金屬材料應(yīng)力釋放工藝對(duì)陶瓷巖板內(nèi)部應(yīng)力釋放影響的初步探討

摘 要： 陶瓷巖板的大面積商業(yè)化應(yīng)用大幅提高了建筑陶瓷材料在室內(nèi)裝飾領(lǐng)域的應(yīng)用面積。但由于陶瓷巖板的面積尺寸較大，生產(chǎn)過(guò)程中殘余應(yīng)力在陶瓷巖板內(nèi)部非均勻分布，嚴(yán)重影響了陶瓷巖板的可加工性能。本研究使用超聲波探傷儀對(duì)陶瓷巖板進(jìn)行掃描，探測(cè)陶瓷巖板的內(nèi)部是否存在宏觀裂紋；通過(guò)應(yīng)力儀電阻應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)陶瓷巖板的殘余應(yīng)力釋放情況；通過(guò)調(diào)節(jié)全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效儀的激振器振動(dòng)頻率和振動(dòng)時(shí)間消除陶瓷巖板在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高陶瓷巖板的可加工性能。

關(guān)鍵詞：陶瓷巖板；切割裂；可加工性；應(yīng)力釋放

1 前言

市面上陶瓷巖板切割裂嚴(yán)重，亟待對(duì)巖板可加工性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)、深度的研究，找到巖板切割裂的影響因素，提高陶瓷巖板的可加工性能，為陶瓷巖板的生產(chǎn)和加工提供指導(dǎo)性技術(shù)支持。本文就使用金屬材料應(yīng)力釋放設(shè)備對(duì)巖板內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行釋放做初步探討[1]。

2試驗(yàn)

2.1儀器設(shè)備

OND 50數(shù)字超聲波探傷儀，其傾斜探頭可用于材料內(nèi)/外部裂紋的分布及長(zhǎng)度的探傷，垂直探頭可用于材料內(nèi)部空洞和斷層的探傷。DM -YB 1840-10 Hz應(yīng)力儀電阻應(yīng)變儀，可用于材料應(yīng)力變化的數(shù)據(jù)采集。MIT-12K系列全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效儀，通過(guò)不同的振動(dòng)頻率和振動(dòng)時(shí)間達(dá)到金屬材料的應(yīng)力釋放的目的。所用設(shè)備具體型號(hào)如表1所示：

2.2試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

使用超聲波探傷儀對(duì)陶瓷巖板進(jìn)行掃描[2]，探測(cè)陶瓷巖板的內(nèi)部是否存在宏觀裂紋；通過(guò)使用超聲波探傷技術(shù)，對(duì)陶瓷巖板進(jìn)行缺陷分析，根據(jù)超聲波探傷原理，聲波在穿過(guò)不同介質(zhì)的情況下會(huì)有不同程度的反射，反射回來(lái)的信號(hào)被信號(hào)接收器捕捉，在顯示器上會(huì)顯示出回聲信號(hào)，以此來(lái)判定陶瓷巖板制品中是否出現(xiàn)裂紋以及裂紋的深度和位置，當(dāng)探測(cè)到陶瓷巖板的內(nèi)部具有裂紋時(shí)，可在瓷磚表面進(jìn)行標(biāo)記，在加工過(guò)程避開(kāi)存在有裂紋的區(qū)域，減小裂紋擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。

將探測(cè)結(jié)果為無(wú)宏觀裂紋的陶瓷巖板置于工作臺(tái)上，將陶瓷巖板分成多個(gè)檢測(cè)區(qū)域。將電阻應(yīng)變儀的多個(gè)應(yīng)力應(yīng)變片的一端分別貼在每個(gè)檢測(cè)區(qū)域表面的中心位置，將應(yīng)力應(yīng)變片的另一端分別連接于電阻應(yīng)變儀的主機(jī)。連接方式可選用1/4橋接方式、1/2橋接方式或者全橋接方式中的任意一種。1/2橋接方式用于檢測(cè)相對(duì)較大的一塊區(qū)域，觀察這個(gè)區(qū)域整體的形變，而全橋接方式則是檢測(cè)陶瓷巖板整體的形變情況，這里優(yōu)選1/4橋接方式進(jìn)行連接。因?yàn)?/4 橋接方式是直接檢測(cè)“點(diǎn)”，也就是小部分區(qū)域的形變，且連接方式簡(jiǎn)單，能更充分且更直觀地體現(xiàn)出檢測(cè)區(qū)域的形變是膨脹還是收縮，以及能夠體現(xiàn)出該檢測(cè)區(qū)域的收縮或者膨脹的程度，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性更高。

使用螺釘將激振器固定在工作臺(tái)上，使用C型夾將陶瓷巖板也固定在工作臺(tái)上，將激振器與振動(dòng)時(shí)效儀的主機(jī)連接，通過(guò)激振器使工作臺(tái)與陶瓷巖板一起進(jìn)行高頻振動(dòng)，消除陶瓷巖板的殘余應(yīng)力。待激振器停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，關(guān)閉振動(dòng)時(shí)效儀并記錄電阻應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)，取下應(yīng)力應(yīng)變片，完成陶瓷巖板的應(yīng)力釋放。 其具體設(shè)備擺放及連接方式如圖1所示：

