三玻璃断裂力学及玻璃结构.pdf

. 第三章 玻璃、断裂力学及玻璃结构 第一节玻璃 玻璃是一种均质的材料，一种固化的液体，分子完全任意排列。 由于它是各种化学键的组合，因此没有化学公式。玻璃没有熔点，当 它被加热时， 会逐渐从固体状态转变为具有塑性的黏质状态， 最后成 为一种液体状态。 与其他那些因测量方向不同而表现出不同特性的晶 体相比，玻璃表现了各向同性，即它的性能不是由方向决定的。当前 用于建筑的玻璃是钠钙硅酸盐玻璃。 生产过程中， 原材料要被加热到 很高的温度，使其在冷却前变成黏性状态，再冷却成形。 3.1.1 玻璃的力学性能 常温下玻璃有许多优异的力学性能：高的抗压强度、好的弹性、 高的硬度，莫氏硬度在 5～6 之间，用一般的金属刻化玻璃很难留下 痕迹，切割玻璃要用硬度极高的金刚石。 抗压强度比抗拉强度高数倍。 常用玻璃与常用建筑材料的强度比较如下： 玻璃 钢（ Q235 ） 铸铁 水泥 抗压强度 630～ 1260 —— 650 20～80 （Mpa ） 抗拉强度 28～70 380 ～470 100～280 —— （Mpa ） 3.1.2 玻璃没有屈服强度。 玻璃的应力应变拉伸曲线与钢和塑料是不同的， 钢和塑料的拉伸 应力在没有超过比例极限以前， 应力与应变呈线性直线关系， 超过弹 页脚 . 性极限并小于强度极限，应变增加很快，而应力几乎没有增加，超过 屈服极限以后，应力随应变非线性增加，直至钢材断裂。玻璃是典型 的脆性材料，其应力应变关系呈线性关系直至破坏，没有屈服极限， 与其它建筑材料不同的是： 玻璃在它的应力峰值区， 不能产生屈服而 重新分布，一旦强度超过则立即发生破坏。应力与变形曲线见下图。 图 3-1 应力与变形拉伸曲线 3.1.3 玻璃的理论断裂强度远大于实际强度。 玻璃的理论断裂强度就是玻璃材料断裂强度在理论上可能达到 的最高值，计算玻璃理论断裂强度应该从原子间结合力入手， 因为只 有克服了原子间的结合力，玻璃才有可能发生断裂。 Kelly 在 1973 年 的研究表明理想的玻璃理论断裂强度一般处于材料弹性模量的 4 1/10 ～ 1/20 之间，大约为 0.7 ×10 MPa，远大于实际强度，在实际材 料中，只有少量的经过精心制作极细的玻璃纤维的断裂强度， 能够达 到或者接近这一理论的计算结果。 断裂强度的理论值和建筑玻璃的实 际值之间存在的悬殊的差异， 是因为玻璃在制造过程中不可避免的在 表面产生很多肉眼看不见的裂纹， 深度约 5 μm，宽度只有 0.01 到 0.02 页脚 . μm ，每 mm2 面积有几百条，又称格里菲思裂纹 ,见图 3-2 、图 3-3 。 至使断裂强度的理论值远大于实际值。 1913 年 Inglis 提出应力集中理