裂紋釉的研制及殘余應(yīng)力有限元分析

李家科 劉欣

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西景德鎮(zhèn)333403)

裂紋釉的研制及殘余應(yīng)力有限元分析

李家科 劉欣

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西景德鎮(zhèn)333403)

以長(zhǎng)石、滑石、方解石、高嶺土等為主要原料制備裂紋釉。研究了釉料配方組成對(duì)釉面裂紋效果的影響，并用有限元方法對(duì)釉層中的殘余應(yīng)力分布特征及殘余應(yīng)力對(duì)裂紋產(chǎn)生的作用機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在1250～1300℃、保溫時(shí)間30min，以及坯、釉的物理性能具有合適的差異時(shí)，可以得到效果較好的裂紋釉，且有限元對(duì)殘余應(yīng)力的分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了較好的吻合。

裂紋釉，熱膨脹系數(shù)，殘余應(yīng)力，有限元分析

1 前言

裂紋釉又稱“紋片”或“開片”，也稱“百極碎”，外人稱“龜裂”或“發(fā)裂”釉[1-2]。要使釉面生成網(wǎng)狀裂紋，一般要使釉的膨脹系數(shù)大于坯的膨脹系數(shù)，同時(shí)施釉較厚[3]。裂紋釉因表面分布著不同形狀的網(wǎng)狀裂紋，看起來(lái)給人一種雅致美觀、別具風(fēng)格的藝術(shù)享受。近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，對(duì)藝術(shù)品的欣賞水平也在不斷提高，裂紋釉陶瓷制品因其特殊的藝術(shù)效果受到了人們的喜愛(ài)。

本實(shí)驗(yàn)以長(zhǎng)石、滑石、方解石、高嶺土等為主要原料，通過(guò)調(diào)整各原料的配比獲得不同的釉料配方，考察了釉料組成對(duì)釉面裂紋效果的影響，并對(duì)試樣中的殘余應(yīng)力分布特征進(jìn)行了有限元分析，揭示了殘余應(yīng)力對(duì)裂紋釉產(chǎn)生的作用機(jī)理，這將對(duì)裂紋釉的制備具有較好的理論指導(dǎo)作用[4-5]。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 坯料、釉料的化學(xué)組成

坯料和釉料的化學(xué)組成分別如表1、表2所示。

2.2 試樣制備

坯料為采用工廠中加工好的粉體，然后用手動(dòng)壓片機(jī)壓制而成，坯體的規(guī)格為50mm×50mm× 6.5mm（長(zhǎng)×寬×厚），將坯體放置在80℃的烘箱中干燥60min后備用。

按照料∶球∶水＝1∶2∶0.6進(jìn)行配料，外加0.2wt.%三聚磷酸鈉、0.1wt.%CMC作為稀釋劑和粘接劑，球磨時(shí)間30min，釉料顆粒細(xì)度為250目篩余0.1%；采用淋釉或浸釉的工藝方法，施釉厚度約為0.8mm；施釉后試樣在80℃的烘箱中干燥60min后在高溫爐中以10℃/min的升溫速度升到1300℃，保溫30min后自然冷卻。

2.3 有限元模擬設(shè)計(jì)及計(jì)算過(guò)程

表1坯料的化學(xué)成分（wt%）Tab.1 Chemical composition of the body

表2釉料的化學(xué)組成(wt%)Tab.2 Chemical composition of the glaze

表3有限元計(jì)算中采用的材料性能參數(shù)Tab.3 The properties of the material used in FEM analysis

為了研究試樣中殘余應(yīng)力分布特征以及坯、釉膨脹系數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力分布特征的影響，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同釉料配方所制備試樣的殘余應(yīng)力。表3為有限元分析中所使用材料的性能參數(shù)。

由于試樣具有對(duì)稱性，為了減小計(jì)算的工作量，僅模擬試樣的1/4部分，具體如圖1所示。采用典型的分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力的八節(jié)點(diǎn)三維固體類型為分析單元，為了提高模擬精度，對(duì)模型采取非均勻網(wǎng)格劃分，即在坯釉中間層和試樣邊緣處網(wǎng)格劃分比較密集，在其它部分采用較疏的網(wǎng)格劃分，具體如圖2所示。由于釉料的始熔溫度約為1200℃，在始熔溫度以上試樣處于塑性狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，因此，確定1200℃為模擬的開始參考溫度。在上述條件基礎(chǔ)上，采用Marc有限元分析軟件計(jì)算試樣從1200℃降到室溫時(shí)的殘余應(yīng)力分布情況。

