玻璃的力学性能及热学性能解析课件.ppt

1、College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”第第4章玻璃的力学性能及热学性能章玻璃的力学性能及热学性能4.1玻璃的力学性质玻璃的力学性质4.1.14.1.1玻璃的机械强度（掌握）玻璃的机械强度（掌握）4.1.24.1.2玻璃的弹性（熟悉）玻璃的弹性（熟悉）4.1.34.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）玻璃的硬度和脆性（熟悉）4.1.14.1.1玻璃的机械强度（掌握）玻璃的机械强度（掌握）College of Chemistry&Materials Science无

2、机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”1理论强度与实际强度（掌握）理论强度与实际强度（掌握）2玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）3影响强度的主要因素（掌握）影响强度的主要因素（掌握）玻璃的机械强度玻璃的机械强度耐压耐压抗折抗折抗张抗张抗冲击抗冲击玻璃的机械强度特点：玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折硬度高、耐压、抗折抗张不高、脆性大。抗张不高、脆性大。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能

3、及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示。机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示。理论强度：理论强度：从不同理论角度来分析玻璃所能从不同理论角度来分析玻璃所能承受的最大应力承受的最大应力。1理论强度与实际强度（掌握）理论强度与实际强度（掌握）thxE 奥鲁凡（奥鲁凡（Orowan)假设假设理论强度理论强度弹性模量弹性模量College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”1010101.5 10thPa 原因原因 玻璃的玻璃的脆性脆性、玻璃

4、、玻璃表面微裂纹表面微裂纹、玻璃、玻璃内内部不均匀区部不均匀区及及缺陷缺陷造成应力集中。造成应力集中。表面表面微裂纹急剧扩展微裂纹急剧扩展。据测定据测定1mm2玻璃表面上约有玻璃表面上约有300个微裂纹，深约个微裂纹，深约5微米，宽微米，宽0.010.02微米，光学显微镜分不出来。微米，光学显微镜分不出来。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”2玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）裂纹源形成裂纹源形成：玻璃由于玻璃由于内

5、部缺陷内部缺陷、表面反应表面反应、表面损表面损伤伤等影响，在其内部和表面形成了各种等影响，在其内部和表面形成了各种缺陷裂纹源。缺陷裂纹源。裂纹扩展裂纹扩展 在裂纹的尖端处存在着在裂纹的尖端处存在着应力集中应力集中驱使驱使裂纹扩展的动力。裂纹扩展的动力。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”裂纹扩展速度裂纹扩展速度 0.40.6E 弹性模量弹性模量 密度密度3影响强度的主要因素（掌握）影响强度的主要因素（掌握）1）化学键与化学组成）化学键与化学组成玻璃的键强

6、包括各种键的强度及数目。玻璃的键强包括各种键的强度及数目。键强大，机械强度好。键强大，机械强度好。结构网络紧密，强度好。结构网络紧密，强度好。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”一般情况下，一般情况下，CaO、BaO、B2O3(15%)、Al2O3、ZnO能加强网络结构，对强度有提高作用。能加强网络结构，对强度有提高作用。MgO、Fe2O3对强度作用不大。对强度作用不大。常见的氧化物对抗张强度的提高作用是：常见的氧化物对抗张强度的提高作用是：CaOB2O

7、3BaOAl2O3PbOK2ONa2O(MgO、Fe2O3)常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：Al2O3SiO2,(MgO,ZnO)B2O3Fe2O3(PbO,CaO)College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”2）微不均匀性）微不均匀性 玻璃中都存在着微相和微不均匀结构，相邻两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。产生

8、应力，强度下降。3）宏观和微观缺陷）宏观和微观缺陷缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”4）活性介质）活性介质渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展起化学作用，使结构破坏起化学作用，使结构破坏作用作用水、酸、碱、某些盐类水、酸、碱、某些盐类5）温度）温度低温低温时，温度升高，强度下降（裂纹端部分子的热时，温度升高，强度下降（裂纹端部分子的热运动起伏现象增加，积聚能

9、量使键断裂）运动起伏现象增加，积聚能量使键断裂）200时，时，强度为最低。强度为最低。高温高温时，强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）时，强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”6）应力）应力 玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀，玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀，将导致其强度大大下降。将导致其强度大大下降。4.1.2玻璃的弹性（熟悉）玻璃的弹性（熟悉）1 1概念概念弹性弹性：材料在外力作用下发生变形，当外力去

10、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。掉后恢复原来形状的性质。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”塑性塑性：材料在外力作用下发生变形，材料在外力作用下发生变形，如外力去掉如外力去掉后仍停留在完全或部分变形状态。后仍停留在完全或部分变形状态。玻璃的弹性玻璃的弹性弹性模量弹性模量EE 应力应力相对的纵相对的纵向变形向变形2弹性模量与成分的关系弹性模量与成分的关系 与组成、结构、键强之间的关系与强度类似。与组成、结构、键强之间的关系与强度类

11、似。结构紧密，弹性模量高。结构紧密，弹性模量高。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是：常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是：CaOMgOBaOFe2O3Al2O3BaOZnOPbO 同一氧化物处于高配位时，其弹性模量要比低配位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。等）则提高弹

12、性模量。在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸盐在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸盐玻璃中，有硼铝反常现象。玻璃中，有硼铝反常现象。Na2O或或K2O弹性模量，弹性模量，PbO不起作用。不起作用。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”玻璃的弹性模量可用加和法则进行近似计算。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（因退火玻璃退火玻璃的弹性模量大于淬火玻璃（因退火玻璃的密度大，

