玻璃工艺学3玻璃的力学性能
玻璃断裂力学及玻璃结构
玻璃断裂力学及玻璃结构一、玻璃的基本性质玻璃是一种非晶态材料，具有优异的透明性、耐腐蚀性、绝缘性、隔热性等特性。
它是我们在建筑、电子、光学、化学等众多领域中不可或缺的材料。
二、玻璃的形成与制备玻璃的形成通常需要经历高温熔融和快速冷却的过程。
玻璃的制备方法主要包括焰熔法、浮法、压延法等。
不同的制备方法会得到不同性质和用途的玻璃。
三、玻璃的力学性能玻璃的力学性能主要表现为弹性模量、硬度、抗冲击性等。
其中，弹性模量是衡量材料刚性的重要指标，玻璃的弹性模量通常很高。
硬度是材料抵抗外部机械作用的能力，玻璃的硬度通常与硅酸盐成分有关。
抗冲击性是指材料在冲击下的韧性，玻璃的抗冲击性取决于其化学成分和微观结构。
四、玻璃的电学性能玻璃的电学性能主要包括电导率、介电常数等。
电导率是衡量材料导电性的指标，玻璃的电导率通常很低，具有良好的绝缘性能。
介电常数是衡量材料在电场作用下极化程度的指标，玻璃的介电常数通常较高。
五、玻璃的化学稳定性玻璃的化学稳定性是指其在各种环境条件下的耐腐蚀性和稳定性。
玻璃一般具有良好的化学稳定性，能够在大多数环境下保持其结构和性质的稳定性。
六、玻璃的结构与缺陷玻璃的结构通常是无序的，没有明显的晶体结构。
然而，玻璃中可能存在一些微观结构缺陷，如微小颗粒、气泡等。
这些缺陷可能影响玻璃的力学和光学性能。
七、玻璃的强度与断裂力学玻璃的强度是指其在受力作用下的最大承载能力。
断裂力学是研究材料在裂纹扩展条件下的力学行为。
玻璃的强度和断裂力学性质与其微观结构、化学成分和制备工艺等因素有关。
通过对玻璃的强度和断裂力学的研究，可以优化玻璃的性能和使用安全性。
八、玻璃的应用与前景玻璃因其独特的性质和广泛的应用领域而备受关注。
在建筑领域，玻璃可以用于制作窗户、幕墙等，提高建筑的采光和节能性能；在电子领域，玻璃可以用于制作显示器、太阳能电池等；在光学领域，玻璃可以用于制作镜头、眼镜等；在化学领域，玻璃可以用于容器、管道等。
4-玻璃的力学性能及热学性能解析
《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”
College of Chemistry & Materials Science
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）。
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常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是： CaO > MgO > BaO>Fe2O3>Al2O3>BaO>ZnO>PbO 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。
《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”
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裂纹扩展速度
0.4
0.6
E
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。
《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”
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玻璃的力学性质研究及其应用
玻璃的力学性质研究及其应用玻璃是一种广泛应用于日常生活和工业生产中的材料，但它的强度和韧性对于许多应用来说是关键的。
因此，许多研究人员一直致力于研究玻璃的力学性质，以便更好地理解它的性能，并开发出更优秀的材料。
