件下也能α↓Tg点以下，α可以通过加和法则计算。CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”3热膨胀系数与温度及热历史的关系Tg点以下，α是线性的Tg点以下，退火玻璃的α＜淬火玻璃Tg点附近，质点开始移动，结构调整引起收缩，淬火玻璃的收缩大于热膨胀，伸长量减小，则淬火玻璃线在退火玻璃线的下方Tg点以上，退火玻璃与退火玻璃曲线都急剧上升，结构调整引起的伸长已大于膨胀作用CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”4.2.2玻璃的热稳定性1概念表示试样在保持不破坏条件下所能经受的最大温度差。破坏过程温度急变沿玻璃厚度从表面到内部，各层温度不一样，膨胀量也不一样，则产生应力，当其超过极限强度时就造成破坏。玻璃经受剧烈的温度变化而不破坏的性能。试样受急冷CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”2影响因素组成：凡能降低玻璃热膨胀系数的组分都能提高热稳性；硅含量高而碱含量低时，热稳性好。制品选型复杂、厚薄不均匀的，热稳性差。制品越厚，热稳性差。凡能降低玻璃机械强度的因素，都能使热稳定性降低。结论降低玻璃的热膨胀系数；减小制品的壁厚等。提高热稳性的途径CollegeofChemistry&MaterialsScience《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”