第五章-玻璃的力学性能及热学性能优秀PPT.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、,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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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。
13、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.
14、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
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