1. 玻璃的组成结构及其影响玻璃是一种非晶态材料，其分子结构没有经过精确的排列。
相比于晶体材料，玻璃无法通过固定的晶格结构减少内部的缺陷。
这也是造成玻璃强度较低的原因之一。
例如，硅酸盐玻璃具有三种基本的化学结构：网格状、链状和环状。
这些化学结构的分布和数量会影响其强度和韧性。
另外，玻璃的表面缺陷也会严重影响其强度。
因为玻璃表面的微小缺陷可以被外部应力放大，在内部产生裂纹。
这样的裂纹会影响玻璃的强度和韧性。
2. 玻璃的强度测试和分析研究人员通常使用压缩和弯曲测试来评估玻璃的力学性质。
这些测试可以测量玻璃的弹性模量（也称为杨氏模量）和硬度。
在压缩测试中，研究人员通常会使用纳米压痕仪。
通过对压痕的形状和大小进行测量，可以计算出玻璃的弹性模量和硬度。
弯曲测试可以测量玻璃的抗弯强度。
除了实验方法，模拟技术也被广泛应用于研究玻璃的力学性质。
通过分子动力学和有限元分析等计算方法，可以更全面地了解玻璃材料的内部性质和破坏机制。
3. 玻璃的应用玻璃在建筑、汽车、电子、医疗等诸多领域具有广泛的应用。
因此，研究其力学性质对于开发更优秀的产品是至关重要的。
例如，汽车行业中的前挡风玻璃需要满足高强度和韧性的要求，以确保车辆发生碰撞时，玻璃不会破裂。
另外，对于高腐蚀性环境和高温环境下可靠运行的要求，玻璃的稳定性和抗老化性也至关重要。
在医疗领域，玻璃被广泛应用于医疗器械和仪器。
例如，高强度玻璃可以用于制作牙医和眼科器械。
另外，玻璃材料本身是生物惰性的，因此可以用于制作人工器官或植入物等产品。
结论总的来说，研究玻璃的力学性质及其应用可谓不可或缺。
仅靠实验和观察反应可能无法满足工业需求，更需要借助模拟和计算等方法，从多个角度了解它的内部结构和各种因素对其性能的影响，以进一步提高其强度和韧性，开发更加优秀的玻璃材料，并拓展其广泛应用领域。
玻璃的力学性能及热学性能
1.4.1 玻璃密度与成分的关系 • 不同组成玻璃密度差别很大。
• 一般单组分玻璃的密度最小，添加网络外体密度增大。
• 玻璃中引入R2O和RO氧பைடு நூலகம்物，随离子半径的增大，玻璃密度
增加。
• 同一氧化物配位状态改变，对密度也产生影响。
• B2O3从[BO3]到[BO4]密度增加；
• 中间体从网络内四面体[RO4]转变为网络外八面体[RO6]密度增加；
• 定义：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质。 • 表示方法：
• 破坏时受到的冲击强度
• 脆弱度——玻璃抗压强度与抗冲击强度之比 S
Ph V
• 脆裂负荷——测定显微硬度时压痕发生破裂时的负荷值
C D S
1.4 玻璃的密度
• 玻璃的密度主要取决于构成玻璃原子的质量、原子 堆积紧密程度以及配位数有关，是表征玻璃结构的 一个标志。 • 实际生产中，通过测定玻璃的密度来控制工艺过程， 借以控制玻璃成分。
不同热处理情况下玻璃瓶密度的变化
热处理情况 成形后未退火 退火较差 退火良好 d/(g/cm3) 2.5000 2.5050 2.5070 Δd 0 0.005 0.007
1.4.3 玻璃密度与压力的关系 • 一定温度下，随压力的增加玻璃的密度随之增大。 • 密度变化的幅度与加压方法、玻璃组成、压力大小、 加压时间有关。
• 一是渗入裂纹像楔子一样使裂纹扩展； • 二是与玻璃起化学作用破坏结构。
• 活性介质中玻璃的强度降低。 • 玻璃强度的测定最好在真空或液氮中进行，以免受活性介 质的影响。
• 温度
• 低温和高温对玻璃强度的影响是不同的； • 接近绝对零度至200℃，强度随温度升高而降低； • 200℃为强度最低点； • 高于200℃，强度逐渐增大。
第5章 玻璃的力学热学性质
5.1.1
1. 化学组成
影响玻璃强度的因素
各质点的键强 减少和消除玻璃的表面缺陷（火焰抛 单位体积内键的数目
2. 表面微裂纹 3. 微不均匀性
4.
5. 6. 7. 8.
