第五章-玻璃的力学性能及热学性能优秀PPT.ppt

第五章第五章玻璃的力学性能玻璃的力学性能及热学性能及热学性能主要内容主要内容l5.1 玻璃的力学性能玻璃的力学性能u5.1.1玻璃的机械强度玻璃的机械强度u5.1.2 玻璃的弹性玻璃的弹性u5.1.3 玻璃的硬度和脆性玻璃的硬度和脆性u5.1.4 玻璃的密度玻璃的密度l5.2玻璃的热学性能玻璃的热学性能u5.2.1 玻璃的热膨胀系数玻璃的热膨胀系数u5.2.2 玻璃的比热玻璃的比热u5.2.3 玻璃的导热性玻璃的导热性u5.2.4 玻璃的热稳定性玻璃的热稳定性5.1.1.1理论强度与实际强度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别原子（离子或分子等）料所能承受的最大应力或分别原子（离子或分子等）所需的最小应力。取决于原子间的相互作用及热运所需的最小应力。取决于原子间的相互作用及热运动。动。5.1.1 玻璃的机械强度玻璃的机械强度th=xE E：弹弹性模量性模量 X：为为与物与物质结质结构和构和键键型有关的常数，一般型有关的常数，一般为为0.10.2E：弹性模量：弹性模量：形成：形成单位新表面所做的功位新表面所做的功a：每一紧邻原子对的间距：每一紧邻原子对的间距材料名称材料名称键型键型弹性模量弹性模量E/Pa系数系数x理论强度理论强度/Pa实际强度实际强度/Pa石英玻璃纤维石英玻璃纤维离子离子-共价键共价键12.410100.11.2410101.051010玻璃纤维玻璃纤维离子离子-共价键共价键7.210100.10.7210100.20.31010块状玻璃块状玻璃离子离子-共价键共价键7.210100.10.721010815107氯化钠氯化钠离子键离子键4.010100.060.2410100.44107有机玻璃有机玻璃共价键共价键0.40.610100.10.040.0610101015107钢钢金属键金属键2010100.153.010100.10.21010不同材料的弹性模量、理论强度与实际强度不同材料的弹性模量、理论强度与实际强度l 块状玻璃的实际强度与理论强度相差块状玻璃的实际强度与理论强度相差23个数量级。个数量级。l缘由：玻璃的脆性、玻璃中存在微裂纹（尤其是表缘由：玻璃的脆性、玻璃中存在微裂纹（尤其是表面微裂纹）和内部不匀整区及缺陷的存在造成应力面微裂纹）和内部不匀整区及缺陷的存在造成应力集中。集中。5.1.1.2玻璃的断裂力学玻璃的断裂力学断裂力学的基本概念断裂力学的基本概念脆性断裂理论脆性断裂理论 假定在一个无限大的平板内有一椭圆形裂纹，它假定在一个无限大的平板内有一椭圆形裂纹，它与外力垂直分布，长度为与外力垂直分布，长度为2c，在确定应力，在确定应力的作用的作用下，此裂纹处的弹性应变能为：下，此裂纹处的弹性应变能为：而同时产生两个新裂口表面，相应的表面断裂能为：而同时产生两个新裂口表面，相应的表面断裂能为：因而在外力作用下，裂纹得以扩展的条件为：因而在外力作用下，裂纹得以扩展的条件为：得到：得到：这时的这时的相当于断裂相当于断裂应力力f，则：l玻璃材料的缺陷及裂纹的扩展玻璃材料的缺陷及裂纹的扩展l玻璃材料由于在其表面和内部存在着不同的杂质、玻璃材料由于在其表面和内部存在着不同的杂质、缺陷或微不匀整区，在这些区域引起应力的集中导缺陷或微不匀整区，在这些区域引起应力的集中导致微裂纹的产生。裂纹尖端处的应力超过临界应力致微裂纹的产生。裂纹尖端处的应力超过临界应力时，裂纹就快速分裂，使玻璃断裂。