三 、玻璃断裂力学及玻璃结构
玻璃结构 断裂力学
玻璃结构断裂力学玻璃是一种无定形非晶体材料，具有优良的透明性、硬度和化学稳定性。
然而，由于其特殊的结构和性质，玻璃在受力时容易发生断裂。
断裂力学是研究材料在外力作用下破裂行为的学科，对于理解和预测玻璃结构的断裂行为至关重要。
本文将从玻璃的结构特点、断裂模式和影响因素等方面，探讨玻璃结构的断裂力学。
1.玻璃结构的特点玻璃是由氧化硅（SiO2）等物质组成的非晶体材料，其分子结构呈无序排列。
与晶体结构不同，玻璃没有周期性的长程有序性，而是存在着短程有序性。
这使得玻璃具有以下几个特点：无定形性：玻璃没有明确的晶体结构，其分子排列呈现无规则状态，因此具有无定形性。
高密度：玻璃分子之间没有明显的间隙，使得玻璃具有较高的密度。
脆性：玻璃的分子结构较为紧密，分子之间的结合力较强，导致其在受到外力作用时容易发生断裂。
2.玻璃的断裂模式玻璃在受到外力作用时，会产生不同的断裂模式。
常见的玻璃断裂模式包括以下几种：纵向断裂：纵向断裂是指沿着玻璃的长度方向发生的断裂。
这种断裂模式通常出现在拉伸或拉曼光谱中，当外力超过了玻璃的抗拉强度时，玻璃会发生纵向断裂。
横向断裂：横向断裂是指垂直于玻璃的长度方向发生的断裂。
这种断裂模式通常出现在弯曲或冲击载荷下，当外力作用使得玻璃产生弯曲或扭曲时，玻璃会发生横向断裂。
切割断裂：切割断裂是指在玻璃表面形成一条明显的切口，并且该切口延伸到内部，导致玻璃断裂。
这种断裂模式通常发生在玻璃受到切割或刮擦作用时。
3.影响玻璃断裂的因素玻璃的断裂行为受到多种因素的影响，以下是几个主要因素：结构缺陷：玻璃结构中存在各种缺陷，如孔洞、夹杂物等。
这些结构缺陷会导致应力集中，并且容易成为断裂的起始点。
温度：温度对玻璃的断裂行为有着显著影响。
通常情况下，玻璃在较低温度下更加脆性，而在较高温度下具有一定的韧性。
应力状态：玻璃在不同的应力状态下会表现出不同的断裂行为。
例如，在拉伸状态下，玻璃容易发生纵向断裂；而在压缩状态下，玻璃则更容易发生横向断裂。
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。
3-4.玻璃的结构
X＝ 每个多面体中非桥氧的平均数
Y＝ 每个多面体中桥氧的平均数
X Y Z X Y /2 R
X＝ R－ 2 Z Y＝ Z－ R 2 2
3. Y-结构参数。 玻璃的很多性质取决于Y值。Y<2 时硅酸盐玻璃 就不能构成三维网络，又称Y为结构参数。 在形成玻璃范围内： Y增大，网络紧密，强度增大，粘度增大，膨胀 系数降低，电导率下降。
33.3Na2O-66.7SiO2玻璃的红外反射光谱
•
2）马托西等 研究了结晶氧化 硅和玻璃态氧化 硅在3-26µm的波 长范围内的红外 反射光谱。结果 表明玻璃态氧化 硅和晶态石英的 反射光谱在 12.4µm处具有同 样的最大值,这种 现象可解释为反 射物质的结构相 同.
