玻璃的力學性質-玻璃點心杯
彈性固體在取消外力作用后恢復原來形狀的性質,稱為彈性。玻璃的彈性主要指:彈性模量E、剪切模量G,泊松比?、體積壓縮模量K.之間存在下列關系:E/G=2(1+u),E/K=3(1-2)其中E表示材料抵抗變形的能力,即應力與應變的對應關系。E=8/E(4-42)式中,ふ為應力;e為相對縱向變形。一般玻璃的E=(4.41~88)X108=0.11~0.30.因此,彈性模量越高,引起給定變形量所需的外力越大,換句話說,變形量給定時物體產生的應力越高。 剪切模量G等于切向應力與剪切角之比,在虎克定律適用范圍內,也是常量。E和u值是玻璃的兩個重要特性。 表示雙層(夾層)玻璃內應力和玻璃與金屬陶瓷等材料封接處內應力的公式,就含有E和u兩個值。 E值越大,玻璃試樣承受拉伸變形的機會就越少。 高模量賦予結構以剛性。玻璃的彈性模量與成分、 溫度和熱處理都有關系。 其中化學組成的影響如下.(1)化學鍵的強度越大,變形越小,E就越大,玻璃結構越堅實,E也越大。(2)質點間的強度大小與原子半徑核電子數有關,因此在常溫下,E是原子序數的周期函數,在同一族中的元素如Be、Mg、Ca、Sr及Ba,隨原子序的增加,E下降,E的大小幾乎和這些離子與氧離子間的吸引力2Z/a2呈直線關系。(3)同一氧化物處于高配位時,其E值要比處于低配位高,所以,半徑大、低電荷的Na,K,SrBa離子不利于提高E。(4)B2O3,Al203對E的影響:B203玻璃中加入Na2O,出現硼反?，F象;在硼鋁硅酸鹽玻璃中,E同樣出現硼鋁反?，F象。(5)E可用下式近似計算:E=Ei P1+E2 P2+...+EnPn(4-43)式中,Ei,E2、·..,En為玻璃中各氧化物的彈性計算系數;P1,P2,...Pn為玻璃中各氧化物的質量分數。大多數硅酸鹽玻璃的E隨T的升高而降低; 但石英玻璃、高硅氧玻璃和派來克斯玻璃,由于其膨脹系數小,當T升高時,E增加; 同樣硼硅酸鹽玻璃,不論退火和淬火都隨T升高,E上升,只有在Tg時才有不同程度的下降。玻璃的彈性模量與熱處理的關系為: 淬火玻璃的彈性模量小于退火玻璃的彈性模量,一般低2%~7%,具體的幅度由淬火程度和組成而定。 同樣玻璃纖維的彈性模量小于同組成的退火玻璃。 玻璃在晶化后的彈性模量提高。
內摩擦玻璃和其他物體一樣,也有吸收機械振動(包括聲波和超聲波振動) 的能力。 振動衰減的程度取決于玻璃成分、溫度、振動頻率及玻璃中存在的應力和質地不均等。 衰減是內摩擦造成的。 固態硅酸鹽玻璃的內摩擦由 Si-O骨架和某種結構單元、結構離子在穩定的平衡位置作本征振動所引起。低頻(0.1~100Hz)下的內摩擦用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減至振幅An時間內擺絲的振動數(擺絲由待測玻璃做成);0-一振動衰減的對數衰減率.在兆赫頻帶內,當波長為入,Q-1值由超聲波吸收系數a求出:Q-1=40(4-45)T內摩擦是對玻璃結構一切變化都十分敏感的性質。 但玻璃的聲譜往往是極其復雜的形式,至今仍未能解析清楚。所以,內摩擦是表示機械振動在固態介質中傳播阻力的指標。 內摩擦越大,振幅衰減越快,振動停止也越快。 玻璃在超聲技術中被用作彈性傳遞介質,首先考慮的就是它的內摩擦性。
