端面摩擦對(duì)玻璃壓縮強(qiáng)度的影響

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(guó)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(duì)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(huì)出現(xiàn)碎片剝落[3-4]。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)各類玻璃材料在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)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?；炷敛牧献鳛榈湫偷拇嘈圆牧?，接觸摩擦產(chǎn)生的橫向約束會(huì)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(jìng)爭(zhēng)，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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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(shí)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(duì)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(gè)壓縮破壞過程。

2 結(jié)果與討論

2.1 端面摩擦對(duì)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(shí)程曲線，根據(jù)樣品破壞時(shí)刻，將高速相機(jī)獲得的圖像與應(yīng)力時(shí)程曲線一一對(duì)應(yīng)。從壓縮應(yīng)力時(shí)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(gè)過程的中期時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)程曲線。從壓縮應(yīng)力時(shí)程曲線可以看出，整個(gè)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?jī)?chǔ)存了大量的彈性勢(shì)能，樣品的最后破壞過程實(shí)際上是動(dòng)態(tài)破碎過程，所需時(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)破碎的時(shí)間零點(diǎn)，即t=0 μs時(shí)刻；當(dāng)t=25 μs時(shí)，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(shí)，裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到整個(gè)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(duì)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(jì)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(duì)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(jì)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)?，試樣處于更加接近單軸應(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(duì)玻璃試件壓縮強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jì)Table 3 Discrete statistics of compression strength

2.3 端面摩擦對(duì)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(chǔ)的彈性勢(shì)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。

圖5 鈉鈣硅玻璃試樣的破壞碎片F(xiàn)ig.5 Fragments of soda-lime-silica glass specimens

3 結(jié) 論

(1)采用銅箔和凡士林共同減摩擦處理可以大幅降低玻璃接觸面的摩擦系數(shù)，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中試件表現(xiàn)出更理想的單軸壓縮狀態(tài)，均勻變形直至最后的瞬間破壞。

(2)接觸面的橫向慣性約束改變了玻璃的局部應(yīng)力狀態(tài)和損傷分布，圍壓效應(yīng)導(dǎo)致了玻璃抗壓強(qiáng)度的提高。

(3)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。