光、氢氟酸腐蚀） 各微相之间易产生裂纹 结构缺陷 200℃以下，由于裂纹端分子热运动 宏观缺陷：结石、气泡、条纹等缺陷 使玻璃表面形成压应力，克服表面微 微相间相互结合的力比较弱 加荷速度越大，时间越长，其破坏强 活性介质 增强，导致键的断裂，因此强度随温 与主体玻璃成分不一致，造成内应力 渗入裂纹产生劈楔作用，使裂纹扩展 裂纹的作用（物理、化学钢化） 由于成分不同，微相间产生应力 温度 度越小 度升高而降低 分布不均的残余应力使玻璃强度大大 且宏观缺陷为微观缺陷（点缺陷、晶 与玻璃发生化学作用破坏结构 玻璃中的应力 由于加荷作用下微裂纹的加深所致 200 降低 ℃以上，由于裂口钝化，从而缓 界、局部析晶）提供了界面，使其常 玻璃的疲劳现象 解了应力集中，因此强度随温度升高 常在此处集中，从而导致裂纹产生 钢化形成均匀的表面压应力则能提高 而增加 机械强度5～10倍
C 玻璃的硬度主要取决于化学组成和结构，还与温度和 D 热处理历史有关。对玻璃冷加工影响非常大。 S
抗冲击强度
抗压强度
测量方法：落球法，压痕破坏法
5.1.4
玻璃的密度
密度主要取决于构成玻璃原子的质量， 也与原子的堆积紧密程度及配位数有关。
网络形成体 网络外体
体积： [BO4]<[SiO4]<[AlO4]<[BO3]
双丝法
用待测玻璃和已知膨胀系数的标准玻璃棒或小块玻璃熔合在一起，拉成 一定长度和均匀厚度的丝，形成一个类似双金属的系统。若两种玻璃的热膨 胀系数有差别时，双玻璃丝冷却后就会弯曲。通过测定玻璃丝弯曲的弦长和 弦高，可计算出已知膨胀系数的标准玻璃和待测玻璃的膨胀系数之差，从而 得到待测玻璃的膨胀系数。
第五章 玻璃的力学性能及热学性能
第5章玻璃的力学性能及热学性能1、为什么玻璃的实际强度较理论强度低？由于玻璃的脆性、玻璃中存在有微裂纹（尤其是表面微裂纹）和内部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中所引起的（由于玻璃受到应力作用时不会产生流动，表面上的微裂纹便急剧扩展，并且应力集中，以致破裂）。
其中表面微裂纹对玻璃强度的影响尤为重要。
2、影响玻璃强度的主要因素有哪些？影响玻璃强度的主要因素有：化学键强度、表面微裂纹、微不均匀性、结构缺陷和外界条件如温度、活性介质、疲劳等。
3、增强玻璃强度的方法有哪些？①物理钢化（淬火）使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。
②化学钢化r大离子取代r小离子③贴层玻璃在玻璃表面贴一层α低的物质（陶瓷釉）④火抛光使玻璃表面伤痕、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。
4、如何利用密度控制玻璃生产的工艺过程？密度取决于原子质量、堆积密度等。
（1）组成（2）温度（3）热历史（4）压力（1）组成* r较小的M离子填充网络，使d增大。
而r大的（K+、Ba2+）使d减小。
* 配位数B3+为[BO4],中间体氧化物为[IO6]时密度增大。
（硼反常，铝反常）（2）温度T↑d↓（3）热历史* 淬火玻璃比退火玻璃密度小。
* 玻璃析晶后密度增大（析晶是有序化过程）（4）压力* 加压方法不同的加压方法对密度的变化不同。
* 组成不同随压力变化不同。
含M较多的玻璃变化较小，因其结构空隙已被填充5、何谓玻璃的弹性模量？何谓玻璃的脆性？弹性模量是表征材料应力与应变关系的物理量，表示材料对形变的抵抗力，用E表示。
玻璃的脆性是指当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的塑性形变而立即破裂的性质。
6、玻璃硬度的表示方法有哪些？玻璃硬度的表示方法有：莫氏硬度（划痕法）、显微硬度（压痕法）、研磨硬度（磨损法）和刻化硬度（刻痕法）等。
7、影响玻璃的热膨胀系数变化的主要因素有哪些？玻璃的热膨胀系数在很大程度上取决于玻璃的化学成分，温度，此外还与玻璃的热历史有关。
玻璃工艺学第三章
拉制的玻璃产品
旅游景点
随温度升高，粘度 逐渐减小，据特征 点确定操作温度。
典型的温度-粘度曲线
粘度随温度变化的解释
主要是熔体结构的变化。在玻璃熔体中，主要由硅氧四面 体构成网络结构，在四面体群中存在较大的空隙，可以容纳 小型的离子或结构单元穿插移动。
高温时，空隙相对较大、较多，有利于小型结构单元的移 动，表现为粘度下降；
熔制范围
Tg、Tf特征温度区间的粘度特性
温度低于Tg ，粘度很大，玻璃基本是具有弹性和脆性 的固体，温度的变化对结构的影响很小。
温度高于Tf，粘度相应较小，质点流动和扩散快，温度 变化对结构的影响也很小，结构可以很快进入平衡状态。
温度介于Tg和Tf之间时，玻璃处于结构转变区间，粘度 不是很大，质点可以按照化学键和结晶化学等一系列要求 进行重排，是一个结构重排的微观过程。
急冷玻璃：较大的体积，较小的粘度； 慢冷玻璃：较小的体积，较大的粘度。
粘度的影响因素：
温度； 玻璃组成。
Na2O-CaO-SiO2玻璃的弹性、粘度与温度的关系简图
杨式模量 logη
C
A
B
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
A区温度较高，为粘性液体，无弹性表现； B区粘度随温度影响很大，弹性模量迅速增大； C区弹性模量和粘度随温度下降，都明显增大，且无粘滞流动。
粘度是指面积为S的两个平行液面，以一定速度dV/dx移动时所需克服——粘度或粘滞系数（帕·秒） dx
S——平行液面间的接触面积
dV/dx——沿垂直于液流方向，液层间的速度梯度
粘度在玻璃中的表现
原料颗粒的溶解、气泡的排除、各组分的扩 散都与粘度有关；
玻璃的力学性能和热学性能
3.2 玻璃的热学性质
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
结论 凡能降低玻璃机械强度的因素，都能使 热稳定性降低。
提高热稳性的途径
降低玻璃的热膨胀系数；减小制品的壁 厚等。