表4不同釉料制備的試樣釉面效果Tab.4 The quality of samples with different glaze batch formulae

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同釉料配方制備試樣的釉面效果

表4為采用不同釉料配方所制備試樣的釉面裂紋效果。從表可以看出，隨著坯、釉膨脹系數(shù)差值的增加，釉面裂紋逐漸由無(wú)到有、由細(xì)小變?yōu)榇执?、由稀疏變?yōu)槊芗?。如坯、釉膨脹系?shù)差值為1.46×10-6/℃時(shí)（試樣S1），釉面無(wú)裂紋產(chǎn)生；當(dāng)坯、釉膨脹系數(shù)差值增加到1.84×10-6/℃時(shí)（試樣S2），釉面開始出現(xiàn)稀疏的裂紋；而當(dāng)坯、釉膨脹系數(shù)差值增加到2.96× 10-6/℃時(shí)（試樣S3），釉面出現(xiàn)密集的網(wǎng)狀細(xì)裂紋，具有較好的裂紋效果；而當(dāng)坯、釉膨脹系數(shù)差值增加到3.66×10-6/℃時(shí)（試樣S4），釉面出現(xiàn)大量的網(wǎng)狀粗裂紋，局部甚至出現(xiàn)崩釉現(xiàn)象。產(chǎn)生這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因?yàn)?，?dāng)坯、釉之間的熱膨脹系數(shù)具有較小的差值時(shí)，在冷卻過(guò)程中，由于釉層中產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于本身的拉伸強(qiáng)度，使得釉面沒(méi)有裂紋產(chǎn)生；當(dāng)坯、釉之間的熱膨脹系數(shù)的差值增加到某一臨界值時(shí)，使得釉層中產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到釉層的拉伸強(qiáng)度時(shí)，釉面開始出現(xiàn)裂紋，如試樣S2；然后隨著坯、釉之間熱膨脹系數(shù)差值的進(jìn)一步增加，釉面的裂紋數(shù)目逐漸增加且達(dá)到較好的效果，如試樣S3；但是，當(dāng)坯、釉之間膨脹系數(shù)差值過(guò)大時(shí)，由于釉層中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力過(guò)大，從而導(dǎo)致局部釉層的崩裂，如試樣S4。在隨后對(duì)釉層的殘余應(yīng)力有限元分析中也將證實(shí)上面的分析結(jié)果。因此，從對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，要獲得良好的裂紋釉，坯、釉之間的熱膨脹系數(shù)應(yīng)具有合適的差值，就本實(shí)驗(yàn)而言，坯、釉之間的熱膨脹系數(shù)的差值為2.96×10-6/℃時(shí)是比較合適的。

3.2 試樣殘余應(yīng)力有限元分析及裂紋產(chǎn)生的機(jī)理

圖3所示為四種不同釉料制備的試樣在X-Y中心面X方向上的殘余應(yīng)力分布云圖。從圖可以看出，試樣殘余應(yīng)力的分布具有類似的規(guī)律，即釉層中主要承受拉應(yīng)力，且從試樣中心到邊緣拉應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)近邊緣處時(shí)，存在著急劇的拉、壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變。而坯體中主要承受壓應(yīng)力，僅在試樣的邊緣處受到較小的拉應(yīng)力作用。此外，從圖中還可以看出，隨著坯、釉膨脹系數(shù)差值的增加，釉層中的殘余拉應(yīng)力也在逐漸增大。

為了進(jìn)一步分析釉層中的應(yīng)力分布特征，圖4給出了從試樣中心到邊緣釉層沿X方向表面（平行釉面）的應(yīng)力分布。從圖中可以看出，試樣的釉層表面所受應(yīng)力具有相同的變化趨勢(shì)，即從中心到邊緣的過(guò)程中，拉應(yīng)力在相當(dāng)一段距離范圍內(nèi)均保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，當(dāng)在近邊緣處（離邊緣約4.5mm）時(shí)，拉應(yīng)力迅速減小，并在邊緣轉(zhuǎn)變?yōu)槲簯?yīng)力。如對(duì)于試樣S3，從中心的0 mm到21.5 mm的距離范圍內(nèi)，釉層表面均勻保持穩(wěn)定的拉應(yīng)力（86.5MPa），當(dāng)在離邊緣為4.5mm時(shí)，拉應(yīng)力開始急劇減小，在邊緣處時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槲簯?yīng)力（-5MPa）。