时，裂纹就快速分裂，使玻璃断裂。u玻璃断裂过程分为两个阶段：玻璃断裂过程分为两个阶段：u第一阶段主要是初生裂纹缓慢增长，形成断裂表面的镜面部第一阶段主要是初生裂纹缓慢增长，形成断裂表面的镜面部分；分；u其次阶段，随着初生裂纹的增长，次生裂纹同时产生和增长，其次阶段，随着初生裂纹的增长，次生裂纹同时产生和增长，在其相相互遇时形成以镜面为中心的辐射状碎裂条纹。在其相相互遇时形成以镜面为中心的辐射状碎裂条纹。从裂纹扩展过程中的能量平衡，推导出临界裂纹应力从裂纹扩展过程中的能量平衡，推导出临界裂纹应力c的一般式：的一般式：近似近似为：5.1.1.3 影响玻璃强度的因素影响玻璃强度的因素l化学键、化学组成化学键、化学组成u键强：桥氧，非桥氧键强不同；碱金属、碱土金键强：桥氧，非桥氧键强不同；碱金属、碱土金属键强也不同。属键强也不同。u键数：网络的疏密程度。键数：网络的疏密程度。u化学组成：不同组成的玻璃结构骨架不同。化学组成：不同组成的玻璃结构骨架不同。l表面微裂纹表面微裂纹l格里菲斯认为玻璃破坏时是从表面微裂纹起先；格里菲斯认为玻璃破坏时是从表面微裂纹起先；l据测定，据测定，1mm2玻璃表面上含有玻璃表面上含有300个左右的微裂纹；个左右的微裂纹；l微裂纹的存在使玻璃抗张、抗折强度仅为抗压强度微裂纹的存在使玻璃抗张、抗折强度仅为抗压强度的的1/101/15；l提高玻璃强度的两个途径：提高玻璃强度的两个途径：l削减和消退玻璃的表面缺陷；削减和消退玻璃的表面缺陷；l使玻璃表面形成压应力，以克服表面微裂纹的作用。使玻璃表面形成压应力，以克服表面微裂纹的作用。l微不匀整性微不匀整性l电镜视察玻璃中存在微相和微不匀整结构；电镜视察玻璃中存在微相和微不匀整结构；l结构中的微不匀整性降低了玻璃强度；结构中的微不匀整性降低了玻璃强度；l缘由：微相之间易生成裂纹，两相交界面间结合力缘由：微相之间易生成裂纹，两相交界面间结合力较弱，两相成分不同，热膨胀系数不同，产生应力。较弱，两相成分不同，热膨胀系数不同，产生应力。l玻璃中的宏观、微观缺陷玻璃中的宏观、微观缺陷l宏观缺陷：气泡、条纹、结石。因成分与主体玻璃宏观缺陷：气泡、条纹、结石。因成分与主体玻璃不一样，热膨胀系数不同而造成内应力；不一样，热膨胀系数不同而造成内应力；l微观缺陷：点缺陷、局部析晶、晶界。常在宏观缺微观缺陷：点缺陷、局部析晶、晶界。常在宏观缺陷的地方集中导致裂纹产生。陷的地方集中导致裂纹产生。l活性介质活性介质u活性介质指水、酸、碱、某些盐类等。活性介质指水、酸、碱、某些盐类等。u活性介质对玻璃表面的两种作用活性介质对玻璃表面的两种作用v一是渗入裂纹像楔子一样使裂纹扩展；一是渗入裂纹像楔子一样使裂纹扩展；v二是与玻璃起化学作用破坏结构。二是与玻璃起化学作用破坏结构。u活性介质中玻璃的强度降低。活性介质中玻璃的强度降低。u玻璃强度的测定最好在真空或液氮中进行，以免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。受活性介质的影响。l温度温度l低温顺高温对玻璃强度的影响是不同的；低温顺高温对玻璃强度的影响是不同的；l接近确定零度至接近确定零度至200，强度随温度上升而降，强度随温度上升而降低；低；l200为强度最低点；为强度最低点；l高于高于200，强度渐渐增大。，强度渐渐增大。l玻璃中的应力玻璃中的应力l玻璃中的残余应力，特殊是分布不匀整的残玻璃中的残余应力，特殊是分布不匀整的残余应力，使强度大为降低。余应力，使强度大为降低。