端面摩擦对玻璃压缩强度的影响

2021-11-20陆华成熊雪梅钟东海郑宇轩周风华

硅酸盐通报 2021年10期

陆华成，熊雪梅，钟东海，郑宇轩，周风华

(宁波大学，冲击与安全工程教育部重点实验室，宁波 315211)

0 引言

玻璃材料具有优异的光学透明度、低密度、高硬度等优点，广泛用于建筑物、汽车、高速列车、飞机等民用和国防工程领域[1-2]。而压缩强度作为玻璃材料最基本的力学参数之一，一般采用万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)对其进行单轴压缩试验获得，其压缩过程中的均匀变形直至破坏则是保证试验结果准确可靠的基础。然而，由于玻璃是一种典型的高脆性材料，破坏应变极小，在压缩过程中试件通常会出现碎片剥落[3-4]。

近年来，国内外研究人员对各类玻璃材料在准静态和动态加载下的压缩力学响应进行了广泛的试验[5-9]。然而，目前的研究工作关注点一般都是玻璃压缩强度、破坏过程以及应变率效应，试验中均采用凡士林或者黄油来减小接触面摩擦。混凝土材料作为典型的脆性材料，接触摩擦产生的横向约束会改变局部混凝土的单轴受力状态和破坏模式，从而提高混凝土材料的压缩强度[10-11]。而玻璃材料同样作为典型的脆性材料，如果端面摩擦力较大的话，在压缩过程中横向约束的应力增强与碎片剥落的应力卸载相互竞争，难以得出材料的真实压缩强度。

本文采用铜箔和凡士林对玻璃的压缩接触面进行减摩处理，通过MTS液压伺服万能试验机对钠钙硅玻璃进行准静态试验，采用高速摄影技术观察玻璃试样内部的裂纹萌生、扩展和破坏过程，分析了端面摩擦对玻璃的破坏过程、压缩强度和碎片形貌的影响。

1 实验

1.1 样品制备

试验选取钠钙硅玻璃作为研究对象，其具体化学成分如表1所示。试验样品尺寸为8 mm×8 mm×8 mm的立方体，样品与MTS试验机压头的接触面经过抛光处理，保证两面的平行精度不大于10 μm，并在棱边上做45°的倒角处理以避免边缘的应力集中，如图1所示。利用超声共振频谱仪测得玻璃样品的力学参数：密度为2.5 g/cm3，泊松比为0.23，杨氏模量为74 GPa。

表1 钠钙硅玻璃的化学组成(质量分数)Table 1 Percent chemical composition of soda-lime-silica glass (mass fraction) /%

图1 玻璃样品Fig.1 Glass specimens

1.2 接触面摩擦系数测试

采用销盘式摩擦磨损试验机，研究了不同接触条件下钠钙硅玻璃与金属之间的摩擦系数，主要包括：(1)接触面无任何处理；(2)接触面放置两层铜箔(厚度为18 μm)；(3)接触面涂抹凡士林；(4)接触面放置两层铜箔并涂抹凡士林。采用钨钢摩擦球对玻璃样品进行点面接触式摩擦，摩擦球上的外加载荷为10 N，转速为400 r/min，摩擦总时间为60 min。

试验结果如表2所示，玻璃样品接触面在经过处理之后，摩擦系数均减小。其中，通过铜箔和凡士林复合处理之后的端面摩擦系数最小，仅为0.06，远小于单独使用凡士林的摩擦系数。

表2 接触面的摩擦系数Table 2 Friction coefficient of the contact face

1.3 准静态压缩试验

采用MTS试验机对玻璃试验样品进行应变率为10-4s-1的准静态压缩试验，为减少压缩过程中弹性凹坑的影响，玻璃样品接触端采用高硬度高模量的碳化钨垫块接触试件。分别采用以下两种方式处理玻璃样品的压缩接触面：(1)在接触面涂抹凡士林；(2)在接触面加上两层铜箔，再涂抹凡士林。利用高速相机记录玻璃样品整个压缩破坏过程。