在試樣冷卻過(guò)程中，由于坯、釉的物理性能差異導(dǎo)致了試樣中熱應(yīng)力的產(chǎn)生，當(dāng)釉層所受殘余拉應(yīng)力超過(guò)其抗張強(qiáng)度時(shí)，釉面就會(huì)產(chǎn)生裂紋。從對(duì)試樣中殘余應(yīng)力有限元分析可知，最大的殘余應(yīng)力在試樣的中部，因此，釉層中的裂紋首先在試樣的中部萌生，然后再在壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用下，使得裂紋向釉層的邊緣擴(kuò)展，最終導(dǎo)致裂紋分布在整個(gè)釉層，從而形成裂紋釉。

對(duì)于試樣S1的釉層中存在的殘余應(yīng)力最大值為65.48MPa，小于其釉的抗張強(qiáng)度為66.47MPa（表3所示），故釉面沒(méi)有出現(xiàn)裂紋；而試樣S2在釉層中的最大殘余應(yīng)力為73.07MPa，略大于其釉的抗張強(qiáng)度72.06MPa（表3），所以釉面只出現(xiàn)無(wú)規(guī)則的稀疏裂紋；對(duì)于試樣S3，釉層中的最大殘余應(yīng)力為86.12MPa，比其釉的抗張強(qiáng)度大5.12 MPa，使得Δσ（σ應(yīng)力-σ釉）具有合適的差值，故釉面呈現(xiàn)密集的網(wǎng)狀裂紋；而試樣S4的釉層中最大殘余應(yīng)力為92.38MPa，比其釉的抗張強(qiáng)度大10.56MPa（表3），由于Δσ（σ應(yīng)力-σ釉）值過(guò)大，所以釉面出現(xiàn)大量的網(wǎng)狀粗裂紋，甚至出現(xiàn)少許崩釉現(xiàn)象。因此，從有限元對(duì)釉層中的殘余應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，其與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象取得了較好的吻合。

4 結(jié)論

(1)以長(zhǎng)石、滑石、高嶺土等為主要原料制備裂紋釉，研究了釉料配方組成對(duì)釉面效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)使用釉料C所制備的試樣S1，釉面效果良好，此時(shí)的坯、釉之間的熱膨脹系數(shù)的差值（α釉-α釉）為2.96×10-6/℃；

(2)裂紋釉的產(chǎn)生除與坯、釉膨脹系數(shù)之間的差值有關(guān)外，釉本身的抗張強(qiáng)度也對(duì)裂紋的產(chǎn)生有著重要的影響；

(3)有限元分析可知，釉層中的殘余拉應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，其最大值在試樣中部的釉層中；當(dāng)釉層中的殘余拉應(yīng)力大于釉層本身的抗張強(qiáng)度時(shí)，裂紋開始萌生，并從中部向邊緣擴(kuò)展，最終導(dǎo)致裂紋分布于整個(gè)釉層中；合適的Δσ（σ應(yīng)力-σ釉）值是形成具有良好裂紋釉的關(guān)鍵。

1周玉所,金艷.裂紋釉的試制.河北陶瓷,2000,28(2):40～41

2廖珺琪.新型裂紋釉的試制生產(chǎn).佛山陶瓷,2001,46(1):30～31

3祝桂洪,周健兒,曹春娥.陶瓷釉配制基礎(chǔ).北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1989

4梁力,林韻梅.有限元網(wǎng)格修正的自適應(yīng)分析與其應(yīng)用.工程力學(xué),1995,12(2):109～118

5李家駒.日用陶瓷工藝學(xué).武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1992

Abstract

Crackled glaze was prepared using feldspar,talcum,calcite and kaolin as main raw materials.The effect of the composition of the glaze on crackled quality was investigated.Distribution of residual stresses and mechanisms of cracks produced in the glaze were analyzed by means of finite element method(FEM).The results show that a good crackled glaze may be obtained when there is appropriate difference in the physical performance between the glaze and the body,the firing temperature is 1250～1300℃and the holding time is 30 min.The finite element analysis results of the residual stresses are consistent with those of the experiments.

Keywords crackled glaze,coefficient of thermal expansion,residual stresses,finite element method

PREPARATION OF CRACKLED GLAZE AND FINITE ELEMENT ANALYSIS OF RESIDUAL STRESSES

Li Jiake Liu Xin
(Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province,Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen Jiangxi 333403,China)

TQ174.4+3

A

1000-2278（2011）01-0057-05

2010-11-08

李家科