圖2 （a）為剛測(cè)試時(shí)瓷磚表面應(yīng)力分布情況，（b）為自然狀態(tài)下應(yīng)力釋放5天后應(yīng)變片數(shù)值情況，（c）為應(yīng)變數(shù)值變化分析圖。從圖2中可以看出，對(duì)陶瓷巖板的表面檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)控，電阻應(yīng)變儀可以捕捉并顯示電路中電流的微弱變化，表明陶瓷巖板表面的局部區(qū)域有形變發(fā)生[3]。自然狀態(tài)下應(yīng)變片數(shù)值變化程度不大，表明自然狀態(tài)下表面殘余應(yīng)力釋放較為緩慢，殘余應(yīng)力釋放周期長(zhǎng)，這會(huì)加劇巖板企業(yè)產(chǎn)品庫(kù)存壓力，企業(yè)無(wú)法快速將產(chǎn)品打入市場(chǎng)，不利于企業(yè)搶占市場(chǎng)份額。

隨后通過(guò)激振器使陶瓷巖板進(jìn)行高頻振動(dòng)，利用高頻振動(dòng)傳輸?shù)哪芰浚Y(jié)合陶瓷巖板的殘余應(yīng)力引發(fā)陶瓷材料晶格滑移或其他形式的晶格畸變，滑移或晶格畸變的累積最終導(dǎo)致材料發(fā)生塑性形變，此過(guò)程會(huì)消耗陶瓷巖板殘余應(yīng)力所帶來(lái)的能量，達(dá)到消除陶瓷巖板殘余應(yīng)力的目的[4]。最后關(guān)閉振動(dòng)時(shí)效儀并記錄電阻應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)，可以驗(yàn)證殘余應(yīng)力是否已經(jīng)被消耗釋放。因?yàn)榇纱u產(chǎn)品的共振峰波動(dòng)范圍相對(duì)較小，所以不論是否發(fā)生形變，陶瓷巖板的共振峰都處于一個(gè)相對(duì)較窄的區(qū)間，所以只要使時(shí)效振動(dòng)頻率處于該共振頻率，就能起到促進(jìn)應(yīng)力釋放的作用，而進(jìn)行時(shí)效振動(dòng)的目的是除去殘余應(yīng)力，當(dāng)瓷磚表面存在大量殘余應(yīng)力的時(shí)候，此殘余應(yīng)力有兩種宣泄途徑，一是促進(jìn)材料內(nèi)晶粒的位錯(cuò)滑移，二是使微觀裂紋穩(wěn)態(tài)拓展，二者均可吸收殘余應(yīng)力帶來(lái)的能量，但此過(guò)程所處的激發(fā)能級(jí)較高，殘余應(yīng)力所含能量無(wú)法達(dá)到二者的激發(fā)能級(jí)。故需通過(guò)時(shí)效振動(dòng)，使陶瓷巖板產(chǎn)生共振，共振產(chǎn)生的能量與殘余應(yīng)力一同作用，促進(jìn)材料內(nèi)晶粒的位錯(cuò)滑移，也可以使微裂紋得到一定程度的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，消除殘余應(yīng)力，在此狀態(tài)下，當(dāng)外界再有剪切力作用于瓷磚表面時(shí)，其能級(jí)無(wú)法使材料內(nèi)部晶粒發(fā)生位錯(cuò)、滑移或裂紋拓展，從而改善了陶瓷巖板的可加工性。

圖3（a）為時(shí)效振動(dòng)前應(yīng)變片的數(shù)值情況，圖3（b）為振動(dòng)后應(yīng)變片數(shù)值變化情況，其中CH01 ～ CH05反映的是參與時(shí)效振動(dòng)測(cè)試的瓷磚表面應(yīng)變片數(shù)值變化情況，CH06 ～ CH10反映的是未參與時(shí)效振動(dòng)的瓷磚表面應(yīng)變片數(shù)值變化情況（即CH06 ～ CH10所測(cè)的瓷磚不存在有效振動(dòng)）。從圖中CH01 ～ CH05數(shù)值變化可以看出，在5000 r · min-1，時(shí)效振動(dòng)10 min的條件下，應(yīng)變片數(shù)值變化極差為30 με，參與時(shí)效振動(dòng)的瓷磚較未參與時(shí)效振動(dòng)的瓷磚應(yīng)變片數(shù)值變化較大，表明時(shí)效振動(dòng)可以加快瓷磚表面殘余應(yīng)力的釋放；從圖中可以看出，部分應(yīng)變片的數(shù)值變化較大，而部分應(yīng)變片數(shù)值變化較小（以CH01、CH05為例），這是因?yàn)榇纱u出窯時(shí)，表面殘余應(yīng)力即為不均勻分布，這和窯爐內(nèi)溫差、窯爐燒成制度、坯釉料組分均勻程度、瓷磚尺寸等多方因素有關(guān)；同時(shí)，殘余應(yīng)力也分為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，這也是導(dǎo)致瓷磚在經(jīng)過(guò)時(shí)效振動(dòng)后數(shù)值有升高和降低差異的原因。所以，在實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先分析數(shù)值變化的極差，其次是數(shù)值變化的平均值。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以看出，瓷磚的時(shí)效振動(dòng)可以加速瓷磚表面殘余應(yīng)力的釋放，但其最佳振動(dòng)頻率和振動(dòng)時(shí)間依然未知，故進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證800 mm× 800 mm巖板的最佳振動(dòng)頻率和最佳振動(dòng)時(shí)間。

