所谓材料的理论轻度,就是从不同的理论角度来分析材料所能承受的最大应力或分离原子(离子或分子)所需的最小应力。其值决定于原子间的键强度。但这只适用于不存在任何缺陷的情况。
玻璃的理论强度可通过不同的方式进行计算,其值大致为(1.0~1.5)×104MPa。由于晶体和无定形物质的复杂性,物质的理论强度可近似地按σth=x·E计算。E为弹性模量,x为与物质结构和键型有关的常数,一般x=0.1~0.2。按此式计算,石英玻璃的理论强度为1.2×104MPa。下表列出一些玻璃材料的弹性模量、理论强度与实际强度的比较数据。
材料名称 |
键型 |
弹性模量 E/×104MPa` |
系数x |
理论强度 σth=x·E /×104MPa |
实际强度/MPa |
理论/实际 |
石英玻璃纤维 |
离子-共价键 |
12.4 |
0.1 |
1.24 |
10500 |
1.18 |
玻璃纤维 |
离子-共价键 |
7.2 |
0.1 |
0.72 |
2500 |
2.88 |
块状玻璃 |
离子-共价键 |
7.2 |
0.1 |
0.72 |
10 |
72.00 |
氯化钠 |
离子 |
4.0 |
0.06 |
0.24 |
4.4 |
545.00 |
有机玻璃 |
共价键 |
0.5 |
0.1 |
0.05 |
12 |
42.00 |
钢 |
金属键 |
20.0 |
0.15 |
3.00 |
1500 |
20.00 |
玻璃的实际强度通常要比理论强度低很多,一般为(3~15)×101MPa,理论强度相差2~3个数量级。这是疑问玻璃强度不仅与化学键强度有关,还与玻璃的脆性、玻璃中表面微裂纹、内部不均匀及缺陷的存在造成应力集中有关,其中表面微裂纹对玻璃强度的温度尤为严重。
用一块边缘有深度为a的微裂纹平板,在平板的纵向加上一个拉应力σ0,使裂纹处于应力内,见图4.23.当微裂纹尖端向前扩展时,在扩展方向上距离为r处的应力σr如式下式为:
σr=2σ0——①
式①指出,裂纹尖端附件所受的应力要比σ0大得多,存在明显的应力集中现象。当σr达到玻璃的强度极限时,玻璃即断裂。设r为原子间距的大小程度,即r=2×10-10m,则当微裂纹尺寸a控制在原子间距离的水平,按式①此时σr≈σ0,材料强度可大大理论值,这在实际上是很难做到的。当微裂纹深度σ=1μm时,按式①可得σr=100σ0,则材料的强度实际上已降低了1/100左右。如果说对一定的玻璃试样,无论是断裂时起决定左右的距离r还是出现的应力σr都是固定值的话,那么式①中的乘积σ0也是常数。这说明材料断裂时能承受的拉应力σ0与断裂深度a的平方根成反比,这已为实验所证明。
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