端面摩擦對玻璃壓縮強(qiáng)度的影響

2021-11-20 10:13:32陸華成熊雪梅鐘東海鄭宇軒周風(fēng)華

硅酸鹽通報 2021年10期

陸華成，熊雪梅，鐘東海，鄭宇軒，周風(fēng)華

(寧波大學(xué)，沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315211)

0 引言

玻璃材料具有優(yōu)異的光學(xué)透明度、低密度、高硬度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于建筑物、汽車、高速列車、飛機(jī)等民用和國防工程領(lǐng)域[1-2]。而壓縮強(qiáng)度作為玻璃材料最基本的力學(xué)參數(shù)之一，一般采用萬能試驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿(SHPB)對其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)獲得，其壓縮過程中的均勻變形直至破壞則是保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)。然而，由于玻璃是一種典型的高脆性材料，破壞應(yīng)變極小，在壓縮過程中試件通常會出現(xiàn)碎片剝落[3-4]。

近年來，國內(nèi)外研究人員對各類玻璃材料在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)加載下的壓縮力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)[5-9]。然而，目前的研究工作關(guān)注點(diǎn)一般都是玻璃壓縮強(qiáng)度、破壞過程以及應(yīng)變率效應(yīng)，試驗(yàn)中均采用凡士林或者黃油來減小接觸面摩擦。混凝土材料作為典型的脆性材料，接觸摩擦產(chǎn)生的橫向約束會改變局部混凝土的單軸受力狀態(tài)和破壞模式，從而提高混凝土材料的壓縮強(qiáng)度[10-11]。而玻璃材料同樣作為典型的脆性材料，如果端面摩擦力較大的話，在壓縮過程中橫向約束的應(yīng)力增強(qiáng)與碎片剝落的應(yīng)力卸載相互競爭，難以得出材料的真實(shí)壓縮強(qiáng)度。

本文采用銅箔和凡士林對玻璃的壓縮接觸面進(jìn)行減摩處理，通過MTS液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對鈉鈣硅玻璃進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，采用高速攝影技術(shù)觀察玻璃試樣內(nèi)部的裂紋萌生、擴(kuò)展和破壞過程，分析了端面摩擦對玻璃的破壞過程、壓縮強(qiáng)度和碎片形貌的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品制備

試驗(yàn)選取鈉鈣硅玻璃作為研究對象，其具體化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)樣品尺寸為8 mm×8 mm×8 mm的立方體，樣品與MTS試驗(yàn)機(jī)壓頭的接觸面經(jīng)過拋光處理，保證兩面的平行精度不大于10 μm，并在棱邊上做45°的倒角處理以避免邊緣的應(yīng)力集中，如圖1所示。利用超聲共振頻譜儀測得玻璃樣品的力學(xué)參數(shù)：密度為2.5 g/cm3，泊松比為0.23，楊氏模量為74 GPa。

表1 鈉鈣硅玻璃的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Percent chemical composition of soda-lime-silica glass (mass fraction) /%

圖1 玻璃樣品Fig.1 Glass specimens

1.2 接觸面摩擦系數(shù)測試

采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究了不同接觸條件下鈉鈣硅玻璃與金屬之間的摩擦系數(shù)，主要包括：(1)接觸面無任何處理；(2)接觸面放置兩層銅箔(厚度為18 μm)；(3)接觸面涂抹凡士林；(4)接觸面放置兩層銅箔并涂抹凡士林。采用鎢鋼摩擦球?qū)ΣＡ悠愤M(jìn)行點(diǎn)面接觸式摩擦，摩擦球上的外加載荷為10 N，轉(zhuǎn)速為400 r/min，摩擦總時間為60 min。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，玻璃樣品接觸面在經(jīng)過處理之后，摩擦系數(shù)均減小。其中，通過銅箔和凡士林復(fù)合處理之后的端面摩擦系數(shù)最小，僅為0.06，遠(yuǎn)小于單獨(dú)使用凡士林的摩擦系數(shù)。

表2 接觸面的摩擦系數(shù)Table 2 Friction coefficient of the contact face

1.3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

采用MTS試驗(yàn)機(jī)對玻璃試驗(yàn)樣品進(jìn)行應(yīng)變率為10-4s-1的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，為減少壓縮過程中彈性凹坑的影響，玻璃樣品接觸端采用高硬度高模量的碳化鎢墊塊接觸試件。分別采用以下兩種方式處理玻璃樣品的壓縮接觸面：(1)在接觸面涂抹凡士林；(2)在接觸面加上兩層銅箔，再涂抹凡士林。利用高速相機(jī)記錄玻璃樣品整個壓縮破壞過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 端面摩擦對玻璃壓縮破壞過程的影響

