玻璃的力学性能及热学性能.ppt
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玻璃的力学性能及热学性能.ppt
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第4章玻璃的力学性能及热学性能,4.1玻璃的力学性质,4.1.1玻璃的机械强度(掌握)4.1.2玻璃的弹性(熟悉)4.1.3玻璃的硬度和脆性(熟悉),4.1.1玻璃的机械强度(掌握),1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)3影响强度的主要因素(掌握),玻璃的机械强度特点:
硬度高、耐压、抗折抗张不高、脆性大。
机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示。
理论强度:
从不同理论角度来分析玻璃所能承受的最大应力。
1理论强度与实际强度(掌握),奥鲁凡(Orowan)假设,理论强度,弹性模量,据测定1mm2玻璃表面上约有300个微裂纹,深约5微米,宽0.010.02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。
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。
MgO、Fe2O3对强度作用不大。
常见的氧化物对抗张强度的提高作用是:
CaOB2O3BaOAl2O3PbOK2ONa2O(MgO、Fe2O3),常见的氧化物对耐压强度的提高作用是:
Al2O3SiO2,(MgO,ZnO)B2O3Fe2O3(PbO,CaO),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,5)温度,低温时,温度升高,强度下降(裂纹端部分子的热运动起伏现象增加,积聚能量使键断裂)200时,强度为最低。
高温时,强度增加(产生塑性变性,抵消部分应力),6)应力,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。
4.1.2玻璃的弹性(熟悉),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:
材料在外力作用下发生变形,如外力去掉后仍停留在完全或部分变形状态。
2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。
结构紧密,弹性模量高。
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。
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)。
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。
4.1.3玻璃的硬度和脆性(熟悉),1硬度概念,表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。
一般用显微硬度表示。
利用金刚石正方锥以一定负荷在玻璃表面打入印痕,再测量对角线的长度进行计算,2硬度影响因素(组成、结构),网络生成体增加硬度,网络外体降低硬度温度升高,硬度下降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,结论,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:
SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO)Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO,一般玻璃硬度为57(莫氏硬度),3脆性概念,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能。
松驰速度低,4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。
4.2玻璃的热学性质,4.2.1玻璃的热膨胀系数(掌握),1热膨胀系数的概念,通常用室温300(或400)的平均线膨胀系数表示玻璃的热膨胀系数。
2热膨胀系数与成分的关系,能增强网络结构,则;使网络断裂者,则,R2O与RO主要是断网作用,积聚作用是次要的,当引入时,一般使,同一主族的阳离子随原子半径增大,则,高价阳离子(Zr4+、La3+)积聚作用是主要的,则,网络形成体,对于网络中间体,在游离氧足够的条件下也能,Tg点以下,可以通过加和法则计算。
3热膨胀系数与温度及热历史的关系,Tg点以下,是线性的Tg点以下,退火玻璃的淬火玻璃Tg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热膨胀,伸长量减小,则淬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,结构调整引起的伸长已大于膨胀作用,4.2.2玻璃的热稳定性,1概念,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。
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