玻璃的力学性能及热学性能-高职学习资料.ppt

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,*,玻璃的力学性能及热学性能-高职,5.2,玻璃的热学性能,5.2.1,玻璃的热膨胀系数,5.2.2,玻璃的比热,5.2.3,玻璃的导热性,5.2.4,玻璃的热稳定性,5.1.1.1,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料所能承受的最大应力或分离原子（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动。,5.1.1,玻璃的机械强度,th,=xE,E,：弹性模量,X,：为与物质结构和键型有关的常数，一般为,0.10.2,E,：弹性模量,：形成单位新表面所做的功,a,：每一紧邻原子对的间距,材料名称,键型,弹性模量,E/Pa,系数,x,理论强度,/Pa,实际强度,/Pa,石英玻璃纤维,离子,-,共价键,12.410,10,0.1,1.2410,10,1.0510,10,玻璃纤维,离子,-,共价键,7.210,10,0.1,0.7210,10,0.20.310,10,块状玻璃,离子,-,共价键,7.210,10,0.1,0.7210,10,81510,7,氯化钠,离子键,4.010,10,0.06,0.2410,10,0.4410,7,有机玻璃,共价键,0.40.610,10,0.1,0.040.0610,10,101510,7,钢,金属键,2010,10,0.153.010,10,0.10.210,10,不同材料的弹性模量、理论强度与实际强度,块状玻璃的实际强度与理论强度相差,23,个数量级。,原因：玻璃的脆性、玻璃中存在微裂纹（尤其是表面微裂纹）和内部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中。,5.1.1.2,玻璃的断裂力学,断裂力学的基本概念,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，它与外力垂直分布，长度为,2c,，在一定应力,的作用下，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：,因而在外力作用下，裂纹得以扩展的条件为：,得到：,这时的,相当于断裂应力,f,，则：,玻璃材料的缺陷及裂纹的扩展,玻璃材料由于在其表面和内部存在着不同的杂质、,缺陷,或微不均匀区，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时，裂纹就迅速分裂，使,玻璃断裂,。,玻璃断裂过程分为两个阶段：,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；,第二阶段，随着初生裂纹的增长，次生裂纹同时产生和增长，在其相互相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,c,的一般式：,近似为：,5.1.1.3,影响玻璃强度的因素,化学键、化学组成,键强：桥氧，非桥氧键强不同；碱金属、碱土金属键强也不同。,键数：网络的疏密程度。,化学组成：不同组成的玻璃结构骨架不同。,表面微裂纹,格里菲斯认为玻璃破坏时是从表面微裂纹开始；,据测定，,1mm,2,玻璃表面上含有,300,个左右的微裂纹；,微裂纹的存在使玻璃抗张、抗折强度仅为抗压强度的,1/101/15,；,提高玻璃强度的两个途径：,减少和消除玻璃的表面缺陷；,使玻璃表面形成压应力，以克服表面微裂纹的作用。,微不均匀性,电镜观察玻璃中存在微相和微不均匀结构；,结构中的微不均匀性降低了玻璃强度；,原因：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。,玻璃中的宏观、微观缺陷,宏观缺陷：气泡、条纹、结石。因成分与主体玻璃不一致，热膨胀系数不同而造成内应力；,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。,活性介质,活性介质指水、酸、碱、某些盐类等。,活性介质对玻璃表面的两种作用,一是渗入裂纹像楔子一样使裂纹扩展；,二是与玻璃起化学作用破坏结构。,活性介质中玻璃的强度降低。,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。,温度,低温和高温对玻璃强度的影响是不同的；,接近绝对零度至,200,，强度随温度升高而降低；,200,为强度最低点；,高于,200,，强度逐渐增大。,玻璃中的应力,玻璃中的残余应力，特别是分布,不均匀,的残余应力，使强度大为降低。