33.3Na2O-66.7SiO2玻璃的红外反射光谱
1373
220
(1)石英玻璃(SiO2) Z=4
X=2R-Z=2×2－4＝0 Y＝2Z-2R=2(4-2)=4 (2)Na2O.2SiO2 Z=4 R=(1+2×2)/2=5/2
R=O/Si=2
X=2R-Z=2×5/2பைடு நூலகம்4＝1
Y＝2(Z-R)=2(4－5/2)=3 (3) Na2O.SiO2(水玻璃) Z=4 X＝2 (4) 2Na2O.SiO2 Y＝2 Z＝4 R＝4 R＝3
典型玻璃的网络参数X，Y和R值 组成 SiO2 Na2O· 2SiO2 R 2 2.5 2 3 2.5 X 0 1 0 2 1 Y 4 3
瓦伦对玻璃的x衍射图
1) 玻璃的衍射峰与方石英的特征谱线重合， 这使得一些学者认为玻璃中存在极小的方石英的 晶体， 由于石英玻璃和方石英的特征谱线重合， 而瓦伦认为石英玻璃和方石英中原子间距大致一 致，导致了石英玻璃和方石英的特征谱线重合， 峰值的存在并不说明晶体的存在。计算出石英玻 璃如有晶体，其晶体的尺寸也只有7.7A0，方石英 晶胞的尺寸为7.0A0，因此石英玻璃的晶子在此失 去意义。 2)石英玻璃中没有象硅胶一样的小角度衍， 从而说明玻璃是一种密实体，结构中没有不连续 的离子或空隙。(此结构与晶子假说的微不均匀性 相矛盾。)
3-3 玻璃的结构
参见P73表4-4中O/Si对硅酸盐网络结构的影响。
O/Si
2
硅氧结构
网络(SiO2) 网 络
四面体[SiO4]状态
Si
2~2.5
Si
O
Si
2.5
网
络
Si
2.5~3.0 网络和链或环
Si
O
Si
O/Si
硅氧结构 链或环
四面体[SiO4]状态
Si
3.0
3.5
4.0
群状硅酸盐离子团
Si
O
Si
岛状硅酸盐
氧化硼玻璃的结构：
(1) 从B2O3玻璃的RDF曲线证实，存在以三角 体([BO3]是非常扁的三角锥体，几乎是三角形) 相互连结的硼氧组基团。
(2) 按无规则网络学说，纯B2O3玻璃的结构可 以看成由[BO3]无序地相连而组成的向两度空 间发展的网络(其中有很多三元环)。
B-O键能498kJ/mol,比Si-O键能444kJ/mol 大，但因为B2O3玻璃的层状或链状结构的特性， 任何 [BO3]附近空间并不完全被三角体所充填， 而不同于[SiO4]。
无规则网络学说
晶 子 学 说
一、 无规则网络学说（Zachariasen）
1、实验 瓦伦对玻璃的x-衍射图
(1)说明：a . 由于石英玻璃和方石英的特征谱线 重合，瓦伦认为石英玻璃和方石英中原子 间距大致一致。峰值的存在并不说明晶体 的存在。计算晶体的尺寸：7.7A0， 方石 英晶胞的尺寸：7.0A0。 b：石英玻璃中没有象硅胶一样的小角度衍射， 从而说明是一种密实体，结构中没有不连 续的离子或空隙。(此结构与晶子假说的微 不均匀性相矛盾。)
玻璃结构研究的历史
加入 R2O 或RO
玻璃结构
钠硅玻璃结构示意图
4
第三阶段
随着研究的深入两个学说都存在问题。第一、对玻璃中晶子的大小和 数量有异议。第二、晶子的化学成分没得到合理的确定。经过争论和 研究在1953年第二届全苏玻璃结构会议上统一了两个学派，即认为 “玻璃是具有进程有序区域的无定形物质”。这里肯定了玻璃是不均 的无定形物质，但没有明确指出不均匀结构的程度和特征、化学不均 匀性等。
2011-11-14
5
化学不均匀
在对Na2O-B2O3-SiO2的研究中认识到这种玻璃具有化学不均匀性。 一种观点认为在对于含SiO260%~80%, 含B2O3为20%~35%,含 Na2O<10%的玻璃一定条件下热处理后，可分为两个不同的相，再 经酸腐蚀，含硼酸钠被腐蚀掉成为蜂窝状母体，形成多孔玻璃。而另 一种观点则否认这一观点，认为多孔玻璃并不是由于玻璃中存在两种 不同的玻璃相而是认为当酸浸沥时气孔形成是在酸对充分均匀初始玻 璃的作用发生的。这一争论直到1959年Poriai等人得到起始钠硼硅酸 盐玻璃的首批X射线小角散射的衍射图样，证明玻璃化学不均匀结构 后才停止。 在1961年用同样的方法证明某些复杂玻璃的化学不均 匀性。使得化学不均匀性是玻璃结构模型的一个重要方面这样一个观 点得到加强，玻璃结构理论的研究上升到了一个新的水平。
图 1 硅酸盐玻璃随温度的变化曲线
无规则网络假说
1932年查哈里阿森根据结晶化学的概念提出了“无规则网络假说”。 即凡是成为玻璃态的物质与相 应的晶体结构一样，也是由离 子多面体构筑的一个三维空间 网络。不同之处在于，玻璃中 的离子多面体无排列的周期性 。网络学说强调了玻璃中多面 体构成的三维网络的均匀性、 连续性及无序性。 在无机氧化物组成的玻璃中， 网络是有氧离子多面体结构连 接而成，其二维空间示意如右 图。瓦伦利用X射线小角衍射 技术，证实了方石英玻璃中没 有小角度散射，又用傅里叶分 析法将实验获得的衍射强度曲 线换算成围绕某一原子的径向 分布曲线，从而证实在每个硅 离子的配位数为4.3.
