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玻璃的理论强度与实际强度

发布时间:2016/7/19

所谓玻璃的理论强度,就是从不同理论角度来分析玻璃所能承受的最大应力。从原子间结合 的情况来看,是分离原子(或离子)所需的最小应力。

一般钠钙硅玻璃的弹性模量在65〜75GPa左右,而其理论强度应在lOGPa左右。但玻璃的 实际强度并不高,还不到理论强度的1%。而且,在实际情况下,玻璃的强度还随着试样的不同 而不同,即使这些试样取自于同一时间生产、质量相同、都切割成同样大小形状的样品,在做强 度试验时会发现它们之间相差很大,有的可相差一倍以上。玻璃的强度存在上述现象的主要原因 是由于玻璃的脆性和玻璃中存在的微裂纹及缺陷所引起的。1920年,葛里菲斯(Grifith)首先对 上述观察到的现象提出了建设性的解释。他指出,所有的玻璃试样表面都布满着微裂纹,这些裂 纹的作用使强度大大下降,位于裂纹尖端的应力常常远远大于所施加的应力,前者取决于裂缝的 大小及部位。因此,玻璃在外加应力的作用下的断裂可能起始于表面上适当半径的葛里菲斯微裂 纹,裂纹在初始伸展得较为缓慢,并生成镜面般的平面;同时,微裂纹尖端处的应力发展成为许 多相邻的裂口而造成多向裂缝,裂缝逐渐变粗糙而形成所谓的贝壳状区域。玻璃表面的微裂纹半 径范围最小的只有几纳米,最大的约为(葛里菲斯设想)5^n,是光学显微镜所分辨不出的,近 代用扫描电镜可以分辨出来。

在强度试验中,由于缺陷的存在,使得强度显著地依赖于样品的尺寸。哥亭在对葛里菲斯裂 缝进行观察时发现,玻璃强度随着其尺寸的增加而降低,并指出这种现象的解释可以假定为破裂 取决于适当裂纹的形成的概率,而裂纹的概率随着表面积的增大而增加。同时,试验表明在足够

小的面积下,普通玻璃的微观强度接近于玻璃的理论强度,并与极细的玻璃纤维具有相同的强度 级,这也证明了在每平方毫米的玻璃表面上必然存在着许多裂缝。既然玻璃试样的表面条件是影 响它强度大小的一个重要因素,那么一切有可能改善玻璃表面微裂纹的表面条件都会对强度产生 影响,这一效应最早是由布洛德曼(Brodman)发现的。他发现玻璃表面经过氢氟酸处理后,可 以提高它的强度,同时还证明,这种处理并不是在表面形成一层强度较高的覆盖层,相反却是除 去了一层玻璃的存在着缺陷的表面层。

实际上,玻璃表面作为三维网络变为二维平面的分界,由于具有断键,造成许多不完全配 位,本身就是块状材料的一种缺陷。而且玻璃表面层还有其自身的特点。Weyl曾提出了亚表面 层理论,认为玻璃表面存在一个结构与本体结构不同的亚表面层,在这个薄层内,越靠近表面, 对称性越差,配位越不规则,越容易产生缺陷。这个弱化层的厚度甚至可达lOO^m以上。因此 玻璃的破裂大多是从表面开始的。

此外,影响玻璃强度的因素还包括:化学键强度、微不均匀性、结构缺陷和外界条件如温 度、活性介质、疲劳等。

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