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影响玻 璃强度的八个因素

发布时间:2018年05月02日  点击:次 文章来源:本站原创   文章作者: 佚名

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    我们知道,普通玻 璃通过钢化处理后,就会产生很高的强度,甚至通 过一些手段处理达到防弹、防爆炸等强度。对于建 筑以及军工使用的高强度玻璃,是通过 挖掘玻璃各种加强强度的因素组合应用而得到的高强度玻璃,研究影 响玻璃强度的因素具有非常重要的意义。那么影 响玻璃强度的主要因素因素有哪些呢?

    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。诸多因 素或独立影响或相互影响。

    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结合键的数目决定。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。

    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 璃破坏时首先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。根据测定,在1m㎡玻璃表面含有300个左右的微裂纹,这此微 裂纹的深度约为4——8nm。由于这 些微裂纹的存在,使玻璃的抗拉、抗折强 度仅为抗压强度的1/15——1/l00。

    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 使玻璃表面形成残余压应力,以克服 表面微裂纹的扩展时的拉应力作用。为此可 采用表面火焰抛光、氢氟酸腐蚀等,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,原有微裂纹被火灯i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,使玻璃 纤维的强度大幅增加。

    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直径大小的开方成反比,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:一是渗人裂纹像楔子(斜劈)一样使微裂纹扩展;二是与 玻璃起化学作用破坏结构(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4000,在醇中 或其他介质中含水分越高,越接近在水中的强度。

    6·温度低 温与高温对玻璃强度的影响是不同的。在接近绝对零度(-273℃附近)到200℃范围内,强度随 温度的上升而下降。此时由于温度的升高,裂纹端 部分子的热运动增强,导致结合键的断裂,增加玻璃破裂的几率。在200℃左右时强度最低。高于200℃时,强度逐渐增加,这可归 因于裂口的纯化,缓和了应力的集中。

    7·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。实验证明,残余应力增加到1.5——2倍时,抗弯强度降低9%一12%。玻璃进行钢化后,使其表 面产生均匀的压应力、内部形 成均匀的张应力,则能大 大提高制品的机械强度。经过钢化处理的玻璃,其耐机 械冲击和热冲击的能力比经良好退火的玻璃要高5——10倍。

    8·玻璃的 疲劳现象在常温下,玻璃的 破坏强度随加荷速率或加荷时间的变化而变化。加荷速 率越大或加荷时间越长,其破坏强度越小,短时间 不会破坏的负荷,时间久了可能会破坏,这种现 象称之为玻璃的疲劳现象。玻璃在实际使用时,当经受长时间、多次负荷的作用,或在弹 性变形温度范围内经受多次温差的冲击,都会受到“疲劳”的影响。例如用 玻璃纤维做试验,若短时 间内施加为断裂负荷60%的负荷时,只有个别试样断裂,而在长 时间负荷作用下,全部试样都断裂。

    研究表明,玻璃的 疲劳现象是由于在加荷作用下微裂纹的扩展而逐渐加深所致。此时周 围介质特别是水分将加速与微裂纹尖端的SiO2网络结构反应,使网络结构破坏,导致裂纹的延伸。而玻璃在液氮、更低温度下和真空中,不出现疲劳现象。此外,疲劳与裂纹大小无关。


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