3-2玻璃及玻璃的结构
IV
IV
IV u IV
(A)
T
析晶区
(B)
T
2、IV和 u两曲线重叠区，称析晶区，在此区域内，IV和 u
都有一个较大的数值，既有利成核，又有利生长。
u u
IV
IV
IV u IV
(A)
T
析晶区
(B)
T
3、两侧阴影区为亚稳区。左侧T 太小，不可能自发成
结
论
玻璃没有固定熔点，玻璃加热变为 熔体过程也是渐变的。
★玻璃转变温度Tg是区分玻璃与其它非晶态 固体的重要特征。 ★传统玻璃：TM>Tg 传统玻璃熔体与玻璃体 的转变是可逆的， 渐变的。
★非传统玻璃(无定形物质)：TM<Tg 二者的转变 不可逆。用气相沉积等方法 制得的Si、Ge、Bi 等无定形薄膜在加热到Tg之前就会产生析晶相 变，宏观特性上也有一定差别。
2、Uhlmann观点：
• • 确定玻璃中可以检测到的晶体的最小体积(V /V＝10－6 )； 考虑熔体究竟需要多快的冷却速率才能防止此结晶量的产 生，从而获得检测上合格的玻璃。
根据相变动力学理论，对均匀成核，在时间t内单位体积的 V /V ，可用Johnson-Mehl-Avrami式来描述。
上节课主要内容
一、熔体的特点
① 熔体和玻璃的结构相似；
② 结构中存在着近程有序区。
二、聚合物的形成 初期：石英颗粒的分化； 中期：缩聚反应并伴随聚合物的变形； 后期：在一定温度(高温)和一定时间(足够长) 下达到聚合 解聚平衡。
三、熔体的粘度与温度的关系
1.T 小聚物数量 E E T － ＝0 exp( ) kT
玻璃材料的力学性研究
玻璃材料的力学性研究玻璃是现代工业中不可或缺的一种材料，广泛应用于建筑、航空、汽车等领域中。
在这些领域中，玻璃材料需要承受各种各样的力，包括拉伸、压缩、弯曲等力。
因此，对玻璃材料的力学性质进行研究是非常重要的。
首先，我们来了解一下玻璃的弹性模量。
弹性模量是一种衡量材料弹性性质的物理量，可以用来描述材料在承受外力的情况下发生形变时的抵抗能力。
对于玻璃这种非晶体材料，它的原子结构并不具有周期性。
因此，在弹性模量的测量和计算中，必须考虑到玻璃中的无序性。
研究表明，玻璃的弹性模量与它的化学成分、结构和组成方式等因素密切相关。
例如，铝硅酸盐玻璃的弹性模量通常比硼硅酸盐玻璃高，因为它的化学键结构更紧密。
接下来，我们来看一下玻璃材料的断裂性质。
玻璃材料通常是脆性材料，一旦经受到足够大的外力，就会出现断裂现象。
因此，了解玻璃材料的断裂强度和断裂韧性等性质，对于其在实际应用中的安全性和稳定性至关重要。
关于玻璃材料的断裂性质，学界一直存在着一些争议。
一些研究表明，玻璃材料的断裂强度与其化学成分、加工方式等因素密切相关。
例如，在同一组成下，钠玻璃的断裂强度通常比硼硅酸盐玻璃的断裂强度更高。
同时，玻璃材料的断裂韧性也受到其初始缺陷的影响，通常情况下，玻璃材料的初始缺陷越小，其断裂韧性越高。
此外，玻璃材料的疲劳性质也是一个值得研究的领域。
在实际应用中，玻璃材料通常需要承受多次变形和外力作用，这可能会导致其疲劳性能的下降或失效。
因此，对于玻璃材料的疲劳性能进行研究和评估，有助于提高其使用寿命和可靠性。
目前，研究发现，玻璃材料的疲劳性能与其内部无序结构、化学成分、温度和湿度等因素密切相关。
一些研究也表明，将玻璃材料暴露在高温下可以改善其疲劳性能。
总之，玻璃材料的力学性质是研究玻璃材料的重要领域之一。
对于玻璃材料的弹性模量、断裂性质和疲劳性能等方面进行深入研究，可以为玻璃材料在各个领域中的应用提供技术和理论支持，有助于提高玻璃材料的可靠性和安全性。
玻璃结构及性质
T越大，即温度越低，对应的rc越小
影响临界晶核的半径的因素是T
2、玻璃形成的动力学条件
理论分析： 晶核生成速率N正比于 其中 称为临界晶核形成功，u为扩散激活能。