,玻璃钢化后，表面产生,均匀,的压应力，内部形成均匀的张应力，机械强度大大提高。,玻璃的疲劳现象,定义：常温下，玻璃的破坏强度随加荷速度或加荷时间而变化。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，时间久了就可能破坏，这种现象称为,玻璃的疲劳现象,。,定义：材料在外力作用下发生变形，外力去掉后能恢复原来形状的性质。,表征弹性的参数,弹性模量,E,剪切模量,G,泊松比,体积压缩模量,K,5.1.2,玻璃的弹性,5.1.2.1,弹性模量与成分的关系,E,主要取决于内部质点间,化学键的强度,，同时也与,结构,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，,E,也越大。,键强：,与原子半径和价电子数有关。,E,是原子序数的周期函数。同一族元素随原子序数的递增和原子半径的增大，,E,降低。,与离子间的吸引力 呈直线关系。,同一氧化物处于高配位时,E,比处于低配位时高。,结论,：离子半径较大、电荷较低的离子不利于提高,E,，相反有利于提高,E,。,结构：石英玻璃具有三维空间的,架状,结构，,E,较高，,705.610,8,Pa,；纯,B,2,O,3,玻璃具有,层状,结构，,E,很低，仅,17510,8,Pa,。,硼反常,硼铝反常,结论：,E,的增减实质上反映了玻璃内部结构的变化。,5.1.2.2,弹性模量与温度的关系,大多数硅酸盐玻璃,E,随温度升高而降低。,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,，随温度升高而增加。,5.1.2.3,弹性模量与热处理的关系,淬火玻璃比退火玻璃低，一般低,27%,。,玻璃纤维（,774.210,8,Pa,）比块状玻璃（,803.610,8,Pa,）低。,微晶化后,E,增高，增高幅度主要取决于析出的主晶相的种类和性质。,5.1.3,玻璃的硬度和脆性,5.1.3.1,玻璃的硬度,硬度：固体材料抵抗另一固体深入其内部而不产生残余形变的能力。,表示方法：,莫氏硬度（划痕法）,显微硬度（压痕法）,研磨硬度（磨损法）,刻化硬度（刻痕法）,一般玻璃用,显微硬度,表示。方法：利用金刚石正方锥体以一定负荷在玻璃表面打入压痕，测量压痕对角线的长度。,玻璃的硬度主要取决于化学成分和结构。一般来说：,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。,硼反常、硼铝反常、压制效应在硬度,-,组成关系中同样存在。,硬度随阳离子的配位数的增加而增大。,玻璃的硬度还与温度、热历史有关。,5.1.3.2,玻璃的脆性,定义：当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的塑性变形而立即破裂的性质。,表示方法：,破坏时受到的冲击强度,脆弱度,玻璃抗压强度与抗冲击强度之比,脆裂负荷,测定显微硬度时压痕发生破裂时的负荷值,5.1.4,玻璃的密度,玻璃的密度主要取决于构成玻璃,原子的质量,、,原子堆积紧密程度,以及,配位数,有关，是表征玻璃结构的一个标志。,实际生产中，通过测定玻璃的密度来控制工艺过程，借以控制玻璃成分。,5.1.4.1,玻璃密度与成分的关系,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。,玻璃中引入,R,2,O,和,RO,氧化物，随离子半径的增大，玻璃密度增加。,同一氧化物配位状态改变，对密度也产生影响。,B,2,O,3,从,BO,3,到,BO,4,密度增加；,中间体从网络内四面体,RO,4,转变为网络外八面体,RO,6,密度增加；,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,随温度升高，玻璃密度下降。,一般工业玻璃，温度从室温升至,1300,，密度下降约为,612%,。,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。,在一定退火温度下保持一定时间后，淬火玻璃和退火玻璃的密度趋向该温度的平衡密度。,冷却速度越快，偏离平衡密度的温度愈高，其,Tg,温度也愈高。,热处理情况,d/(g/cm,3,),d,成形后未退火,2.5000,0,退火较差,2.5050,0.005,退火良好,2.5070,0.007,不同热处理情况下玻璃瓶密度的变化,5.1.4.3,玻璃密度与压力的关系,一定温度下，随压力的增加玻璃的密度随之增大。,密度变化的幅度与加压方法、玻璃组成、压力大小、加压时间有关。,5.2.1,玻璃的热膨胀系数,5.2.1.1,玻璃的热膨胀,线膨胀系数,和,体膨胀系数,和,之间存在近似关系：,=3,的测定比,简便而精确，通常采用,讨论玻璃的热膨胀性质。