l玻璃钢化后，表面产生匀整的压应力，内部玻璃钢化后，表面产生匀整的压应力，内部形成匀整的张应力，机械强度大大提高。形成匀整的张应力，机械强度大大提高。l玻璃的疲惫现象玻璃的疲惫现象l定义：常温下，玻璃的破坏强度随加荷速度或加荷定义：常温下，玻璃的破坏强度随加荷速度或加荷时间而变更。加荷速度越大或加荷时间越长，破坏时间而变更。加荷速度越大或加荷时间越长，破坏强度越小，短时间不会破坏的负荷，时间久了就可强度越小，短时间不会破坏的负荷，时间久了就可能破坏，这种现象称为玻璃的疲惫现象。能破坏，这种现象称为玻璃的疲惫现象。l定义：材料在外力作用下发生变形，外力去掉后能定义：材料在外力作用下发生变形，外力去掉后能复原原来形态的性质。复原原来形态的性质。l表征弹性的参数表征弹性的参数l弹性模量弹性模量 El剪切模量剪切模量 Gl泊松比泊松比 l体积压缩模量体积压缩模量 K5.1.2 玻璃的弹性玻璃的弹性5.1.2.1弹性模量与成分的关系弹性模量与成分的关系lE主要取决于内部质点间主要取决于内部质点间化学键的强度化学键的强度，同时也与，同时也与结构结构有关。质点间化学键的强度越大，变形越小，有关。质点间化学键的强度越大，变形越小，E就越大；玻璃结构越坚实，就越大；玻璃结构越坚实，E也越大。也越大。u键强：键强：与原子半径和价电子数有关。与原子半径和价电子数有关。E是原子序是原子序数的周期函数。同一族元素，随原子序数的递增数的周期函数。同一族元素，随原子序数的递增和原子半径的增大，和原子半径的增大，E降低。降低。与离子间的吸引力与离子间的吸引力 呈直线关系。呈直线关系。同一氧化同一氧化物处于高配位时物处于高配位时E比处于低配位时高。比处于低配位时高。结论结论：离子半径较大、电荷较低的离子不利于提：离子半径较大、电荷较低的离子不利于提高高E，相反有利于提高，相反有利于提高E。u结构：石英玻璃具有三维空间的架状结构，结构：石英玻璃具有三维空间的架状结构，E较较高，高，705.6108Pa；纯；纯B2O3玻璃具有层状结构，玻璃具有层状结构，E很低，仅很低，仅175108Pa。u 硼反常硼反常u 硼铝反常硼铝反常u 结论：结论：E的增减实质上反映了玻璃内部结构的的增减实质上反映了玻璃内部结构的变更。变更。5.1.2.2 弹性模量与温度的关系弹性模量与温度的关系大多数硅酸盐玻璃大多数硅酸盐玻璃E随温度上升而降低。随温度上升而降低。对于石英玻璃、高硅氧玻璃、派来克斯玻璃，对于石英玻璃、高硅氧玻璃、派来克斯玻璃，E与温度的关系出现反常，随温度上升而增加。与温度的关系出现反常，随温度上升而增加。5.1.2.3 弹性模量与热处理的关系弹性模量与热处理的关系l淬火玻璃比退火玻璃低，一般低淬火玻璃比退火玻璃低，一般低27%。l玻璃纤维（玻璃纤维（774.2108Pa）比块状玻璃）比块状玻璃（803.6108Pa）低。）低。l微晶化后微晶化后E增高，增高幅度主要取决于析出的主晶增高，增高幅度主要取决于析出的主晶相的种类和性质。相的种类和性质。5.1.3 玻璃的硬度和脆性玻璃的硬度和脆性5.1.3.1 玻璃的硬度玻璃的硬度硬度：固体材料反抗另一固体深化其内部而不产生残硬度：固体材料反抗另一固体深化其内部而不产生残余形变的实力。余形变的实力。表示方法：表示方法：莫氏硬度（划痕法）莫氏硬度（划痕法）显微硬度（压痕法）显微硬度（压痕法）研磨硬度（磨损法）研磨硬度（磨损法）刻化硬度（刻痕法）刻化硬度（刻痕法）l一般玻璃用显微硬度表示。方法：利用金刚石正方一般玻璃用显微硬度表示。