1.2 a
（A）晶核形成速率N 过冷度对成核速率的影响
玻璃体形成的条件
2、玻璃形成的动力学条件
2
3
玻璃体形成的条件
单击添加标题
01.
1、玻璃形成的热力学观点
Tg
ΔGv越大析晶动力越强，越不容易形成玻璃。 ΔGv越小析晶动力越弱，越容易形成玻璃。
玻璃
晶体
ΔGa
ΔGv
SiO2 ΔGv=2.5; PbSiO4 ΔGv=3.7 Na2SiO3 ΔGv=4.6 玻璃化的能力： SiO2> PbSiO4 > Na2SiO3
2、玻璃形成的动力学条件
玻璃体形成的条件
02
容易形成玻璃的结晶动力学曲线
03
2玻璃形成的动力学分析
01
N，C
04
2、玻璃形成的动力学条件
不同材料的N与C和过冷度关系曲线的形状及过冷温度范围可以有很大区别。
对于金属材料，u一般较小.u小则扩散容易，一旦形核，将迅速长大，在曲线上升阶段，材料的结晶就已经完成,故金属材料结晶能力非常强，很难形成非晶态。 (若冷却速度足够快，金属与合金也可获得非晶态固体)
玻璃体形成的条件
2玻璃形成的动力学分析
2、玻璃形成的动力学条件
3）易形成玻璃的材料，如 等： u值很大，扩散困难，晶核难长大。在高温才会有较大生长速率。 在过冷度不大时 较大，很难形成核. 在低温下易于形成晶核。 结果： 晶体生长速率C与晶核生成速率N曲线分开。 4) 只有在两条曲线相交的阴影部分才是容易结晶的区域，但这两者又都很小。因此这类物质容易成为玻璃体。
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。
玻璃的结构与性质课件
Δ= nF - nC
– 相对部分色散 γ= nD -1 nF - nC
3. 玻璃的反射、吸收与透过
• 玻璃的反射：与玻璃表面的光滑程度、光的入射角、
频率及玻璃的折射率有关
– 当入射角为90°时，
•
玻– 璃R—对反光射的率吸收与透过遵循兰比尔R =定律nn
+
1 1
2
• 式中 T—透光率 I—进入玻璃中的入射光强度 （扣除反射部分）
– 影响玻璃机械强度的主要因素： • 化学组成 – 提高抗张强度的顺序 CaO>B2O3>BaO>Al2O3>PbO> Na2O > (MgO, k2O) – 提高抗压强度的顺序 SiO2 > (Al2O3,MgO) > As2O5>B2O3 > PbO>CaO
• 玻璃中的缺陷
– 缺陷与玻璃的熔化过程密切相关
A=-1.4788Na2O+0.8350K2O+1.6030CaO+5.4936MgO-1.5183Al2O3+1.4550 B=-6039.7Na2O-1439.6K2O-3919.3CaO+6285.3MgO+2253.4Al2O3+5736.4 T0=-25.07Na2O-321.0K2O+544.3CaO+384.0MgO+294.4Al2O3+198.1
3.3.5玻璃的化学稳定性
1.玻璃表面的侵蚀机理 （1）水
第一步 离子交换过程
第二步S水i-O解-N过a+程+H+OH-பைடு நூலகம்
Si-OH+NaOH
第三步 Si-中OH和+H过OH程
玻璃的力学性能及热学性能等
4）、玻璃密度可以根据组成氧化物含量进 行计算。
3.1 玻璃的力学性质
3 密度与温度及热历史的关系
随温度升高，密度下降。
同成份玻璃的热历史不同，密度差别较大，如 退火和淬火玻璃… 4 密度与压力及析晶的关系
在常压下不受压力的影响。当承受100－ 200*108Pa时，密度变大并保持，当在Tg附 近时，才恢复正常值。
3.1 玻璃的力学性质
th 1010 : 1.5 1010 Pa
