第五章-玻璃的力学性能

94第5章玻璃的机械性能及热学性能5.1玻璃的机械性能玻璃的机械性能主要包括：玻璃的机械强度、玻璃的弹性、玻璃的硬度和脆性以及玻璃的密度等。对玻璃的使用有着非常重要的作用。5.1.1玻璃的机械强度玻璃是一种脆性材料，它的机械强度可用耐压、抗折、抗张、抗冲击强度等指标表示。玻璃之所以得到广泛应用，原因之一就是它的耐压强度高，硬度也高。由于它的抗折和抗张强度不高，并且脆性较大，使得玻璃的应用受到一定的限制。为了改善玻璃的这些性能，可采用退火、钢化（淬火）、表面处理与涂层、微晶化、与其它材料制成复合材料等方法。这些方法中有的可使玻璃抗折强度成倍甚至十几倍的增加。玻璃的强度与组成、表面和内部状态、环境温度、样品的几何形状、热处理条件等因素有关。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。其值决定于原子间的相互作用及热运动。玻璃的理论强度可通过不同的方法进行计算，其值大约为1010～1.5×1010Pa。由于晶体和无定形物质结构的复杂性，物质的理论强度可近似的按Exth•=σ计算。E为弹性模量，x为与物质结构和键型有关的常数，一般为x=0.1～0.2。按此式计算，石英玻璃的理论强度为1.2×1010Pa。表5-1列出一些材料的弹性模量、理论强度与实际强度的数据。表5-15-15-15-1不同材料的弹性模量、理论强度与实际强度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石英玻璃纤维玻璃纤维块状玻璃氯化钠有机玻璃钢离子—共价键离子—共价键离子—共价键离子键共价键金属键12.4×10107.2×10107.2×10104.0×10100.4～0.6×101020×10100.10.10.10.060.10.151.24×10100.72×10100.72×10100.24×10100.04～0.06×10103.0×10101.05×10100.2～0.3×10108～15×1070.44×10710～15×1070.1～0.2×1010由表5-1可看出，块状玻璃的实际强度比理论强度低得多，与理论强度相差2～3个数量级。块状玻璃实际强度这样低的原因，是由于玻璃的脆性和玻璃中存在有微裂纹（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所引起的（由于玻璃受到应力作用时不会产生流动，表面上的微裂纹便急剧扩展，并且应力集中，以致破裂）。其中表面微裂纹对玻璃强度的影响尤为重要。5.1.1.2玻璃的断裂力学断裂力学是固体力学中研究带裂纹材料强度的一门学科，它在生产上有着重要的应用价值。断裂力学首先承认材料内部有裂纹存在，着眼于裂纹尖端局部地区的应力和变形情况来研究带裂纹构件的承载能力和材料抗脆断性能（断裂韧性）与裂纹之间的定量关系，研究95裂纹发生和扩展的力学规律，从而提出容许裂纹设计方法，防止材料的脆断。（1）断裂力学的基本概念在1920年首先由格里菲斯总结出的材料断裂机理，解释了玻璃材料实际强度比理论强度低的原因，提出了有名的脆性断裂理论。该理论的要点如下：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（如图5-1），在一定应力σ作用下，此裂纹处弹性应变能为：Ecπσ22−（5-2）而同时产生两个新裂口表面，相应的表面断裂能为cz•γ4（5-3）因而在外力作用下，裂纹得以扩展的条件为：0422=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−•Eccddzcπσγ得：0242=−Eczπσγ（5-4）式中zγ—形成新裂纹的表面能这时的σ相当于断裂应力fσ则：cEzfπγσ2=（5-5）当外力超过fσ时，则裂纹自动传播而导致断裂。而且当裂纹扩展时，上式c随之变大，fσ也相应下降，故裂纹继续发展所要求的应力条件就更低。玻璃极限强度（临界强度），即试样发生断裂时的负荷，比理论强度低。