在玻璃中加入少量Al2O3,由于Al3+可以奪取非橋氧形成【AlO4】四面體,把斷裂的Si—O網(wǎng)絡(luò)重新連接起來,使結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)緊密,玻璃強(qiáng)度提高。同樣在玻璃種引入B2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%以下),由于【BO4】的形成,結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)緊密,強(qiáng)度提高。此外CaO、BaO、PbO、ZnO等對強(qiáng)度提高的作用也較大,MgO、FeO3等對抗張強(qiáng)度的影響不大。
各氧化物對玻璃抗張強(qiáng)度的提高作用次序是:CaO>B2O3>Al2O3>PbO>K2O>Na2O>(MgO、Fe2O3)
各氧化物對玻璃抗壓強(qiáng)度的提高次序是:Al2O3>(SiO2、MgO、ZnO) >B2O3>Fe2O3>(BaO、CaO、PbO) >Na2O>K2O
括弧中的成分作用大致相同。
玻璃的抗張強(qiáng)度σF和抗壓強(qiáng)度σC可按加和法則用下式計算:
σF=w1F1+w2F2+…+wnFn
σC=p1C1+p2C2+…+pnCn
式中:w1、w2、…、wn——玻璃種各氧化物成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);
F1、F2、…、Fn——各氧化物成分的抗張強(qiáng)度計算系數(shù);
C1、C2、…、Cn——各氧化物成分的抗呀強(qiáng)度計算系數(shù)。
這些計算系數(shù)列于下表中。應(yīng)當(dāng)指出由于影響玻璃強(qiáng)度的因素較多,因而計算所得的強(qiáng)度精度較差,僅有參考價值,應(yīng)以測試結(jié)構(gòu)為依據(jù)。
系數(shù) |
氧化物 |
|||||||||||
Na2O |
K2O |
MgO |
CaO |
BaO |
ZnO |
PbO |
Al2O3 |
As2O3 |
B2O3 |
P2O5 |
SiO2 |
|
抗張強(qiáng)度 |
0.02 |
0.01 |
0.01 |
0.20 |
0.05 |
0.15 |
0.03 |
0.05 |
0.03 |
0.07 |
0.08 |
0.09 |
抗壓強(qiáng)度 |
0.02 |
0.05 |
1.10 |
0.20 |
0.05 |
0.60 |
0.48 |
1.00 |
1.00 |
0.90 |
0.76 |
1.23 |
(2)表面微裂紋:前面所述玻璃強(qiáng)度與微裂紋密切相關(guān)。格里菲斯(Griffith)認(rèn)為玻璃破裂是從表面裂紋開始,隨著裂紋逐漸擴(kuò)展,導(dǎo)致整個試樣的破裂。據(jù)測定,在1mm2玻璃表面上含有300各左右的微裂紋,它們的深度在4~8nm,由于微裂紋的存在,使玻璃的抗張、抗折強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/15~1/10.
為了克服微裂紋的影響,改進(jìn)玻璃的強(qiáng)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壓應(yīng)力,來克服表面裂紋的作用。為此可采用表面火焰拋光、氫氟酸腐蝕,以消除或鈍化微裂紋;可采用淬冷(物理鋼化)或表面離子交換(化學(xué)鋼化),或得壓應(yīng)力層。
(3)微不均勻性:表面微裂紋是使玻璃強(qiáng)度度大幅度降低的主要原因,但當(dāng)玻璃表面缺陷消除后,測得的強(qiáng)度還是比理論強(qiáng)度低得多。通過電鏡觀察證實,這是由于玻璃種存在微相和微不均勻的結(jié)構(gòu),它們是由分相或形成離子群聚而致。微相之間易生產(chǎn)裂紋,且相互間的結(jié)合力比較薄弱,又因成分不同,熱膨脹不一樣,必然會產(chǎn)生應(yīng)力,使玻璃強(qiáng)度降低。微相之間的熱膨脹系數(shù)差別越大,冷卻過程中形成微裂紋的數(shù)目也越多。
不同種類玻璃的微不均勻區(qū)域大小不同,有時可達(dá)20nm.微相直徑在熱處理后有所增加,二玻璃的極限強(qiáng)度是微相大小的開方成反比,因此微相的加大,強(qiáng)度將降低。