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1㎜2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。
2 玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）
3.1 玻璃的力学性质
3.1.2 玻璃的弹性（熟悉） 1 概念 2 弹性模量与成分的关系 3 弹性模量与热处理的关系 4 弹性模量与温度的关系
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。
塑性：…如外力去掉后仍停留在完全或部分
变形状态。
应力
玻璃的弹性
弹性模量E
E
表5－4
• 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
3 脆性概念
第五章-玻璃的力学性能及热学性能
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
5.1.4.3 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、
0.1
0.72×1010
8~15×107
氯化钠
离子键
4.0×1010
0.06 0.24×1010
0.44×107
有机玻璃
共价键
0.4~0.6×1010 0.1
0.04~0.06×1010 10~15×107
钢
金属键
20×1010
0.15 3.0×1010
0.1~0.2×1010
块状玻璃的实际强度与理论强度相差2~3个数量级。 原因：玻璃的脆性、玻璃中存在微裂纹（尤其是表
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。
玻璃中的应力
玻璃中的残余应力，特别是分布不均匀的残余应 力，使强度大为降低。
H 1.854P L2
玻璃的硬度主要取决于化学成分和结构。一般来说：
网络生成离子使玻璃硬度增加，网络外体离子使玻璃硬 度降低。
硼反常、硼铝反常、压制效应在硬度-组成关系中同样存 在。
硬度随阳离子的配位数的增加而增大。
玻璃的硬度还与温度、热历史有关。
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。
建筑玻璃的断裂力学
建筑玻璃的断裂力学1断裂本质玻璃断裂是以裂纹在玻璃中扩展为基本前提，分析裂纹尖端应力集中区域的应力和应变场分布，研究裂纹的生长、扩展、最后导致断裂的过程和规律以及抑制某些裂纹扩展、防止断裂的条件，为玻璃应用提供有力判断依据。
2强度与断裂力学玻璃强度对断裂特征有着重大的影响。
断裂应力值域直接影响着玻璃裂纹形态的形成，而裂纹形态是一系列传播扩展的裂纹与玻璃物理表面相交的总合。
这是因为玻璃强度决定玻璃中储存的弹性应变能，弹性应变能推动断裂中的裂纹扩展，其与玻璃强度（σ）成方比，如钢化玻璃的σ1是90 MPa，普通玻璃的σ2是6 MPa，则同样单位面积的弹性应变能钢化玻璃是普通玻璃的225倍。
玻璃原片一般分为外层与内层，玻璃应力也分为压应力与张应力，玻璃外层分布压应力，玻璃内层分布张应力。
如图1所示，玻璃外层压应力区间分布于玻璃两侧的0.2t，张应力区间分布于玻璃中心的0.6t。
无论是普通玻璃还是钢化玻璃，其应力分布在厚度上均遵循这一分布关系，但应注意其应力大小不同。
同样，不同配方比例下的钠钙硅玻璃，压应力与张应力大小有变化，但分布大致遵循0.2t-0.6t-0.2t规律。
图1玻璃应力厚度分布3格里菲斯方程与I型断裂根据格里菲斯方程，玻璃的断裂强度和屈服强度为式（1）、（2）：格里菲斯方程借鉴了穿晶断裂理论，论述系统自由能减少而引起的裂纹生长扩展。
