钢化玻璃的动态力学性能研究完美体育

　　完美体育1.2实验设备及理论公式分离式霍普金森压杆(s珈,B),最初由Kolsky‘101改进,现

　　(102-104S-I)下动态力学性能的重要手段之一。对玻璃材料的SHPB试验,根据均匀性假设,入射波信号q、反射波%和透射波白三组应变信号存在如下关系:

　　式中:~为试样的初始横截面积,A为Hopkinson压杆的横截面积,E为Hopkinson压杆的杨氏模量,ct(t)为透射杆中的透射应变,㈣入射杆中的反射应变。实验所用SHPB基本力学参数:压杆:硬质合金钢,密度p=7 800kg/m3,弹性模量E=206GPa,泊松比v=0.3,应力波纵波速度co=5065m/s。子弹、入射杆和透射杆直径均为37 mrn,长度分别为800inlll、2 000mm和2000mm。采用光测法测量撞击速度。应变信号的测量采用应变片法,实验中采用电阻应变片和半导体应变片,并采用SDY2107超动态应变仪进行测试,通过Tektronix DP04034数字存储示波器采集试验信号。图l 是典型的分离式霍普金森压杆。

　　在考虑SHPB试验中的各种影响因素对测试结果的干扰时,常采用试样前后端面应力来检验其有效性。根据一维弹性应力波理论,试样前后端面应力应该完全相等,但是由于各种干扰因素对测试结果的影响,两条曲线所示,通过对比实验试样前后端面的应力.时间曲线,发现两条曲线重合得很好,其差别小于5%,因此本文钢化玻璃的SH PB试验结果是有效的,由此得到的应力.应变曲线可以反映材料的真实性质完美体育。

　　塑性屈服”。当外载荷克服完AP.P后,钢化玻璃又“恢复”为浮法玻璃,对外表现为脆性材料。

　　如图6示,整个曲线可以划分为:初始压实、线弹性、“伪塑性屈服”和极值后破坏 4个阶段。在初始压实阶段,应力应变曲线上凹,其斜率逐渐增大,这是由于玻璃并非理想的均匀玻璃态,存在超细非均相即原子集团,其大小在几个到几十个纳米尺度范围

　　本实验用钢化玻璃(钢化度oM=24Mta)试样是由北京洛波中空公司提供。由于钢化玻璃无法进行切割,故先对浮法玻璃切割再仔细打磨成圆形,以保证试样表面无缺陷,最后进行物理钢化处理完美体育。试样尺寸如下:西48.69(±0.5)x 14.82(单位:mm),其化学成

　　分见表1,其他力学性能参数如下:密度p=2400kg/m3,弹性模量E=70GPa,泊松比V=0.22。对于玻璃陶瓷等脆性材料,其破坏应变只有千分之几,有效测量时间

　　内,也可能更大一些,到几百纳米范围,称作玻璃的亚微结构。这种亚微结构的存在导致了玻璃内部的微观不均匀性完美体育。这种亚微结构和玻璃材料内部原有的微裂纹在冲击载荷作用下的逐渐压实、闭合而导致了初始压实阶段;线弹性阶段,应力应变曲线近乎为直线,其斜率为常数;“伪塑性屈服”阶段,应力应变曲线表现为对外屈服,这对应于钢化玻璃中么P—P缓冲外载荷,处于动态平衡阶段。随着裂纹的不断萌生和扩展,P逐渐增大,么P—P逐渐减小,直至被外载荷完全克服,最终导致了试件的破坏,最终发展为第四阶段,即极值后破坏阶段,也称为非稳定破坏阶段。

　　要研究应变率范围102.104SJ内金属材料的动态塑性流动应力。对理想的S HPB实验,恒定的应变率是保证试样一维应力波动态应力平衡的重要条件之一。对于玻璃等脆性材料来说,破坏应变只有千分之几,有效测量时间非常短,在应力没有达到均匀化之前试件已经破坏,同时这种应力不均匀化对材料的动态曲线的影响很大。因此需要对它进行改进。