方法：利用金刚石正方锥体以确定负荷在玻璃表面打入压痕，测量压痕对锥体以确定负荷在玻璃表面打入压痕，测量压痕对角线的长度。角线的长度。l玻璃的硬度主要取决于化学成分和结构。一般来说：玻璃的硬度主要取决于化学成分和结构。一般来说：u网络生成离子使玻璃硬度增加，网络外体离子使玻璃硬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。度降低。u硼反常、硼铝反常、压制效应在硬度硼反常、硼铝反常、压制效应在硬度-组成关系中同样存组成关系中同样存在。在。u硬度随阳离子的配位数的增加而增大。硬度随阳离子的配位数的增加而增大。l玻璃的硬度还与温度、热历史有关。玻璃的硬度还与温度、热历史有关。5.1.3.2 玻璃的脆性玻璃的脆性定义：当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的定义：当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的塑性变形而马上裂开的性质。塑性变形而马上裂开的性质。表示方法：表示方法：破坏时受到的冲击强度破坏时受到的冲击强度脆弱度脆弱度玻璃抗压强度与抗冲击强度之比玻璃抗压强度与抗冲击强度之比脆裂负荷脆裂负荷测定显微硬度时压痕发生裂开时的负荷测定显微硬度时压痕发生裂开时的负荷值值5.1.4 玻璃的密度玻璃的密度l玻璃的密度主要取决于构成玻璃原子的质量、原子玻璃的密度主要取决于构成玻璃原子的质量、原子积累紧密程度以及配位数有关，是表征玻璃结构的积累紧密程度以及配位数有关，是表征玻璃结构的一个标记。一个标记。l实际生产中，通过测定玻璃的密度来限制工艺过程，实际生产中，通过测定玻璃的密度来限制工艺过程，借以限制玻璃成分。借以限制玻璃成分。5.1.4.1 玻璃密度与成分的关系玻璃密度与成分的关系不同组成玻璃密度差别很大。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。一般单组分玻璃的密度最小，添加网络外体密度增大。玻璃中引入玻璃中引入R2O和和RO氧化物，随离子半径的增大，玻璃密度氧化物，随离子半径的增大，玻璃密度增加。增加。同一氧化物配位状态变更，对密度也产生影响。同一氧化物配位状态变更，对密度也产生影响。B2O3从从BO3到到BO4密度增加；密度增加；中间体从网络内四面体中间体从网络内四面体RO4转变为网络外八面体转变为网络外八面体RO6密度增密度增加；加；硼反常、铝反常、硼铝反常硼反常、铝反常、硼铝反常5.1.4.2 玻璃密度与温度及热处理的关系玻璃密度与温度及热处理的关系随温度上升，玻璃密度下降。随温度上升，玻璃密度下降。一般工业玻璃，温度从室温升至一般工业玻璃，温度从室温升至1300，密度下降约，密度下降约为为612%。l玻璃从高温状态冷却下来，同成分的淬火玻璃比退玻璃从高温状态冷却下来，同成分的淬火玻璃比退火玻璃具有较低的密度。火玻璃具有较低的密度。l在确定退火温度下保持确定时间后，淬火玻璃和退在确定退火温度下保持确定时间后，淬火玻璃和退火玻璃的密度趋向该温度的平衡密度。火玻璃的密度趋向该温度的平衡密度。l冷却速度越快，偏离平衡密度的温度愈高，其冷却速度越快，偏离平衡密度的温度愈高，其Tg温温度也愈高。度也愈高。热处理情况热处理情况d/(g/cm3)dd成形后未退火成形后未退火2.50000退火较差退火较差2.50500.005退火良好退火良好2.50700.007不同热处理状况下玻璃瓶密度的变更不同热处理状况下玻璃瓶密度的变更5.1.4.3 玻璃密度与压力的关系玻璃密度与压力的关系确定温度下，随压力的增加玻璃的密度随之增大。