13、结构牢固）。的密度大，结构牢固）。4弹性模量与温度的关系弹性模量与温度的关系 大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升而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）。温时质点热运动动能增大）。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”Tg以上，玻璃逐渐失去弹性，并趋于软化。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，因石英玻璃、高硅氧玻璃

14、、硼酸盐玻璃，因膨胀系数小，温度升高，则弹性模量膨胀系数小，温度升高，则弹性模量。4.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）玻璃的硬度和脆性（熟悉）概念概念 影响因素影响因素College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”1硬度概念硬度概念 表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。一般用一般用显微硬度显微硬度表示。表示。利用金刚石正方锥以一定负荷利用金刚石正方锥以一定负荷在玻璃表面打入印痕，再测量在玻璃表面打入印痕，再测量对角线的长度进行计算对角线的

15、长度进行计算2硬度影响因素（组成、结构）硬度影响因素（组成、结构）网络生成体增加硬度，网络外体降低硬度网络生成体增加硬度，网络外体降低硬度温度升高，硬度下降温度升高，硬度下降淬火玻璃硬度小于退火玻璃硬度淬火玻璃硬度小于退火玻璃硬度与玻璃的冷加工工艺有关与玻璃的冷加工工艺有关College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”结论结论硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬度最大；含有适量硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬度最大；含有适量B2O3的硼酸盐玻璃硬度也较大；高铅或碱性氧的硼酸盐玻璃硬度

16、也较大；高铅或碱性氧化物的玻璃硬度较小；化物的玻璃硬度较小；各种氧化物对玻璃硬度提高的顺序为：各种氧化物对玻璃硬度提高的顺序为：SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO)Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO一般玻璃硬度为一般玻璃硬度为57（莫氏硬度）（莫氏硬度）College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”3脆性概念脆性概念当负荷超过玻璃的极限强度时，当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显不产生明显的塑性变形的塑性变形而立即破裂的性能。而立即破裂的性能。松驰速

17、度低松驰速度低4脆性影响因素脆性影响因素化学组成及结构、热历史、试样的形状及厚度等。化学组成及结构、热历史、试样的形状及厚度等。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”4.2玻璃的热学性质玻璃的热学性质4.2.1玻璃的热膨胀系数（掌握）玻璃的热膨胀系数（掌握）1热膨胀系数的概念热膨胀系数的概念玻璃平均玻璃平均线膨胀线膨胀系数系数212111llltttll （1/）通常用通常用室温室温300（或（或400）的的平均线膨平均线膨胀系数胀系数表示玻璃的热膨胀系数

18、。表示玻璃的热膨胀系数。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”2热膨胀系数与成分的关系热膨胀系数与成分的关系 能增强网络结构，则能增强网络结构，则;使网络断裂者，则使网络断裂者，则 R2O与与RO主要是断网作用，积聚作用是次要的，主要是断网作用，积聚作用是次要的，当引入时，一般使当引入时，一般使，同一主族的阳离子随原子半，同一主族的阳离子随原子半径增大，则径增大，则 高价阳离子高价阳离子(Zr4+、La3+)积聚作用是主要的，则积聚作用是主要的，则 网络形

19、成体，网络形成体，对于网络中间体，在游离氧足对于网络中间体，在游离氧足够的条件下也能够的条件下也能Tg点以下，点以下，可以通过加和法则计算可以通过加和法则计算。College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”3热膨胀系数与温度及热历史的关系热膨胀系数与温度及热历史的关系 Tg点以下，点以下，是线性的是线性的 Tg点以下，退火玻璃的点以下，退火玻璃的淬火玻璃淬火玻璃 Tg点附近，质点开始移动，结构调整引起收缩，点附近，质点开始移动，结构调整引起收缩，淬火玻璃的收缩大于

20、热膨胀，伸长量减小，则淬淬火玻璃的收缩大于热膨胀，伸长量减小，则淬火玻璃线在退火玻璃线的下方火玻璃线在退火玻璃线的下方 Tg点以上，退火玻璃与退火玻璃曲线都急剧上升，点以上，退火玻璃与退火玻璃曲线都急剧上升，结构调整引起的伸长已大于膨胀作用结构调整引起的伸长已大于膨胀作用College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”4.2.2玻璃的热稳定性玻璃的热稳定性1概念概念表示表示 试样在保持不破坏条件下所能经受的最大温度差。试样在保持不破坏条件下所能经受的最大温度差。破坏

21、过程破坏过程温度急变沿玻璃厚度从表面到内部，各层温度急变沿玻璃厚度从表面到内部，各层温度不一样，膨胀量也不一样，则产生应温度不一样，膨胀量也不一样，则产生应力，当其超过极限强度时就造成破坏。力，当其超过极限强度时就造成破坏。玻璃经受剧烈的玻璃经受剧烈的温度变化温度变化而不破坏的性能。而不破坏的性能。试样受急冷试样受急冷College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”2影响因素影响因素 组成：组成：凡能降低玻璃热膨胀系数的组分都能提高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。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。制品选型复杂、厚薄不均匀的，热稳性差。制品越厚，热稳性差。制品越厚，热稳性差。凡能降低玻璃机械强度的因素，都能使热凡能降低玻璃机械强度的因素，都能使热稳定性降低。稳定性降低。结论结论降低玻璃的热膨胀系数；减小制品的壁厚等。降低玻璃的热膨胀系数；减小制品的壁厚等。提高热稳性的途径提高热稳性的途径College of Chemistry&Materials Science无机非金属材料无机非金属材料-玻璃工艺学玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能玻璃的力学性能及热学性能”