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影響玻璃強度的八個因素

發布時間:2018年05月02日  點擊:次 文章來源:本站原創   文章作者: 佚名

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宝爵娱乐彩票官网 www.xfdgi.icu     我們知道,普通玻璃通過鋼化處理后,就會產生很高的強度,甚至通過一些手段處理達到防彈、防爆炸等強度。對于建筑以及軍工使用的高強度玻璃,是通過挖掘玻璃各種加強強度的因素組合應用而得到的高強度玻璃,研究影響玻璃強度的因素具有非常重要的意義。那么影響玻璃強度的主要因素因素有哪些呢?

    影響玻璃強度的主要因素有:化學鍵強度、表面微裂紋、微不均勻性、結構缺陷和外界條件如溫度、活性介質、疲勞等。諸多因素或獨立影響或相互影響。

    1·化學組成固體物質的強度主要由各質點的鍵強及單位體積內結合鍵的數目決定。對不同化學組成的玻璃來說,其結構間的鍵力及單位體積的鍵數是不同的,因此強度的大小也不同。對硅酸鹽玻璃來說,橋氧與非橋氧所形成的鍵,其強度不同。石英玻璃中的氧離子全部為橋氧,Si——O鍵力很強,因此石英玻璃的強度最高。就非橋氧來說,堿土金屬的鍵強比堿金屬的鍵強要大,所以含大量堿金屬離子的玻璃強度最低。單位體積內的鍵數也即結構網絡的疏密程度,結構網稀,強度就低。

    2·表面微裂紋前面所述玻璃強度與表面微裂紋密切相關。格里菲斯(Griffith)認為玻璃破壞時首先是從表面微裂紋開始,隨著裂紋逐漸擴展,導致整個試樣的破裂。根據測定,在1m㎡玻璃表面含有300個左右的微裂紋,這此微裂紋的深度約為4——8nm。由于這些微裂紋的存在,使玻璃的抗拉、抗折強度僅為抗壓強度的1/15——1/l00。

    為了克服表面微裂紋的影響,提高玻璃的強度,可采取兩個途徑。其一是減少和消除玻璃的表面缺陷。其二是使玻璃表面形成殘余壓應力,以克服表面微裂紋的擴展時的拉應力作用。為此可采用表面火焰拋光、氫氟酸腐蝕等,以消除或鈍化微裂紋;還可采用淬冷(物理鋼化)或表面離子交換(化學鋼化),以獲得壓應力層。例如,把玻璃在火焰中拉成纖維,在拉絲的過程中,原有微裂紋被火燈i熔去,并且在冷卻過程中表面產生壓應力層,從而強化了表面,使玻璃纖維的強度大幅增加。

    3·微不均勻性,通過電鏡觀察證實,玻璃中存在微相和微不均勻結構。它們是由分相或形成離子群聚而致。微相之間易生成裂紋,且其相互間的結合力比較薄弱,又因成分不同,熱膨脹不一樣,必然會產生應力,使玻璃強度降低。微相之間的熱膨脹系數差別越大,冷卻過程中生成微裂紋的數目也越多。

    不同種類玻璃的微不均勻區大小不同,有時可達20nm。微相直徑在熱處理后有所增加,而玻璃的極限強度是與微相直徑大小的開方成反比,微相增加則強度降低。

    4·玻璃中的宏觀和微觀缺陷宏觀缺陷如固體夾雜物(結石)、氣體夾雜物(氣泡)、化學不均勻(條紋)等常因成分與主體玻璃成分不一致,膨脹系數不同而造成內應力。同時由于宏觀缺陷提供了界面,從而使微觀缺陷(如點缺陷、局部析晶、晶界等)常常在宏觀缺陷的地方集中,從而導致裂紋的產生,嚴重影響玻璃的強度。

    5·活性介質活性介質(如水、酸、堿及某些鹽類等)對玻璃表面有兩種作用:一是滲人裂紋像楔子(斜劈)一樣使微裂紋擴展;二是與玻璃起化學作用破壞結構(如使硅氧鍵斷開)因此在活性介質中玻璃的強度降低。水引起強度降低最大。玻璃在醇中的強度比在水中高4000,在醇中或其他介質中含水分越高,越接近在水中的強度。

    6·溫度低溫與高溫對玻璃強度的影響是不同的。在接近絕對零度(-273℃附近)到200℃范圍內,強度隨溫度的上升而下降。此時由于溫度的升高,裂紋端部分子的熱運動增強,導致結合鍵的斷裂,增加玻璃破裂的幾率。在200℃左右時強度最低。高于200℃時,強度逐漸增加,這可歸因于裂口的純化,緩和了應力的集中。

    7·玻璃中的應力玻璃中的殘余應力,特別是分布不均勻的殘余應力,使強度大為降低。實驗證明,殘余應力增加到1.5——2倍時,抗彎強度降低9%一12%。玻璃進行鋼化后,使其表面產生均勻的壓應力、內部形成均勻的張應力,則能大大提高制品的機械強度。經過鋼化處理的玻璃,其耐機械沖擊和熱沖擊的能力比經良好退火的玻璃要高5——10倍。

    8·玻璃的疲勞現象在常溫下,玻璃的破壞強度隨加荷速率或加荷時間的變化而變化。加荷速率越大或加荷時間越長,其破壞強度越小,短時間不會破壞的負荷,時間久了可能會破壞,這種現象稱之為玻璃的疲勞現象。玻璃在實際使用時,當經受長時間、多次負荷的作用,或在彈性變形溫度范圍內經受多次溫差的沖擊,都會受到“疲勞”的影響。例如用玻璃纖維做試驗,若短時間內施加為斷裂負荷60%的負荷時,只有個別試樣斷裂,而在長時間負荷作用下,全部試樣都斷裂。

    研究表明,玻璃的疲勞現象是由于在加荷作用下微裂紋的擴展而逐漸加深所致。此時周圍介質特別是水分將加速與微裂紋尖端的SiO2網絡結構反應,使網絡結構破壞,導致裂紋的延伸。而玻璃在液氮、更低溫度下和真空中,不出現疲勞現象。此外,疲勞與裂紋大小無關。


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