3 第3-5章-玻璃的力学性能及热学性能等12年

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章玻璃的力学性能及热学性能,3.1,玻璃的力学性质,3.2,玻璃的热学性质,3.1,玻璃的力学性质,3.1.1,玻璃的机械强度（掌握）,3.1.2,玻璃的弹性（熟悉）,3.1.3,玻璃的硬度和脆性（熟悉）,3.1.4,玻璃的密度（掌握）,3.1.1,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,耐压,抗折,抗张,抗冲击,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,。,玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折抗张不高、脆性大。,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,0.1-0.2,3.1,玻璃的力学性质,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）,裂纹源形成,：玻璃由于内部缺陷、表面反应、表面损伤等影响，在其内部和表面形成了各种,缺陷裂纹源,3.1,玻璃的力学性质,裂纹扩展,在裂纹的尖端处存在着,应力集中,驱使裂纹扩展的动力。,裂纹扩展速度,弹性模量,密度,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的强度及数目。,键强大，机械强度好。,结构网络紧密，强度好。,3.1,玻璃的力学性质,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：,CaO,B2O3,BaO,Al2O3,PbO,K2ONa2O(,MgO,、,Fe2O3),常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：,Al2O3,（,SiO2,、,MgO,、,ZnO,),B2O3Fe2O3 (,PbO,、,CaO,),抗张强度和抗压强度可用加和性法则计算,3.1,玻璃的力学性质,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,渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展,起化学作用，使结构破坏,作用,水、酸、碱、某些盐类,3.1,玻璃的力学性质,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，将导致其强度大下降。,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。,玻璃的弹性弹性模量,E,应力,相对的纵向变形,表,5,4,3.1,玻璃的力学性质,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：,CaO,MgO,B2O3Fe2O3Al2O3,BaO,ZnO,PbO,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,+,Be,+,Mg,2+,Al,3,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,3.1,玻璃的力学性质,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,(,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,3.1.3,玻璃的硬度和脆性（熟悉）,概念,影响因素,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，在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,3.1,玻璃的力学性质,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,SiO2,B2O3,(,MgO,、,ZnO,、,BaO,),Al2O3,Fe2O3,K2O,Na2O,PbO,一般玻璃硬度为,5,7,（,莫氏硬度,）,3.1,玻璃的力学性质,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。,3.1,玻璃的力学性质,3.1.4,玻璃密度（掌握）,1,密度,玻璃的密度决定于构成玻璃的各原子质量和原子的堆积方式。,1,密度概念,2,密度与成份的关系,3,密度与温度及热历史的关系,4,密度与压力及析晶的关系,玻璃单位体积的质量称。,3.1,玻璃的力学性质,2,密度与成份的关系,成份发生微小变化，密度会敏感的反映出来。,生产中常以测定密度值来监控玻璃成份。,1,）、,在玻璃中加入,R2O,和,RO,时，密度随原子序数的增加而增加,2,）、,同种氧化物在玻璃中的配位数不同，对密度的影响也不同，,Ba,3+,处于四面体比三角体时大，而,Al,3+,正好相反。,3,）、,玻璃中同时含有,Al2O3,和,B2O3,时，玻璃密度的变化变得复杂。,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,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*10,8,Pa,时，密度变大并保持，当在,Tg,附近时，才恢复正常值。,析晶后质点进行有序排列，一般密度增大。,3,密度与温度及热历史的关系,3.1,玻璃的力学性质,3.2,玻璃的热学性质,3.2.1,玻璃的热膨胀系数（掌握）,3.2.2,玻璃的热稳定性（掌握）,3.2.1,玻璃的热膨胀系数（掌握）,1,热膨胀系数的概念,2,热膨胀系数与成分的关系,3,热膨胀系数与温度及热历史的关系,1,热膨胀系数的概念,玻璃平均,线膨胀,系数,（,1/,）,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,能增强网络结构的，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（,Zr,4+,、,La,3+,),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,（转变温度）点以下，,可以通过加和法则计算,3.2,玻璃的热学性质,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，退火玻璃与淬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,补充,：析晶使质点间作用力增强，,（与析出晶相的种类与数量有关）,3.2,玻璃的热学性质,3.2.2,玻璃的热稳定性（掌握）,1,概念,2,影响因素,1,概念,玻璃经受剧烈的,温度变化,而不破坏的性能称,表示,用试样在保持不破坏条件下所能经受的最大温度差,破坏过程,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，则产生应力，当其超过极限强度时就造成破坏。,决定因素是抗张极限强度。,试样受急冷,3.2,玻璃的热学性质,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,提高热稳性的途径,降低玻璃的热膨胀系数；减小制品的壁厚等。,凡能降低玻璃机械强度的因素，都能使热稳定性降低。,结论,3.2,玻璃的热学性质,第,4,章玻璃的化学稳定性,玻璃对水、酸、碱、盐及其它化学试剂溶液侵蚀的抵抗能力称化学稳定性或耐久性、耐蚀性。,4.1,侵蚀机理（掌握）,4.2,影响化学稳定性的因素（掌握）,4.1,侵蚀机理（掌握）,4.1.1,侵蚀剂的分类,4.1.2,水对玻璃的侵蚀,4.1.3,酸对玻璃有侵蚀,4.1.4,碱对玻璃的侵蚀,4.1.5,大气对玻璃的侵蚀玻,4.1.6,玻璃的脱片现象,只能改变、破坏或溶解玻璃结构组成中的,R2O,和,RO,等,不仅对上述氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起作用的物质。,4.1.1,侵蚀剂的分类,4.1.2,水对玻璃的侵蚀,侵蚀过程,开始于,H2O,中,H,+,和玻璃中的,Na,+,进行交换，之后进行的是水化、中和三个反应。,H2O,分子也能对硅氧骨架直接起反应而生成,Si(OH)4,极性分子，最后形成一层,SiO2,XH2O,薄膜，称,硅酸凝胶保护膜,。当,PHAl2O3TiO2,ZnO,MgO,CaO,BaO,耐酸性,ZrO2Al2O3,ZnO,CaO,TiO2,MgO,BaO,4.2.2,热处理,退火玻璃比淬火玻璃的结构紧密，化稳性要好。,玻璃钢化处理后，其化稳性要好。,注意,硼硅酸盐玻璃，有时退火比淬火的化稳性差，因退火时有分相产生。,第,4,章玻璃的化学稳定性,4.2.3,表面状态,用表面处理的方法改变玻璃的表面状态，以提高化稳性。,表面处理分两类,从玻璃表面层移除对侵蚀介质具有亲和力的成分（如,Na2O,、,K2O,等），可用酸性气体、水和酸性溶液等处理，使玻璃表面生成一定厚度的高硅氧膜，,玻璃表面涂以对玻璃具有良好粘附力，对侵蚀介质有低亲和力的物质。可涂有机物与无机物。,第,4,章玻璃的化学稳定性,一般说，温度升高侵蚀加快。每温高,10,，侵蚀速度增加,50,150%,，,100,以上，侵蚀作用始终是剧烈的，只有含锆多的玻璃才是稳定的。,4.2.4,温度和压力,压力提高，一方面使侵蚀介质的吸附加快，侵蚀速度提高。另一方面又使侵蚀物回收能力增加使扩散减慢，则降低侵蚀速度。,在低压下，影响不显著，高压（,29.4,98,10,5,Pa),下，玻璃在短时间内遭剧烈的破坏。,第,4,章玻璃的化学稳定性,