3.1 3
玻璃的力学性质
弹性模量与热处理的关系
4
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） 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） • 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↑(反 常现象：T↑，离子间距增大而造成相互作 用力↓，使E ↓下降的原因已不存在）
3.1
玻璃的力学性质
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。 4）活性介质
作用
渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展
起化学作用，使结构破坏 水、酸、碱、某些盐类
3.1
第4章
玻璃的化学稳定性
玻璃对水、酸、碱、盐及其它化学试剂溶液侵蚀的抵 抗能力称化学稳定性或耐久性、耐蚀性。 4.1 侵蚀机理（掌握） 4.2 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 影响化学稳定性的因素（掌握） 侵蚀剂的分类 水对玻璃的侵蚀 酸对玻璃有侵蚀 碱对玻璃的侵蚀 大气对玻璃的侵蚀玻 玻璃的脱片现象
玻璃材料力学性能及断裂韧度研究
玻璃材料力学性能及断裂韧度研究玻璃作为一种常见的材料，在我们日常生活中随处可见。
然而，虽然玻璃看起来脆弱，但它实际上具有一定的力学性能和断裂韧度。
本文将探讨玻璃材料的力学性能以及与断裂韧度相关的研究。
首先，我们来了解一下玻璃的力学性能。
玻璃是一种非晶态固体，其分子结构不规则，没有长程有序性。
这使得玻璃具有高度的均匀性和透明性。
然而，由于其分子结构的不规则性，玻璃缺乏晶体的结晶点，因此也就没有明确的熔点。
玻璃的力学性能主要包括弹性模量、屈服强度和断裂韧度。
弹性模量是衡量材料在受力后恢复原状能力的指标。
对于玻璃来说，由于其非晶态结构，其弹性模量较低，一般在50-90 GPa之间。
屈服强度则是材料在受力后开始发生塑性变形的临界点。
对于玻璃来说，由于其分子结构的不规则性，其屈服强度较低，一般在50-150 MPa之间。
这也是为什么玻璃容易破碎的原因之一。
然而，尽管玻璃具有较低的弹性模量和屈服强度，它却具有较高的断裂韧度。
断裂韧度是衡量材料在受力后抵抗断裂的能力的指标。
对于玻璃来说，由于其非晶态结构，其断裂韧度较高，一般在0.5-1.5 MPa·m^0.5之间。
这意味着玻璃在受到外力作用时，能够相对较好地抵抗断裂，而不会立即破碎。
研究玻璃材料的断裂韧度是一个重要的课题，因为它对于玻璃的使用和应用具有重要意义。
在建筑和工程领域，玻璃常被用作窗户和墙体材料。
在这些应用中，玻璃需要具备一定的断裂韧度，以抵抗外界的冲击和压力。
因此，研究如何提高玻璃的断裂韧度，是一个备受关注的课题。
目前，研究者们采用了多种方法来提高玻璃的断裂韧度。
其中一种方法是添加强化剂。
强化剂可以改变玻璃的分子结构，增加其断裂韧度。
例如，添加氧化锆等强化剂可以显著提高玻璃的断裂韧度。
另一种方法是采用热处理技术。
通过热处理，可以使玻璃分子结构发生变化，从而增加其断裂韧度。
此外，还有一些新型材料的研究，如金属玻璃和有机玻璃等，这些材料具有更高的断裂韧度和力学性能。
玻璃的力学性能
第5章玻璃的机械性能及热学性能5.1玻璃的机械性能玻璃的机械性能主要包括：玻璃的机械强度、玻璃的弹性、玻璃的硬度和脆性以及玻璃的密度等。
对玻璃的使用有着非常重要的作用。
5.1.1玻璃的机械强度玻璃是一种脆性材料，它的机械强度可用耐压、抗折、抗张、抗冲击强度等指标表示。
玻璃之所以得到广泛应用，原因之一就是它的耐压强度高，硬度也高。
由于它的抗折和抗张强度不高，并且脆性较大，使得玻璃的应用受到一定的限制。
为了改善玻璃的这些性能，可采用退火、钢化（淬火）、表面处理与涂层、微晶化、与其它材料制成复合材料等方法。
这些方法中有的可使玻璃抗折强度成倍甚至十几倍的增加。
玻璃的强度与组成、表面和内部状态、环境温度、样品的几何形状、热处理条件等因素有关。
5.1.1.1理论强度与实际强度所谓材料的理论强度，就是从不同理论角度来分析材料所能承受的最大应力或分离原子（离子或分子等）所需的最小应力。
其值决定于原子间的相互作用及热运动。
玻璃的理论强度可通过不同的方法进行计算，其值大约为1010～1.5×1010Pa 。
由于晶体和无定形物质结构的复杂性，物质的理论强度可近似的按E x th •=σ计算。
E 为弹性模量，x 为与物质结构和键型有关的常数，一般为x =0.1～0.2。
按此式计算，石英玻璃的理论强度为1.2×1010Pa 。
表5-1列出一些材料的弹性模量、理论强度与实际强度的数据。
表5-1不同材料的弹性模量、理论强度与实际强度材料名称键型弹性模量E/Pa系数x 理论强度/Pa 实际强度/Pa 石英玻璃纤维玻璃纤维块状玻璃氯化钠有机玻璃钢离子—共价键离子—共价键离子—共价键离子键共价键金属键12.4×10107.2×10107.2×10104.0×10100.4～0.6×101020×10100.10.10.10.060.10.151.24×10100.72×10100.72×10100.24×10100.04～0.06×10103.0×10101.05×10100.2～0.3×10108～15×1070.44×10710～15×1070.1～0.2×1010由表5-1可看出，块状玻璃的实际强度比理论强度低得多，与理论强度相差2～3个数量级。
玻璃的基本性质
玻璃的基本性质一、玻璃的物理性能1.力学性能即机械性能玻璃的机械性能主要包括玻璃的机械强度、玻璃的弹性、玻璃的硬度、玻璃的脆性以及玻璃的密度等，对玻璃的使用有着非常重要的作用。
玻璃是一种脆性材料，它的机械强度可用耐压、抗折、抗张、抗冲击强度等指标表示。