确定温度下，随压力的增加玻璃的密度随之增大。密度变更的幅度与加压方法、玻璃组成、压力大小、密度变更的幅度与加压方法、玻璃组成、压力大小、加压时间有关。加压时间有关。5.2.1 玻璃的热膨胀系数玻璃的热膨胀系数5.2.1.1玻璃的热膨胀玻璃的热膨胀l线膨胀系数线膨胀系数和和体膨胀系数体膨胀系数 l和和 之间存在近似关系：之间存在近似关系：=3=3l的测定比的测定比简便而精确，通常接受简便而精确，通常接受探讨玻璃的探讨玻璃的热膨胀性质。热膨胀性质。l不同组成玻璃的热膨胀系数在不同组成玻璃的热膨胀系数在5.815010-7/5.815010-7/范范围内变更，非氧化物玻璃甚至超过围内变更，非氧化物玻璃甚至超过20010-7/20010-7/，微晶玻璃则可获得零膨胀或负膨胀。微晶玻璃则可获得零膨胀或负膨胀。l硬质玻璃和软质玻璃硬质玻璃和软质玻璃5.2.1.2 玻璃热膨胀系数与成分的关系玻璃热膨胀系数与成分的关系l根本上取决于质点间的作用力，即根本上取决于质点间的作用力，即各种阳离子与各种阳离子与O2-之间的键力之间的键力f。l从玻璃整体结构看，网络骨架对从玻璃整体结构看，网络骨架对起着重要作用。起着重要作用。l组分氧化物对组分氧化物对的影响归纳如下：的影响归纳如下：l在比较各组成氧化物对在比较各组成氧化物对的作用时，首先区分氧化的作用时，首先区分氧化物的种类，即网络生成体、中间体和网络外体。物的种类，即网络生成体、中间体和网络外体。l能增加网络的组分使能增加网络的组分使降低，能断裂网络的组分使降低，能断裂网络的组分使上升。上升。lR2O和和RO的断网作用是主要的，积聚作用是次要的，的断网作用是主要的，积聚作用是次要的，使使上升；而对于高键强、高配位离子积聚作用是上升；而对于高键强、高配位离子积聚作用是主要的，使主要的，使下降。下降。l网络生成体使网络生成体使下降，中间体有足够下降，中间体有足够“游离氧游离氧”也也使使下降。下降。5.2.1.3 热膨胀系数和温度的关系热膨胀系数和温度的关系热膨胀系数热膨胀系数随温度的上升而增大。随温度的上升而增大。在在Tg温度以上，温度以上，随温度上升显著增大，直到软化。随温度上升显著增大，直到软化。5.2.1.4 热处理对热膨胀系数的影响热处理对热膨胀系数的影响l热处理对热处理对有明有明显显的影响，的影响，组组成相同的淬火玻璃成相同的淬火玻璃较较退火玻璃的退火玻璃的大百分之几。大百分之几。l退火玻璃和淬火玻璃的热膨胀曲线。退火玻璃和淬火玻璃的热膨胀曲线。u在约在约330 以下，曲线以下，曲线2在曲线在曲线1之上；之上；u330500 之间，曲线之间，曲线2在曲线在曲线1之下；之下；u500570 之间，曲线之间，曲线2折向下行，玻璃不是膨胀而是收折向下行，玻璃不是膨胀而是收缩；缩；u在在570 处，两条曲线都急转向上，此温度为处，两条曲线都急转向上，此温度为Tg。l在某一温度下单位质量的物质上升在某一温度下单位质量的物质上升1所需的热量。所需的热量。l实际计算中多接受实际计算中多接受t1t2温度范围内的平均比热温度范围内的平均比热cm5.2.2 玻璃的比热玻璃的比热l比热与温度的关系比热与温度的关系 l同其他物质一样，在确定零度时为零。同其他物质一样，在确定零度时为零。l随温度上升比热渐渐增大，在转变温度区域随温度上升比热渐渐增大，在转变温度区域内增长较快。内增长较快。l熔融状态下，比热随温度上升渐渐增大。熔融状态下，比热随温度上升渐渐增大。