常用脆性材料中的微裂纹引起强度降低这一概念来加以解释，格里菲斯认为：不同大小的裂纹需要不同的应力才能扩展。裂纹的形状，裂纹与张应力的作用方向等不同时，其玻璃的极限强度计算公式也不同。此外，若材料中不仅存在微裂纹，而且还有晶格位错时，其强度降低的更多。（2）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，在这些地方引起应力的集中导致微裂纹的产生。外加负荷越小，裂纹增长越慢。经过一定时间后，裂纹尖端处的应力越来越大，超过临界应力时，裂纹就迅速分裂，使玻璃断裂。由此可见，玻璃断裂过程分为两个阶段（见图5-2）：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，在其相互相遇时就形成以镜面为中心的辐射状碎裂条纹。如果裂纹源在断裂的表面，则产生呈半圆形的镜面；如图5-1施加一定应力σ于一端固定的平板（有裂纹）96果裂纹源从内部发生，则镜面为圆形。按照格里菲斯的概念，在裂纹的尖端存在着应力集中，这种应力的集中是驱使裂纹扩展的动力。从裂纹扩展过程中的能量平衡，可推导出临界断裂应力cσ的近似值为：cEACγσ′=（5-6）式中A′—常数γ—是形成单位面积新表面的表面能而材料的理论强度计算公式为：0rEZthγσ=（5-7）（0r为原子间平衡距离）由式（5-6）与（5-7）相比较，当裂纹长度c接近于0r，也就是裂纹尺寸控制在原子间距离的水平，材料的强度可达到理论值，这实际是很难做到的。由此可见，研究裂纹源的产生，掌握和控制裂纹的大小及传播速度就显得非常重要。根据断裂力学理论的推导对裂纹前缘应力场的研究，以应力强度因子K来描述这个应力场，一般K可用下式表示：σπcaK=（5-8）式中a—随裂纹形状而异的常数满足式（5-6）的临界条件时的K值为cK，cK值称为临界应力强度因子或断裂韧性。则：πσcccaK=（5-9）表5-25-25-25-2各种玻璃的CK值////×101010103333PaPaPaPa玻璃成分真空，三点受力弯曲测试KcSiO2Al2O3B2O3Na2OK2OCaOMgOBaOPbO石英高硅氧玻璃铝硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃硼冕玻璃铅玻璃99.996578120350.31523513114104770.2102610.753±0.0300.709±0.0400.836±0.0320.777±0.0320.904±0.0140.643±0.009各种玻璃的CK值见表5-2所示。CK值根据其成分波动在0.62～0.63×103Pa。当玻璃受力情况下K值大于cK值时，玻璃即发生断裂。根据已知的cK值，从式（5-9）图5-2玻璃棒轴向拉力断裂示意图K—裂纹源；S—镜平面；R—粗糙度逐渐增加的区域；E—辐射裂纹97还可求出玻璃的临界裂纹半长度aC：221⎟⎠⎞⎜⎝⎛=aKCccaπσ（5-10）如果裂纹长度小于临界裂纹长度，玻璃还可以使用，接近裂纹长度，就不能再使用，达到临界裂纹长度玻璃就要断裂。玻璃的实际裂纹长度可以利用扫描电子显微镜或其他测试设备测定，测出的表面微裂纹的长度与计算出的临界半裂纹长度比较，如远小于临界裂纹长度，说明玻璃在此应力下可以使用。裂纹的扩展速度为：()ρE•6.0~4.0（5-11）式中ρ—密度E—玻璃的弹性模量5.1.1.3影响玻璃强度的主要因素影响玻璃强度的主要因素有：化学键强度、表面微裂纹、微不均匀性、结构缺陷和外界条件如温度、活性介质、疲劳等。（1）化学组成固体物质的强度主要由各质点的键强及单位体积内键的数目决定。对不同化学组成的玻璃来说，其结构间的键力及单位体积的键数是不同的，因此强度的大小也不同。对硅酸盐玻璃来说，桥氧与非桥氧所形成的键，其强度不同。石英玻璃中的氧离子全部为桥氧，Si—O键力很强，因此石英玻璃的强度最高。就非桥氧来说，碱土金属的键强比碱金属的键强要大，所以含大量碱金属离子的玻璃强度最低。单位体积内的键数也即结构网络的疏密程度，结构网稀，强度就低。