玻璃的力学性质-玻璃点心杯

  弹性固体在取消外力作用后恢复原来形状的性质,称为弹性。玻璃的弹性主要指:弹性模量E、剪切模量G,泊松比ㇽ、体积压缩模量K.之间存在下列关系:E/G=2(1+u),E/K=3(1-2)其中E表示材料抵抗变形的能力,即应力与应变的对应关系。E=8/E(4-42)式中,ふ为应力;e为相对纵向变形。一般玻璃的E=(4.41~88)X108=0.11~0.30.因此,弹性模量越高,引起给定变形量所需的外力越大,换句话说,变形量给定时物体产生的应力越高。 剪切模量G等于切向应力与剪切角之比,在虎克定律适用范围内,也是常量。E和u值是玻璃的两个重要特性。 表示双层(夹层)玻璃内应力和玻璃与金属陶瓷等材料封接处内应力的公式,就含有E和u两个值。 E值越大,玻璃试样承受拉伸变形的机会就越少。 高模量赋予结构以刚性。玻璃的弹性模量与成分、 温度和热处理都有关系。 其中化学组成的影响如下.(1)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。(2)质点间的强度大小与原子半径核电子数有关,因此在常温下,E是原子序数的周期函数,在同一族中的元素如Be、Mg、Ca、Sr及Ba,随原子序的增加,E下降,E的大小几乎和这些离子与氧离子间的吸引力2Z/a2呈直线关系。(3)同一氧化物处于高配位时,其E值要比处于低配位高,所以,半径大、低电荷的Na,K,SrBa离子不利于提高E。(4)B2O3,Al203对E的影响:B203玻璃中加入Na2O,出现硼反常现象;在硼铝硅酸盐玻璃中,E同样出现硼铝反常现象。(5)E可用下式近似计算:E=Ei P1+E2 P2+...+EnPn(4-43)式中,Ei,E2、·..,En为玻璃中各氧化物的弹性计算系数;P1,P2,...Pn为玻璃中各氧化物的质量分数。大多数硅酸盐玻璃的E随T的升高而降低; 但石英玻璃、高硅氧玻璃和派来克斯玻璃,由于其膨胀系数小,当T升高时,E增加; 同样硼硅酸盐玻璃,不论退火和淬火都随T升高,E上升,只有在Tg时才有不同程度的下降。玻璃的弹性模量与热处理的关系为: 淬火玻璃的弹性模量小于退火玻璃的弹性模量,一般低2%~7%,具体的幅度由淬火程度和组成而定。 同样玻璃纤维的弹性模量小于同组成的退火玻璃。 玻璃在晶化后的弹性模量提高。 

  内摩擦玻璃和其他物体一样,也有吸收机械振动(包括声波和超声波振动) 的能力。 振动衰减的程度取决于玻璃成分、温度、振动频率及玻璃中存在的应力和质地不均等。 衰减是内摩擦造成的。 固态硅酸盐玻璃的内摩擦由 Si-O骨架和某种结构单元、结构离子在稳定的平衡位置作本征振动所引起。低频(0.1~100Hz)下的内摩擦用Q-1值表示:Q-1=2.303,Ao-8(4-44)IgAn TTN式中 N-一振幅由初振幅Ao减至振幅An时间内摆丝的振动数(摆丝由待测玻璃做成);0-一振动衰减的对数衰减率.在兆赫频带内,当波长为入,Q-1值由超声波吸收系数a求出:Q-1=40(4-45)T内摩擦是对玻璃结构一切变化都十分敏感的性质。 但玻璃的声谱往往是极其复杂的形式,至今仍未能解析清楚。所以,内摩擦是表示机械振动在固态介质中传播阻力的指标。 内摩擦越大,振幅衰减越快,振动停止也越快。 玻璃在超声技术中被用作弹性传递介质,首先考虑的就是它的内摩擦性。 

  机械强度固体(其中包括玻璃)抵抗机械破坏的阻力,统称为强度。 强度分为抗断、抗压、抗弯、抗扭、抗冲击等强度。 玻璃的比强度主要取决于试样的横截面(尺寸因数)、玻璃表面状况及热处理制度(退火、淬火、保温),而对成分的依从性则小得多。例如,块状石英玻璃的抗断强度等于8kgf/mm2左右,新拉制玻璃纤维的强度则高得多,大部分随直径缩小而急剧提高。 直径5~10um无缺陷石英玻璃纤维的强度达到 590kgf/mm2,在液氮中,强度高达1800kgf/mm2.影响玻璃强度的主要因素如下:(1) 化学键、化学组成对玻璃强度的影响 通过键强及单位体积内的键数影响玻璃强度。 键强:桥氧与非桥氧的键强不同; 非桥氧中碱金属与碱土金属的键强也不同。 键数:即结构网络的疏密程度。各组成氧化物对玻璃抗张强度提高作用的顺序为:CaO>B203>Al2 O3>PbO>K2O>Na2O>(MgO、Fe2O3)各组成氧化物对玻璃抗压强度提高作用的顺序为: Al203>(SiO2、ZnO、MgO)>B2O3>>(PbO、CaO、BaO)>Na20>K2O 玻璃的抗张强度和抗压强度可用下式计算 OF玻=P1F1+P2F2+...+PnF,8C玻=P1C1+P2C2+...+PnCn式中,P1、P2.、Pn为各氧化物的质量分数;C、C..、C和FI、F2...、Fn为各氧化物的计算系数。 但计算结果精度低,只做参考。(2)其他影响因素 微不均匀性;玻璃中微观和宏观缺陷;表面微裂纹;活 性介质;温度;玻璃中的残余应力,特别是分布不均的残余应力使玻璃的强度大 为降低; 玻璃中的疲劳现象-一加荷速度或加荷时间的影响。 

  硬度一物体抵抗另一物体侵入的能力,称为硬度.它也是力学强度的一种。一物 体侵入另一物体的方式有多种,所以硬度也分成莫氏硬度、显微硬度、研磨硬度 和刻划硬度等。 每种硬度可用不同方法测定,而且硬度值取决于测量方法。 往往要测定玻璃的显微硬度。 用方形金刚石棱锥(棱角136)在一定负荷下向玻璃压入,玻璃上压印的大小便是显微硬度的尺度。 硬度的计算按下式进行:1.854P(kgf/mm2)(4-46)L2 式中 P-负荷,N;L-对角线长,mm。涤玻璃的显微硬度与成分关系不大,实际上,在极限情况下,它的变化不会小于一半,也不会超出一倍。不过,硬度仍然是成分的复杂函数; 不同玻璃的各种硬度值不能用同一系数和方程式计算。 按式(4-46)求得的显微硬度值取决于加在压印物上的负荷、待测表面的制 备方法及压印的持续时间。 

  脆性玻璃是典型的脆性体。 脆性是材料未经明显塑性变形而遭到破坏的性质。它是与塑性(不可逆大变形的能力)和弹性(可逆大变形的能力)相对立的。脆性体既不能可逆地显著变形,又不能不可逆地显著变形。 脆性大小由弯曲时的冲击韧度来衡量。 比冲击韧度aィ等于冲击断裂功除以 试样横截面。玻璃的a值只有0.01~0.22kgf.m/cm2,而钢的Q值(2~25kgf.m/cm?)比它大几百倍。在确定显微硬度的同时,也可以方便地估算玻璃的显微脆性。 显微脆性用印痕周围出现第一条裂缝时加在压印物上的最小负荷表示。显微脆性越小,引起裂缝的负荷越大.脆性取决于组成试样的形状、厚度、热处理条件。