假设玻璃含有一个半径为α的穿透性裂纹，原先受外力σ的作用产生位移u y，然后两端夹紧固定，外力使之成恒位移状态。
由于玻璃外力等于零，裂纹扩展所需能量全部由贮存的应变能释放来提供。
系统的弹性应变能是其固有裂纹大小和外力大小的函数。
随着裂纹扩展，单位面积所释放的弹性应变能率∂u E大于伴随着裂纹扩展单位面积所需的表面能增量∂u s，裂纹就失稳扩展。
当半径为α的裂纹扩展∂α、弹性应变能释放率与表面能增量之间达到平衡，称之为裂纹扩展的临界条件。
玻璃裂纹在受到张力作用时，裂纹尖端区域的应力线密度随着应力的加大和裂纹的增长而提高。
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0.01到0.02μm，每mm2面积有几百条，又称格里菲思裂纹,见图3-2、图3-3。
玻璃易炸裂的科学原理是什么
玻璃易炸裂的科学原理是什么玻璃易炸裂的科学原理是什么？玻璃是一种广泛使用的材料，由于其透明、耐候、绝缘、耐腐蚀等优点，被广泛应用于建筑、汽车、家居等领域。
然而，我们也经常听说玻璃会因为一些原因而炸裂。
那么，玻璃易炸裂的科学原理是什么呢？玻璃易炸裂的主要原因是由于热胀冷缩造成的应力集中。
当玻璃受到热量或冷却过程中的温度变化时，玻璃会发生胀缩，从而产生内部应力。
而玻璃的热胀冷缩系数相对较大，当温度变化剧烈时，这些应力可能会超过玻璃的强度极限，导致玻璃破裂。
首先，让我们来了解一下玻璃的基本组成和结构。
玻璃是由硅、钠、钾、铝、镁等元素经过高温熔融后快速冷却而成的非晶体材料。
这种冷却方式使得原子无法排列成有序的晶体结构，形成了无序的玻璃结构。
由于无序的结构，玻璃的熔点较低，并且具有较高的抗拉强度和抗压强度。
然而，玻璃的强度仍然是有限的，如果受到超出其强度极限的应力，就会产生破裂。
温度变化是导致玻璃破裂的常见原因之一。
当玻璃受到热量或冷却过程中的温度变化时，玻璃内部不同部位的温度也会有所差异。
不同部位的温度差异会导致玻璃发生热胀冷缩，从而产生内部应力。
温度变化越剧烈，热胀冷缩产生的应力也会越大。
如果这些应力超过了玻璃的强度极限，玻璃就会炸裂。
另外，玻璃本身的不均匀性也是导致炸裂的重要原因之一。
玻璃在制造过程中，可能会存在一些缺陷，如气泡、拉丝痕迹、晶化等。
这些缺陷会影响玻璃的强度和稳定性，使得玻璃更容易破裂。
当玻璃受到温度变化等外界因素的作用时，这些缺陷会成为应力集中的起始点，进一步加剧玻璃破裂的可能性。
此外，玻璃的厚度也会影响其破裂的概率。
较薄的玻璃由于内部应力相对较小，能够更好地适应温度变化，因此较不容易破裂。
而较厚的玻璃由于更大的体积，内部应力也会更大，容易产生破裂。
综上所述，玻璃易炸裂的主要科学原理是热胀冷缩造成的应力集中。
当玻璃受到热量或冷却过程中的温度变化时，玻璃会产生内部应力。
如果这些应力超过了玻璃的强度极限，玻璃就会破裂。
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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0.01到0.02μm，每mm2面积有几百条，又称格里菲思裂纹,见图3-2、图3-3。
至使断裂强度的理论值远大于实际值。
1913年Inglis提出应力集中理论，指出截面的急剧变化和裂纹缺陷附近的区域将产生显著的应力集中效应，即这些区域中的最大拉应力要比平均拉应力大或者大很多。
对于韧性材料，当最大拉应力超过屈服强度之后，由于材料的屈服效应使应力的分布愈来愈均匀，应力集中效应下降；对玻璃这样的脆性材料，高度的应力集中效应保持到断裂时为止，所以对玻璃结构除了要考虑应力集中效应之外，还要考虑断裂韧性。