(4)玻璃種的宏觀和微觀缺陷:宏觀缺陷如固體夾雜物(結(jié)石)、氣體夾雜物(氣泡)、化學(xué)不均勻(條紋)等常因與主體玻璃成分不一致、膨脹系數(shù)不同而造成內(nèi)應(yīng)力。同事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(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生,嚴(yán)重影響玻璃的強(qiáng)度。
(5)溫度:低溫與高溫對玻璃強(qiáng)度的影響是不同的。根據(jù)-200~+500℃范圍內(nèi)的測試,強(qiáng)度最低點位于500℃左右。在接近溫度-273~+200℃的范圍內(nèi),強(qiáng)度下降。這主要是隨著溫度的升高,裂紋端部分子的熱運(yùn)動增加,導(dǎo)致鍵的斷裂,增加玻璃裂紋的幾率。高于200℃是,強(qiáng)度遞升,這可歸因與裂口的鈍化,減少了局部的應(yīng)力集中。
(6)周圍介質(zhì):周圍活性介質(zhì)如水、酸、堿及某些鹽類等對玻璃表面有兩種作用:一是滲入裂紋像楔子(斜劈)一樣使微裂紋擴(kuò)展;二是與玻璃起化學(xué)作用破壞結(jié)構(gòu),列如使硅氧鍵斷開.因此在活性介質(zhì)中玻璃的強(qiáng)度降低,尤其是水引起強(qiáng)度降低最大.這可從下列各現(xiàn)象中反映出來:玻璃在醇中的強(qiáng)度比在水中的高40%,在醇中或其他介質(zhì)中含水分越高,越接近水中的強(qiáng)度;在酸或堿的溶液中,當(dāng)Ph=10~11.3范圍內(nèi)(酸和堿都在0.1mol/L以下),強(qiáng)度與pH無關(guān)(與水中相同);在1mol/L的溶度時,低強(qiáng)度稍微有影響,酸中減小,堿中增大;6mol/L時各增減越10%。
干燥的空氣、非極性介質(zhì)(如煤油等)、憎水性有機(jī)硅燈,對強(qiáng)度的影響小,所以測定玻璃強(qiáng)度最好在真空中或液氮中進(jìn)行,以免受活性介質(zhì)的影響。相反,在SO2、CO2氣氛中加熱玻璃(列如名焰退火),可使玻璃表面生成一層白霜,這是玻璃表面的堿性金屬離子與SO2和CO2酸性氣體生成的Na2SO4和Na2CO3.這層白霜極易被擦洗掉,結(jié)果是玻璃表面金屬氧化物含量減少,膨脹系數(shù)下降,將測試壓應(yīng)力,有利于強(qiáng)度進(jìn)一步的提高。
(7)玻璃中的應(yīng)力:玻璃液從高溫下冷卻成形,在制品內(nèi)部總是存在一些分布不均勻的殘余應(yīng)力,這些應(yīng)力都使強(qiáng)度降低。通過退火,能使玻璃種有害應(yīng)力消除,并使整個結(jié)構(gòu)固定,強(qiáng)度增加。如果制品進(jìn)行淬冷(物理鋼化)使其表面測試均勻的壓應(yīng)力,內(nèi)部形成均勻的張應(yīng)力,則能大大提高制品的機(jī)械強(qiáng)度。經(jīng)過鋼化處理的玻璃,其耐機(jī)械沖擊和耐熱沖擊的能力比經(jīng)良好退火的玻璃高5~10倍。
(8)玻璃的疲勞現(xiàn)象:在常溫下,玻璃的破壞強(qiáng)度隨加載速度或加載時間而變化。加載速度越大或加載時間越長,其破壞強(qiáng)度越小,短時間不會破壞的負(fù)荷,時間久了可能會破壞,這種現(xiàn)象稱之為玻璃的疲勞現(xiàn)象。例如用玻璃纖維做試驗,若短時間內(nèi)施加為斷裂負(fù)荷60%的負(fù)荷時,只有個別試樣斷裂,而在長時間負(fù)荷作用下,全部試樣都斷裂。通常,測定時間如果延長10倍,強(qiáng)度將比在液氮溫度(77K)下測得強(qiáng)度值低7%。
研究表明,玻璃的疲勞現(xiàn)象時由于在加載作用微裂紋的加深所致。此時周圍介質(zhì)特別是水將加速度與微裂紋尖端的SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)反應(yīng),是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞,導(dǎo)致裂紋的延伸,此謂應(yīng)力腐蝕理論。通過對斷裂速度的討論,得出關(guān)于疲勞的一些論點。
①疲勞只在水分存在時出現(xiàn),在真空中不出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象;
②在溫度甚低時不出現(xiàn)疲勞,因為這時反應(yīng)速度太小;
③溫度升高,疲勞增大;
④疲勞與裂紋大小無關(guān)。
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