玻璃之所以得到广泛应用，原因之一就是它的耐压强度高，硬度也高。
由于它的抗折和抗张强度不高，并且脆性较大，使得玻璃的应用受到一定的限制。
为了改善玻璃的这些性能，可采用退火、钢化（淬火）、表面处理与涂层、微晶化、与其他材料制成复合材料等方法。
这些方法中有的可使玻璃抗折强度成倍甚至十几倍地增加。
玻璃的强度与组成、表面和内部状态、环境温度、样品的几何形状、热处理条件等因素有关。
玻璃理论强度与实际强度。
所谓材料的理论强度，就是从不同理论角度来分析材料所能承受的最大应力或分离原子（离子或分子等）所需的最小应力，其值取决于原子间的相互作用及热运动。
玻璃的理论强度可通过不同的方法进行计算，其值大约为1010～1.5×1010Pa。
由于晶体和无定形物质结构的复杂性，物质的理论强度可近似地按σth=x·E计算。
E为弹性模量，x为与物质结构和键型有关的常数，一般为x=0.1～0.2。
按此式计算，石英玻璃的理论强度为1.2×1010Pa。
不同材料的弹性模量、理论强度与实际强度见下表：由上表可看出，块状玻璃的实际强度比理论强度低得多，与理论强度相差2～3个数量级。
块状玻璃实际强度这样低的原因，是由于玻璃的脆性和玻璃中存在有微裂纹（尤其是表面微裂纹）和内部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中所引起的（由于玻璃受到应力作用时不会产生流动，表面上的微裂纹便急剧扩展，并且应力集中，以致破裂）。
其中表面微裂纹对玻璃强度的影响尤为重要。
脆性是玻璃的主要缺点，使得它的抗冲击性能差，只相当于橡胶的1/3000。
在实际运用中经常受到弯曲、拉伸和冲击应力，所以要充分考虑其抗拉强度和脆性指标。
三玻璃断裂力学及玻璃结构
第三章玻璃、断裂力学及玻璃结构第一节玻璃玻璃是一种均质的材料,一种固化的液体,分子完全任意排列。
由于它是各种化学键的组合,因此没有化学公式.玻璃没有熔点，当它被加热时，会逐渐从固体状态转变为具有塑性的黏质状态，最后成为一种液体状态。
与其他那些因测量方向不同而表现出不同特性的晶体相比，玻璃表现了各向同性，即它的性能不是由方向决定的。
当前用于建筑的玻璃是钠钙硅酸盐玻璃。
生产过程中,原材料要被加热到很高的温度，使其在冷却前变成黏性状态，再冷却成形。
3.1。
1玻璃的力学性能常温下玻璃有许多优异的力学性能：高的抗压强度、好的弹性、高的硬度，莫氏硬度在5～6之间,用一般的金属刻化玻璃很难留下痕迹，切割玻璃要用硬度极高的金刚石.抗压强度比抗拉强度高数倍。
常用玻璃与常用建筑材料的强度比较如下:3.1。
2玻璃没有屈服强度。
玻璃的应力应变拉伸曲线与钢和塑料是不同的，钢和塑料的拉伸应力在没有超过比例极限以前,应力与应变呈线性直线关系,超过弹性极限并小于强度极限，应变增加很快，而应力几乎没有增加，超过屈服极限以后，应力随应变非线性增加，直至钢材断裂。
玻璃是典型的脆性材料，其应力应变关系呈线性关系直至破坏，没有屈服极限,与其它建筑材料不同的是：玻璃在它的应力峰值区，不能产生屈服而重新分布,一旦强度超过则立即发生破坏。
应力与变形曲线见下图。
图3—1 应力与变形拉伸曲线3。
1。
3玻璃的理论断裂强度远大于实际强度。
玻璃的理论断裂强度就是玻璃材料断裂强度在理论上可能达到的最高值，计算玻璃理论断裂强度应该从原子间结合力入手，因为只有克服了原子间的结合力,玻璃才有可能发生断裂。
Kelly在1973年的研究表明理想的玻璃理论断裂强度一般处于材料弹性模量的1/10～1/20之间，大约为0。
7×104 MPa，远大于实际强度，在实际材料中，只有少量的经过精心制作极细的玻璃纤维的断裂强度,能够达到或者接近这一理论的计算结果。
断裂强度的理论值和建筑玻璃的实际值之间存在的悬殊的差异,是因为玻璃在制造过程中不可避免的在表面产生很多肉眼看不见的裂纹，深度约5μm，宽度只有0。
玻璃工艺学3玻璃的力学性能
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
19
第三节 玻璃的力学性能
(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) 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
2
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=
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
* 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。
玻璃工艺学
18
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
玻璃工艺学
21
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↑。
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第三节
玻璃的力学性能
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
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。
玻璃工艺学
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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
>K2O >Na2O >PbO
玻璃工艺学
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第三节
玻璃的力学性能
(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
玻璃工艺学