機械強度固體(其中包括玻璃)抵抗機械破壞的阻力,統稱為強度。 強度分為抗斷、抗壓、抗彎、抗扭、抗沖擊等強度。 玻璃的比強度主要取決于試樣的橫截面(尺寸因數)、玻璃表面狀況及熱處理制度(退火、淬火、保溫),而對成分的依從性則小得多。例如,塊狀石英玻璃的抗斷強度等于8kgf/mm2左右,新拉制玻璃纖維的強度則高得多,大部分隨直徑縮小而急劇提高。 直徑5~10um無缺陷石英玻璃纖維的強度達到 590kgf/mm2,在液氮中,強度高達1800kgf/mm2.影響玻璃強度的主要因素如下:(1) 化學鍵、化學組成對玻璃強度的影響 通過鍵強及單位體積內的鍵數影響玻璃強度。 鍵強:橋氧與非橋氧的鍵強不同; 非橋氧中堿金屬與堿土金屬的鍵強也不同。 鍵數:即結構網絡的疏密程度。各組成氧化物對玻璃抗張強度提高作用的順序為:CaO>B203>Al2 O3>PbO>K2O>Na2O>(MgO、Fe2O3)各組成氧化物對玻璃抗壓強度提高作用的順序為: Al203>(SiO2、ZnO、MgO)>B2O3>>(PbO、CaO、BaO)>Na20>K2O 玻璃的抗張強度和抗壓強度可用下式計算 OF玻=P1F1+P2F2+...+PnF,8C玻=P1C1+P2C2+...+PnCn式中,P1、P2.、Pn為各氧化物的質量分數;C、C..、C和FI、F2...、Fn為各氧化物的計算系數。 但計算結果精度低,只做參考。(2)其他影響因素 微不均勻性;玻璃中微觀和宏觀缺陷;表面微裂紋;活 性介質;溫度;玻璃中的殘余應力,特別是分布不均的殘余應力使玻璃的強度大 為降低; 玻璃中的疲勞現象-一加荷速度或加荷時間的影響。
硬度一物體抵抗另一物體侵入的能力,稱為硬度.它也是力學強度的一種。一物 體侵入另一物體的方式有多種,所以硬度也分成莫氏硬度、顯微硬度、研磨硬度 和刻劃硬度等。 每種硬度可用不同方法測定,而且硬度值取決于測量方法。 往往要測定玻璃的顯微硬度。 用方形金剛石棱錐(棱角136)在一定負荷下向玻璃壓入,玻璃上壓印的大小便是顯微硬度的尺度。 硬度的計算按下式進行:1.854P(kgf/mm2)(4-46)L2 式中 P-負荷,N;L-對角線長,mm。滌玻璃的顯微硬度與成分關系不大,實際上,在極限情況下,它的變化不會小于一半,也不會超出一倍。不過,硬度仍然是成分的復雜函數; 不同玻璃的各種硬度值不能用同一系數和方程式計算。 按式(4-46)求得的顯微硬度值取決于加在壓印物上的負荷、待測表面的制 備方法及壓印的持續時間。
脆性玻璃是典型的脆性體。 脆性是材料未經明顯塑性變形而遭到破壞的性質。它是與塑性(不可逆大變形的能力)和彈性(可逆大變形的能力)相對立的。脆性體既不能可逆地顯著變形,又不能不可逆地顯著變形。 脆性大小由彎曲時的沖擊韌度來衡量。 比沖擊韌度aィ等于沖擊斷裂功除以 試樣橫截面。玻璃的a值只有0.01~0.22kgf.m/cm2,而鋼的Q值(2~25kgf.m/cm?)比它大幾百倍。在確定顯微硬度的同時,也可以方便地估算玻璃的顯微脆性。 顯微脆性用印痕周圍出現第一條裂縫時加在壓印物上的最小負荷表示。顯微脆性越小,引起裂縫的負荷越大.脆性取決于組成試樣的形狀、厚度、熱處理條件。