,不同组成玻璃的热膨胀系数在,5.815010,-7,/,范围内变化，非氧化物玻璃甚至超过,20010,-7,/,，微晶玻璃则可获得零膨胀或负膨胀。,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,根本上取决于质点间的作用力，即,各种阳离子与,O,2-,之间的键力,f,。,从玻璃整体结构看，网络骨架对,起着重要作用。,组分氧化物对,的影响归纳如下：,在比较各组成氧化物对,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。,能增强网络的组分使,降低，能断裂网络的组分使,上升。,R,2,O,和,RO,的断网作用是主要的，积聚作用是次要的，使,上升；而对于高键强、高配位离子积聚作用是主要的，使,下降。,网络生成体使,下降，中间体有足够“游离氧”也使,下降。,5.2.1.3,热膨胀系数和温度的关系,热膨胀系数,随温度的升高而增大。,在,Tg,温度以上，,随温度升高显著增大，直到软化。,5.2.1.4,热处理对热膨胀系数的影响,热处理对,有明显的影响，组成相同的淬火玻璃较退火玻璃的,大百分之几。,退火玻璃和淬火玻璃的热膨胀曲线。,在约,330,以下，曲线,2,在曲线,1,之上；,330500,之间，曲线,2,在曲线,1,之下；,500570,之间，曲线,2,折向下行，玻璃不是膨胀而是收缩；在,570,处，两条曲线都急转向上，此温度为,Tg,。,在某一温度下单位质量的物质升高,1,所需的热量。,实际计算中多采用,t,1,t,2,温度范围内的平均比热,c,m,5.2.2,玻璃的比热,比热与温度的关系,同其他物质一样，在绝对零度时为零。,随温度升高比热逐渐增大，在,转变温度区域内增长较快,。,熔融状态下，比热随温度升高逐渐增大。,比热与组成的关系,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,B,2,O,3,、,MgO,、,Na,2,O,特别是,Li,2,O,能提高玻璃的比热，含有大量,PbO,或,BaO,的玻璃比热较低，其余氧化物影响不大。,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能力。,物质的导热性以热导率,来表示。,热导率：,温度梯度等于,1,时，单位时间内通过试样单位横截面积上的热量。单位,W/(m,K),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,0.7121.340W/(m,K),之间。,5.2.3,玻璃的导热性,热导率与温度的关系,热导率随温度升高而增加。,热导率与组成的关系,石英玻璃的热导率最大，,1.340W/(m,K),；,硼硅酸盐玻璃的热导率也很大，,1.256W/(m,K),；,普通钠钙硅玻璃为,0.963W/(m,K),；,含有,PbO,和,BaO,的玻璃热导率较低，,0.796W/(m,K),。,玻璃中添加,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,B,2,O,3,、,CaO,、,MgO,能提高玻璃的导热性。,热导率与其颜色的关系,玻璃颜色越深，其导热能力越小。,热稳定性：玻璃经受剧烈温度变化而不破坏的性能。,对玻璃的热稳定性具有决定性意义。,一般用试样在保持不破坏条件下所能承受的最大温差,t,来表示。,5.2.4,玻璃的热稳定性,凡能降低,的,成分,都能提高热稳定性，如,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,B,2,O,3,、,ZrO,2,、,ZnO,、,MgO,等。,玻璃自身,机械强度,对热稳定性的影响亦很显著。,玻璃受急热要比受,急冷,强得多。,淬火,能使玻璃的热稳定性提高,1.52,倍。,玻璃的热稳定性还与制品的,厚度,有关。,作业,1,、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原因。,2,、影响玻璃强度的主要因素有哪些？,3,、增强玻璃强度的方法有哪些？,4,、如何利用密度控制玻璃生产的工艺过程？,5,、玻璃硬度的表示方法有哪些？,6,、影响玻璃的热膨胀系数变化的主要因素有哪些？,7,、何谓玻璃的导热性？影响玻璃的导热性的主要因素有哪些？,8,、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？,9,、为何玻璃受急热要比受急冷强得多？,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,