材料的脆性是指負荷超過材料極限時,材料部產生明顯的塑性變形而立即破裂的性質。玻璃是典型的脆性材料之一,它沒有屈服延伸階段,特別是在受到突然施加的負荷或沖擊是,脆性表現十分明顯。
玻璃脆性通常破壞它時所受沖擊強度來表示,如式1所示:
D=C/S——(式1)
式中:D——玻璃脆性;
C——玻璃耐壓強度;
S——玻璃耐沖擊強度。
玻璃的耐沖擊強度測試法為:將質量為m的鋼球,從高度h自由落下,沖擊試驗的表面,如果鋼球幾次以不同的高低沖擊試樣的同一表面直至破裂,則鋼球所做的全部功為∑mgh,試驗體積為V,則玻璃的耐沖擊強度S為式2所示。
當玻璃的耐壓強度C相仿時,S值越大則脆弱度D將越小,即脆性越小。玻璃脆性也可用測定顯微硬度的方法:把壓痕發生破裂時的負荷值——“脆裂負荷”作為玻璃脆性標準。如對
石英玻璃的顯微硬度測定表明,在負荷達30g時,壓痕即開始破裂,因而其脆性是很大的。當加入堿金屬盒二價金屬氧化物時,玻璃的脆性將隨加入離子半徑的增大而增加,見下表一。
表一:R+和R2+金屬離子對玻璃脆性的影響
玻璃組成
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16R2O·84SiO2
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12Na2O·18RO·70SiO2
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加入氧化物
脆性負荷/g
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Li2O
170
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Na2O
80
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K2O
70
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BeO
170
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MgO
120
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CaO
70
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SrO
30
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BaO
20
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ZnO
70
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CdO
50
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PbO
50
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離子的配位狀態對玻璃脆性有重要影響。例如硼離子處于【BO3】時,玻璃的脆性比【BO4】時為小。表二列舉了在Na2O-B2O3-SiO2三元系統中,以B2O3代替SiO2時脆裂負荷的變化。
表二:B2O3含量對Na2O-B2O3-SiO2+系統脆性的影響
玻璃成分
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16 Na2O·xB2O3·(84-x)SiO2
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(32-x)Na2O·xB2O3·68SiO2
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W(B2O3)/%
脆裂負荷/g
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0
80
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4
50
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8
30
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12
30
|
16
30
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20
30
|
24
40
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32
60
|
4
50
|
12
30
|
20
40
|
24
100
|
28
150
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因此,為了獲得硬度大而脆性小的玻璃,應當在玻璃中引入陽離子半徑小的氧化物,如Li2O、BeO、MgO等。
此外,玻璃的脆性也決定于試樣的形狀,特別是厚度,因為耐沖擊強度隨試樣厚度的增加而增加。熱處理對于抗沖擊強度的影響也很大,經均勻淬火的玻璃耐沖擊強度時退火玻璃的5-7倍,從而脆性大大降低。