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第三节
玻璃的力学性能
=
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
玻璃的力学性能
* 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
玻璃工艺学
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第三节
玻璃的力学性能
(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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第三节
玻璃的力学性能
玻璃工艺学 5
σ
第三节
玻璃的力学性能
(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↑。
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
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第三节
玻璃的力学性能
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 ↓
玻璃工艺学
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玻璃工艺学
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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＋
玻璃工艺学
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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
玻璃工艺学
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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？
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
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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 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）
玻璃工艺学 9
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=σ/ε 一般
ε相对纵向变形
E = 441×108~882×108 帕
玻璃工艺学 10
(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 19
第三节 (二) 密度的影响因素： 1.化学组成
玻璃的力学性能
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。
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
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
如石英玻璃纤维的强度可达1.05×1010Pa。
玻璃工艺学 6
第三节 石英玻璃强度最高 加入RO，强度↓ 加入R2O，强度↓↓
玻璃的力学性能
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。
* 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。
玻璃工艺学 13
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
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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。
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。
玻璃工艺学
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第三节
玻璃的力学性能
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
F (抗张) = 34.3~83.3×106 Pa
玻璃工艺学 3
第三节
玻璃的力学性能
(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
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
玻璃的力学性能
* 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
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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第三节
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* 硼铝反常（铝硼硅酸盐）
(Na2O–Al2O3) B2O3