l比热与组成的关系比热与组成的关系lSiO2、Al2O3、B2O3、MgO、Na2O特殊特殊是是Li2O 能提高玻璃的比热，含有大量能提高玻璃的比热，含有大量PbO或或BaO 的玻璃比热较低，其余氧化物影响不的玻璃比热较低，其余氧化物影响不大。大。l导热性：物质依靠质点的振动将热能传递至较低温导热性：物质依靠质点的振动将热能传递至较低温度物质的实力。度物质的实力。l物质的导热性以热导率物质的导热性以热导率来表示。来表示。l热导率：温度梯度等于热导率：温度梯度等于1时，单位时间内通过试样单时，单位时间内通过试样单位横截面积上的热量。单位位横截面积上的热量。单位W/(mK)l热导率表征物质传递热量的难易，玻璃是一种热的热导率表征物质传递热量的难易，玻璃是一种热的不良导体，其热导率较低，介于不良导体，其热导率较低，介于0.7121.340W/(mK)之间。之间。5.2.3 玻璃的导热性玻璃的导热性l热导率与温度的关系热导率与温度的关系l热导率随温度上升而增加。热导率随温度上升而增加。l热导率与组成的关系热导率与组成的关系l石英玻璃的热导率最大，石英玻璃的热导率最大，1.340W/(mK)；l硼硅酸盐玻璃的热导率也很大，硼硅酸盐玻璃的热导率也很大，1.256W/(mK)；l一般钠钙硅玻璃为一般钠钙硅玻璃为0.963W/(mK)；l含有含有PbO和和BaO 的玻璃热导率较低，的玻璃热导率较低，0.796W/(mK)。l玻璃中添加玻璃中添加SiO2、Al2O3、B2O3、CaO、MgO能提高玻璃的导热性。能提高玻璃的导热性。l热导率与其颜色的关系热导率与其颜色的关系l玻璃颜色越深，其导热实力越小。玻璃颜色越深，其导热实力越小。l热稳定性：玻璃经受猛烈温度变更而不破坏的性能。热稳定性：玻璃经受猛烈温度变更而不破坏的性能。l对玻璃的热稳定性具有确定性意义。对玻璃的热稳定性具有确定性意义。l一般用试样在保持不破坏条件下所能承受的最大温一般用试样在保持不破坏条件下所能承受的最大温差差t来表示。来表示。5.2.4 玻璃的热稳定性玻璃的热稳定性l凡能降低凡能降低的的成分成分都能提高都能提高热稳定性，如定性，如SiO2、Al2O3、B2O3、ZrO2、ZnO、MgO等。等。l玻璃自身玻璃自身机械强度机械强度对热稳定性的影响亦很显著。对热稳定性的影响亦很显著。l玻璃受急热要比受玻璃受急热要比受急冷急冷强得多。强得多。l淬火淬火能使玻璃的热稳定性提高能使玻璃的热稳定性提高1.52倍。倍。l玻璃的热稳定性还与制品的玻璃的热稳定性还与制品的厚度厚度有关。有关。作业作业l1、何谓材料的理论强度？分析玻璃理论强度与实际、何谓材料的理论强度？分析玻璃理论强度与实际强度相差较大的缘由。强度相差较大的缘由。l2、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哪些？l3、增加玻璃强度的方法有哪些？、增加玻璃强度的方法有哪些？l4、如何利用密度限制玻璃生产的工艺过程？、如何利用密度限制玻璃生产的工艺过程？l5、玻璃硬度的表示方法有哪些？、玻璃硬度的表示方法有哪些？l6、影响玻璃的热膨胀系数变更的主要因素有哪些？、影响玻璃的热膨胀系数变更的主要因素有哪些？l7、何谓玻璃的导热性？影响玻璃的导热性的主要因、何谓玻璃的导热性？影响玻璃的导热性的主要因素有哪些？素有哪些？l8、何谓玻璃的热稳定性？影响玻璃的热稳定性的主、何谓玻璃的热稳定性？影响玻璃的热稳定性的主要因素有哪些？要因素有哪些？l9、为何玻璃受急热要比受急冷强得多？、为何玻璃受急热要比受急冷强得多？