图3-2 玻璃表面裂纹图3-3 玻璃表面的格里菲思裂纹3.1.4玻璃断裂的特点。
1)、断裂强度大小不一，离散度很大，见图3-5。
2)、由于拉应力作用，断裂一般起源于玻璃表面。
3)、断裂强度与裂纹深度有直接关系，见图3-6。
4)、断裂强度与荷载的持续时间有一定的关系，见图3-7。
图3-4 a、b、c是玻璃表面裂纹程度不同的三种玻璃(直方图) (正态分布图) (累加频率图)图3-5 玻璃断裂强度统计分析图图3-6 玻璃断裂强度与裂纹深度关系图3-7 玻璃断裂强度与荷载时间关系3.1.5玻璃的统计力学强度。
玻璃的断裂强度离散性大，强度的测定与测试条件(如加载方式、加载速率、持续时间等)密切相关。
很多国家往往采用统计分析方法推断出玻璃强度的估算公式，通常将几百片玻璃破坏的试验结果进行统计处理，求出平均值和标准差，推断玻璃的力学强度，给出设计安全系数与失效关系如下：第二节玻璃的断裂力学3.2.1 概述在传统的强度计算中，构件看成不带裂纹的连续体，并以工作应力和许用应力或以应力设计值和材料强度设计值相比较来判断构件的强度，实践证明对一般结构，这种传统的方法是可靠的，但对像玻璃这样的脆性材料，可靠性是不够的，研究玻璃结构的安全使用问题，必须从玻璃材料不可避免地存在裂纹这一客观的事实出发，既要考虑裂纹应力集中的效应，又要考虑玻璃材料的断裂韧性，早在二十世纪二十年代，格里菲思(Griffith) 对玻璃低应力脆断的理论分析，提出了玻璃的实际强度取决于裂纹扩展应力的著名论点，创立了玻璃断裂力学，即线弹性断裂力学。
随后发展的弹塑性断裂力学在导弹、飞机、原子能、桥梁、大型锻焊件等结构得到了成功的应用，显示了断裂力学强大的生命力。
研究裂纹尖端附近的应力、位移以及裂纹扩展规律的力学，称为断裂力学。
玻璃构件的断裂是由于其中存在裂纹并在一定应力水平下扩展而导致的。
在发生脆性断裂前，除了裂纹端部附近的很小范围外，材料均处于弹性状态，可按线弹性理论来分析应力和变形，称之为“线弹性断裂力学”。
二十世纪五十年代，采用复变函数分析方法，对裂纹端部的应力与变形进行研究，发现应力场的水平只与参数K1(张开型裂纹) 有关，称此为应力强度因子。
玻璃结构一般为有限宽度的薄板，表面裂纹呈非贯穿性，按照断裂力学的分析方法，笔者推荐玻璃结构K1的估算式为：K1 =1.1×σn×a1/2——（1）σn 裂纹所在平面上净截面的平均应力a 表面裂纹深度K1应力强度因子断裂韧度及断裂判据。
断裂力学的试验表明：对于一定厚度的玻璃，当应力强度因子达到某一临界值，裂纹即迅速扩展(称为失稳扩展)而导致玻璃结构脆性断裂，这就更进一步证明用应力强度因子来描述裂纹尖端的受力程度，是客观反映了玻璃结构脆性断裂的本质。
使裂纹发生失稳扩展的临界应力强度因子值，称为材料的断裂韧度，以K1c表示，玻璃结构脆性断裂的判据：K1＝K1C，——（2）；当K1 ＜K1C玻璃不断裂；当K1＝K1C玻璃断裂。
K1C是材料固有的一种力学性质，根据文献一《Construire en verre》，笔者推算浮法玻璃的K1C≈1×105 N m-3/2。
3.2.2几点应用3.2.2.1理想玻璃的强度为什么大？根据第一节中(1) 、(2) 式得：a＝(K1C/1.1×σn)2 ———(3) 浮法玻璃的K1C＝1×105Nm-3/2，理想玻璃的σn＝0.7×1010Nm-2, 代入(3) 式，理想玻璃的表面裂纹的深度为：a理＝(1×105Nm-3/2/0.7×1010N m-2)2≈2×10-10m＝0.2nm理想玻璃的表面裂纹深度比纳米还低一个数量级，达到原子级尺寸水平，即理想玻璃无宏观裂纹。