圖4（a）為時(shí)效振動(dòng)頻率為6000 r · min-1有效振動(dòng)10 min前應(yīng)變片的數(shù)值情況，圖4（b）為振動(dòng)后應(yīng)變片數(shù)值變化情況，圖4（c）為時(shí)效振動(dòng)頻率為7000 r · min-1有效振動(dòng)10 min前應(yīng)變片的數(shù)值情況，圖4（d）為振動(dòng)后應(yīng)變片數(shù)值變化情況。從圖中可以看出，在6000 r · min-1，時(shí)效振動(dòng)10 min的條件下，應(yīng)變片數(shù)值變化極差為43 με；在7000 r · min-1，時(shí)效振動(dòng)10 min的條件下，應(yīng)變片數(shù)值變化極差為106 με。相較于5000 r · min-1，時(shí)效振動(dòng)10 min的條件下（在5000 r · min-1，時(shí)效振動(dòng)10min的條件下，應(yīng)變片數(shù)值變化極差為30 με），7000 r · min-1，時(shí)效振動(dòng)10 min的條件下瓷磚的應(yīng)變程度更大，這表明時(shí)效振動(dòng)頻率的升高可以加速瓷磚表面殘余應(yīng)力的釋放。

圖5（a）為時(shí)效振動(dòng)前，樣品表面應(yīng)變情況，圖5（b）、 （c）分別為時(shí)效振動(dòng)30 min、60 min后樣品局部應(yīng)變片數(shù)值變化情況。從圖中可知，結(jié)合之前的數(shù)據(jù)分析可知：時(shí)效振動(dòng)30min左右，應(yīng)變片數(shù)值變化極差較大，表明局部應(yīng)變程度較大，可以推測(cè)出局部的應(yīng)力釋放程度較大；當(dāng)振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)30 min后，同一位置對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片數(shù)值變化較小，應(yīng)力釋放減緩。結(jié)果表明在8000" r · min-1條件下，時(shí)效振動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)應(yīng)控制在30 min左右較為適宜。

3結(jié)論

本文所述提高陶瓷巖板可加工性能的方法，可以在不改變陶瓷巖板原有生產(chǎn)配方的基礎(chǔ)上消除陶瓷巖板在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高了陶瓷巖板的可加工性能，且不需要在陶瓷材料中加入任何增韌劑或增韌晶體，對(duì)陶瓷巖板的顯色、對(duì)版、調(diào)色、透光度等性能無(wú)影響，有效降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，且適用性廣。

但鑒于振動(dòng)時(shí)效儀本身是針對(duì)金屬材料的應(yīng)力釋放設(shè)備，其全自動(dòng)探頭無(wú)法精準(zhǔn)的探測(cè)陶瓷材料的有效振動(dòng)頻率及有效振動(dòng)時(shí)間，結(jié)合目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，瓷磚類產(chǎn)品的振動(dòng)頻率最高不超過(guò)8000 r/min，最佳振動(dòng)時(shí)間不超過(guò)30 min（以800mm×1600 mm巖板為例）。另外，最佳振動(dòng)頻率及振動(dòng)時(shí)間還受到瓷磚的尺寸、強(qiáng)度等多種因素影響。

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The Effect of Metal Material Stress Release Process on the Internal Stress Release of Ceramic Slate

WANG Jin-feng， JIANG Bin-xuan

（1. Guangdong Dongpeng Holdings Company Limited，F(xiàn)oshan 528000，China;

2. School of Materials Science and Engineering，Jingdezhen Ceramic University， Jingdezhen 333403，China）

Abstract： The large-scale commercial application of ceramic rock panels has greatly increased the application area of building ceramic materials in the field of interior decoration. However， due to the large area size of the ceramic rock plate， residual stress is unevenly distributed inside the ceramic rock plate during the production process， which seriously affects the machinability of the ceramic rock plate. This study uses an ultrasonic flaw detector to scan the ceramic rock plate and detect whether there are macroscopic cracks inside the ceramic rock plate; Monitoring the residual stress release of ceramic rock plates using a stress gauge， resistance strain gauge， etc; By adjusting the vibration frequency and vibration time of the fully automatic vibration aging instrument， the residual stress generated during the production process of the ceramic rock plate is eliminated， and the machinability of the ceramic rock plate is improved.

Keywords： Ceramic Slate; Cutting Crack; Machinability; Stress Release

作者簡(jiǎn)介：王金鳳（1978 —），女，工程師；研究方向：建筑陶瓷。

通訊作者：江彬軒（1994 —），男，博士研究生。