浮法玻璃與玻璃鋼的沖擊力學特性

作為一種透明的陶瓷材料，玻璃與陶瓷的燃燒溫度和主要成分不同，越來越受軍事科學家的喜愛。目前，美國科學家已經開始加強對玻璃材料的影響力學的研究。稱興、劉偉、xunie、w.chen等人使用shpb加載技術對軍用玻璃材料進行了影響加載試驗，并使用了連續介質損傷力學方法、含損傷本構關系和有限方法對實驗進行了數值模擬。m.grutic、b.pandulaga和t.j.holmquist、g.r.約翰遜等人使用彈簧測試了玻璃材料，并從薄視面描述了損傷發展的規律。在考慮緩沖率效應的基礎上，使用有限方法模擬了這個問題。b.paliwal，k.t.ramesh研究了壓縮條件下脆弱材料與微裂紋之間的相互作用。s.chronn和k.a.dannimann在約束條件下研究了含第一次破壞和未造成破壞的玻璃的力學性。作者對類陶瓷材料(浮法玻璃和鋼化玻璃)的沖擊力學性能進行了研究,結合典型建筑玻璃的沖擊力學性能,對類陶瓷材料的沖擊破壞過程的實時監測的可行性問題進行了探討.1試驗加載制度浮法玻璃作為一種常見的建筑和裝飾材料,其彈性模量和密度具有確定性;由于樣品之間內部初始損傷的差別較大,其破壞強度往往具有不確定性.目前廣泛應用的沖擊加載裝置是由H.Kolsky于1949年提出的分離式Hopkinson壓桿裝置(如圖1所示).它可以對試件施加應變率為101～104s-1的沖擊載荷,通過測量入射桿和透射桿上的應力波,利用間接的方法得到夾在兩根壓桿之間試件的動態應力、應變、應變率及其他動力學參數,有效避開了沖擊作用下直接測量的困難和不可靠性.本次實驗所用壓桿直徑為50mm,子彈長400mm.對直徑為32mm,厚度為15mm的浮法玻璃試件進行沖擊加載,實驗共進行9次;典型實驗波形如圖2所示,其彈丸沖擊速度為7.5m/s.對浮法玻璃的原始沖擊波形進行處理,可得如圖3所示的應力-應變曲線,如圖4和圖5所示的應力-時間曲線以及應變-時間曲線.從圖4可以看出:在前20μs內(330～350μs),由于加載速率急劇變化的影響,應力和應變隨時間的變化不呈線性關系;在350～365μs內,基本呈線性關系;之后,隨著損傷演化的發展,線性關系被打破.該現象從圖4中看得更清楚一些.2連續介質損傷力學模型對于脆性材料,用連續介質損傷及其本構理論來描述脆性材料的宏觀響應已成為破壞力學發展的主流.對于沖擊條件下的玻璃來說,常用經典的連續介質損傷力學模型來描述其宏觀力學響應.2.1應力應變th的表征根據連續介質損傷力學模型,當拉伸主應力σi大于門檻值σth時,損傷的演化與拉伸主應力呈簡單線性關系(拉應力為正),該演化方程為Dii={0σi≤σthσi-σthσcr-σthσth＜σi＜σcr(i=1,2,3).1σi≥σcr(1)Dii=?????0σi?σthσcr?σth1σi≤σthσth＜σi＜σcr(i=1,2,3).σi≥σcr(1)式中:σi為主應力分量;Dii為損傷變量;σth為應力門檻值;σcr為應力臨界值.SunXin,LiuWenning等認為,損傷的演化與最大切應力τmax緊密相關;并在式(1)的基礎上,得到損傷演化方程(拉應力為正)為Dij={0τmax≤τth或max(σi)≥0|τmax|-τthτcr-τthτth＜|τmax|＜τcr且max(σi)＜0i≠j,i,j=1,2,31τmax≥τcr且max(σi)＜0(2)Dij=?????????????????0|τmax|?τthτcr?τth1τmax≤τth或max(σi)≥0τth＜|τmax|＜τcr且max(σi)＜0i≠j,i,j=1,2,3τmax≥τcr且max(σi)＜0(2)式中:τth為切應力門檻值;τcr為剪切強度.2.2剛度矩陣的擬合對于浮法玻璃來說,內部物理性能表現為各向同性且無預應力,其力學性能的非線性由本構關系中的損傷變量來控制.