玻璃工艺学3玻璃的力学性能

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第三节
玻璃的力学性能
(四)玻璃增强
① 物理钢化 ② 化学钢化 ③ 贴层玻璃 ④ 火抛光 使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。 r大离子取代r小离子 在玻璃表面贴一层α低的物质（陶瓷釉） 使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。
⑤ 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。 ⑥霜化处理 在so2气氛中退火，使表面缺少Na＋
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↓
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第三节
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5、D与P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Δ d/d↑， 玻璃中R2O↑，Δ d/d ↓
2. 表示方法：
显微硬度 莫氏硬度（5~7） 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）
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第三节 3. 组成对硬度的影响
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* F离子使H提高。M离子使H降低。
* 同类玻璃，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
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3.可监测熔制情况: 当天D波动<±0.0003g/cm3, 三天D差值<±0.0005g/cm3，熔化良好； 当天D波动>±0.001g/cm3，熔化不好。
４.可监测退火质量情况: 退火较差 2.5050g/cm3
退火良好
2.5070g/cm3
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思考题： １、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？ ２、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？
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5～7倍，脆性大大减小。
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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
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
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(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=
Er a
a —原子间的平衡距离
th约1010 ～1.5×1010Pa，而实际强度不足108Pa
一般
c (抗压) = 49~196×108 Pa
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(二)影响弹性模量的因素
1.组成 质点间化学键越强变形越小，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 E
* 硼反常：
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B2O3%
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* 硼铝反常（铝硼硅酸盐）
(Na2O–Al2O3) B2O3
F (抗张) = 34.3~83.3×106 Pa
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(二)Griffith断裂理论
1.要点
a. 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0.01~0.02 m, 深5m）， 裂纹常在相界产生，尺寸与分相液滴相近。 b. 微裂纹起应力中心作用。应力集中是使应力
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机械强度
弹性 硬度和脆性 密度
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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 抗压强度 抵抗张应力（拉伸应力）的能力。 受压应力作用破坏时的极限应力。
抗折(弯)强度
抗冲击强度
受的最大弯曲载荷
（弯曲力矩/阻力矩） 受动态载荷能力。 （功）
如石英玻璃纤维的强度可达1.05×1010Pa。
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第三节 石英玻璃强度最高 加入RO，强度↓ 加入R2O，强度↓↓
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4.化学键与化学组成（键强及单位体积内键的数目）
σf
5.温度
T<200℃，T↑，强度↓ T>200℃，T↑，强度↑
200C
T
T ，分子热运动加剧以抗衡分子间引力， σf ↓; 200C后可能由塑性变形使σf。
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(2) 外加RmOn
rR>网络空隙，分子体积↑，D↓ rR<网络空隙，分子体积↓，D↑ R2O： R+处于网络空隙中 同量R2O的D：Li2O>Na2O>k2O RO：同R2O，rR↑，D ↓ 密度：BeO>CaO>SrO>BaO
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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=σ/ε 一般
ε相对纵向变形
E = 441×108~882×108 帕
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>K2O >Na2O >PbO
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(二)脆性 1. 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:
∑Ph S= V
∑Ph为总功
V为试样体积
或脆弱度D表示:
D=C/S
C---耐压强度
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σ
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(三)影响玻璃强度的因素
1.表面状态
微裂纹使玻璃的抗张、抗折强度比抗压强度低1/10~1/15。
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,α↓ 。
3.几何尺寸
几何尺寸↓，表面和内部缺陷产生的几率↓，强度↑。
扩展 的 动力。
c. 玻璃的断裂从微裂纹开始，比无缺陷的玻璃发生早。
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2.Griffith方程 σ
σf= 2Eγz /πc
2c
γz 形成新裂纹的表面能
a. 外力超过σf 时玻璃断裂 b. c 增大则σf 减小，即强度由裂纹大小而不是 多少决定。 c. 当 c 趋近于 r0 时，σf → σth
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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。 ①只有水分存在时才有疲劳现象。真空则无。 ②温度较低时无（反应速度慢），温度升高疲劳现象加剧。
7.活性介质（极性物质如酸、碱）
①渗入裂纹使裂纹扩展 ②起化学反应使结构破坏。 水可大大降低σf。 干空气、非极性物质、憎水性有机硅对σf影响小
rR↑，Δ d/d ↓
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(三)密度的计算
V=1/D = ∑Vmfm
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测量精度：0.0002g/cm3 生产中的应用
1.砂水分波动3~10%，密度变化为0. 001
2.可检测出成分变化: Na2O ±0.05% CaO ±0.03% SiO2 ±0.1%
* T
E (大多数硅酸盐玻璃)。
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。
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(三)弹性模量的计算
E=∑EiPi（Kgf/mm2）
Pi--wt%
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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。
=
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。
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第三节 2.热处理
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* 淬火玻璃E < 退火玻璃E
约2~7%
* 玻纤在300~350C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
(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
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第三节 (二) 密度的影响因素： 1.化学组成
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影响因素：原子量、原子紧密堆积程度、配位数 (1) 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 B3+为[BO4]，中间体氧化 物为[IO6]时密度增大。