3.2.2.2浮法玻璃的强度为什么小？根据第一节中(1) 式得：σn＝K1C/1.1a1/2—— (4)若：浮法玻璃表面裂度深度a＝5×10-6m，浮法玻璃的断裂韧度K1C＝1×105N m-3/2代入(4) 式得：σn＝1×105N m-3/2/1.1×(5×10-6m)1/2≈40N/mm2这个数值和一般浮法玻璃的强度标准值相吻合，也就是说浮法玻璃的强度为什么比理想玻璃小很多，是因为一般的浮法玻璃表面有宏观裂纹，若表面裂纹的深度大于5×10-6m，则强度会更小。
玻璃的断裂应力为什么随温度的升高而有所回升？试验表明，当温度高于200℃，玻璃的强度随温度增加而回升，这在传统力学是很难理解的。
因为温度超过200℃，玻璃开始软化，根据断裂力学原理，裂纹尖端产生了屈服区，理论推算裂纹尖端屈服区的半径r0＝K12/2πσS2—— (5)温度越高，屈服强度越小，根据(5)式r0越大。
这相当于原来裂纹的深度a减少了r0 ，根据(4) 式得：σn＝K1C/1.1×(a－r0)1/2 ——(6)从(5) 、(6)式可看出，温度升高r0增大，a－r0减小，断裂应力σn增大。
3.2.2.3钢化玻璃的强度为什么高？钢化玻璃的生产方法：把玻璃加热到接近软化温度(不低于640℃) ，然后出炉进行快速冷却，使玻璃表面产生了压应力，玻璃表面的荷载拉应力σL和玻璃表面的压应力σU相抵消，降低了玻璃表面实际拉应力的水平，从而提高了玻璃的强度。
如图3-8。
图3-8 钢化玻璃的增强机理示意图一般钢化玻璃表面的预压应力σU＝70MPa，浮法玻璃的强度σf ＝50MPa，则钢化玻璃的强度σg＝σU＋σf＝120MPa。
σg/σf＝120MPa/50MPa＝2.4一般钢化玻璃的强度为浮法玻璃的4-5倍，因此，上述分析是不够的，还需附断裂力学的分析。
人们还发现用氢氟酸处理玻璃表面，会使玻璃强度大大堤高，这是由于氢氟酸的强腐蚀，使玻璃表面裂纹尖端发生钝化所致；同样，玻璃加热到高温时，表面裂纹的尖端也会发生钝化，相当于裂纹原来深度a减小为(a-r)，r为钝化半径，根据(4) 式可得：(σa–σu)/σf＝(a/a-r)1/2 (7)若a/(a-r)=8，钢化玻璃的强度可估算如下：σa= 81/2×σf＋σu≈2.83×50MPa＋70MPa=211.5MPa这和一般钢化玻璃的强度平均值相吻合。
3.2.2.4 JGJ102规范的玻璃强度对应的a是多少？JGJ102规范确定：12mm厚的浮法玻璃大面强度设计值f g=28N/mm2，边缘强度设计值f g1=19.5N/mm2，破坏概率为0.001，安全系数K2=1.785，则大面强度标准值f gk=50N/mm2，边缘强度标准值f gk1 =35N/mm2，根据(3) 式估算，分别对应表面裂纹深度a为：a=(K1C/1.1f gk)2=(1×105Nm-2/3/1.1×5×107Nm-2)2≈3μma1=(K1C/1.1f gk1)2=(1×105Nm-2/3/1.1×3.5×107Nm-2)2≈7μm 这基本和玻璃表面正常质量、磨边正常质量相当。
第三节玻璃结构设计3.3.1 玻璃幕墙结构安全设计玻璃幕墙工程技术规范(JGJ 102—96)中，玻璃幕墙结构安全设计采用了两种方法，即允许应力法和多系数法。
这两种方法的设计概念是根据全部结构(不考虑单个部件的作用) 无条件保证安全这一要求而产生的，称之为“安全寿命概念”。
由于玻璃的强度离散度大，脆性断裂前没有征兆，因而玻璃结构发生的事故是突发和偶然的，要求玻璃结构所有部件都是无条件的绝对保证安全是不现实的。
3.3.1.1剩余强度概念“剩余强度”的概念有三层意思：一是对整个结构而言，当组成该结构的一个或数个部件发生破坏时，尽管整个结构没有原来设计的最大承载能力，但不会发生结构的整体破坏，整体结构仍然具有可以接受的最低安全水平；二是最低安全水平维持的时间，要能够满足恢复整体结构达到正常安全水平的要求。