圖2為單獨(dú)使用凡士林處理接觸面的鈉鈣硅玻璃壓縮應(yīng)力時程曲線，根據(jù)樣品破壞時刻，將高速相機(jī)獲得的圖像與應(yīng)力時程曲線一一對應(yīng)。從壓縮應(yīng)力時程曲線可以看出，在壓縮的前期是較為均勻的壓縮，但是當(dāng)壓縮至整個過程的中期時，玻璃樣品從正面左上角首次出現(xiàn)碎片剝落，如圖2(b)1所示，此時玻璃受到的壓縮應(yīng)力為243 MPa，僅為最大壓縮應(yīng)力的38.6%。當(dāng)外加載荷持續(xù)到488 s時，試件再次在左邊下角區(qū)域出現(xiàn)碎片剝落，如圖2(b)2所示。隨后，在圖2(b)3中可以看出，試件表面開始大面積脫落，隨著應(yīng)力水平的繼續(xù)上升，試件側(cè)面繼續(xù)出現(xiàn)碎片的崩落，此時應(yīng)力水平達(dá)到最大值629 MPa，如圖2(b)4所示。在試樣到達(dá)最大壓縮應(yīng)力之前，樣品中每次裂紋快速擴(kuò)展都引起了應(yīng)力值的小幅下降。從圖2(b)6中可以看出，試件完全破壞前的瞬間，試件中已經(jīng)出現(xiàn)了大量的剝落，表面呈現(xiàn)不平整的形狀。

圖2 鈉鈣硅玻璃的破壞過程(凡士林處理)Fig.2 Failure process of soda-lime-silica glass (lubricated with vaseline)

圖3為使用銅箔和凡士林共同處理接觸面的鈉鈣硅玻璃的壓縮應(yīng)力時程曲線。從壓縮應(yīng)力時程曲線可以看出，整個壓縮過程都是較為均勻的壓縮，樣品沒有出現(xiàn)顯著的裂紋或者碎片剝落，應(yīng)力水平持續(xù)增加并未出現(xiàn)破壞前的小幅卸載現(xiàn)象。由于均勻加載的玻璃樣品內(nèi)部儲存了大量的彈性勢能，樣品的最后破壞過程實(shí)際上是動態(tài)破碎過程，所需時間極短，故采用高速相機(jī)拍攝其最后的破壞瞬間，相機(jī)幀頻為40 000幀/s。從圖3(b)最左側(cè)的圖可以看出，此時玻璃樣品仍然是未出現(xiàn)任何顯著的裂紋或者破壞，將此刻定義為動態(tài)破碎的時間零點(diǎn)，即t=0 μs時刻；當(dāng)t=25 μs時，試件開始急速產(chǎn)生大量裂紋，裂紋方向主要沿軸向；當(dāng)t=50 μs 時，裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到整個試件，并在試件側(cè)面中部出現(xiàn)斷口。

圖3 鈉鈣硅玻璃的破壞過程(銅箔和凡士林共同處理)Fig.3 Failure process of soda-lime-silica glass (lubricated with copper foil and vaseline)

2.2 端面摩擦對玻璃壓縮強(qiáng)度的影響

圖4 鈉鈣硅玻璃的壓縮強(qiáng)度統(tǒng)計Fig.4 Compressive strength statistics of soda lime glass

玻璃作為典型的脆性材料，壓縮強(qiáng)度存在較大的離散性。因此，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中，對鈉鈣硅玻璃共進(jìn)行20組準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，圖4為玻璃壓縮強(qiáng)度的統(tǒng)計結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，無論接觸面如何處理，樣品的壓縮強(qiáng)度均呈現(xiàn)出一定的分散性；單獨(dú)使用凡士林處理接觸面的玻璃平均壓縮強(qiáng)度為586 MPa，而使用銅箔和凡士林共同處理接觸面的玻璃平均壓縮強(qiáng)度為372 MPa，平均壓縮強(qiáng)度降低了36.52%，端面摩擦的減小使得樣品的橫向約束變?nèi)酰嚇犹幱诟咏咏鼏屋S應(yīng)力的狀態(tài)，一定程度上減少了圍壓引起的強(qiáng)化效應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)為玻璃材料的抗壓強(qiáng)度降低。

進(jìn)一步，對玻璃試件壓縮強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，如表3所示。單獨(dú)使用凡士林處理接觸面的玻璃壓縮強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差為77.83 MPa，而使用銅箔和凡士林共同處理接觸面的玻璃壓縮強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差為48.91 MPa，表觀上顯示為接觸摩擦越小，玻璃的壓縮強(qiáng)度分散性也越小。但是由于兩者的平均壓縮強(qiáng)度并不相同，而從標(biāo)準(zhǔn)差率可以看出，無論是單獨(dú)用凡士林，亦或者銅箔和凡士林共同減摩，兩者均是0.13。故而，接觸面的摩擦只能改變玻璃材料的壓縮強(qiáng)度，并不能影響其分散程度。

表3 壓縮強(qiáng)度的離散統(tǒng)計Table 3 Discrete statistics of compression strength

2.3 端面摩擦對玻璃破壞后形貌的影響

圖5為玻璃樣品在壓縮破壞后碎片形貌，其中圖中黃色碎片為銅箔。從圖5(a)可以看出，使用凡士林處理的玻璃碎片中有一部分大塊顆粒，這是來源于壓縮過程中試件表面的脫落，而大量呈粉末狀的碎片則主要來源于爆炸性破碎過程。而經(jīng)過銅箔和凡士林共同處理的玻璃碎片基本呈大塊的條狀，這是由于試件的瞬間破壞是軸向裂紋發(fā)展的，最終出現(xiàn)拉伸斷裂[12]，壓縮強(qiáng)度大幅降低導(dǎo)致玻璃中存儲的彈性勢能較少，因此碎片尺寸比單獨(dú)凡士林處理的玻璃碎片要大，如圖5(b)所示。