該含損傷本構關系可寫為σij=ΚDijklεkl,(3)式中KDijkl為損傷材料剛度矩陣.ΚDijkl=λDδijδkl+μD(δikδkl+δilδkj).(4)其中:λD=EDν(1+ν)(1-2ν);μD=ED2(1+ν)?ED的表達式為ED=E-D(E-E*).(5)式中:ED為損傷材料的彈性模量;E為未損傷材料的彈性模量;E*為完全破壞時的彈性模量.3shpb沖擊力學性能鋼化玻璃和浮法玻璃作為類陶瓷材料,兩者之間具有同源性,鋼化玻璃是由浮法玻璃淬冷而形成.鋼化玻璃形成后,內部產生預應力,表面呈壓應力狀態,內部為拉應力狀態,在沖擊力學性能方面比浮法玻璃更具有顯著特點.下面通過SHPB沖擊加載,在與浮法玻璃具有相同試件尺寸和加載裝置情況下,對其沖擊力學性能進行研究.該沖擊實驗針對鋼化程度為半鋼化的玻璃試件,共進行沖擊實驗12次,取得典型實驗波形如圖6所示,其彈丸沖擊速度為v=8.82m/s.對圖6所示的原始沖擊波形進行處理,可得如圖7所示的應力-應變曲線.4結果分析4.1應力-時間曲線對于式(2)所示損傷演化方程來說,τth和τcr都與最大主應力有關;因此,它們的取值可以直接從SHPB實驗結果反映出來.對圖3的應力-應變曲線來說,由于從點A損傷開始發展,彈性模量開始降低;因此,點A應力對應τth門檻應力.同樣,到達點B處,材料發生破壞,其對應玻璃的剪切強度τcr;但τcr在應力-應變曲線上的表達比較模糊,從斷裂理論來講,最大應力并不對應其剪切強度τcr.從圖4的應力-時間曲線來看,其對應τth和τcr的確定更清晰、準確一些,但τcr的確定依然缺乏理論依據.由于玻璃具有透明特性,玻璃裂紋表面對透射光具有高反射性;因此,在暗室進行SHPB沖擊實驗的同時,利用連續閃光光學高速攝影對該沖擊破裂過程進行同步拍攝;但從應力-時間曲線可以看出,整個損傷破裂過程僅持續20～30μs;因此,要求高速攝影的幅頻至少應在20萬幀/s以上.將高速攝影和SHPB實驗得到的應力-時間曲線進行對照,對于確定τth和τcr具有更直觀意義.由于浮法玻璃是一種類陶瓷材料,該研究對陶瓷材料同樣具有重要意義.4.2氫氧雜質材料的沖擊破壞機理由圖7所示的應力-應變曲線可以看出,鋼化玻璃在沖擊情況下,一開始其應力-應變關系表現為彈性,但隨著壓力的升高,在500MPa附近出現類金屬性質的屈服平臺.初步分析認為:屈服平臺的長度與鋼化玻璃的鋼化度和沖擊速度有密切關系,該塑性屈服是一種偽塑性屈服現象,是該種材料本身的強化與微裂紋損傷增長有關的預應力釋放共同作用的結果,與其破裂的物理機制有密切關系,更與金屬材料的塑性屈服機制有本質區別,有待進一步深入研究.另外,關于其彈、塑性損傷演化規律和本構關系,也不能應用式(2)(3)所示損傷演化方程和本構關系來進行簡單描述,更有待深入研究.鋼化玻璃在沖擊條件下的臨界破壞情況如圖8所示,正面破壞裂紋由中間向四周呈輻射狀擴展,而背面裂紋在離邊界3～4mm處形成一裂紋環.該現象的產生主要是由一維應力波彌散和鋼化玻璃的預應力狀態所決定.鋼化和浮法玻璃的強破壞情況如圖9和圖10所示,鋼化玻璃的破壞呈顆粒狀,而浮法玻璃的破壞呈細粉狀.可見,淬冷鋼化產生的預應力分布對材料的沖擊破裂形態具有顯著影響.5沖擊韌性材料的沖擊損傷演化運用SHPB實驗裝置并結合典型脆性材料損傷演化規律和含損傷本構關系及有關玻璃物理特性,探討了浮法和鋼化玻璃的沖擊力學性能及其沖擊過程的光學可測性.通過以上研究,可得出以下結論.①浮法玻璃的SHPB沖擊實驗結果顯示:其沖擊力學性能與典型脆性材料(陶瓷等)基本一致;因此,其沖擊損傷演化過程可以用式(2)(3)所示典型脆性材料的損傷演化方程和含損傷彈性本構關系來描述,有效性有待數值模擬的進一步驗證.②損傷演化方程中τth和τcr可以通過應力-應變曲線和應力-時間曲線來確定,但τcr的確定具有一定主觀性,運用閃光高速攝影和SHPB沖擊實驗相結合,可使τcr的確定更直觀.③鋼化玻璃和浮法玻璃雖具有同源性,但