2 结果与讨论

2.1 端面摩擦对玻璃压缩破坏过程的影响

图2为单独使用凡士林处理接触面的钠钙硅玻璃压缩应力时程曲线，根据样品破坏时刻，将高速相机获得的图像与应力时程曲线一一对应。从压缩应力时程曲线可以看出，在压缩的前期是较为均匀的压缩，但是当压缩至整个过程的中期时，玻璃样品从正面左上角首次出现碎片剥落，如图2(b)1所示，此时玻璃受到的压缩应力为243 MPa，仅为最大压缩应力的38.6%。当外加载荷持续到488 s时，试件再次在左边下角区域出现碎片剥落，如图2(b)2所示。随后，在图2(b)3中可以看出，试件表面开始大面积脱落，随着应力水平的继续上升，试件侧面继续出现碎片的崩落，此时应力水平达到最大值629 MPa，如图2(b)4所示。在试样到达最大压缩应力之前，样品中每次裂纹快速扩展都引起了应力值的小幅下降。从图2(b)6中可以看出，试件完全破坏前的瞬间，试件中已经出现了大量的剥落，表面呈现不平整的形状。

图2 钠钙硅玻璃的破坏过程(凡士林处理)Fig.2 Failure process of soda-lime-silica glass (lubricated with vaseline)

图3为使用铜箔和凡士林共同处理接触面的钠钙硅玻璃的压缩应力时程曲线。从压缩应力时程曲线可以看出，整个压缩过程都是较为均匀的压缩，样品没有出现显著的裂纹或者碎片剥落，应力水平持续增加并未出现破坏前的小幅卸载现象。由于均匀加载的玻璃样品内部储存了大量的弹性势能，样品的最后破坏过程实际上是动态破碎过程，所需时间极短，故采用高速相机拍摄其最后的破坏瞬间，相机帧频为40 000帧/s。从图3(b)最左侧的图可以看出，此时玻璃样品仍然是未出现任何显著的裂纹或者破坏，将此刻定义为动态破碎的时间零点，即t=0 μs时刻；当t=25 μs时，试件开始急速产生大量裂纹，裂纹方向主要沿轴向；当t=50 μs 时，裂纹已经扩展到整个试件，并在试件侧面中部出现断口。

图3 钠钙硅玻璃的破坏过程(铜箔和凡士林共同处理)Fig.3 Failure process of soda-lime-silica glass (lubricated with copper foil and vaseline)

2.2 端面摩擦对玻璃压缩强度的影响

图4 钠钙硅玻璃的压缩强度统计Fig.4 Compressive strength statistics of soda lime glass

玻璃作为典型的脆性材料，压缩强度存在较大的离散性。因此，在准静态压缩试验中，对钠钙硅玻璃共进行20组准静态压缩试验，图4为玻璃压缩强度的统计结果。试验结果表明，无论接触面如何处理，样品的压缩强度均呈现出一定的分散性；单独使用凡士林处理接触面的玻璃平均压缩强度为586 MPa，而使用铜箔和凡士林共同处理接触面的玻璃平均压缩强度为372 MPa，平均压缩强度降低了36.52%，端面摩擦的减小使得样品的横向约束变弱，试样处于更加接近单轴应力的状态，一定程度上减少了围压引起的强化效应，宏观上表现为玻璃材料的抗压强度降低。

进一步，对玻璃试件压缩强度进行统计学分析，如表3所示。单独使用凡士林处理接触面的玻璃压缩强度标准差为77.83 MPa，而使用铜箔和凡士林共同处理接触面的玻璃压缩强度标准差为48.91 MPa，表观上显示为接触摩擦越小，玻璃的压缩强度分散性也越小。但是由于两者的平均压缩强度并不相同，而从标准差率可以看出，无论是单独用凡士林，亦或者铜箔和凡士林共同减摩，两者均是0.13。故而，接触面的摩擦只能改变玻璃材料的压缩强度，并不能影响其分散程度。

表3 压缩强度的离散统计Table 3 Discrete statistics of compression strength

2.3 端面摩擦对玻璃破坏后形貌的影响

图5为玻璃样品在压缩破坏后碎片形貌，其中图中黄色碎片为铜箔。从图5(a)可以看出，使用凡士林处理的玻璃碎片中有一部分大块颗粒，这是来源于压缩过程中试件表面的脱落，而大量呈粉末状的碎片则主要来源于爆炸性破碎过程。而经过铜箔和凡士林共同处理的玻璃碎片基本呈大块的条状，这是由于试件的瞬间破坏是轴向裂纹发展的，最终出现拉伸断裂[12]，压缩强度大幅降低导致玻璃中存储的弹性势能较少，因此碎片尺寸比单独凡士林处理的玻璃碎片要大，如图5(b)所示。