图5-3表示了上述三种不同结构强度的玻璃。OOOOSiSiSiSiOSiOROOSiOORSiSiOOORROOSiOOR在玻璃组成中加入少量Al2O3或引入适量B2O3（小于15%），会使结构网络紧密，玻璃强度提高。此外CaO、BaO、PbO、ZnO等氧化物对强度提高的作用也较大，MgO、Fe2O3等对抗张强度影响不大。玻璃的抗张强度范围为：(34.3～83.3)×106Pa，各组成氧化物对玻璃抗张强度提高作用顺序为：CaOB2O3Al2O3PbOK2ONa2O（MgO、Fe2O3）各组成氧化物对玻璃抗压强度提高作用顺序为：Al2O3（SiO2、MgO、ZnO）B2O3Fe2O3（BaO、CaO、PbO）Na2OK2O（括弧中的成分作用大致相同）玻璃的抗张强度Fσ和耐压强度Cσ可按加和法则用下式计算：石英玻璃含有R2+的硅酸盐玻璃含有R+的硅酸盐玻璃图5-3三种不同结构强度的玻璃98nnFFpFpFp+++=⋯2211σ（5-12）nnCCpCpCp+++=⋯2211σ（5-13）式中1p、2p…np—玻璃中各氧化物的重量百分数1F、2F…nF—各组成氧化物的抗张强度计算系数1C、2C…nC—各组成氧化物的耐压强度计算系数表5-35-35-35-3计算抗张强度及抗压强度的系数系数氧化物Na2OK2OMgOCaOBaOZnOPbOAl2O3As2O3B2O3P2O5SiO2抗张强度抗压强度0.020.520.010.050.011.100.200.200.050.650.150.600.0250.480.051.000.031.000.0650.900.0750.760.091.23这些计算系数见表5-3，应当指出，由于影响玻璃强度的因素很多，因而计算所得的强度精度往往较低，只具有参考价值，一般最好进行测定。（2）表面微裂纹前面所述玻璃强度与表面微裂纹密切相关。格里菲斯(Griffith)认为玻璃破坏时是从表面微裂纹开始，随着裂纹逐渐扩展，导致整个试样的破裂。据测定，在1mm2玻璃表面上含有300个左右的微裂纹，它们的深度在4～8nm，由于微裂纹的存在，使玻璃的抗张、抗折强度仅为抗压强度的1/10～1/15。为了克服表面微裂纹的影响，提高玻璃的强度，可采取两个途径。其一是减少和消除玻璃的表面缺陷。其二是使玻璃表面形成压应力，以克服表面微裂纹的作用。为此可采用表面火焰抛光、氢氟酸腐蚀，以消除或钝化微裂纹；还可采用淬冷（物理钢化)或表面离子交换（化学钢化），以获得压应力层。例如，把玻璃在火焰中拉成纤维，在拉丝的过程中，原有微裂纹被火焰熔去，并且在冷却过程中表面产生压应力层，从而强化了表面，使其强度增加。（3）微不均匀性通过电镜观察证实，玻璃中存在微相和微不均匀结构。它们是由分相或形成离子群聚而致。微相之间易生成裂纹，且其相互间的结合力比较薄弱，又因成分不同，热膨胀不一样，必然会产生应力，使玻璃强度降低。微相之间的热膨胀系数差别越大，冷却过程中生成微裂纹的数目也越多。不同种类玻璃的微不均匀区大小不同，有时可达20nm。微相直径在热处理后有所增加，而玻璃的极限强度是与微相大小的开方成反比，微相增加则强度降低。（4）玻璃中的宏观和微观缺陷宏观缺陷如固体夹杂物（结石）、气体夹杂物（气泡）、化学不均匀（条纹）等常因成分与主体玻璃成分不一致，膨胀系数不同而造成内应力。同时由于宏观缺陷提供了界面，从而使微观缺陷（如点缺陷、局部析晶、晶界等）常常在宏观缺陷的地方集中，从而导致裂纹的产生，严重影响玻璃的强度。（5）活性介质活性介质（如水、酸、碱及某些盐类等）对玻璃表面有两种作用：一是渗入裂纹像楔子（斜劈）一样使微裂纹扩展；二是与玻璃起化学作用破坏结构（例如使硅氧键断开）。因此在活性介质中玻璃的强度降低。水引起强度降低最大。玻璃在醇中的强度比在水中高40%，99在醇中或其他介质中含水分越高，越接近在水中的强度。在酸或碱的溶液中当pH=1～11.3范围内（酸和碱都在0.1mol/L以下），强度与pH值无关（与水中相同,在1mol/L的浓度时，对强度稍有影响，酸中减小，碱中增