　　IJun Let6】等认为Penny型裂纹的存在将降低钢化玻璃的强度,其位置和尺寸将影响钢

　　Tokunaga,Hitoo等用EDEM模型评估钢化玻璃的冲击破坏、裂纹形核速率及残余应

　　力分布,并用实验进行验证【7J.Junle等研究了钢化玻璃内部残余应力的分布情况【8J。高轩能,王书鹏研究了建筑夹层玻璃在静力及爆炸荷载下的挠度19]。

　　利用一维弹性应力波理论,可以得到以反射脉冲和透射脉冲表示的应力应变曲线,其中试件中的应力o-(t)、应变6(t)和应变率占(f)用以下公式确定:

　　短,在应力没有达到均匀化之前试件已经破坏,应力不均匀化对材料的动态曲线的影响很大。为了延长入射波的上升沿,减小弥散作用,增加试样的有效加载时间,保证试样中的轴向应力均匀完美体育。本文采用橡胶片放于入射杆前作为Pul se Shaper(波形整型器),其尺寸为《b24X 1.2(单位:mm)。为保证实验准确,所有试样不作抛光和打磨处理;为防止试样破碎飞散,其径向用双面胶固定。试样表面在冲击时敷以黄油(或凡士林)防止摩擦影响。

　　从图5可知,钢化玻璃的最大压应力在表层,而最大张应力在玻璃厚度尺寸的中间,且最大张应力是压应力的一半,可用函数表示为:

　　一方面,当钢化玻璃表面受压时,其内部压应力增大,使应力抛物线拉长,产生与之平衡的张应力,从而压、张应力同时增大直到破裂。另一方面,钢化玻璃主要以共价键的方式构成,具有方向性强的特点。与金属材料相比,难以发生位错的运动与增值,当表面或内部有缺陷出现时,则极容易在其周围引起应力集中,同时内部存在大量的penny型微裂纹缺陷,在外荷载的作用下,由于微裂纹的存在,使玻璃的力学性能产生弱化效应,为表征这种弱化效应,把材料某种程度的弱化定义为损伤,由损伤引起的材料强度降低记为P。损伤的主要机理是微裂纹的成核和增长及其结合而萌生的细观裂纹u训。由于玻璃内部存在了大量随机分布的微裂纹,其大小、尺寸各不相同,在动态、冲击载荷作用下,这些微裂纹被激活,形成应力释放区,并产生累积损伤,导致材料强度和刚度的劣化,并最终开裂破坏。在开始阶段,损伤和压、张应力都很小,材料在外载荷作用下对外表现为线弹性。随着钢化玻璃损伤发展和压张应力增大,并且其内部的压、张应力增量大于损伤引起材料强度降低(其中压张应力增量记为Ap)。/1p.P(dP和P 都是变量)将缓冲外载荷,使它们处于动态平衡之中,从而对外应力应变曲线就表现为“伪

　　进一步对图3的原始冲击波形进行处理,可得到钢化玻璃的应力.应变曲线GPa相当吻合。从图 4 试样的应力应变曲线中可知:钢化玻璃在受到冲击时,一开始其应力.应变关系表现为弹性,但随着压力的升高,逐步表现为塑性;与金属材料的塑性屈服非常类似,我们称之为“伪塑性屈服”。钢化玻璃之所以表现出以上特殊的现象,是与其内部复杂的应力状态有关。玻璃均匀加热后,经冷气流冲击外表面变冷并拉紧,处于收缩状态。但其内部温度仍在软化范围内,需要占据比表层所允许大的空间。这样冷却后处于张应力状态,而表层则处于压应力状态。其应力可用图5【6J表示。

　　摘要:钢化玻璃是由浮法玻璃经物理钢化而成,但二者在动态力学性能上有本质的区别。本文采用改进的SHPB实验方法对钢化玻璃的动态力学性能进行了研究,得到了材料在不同应变率的动态应力应变曲线。结果表明:材料动态应力应变呈非线性关系,其变形表现为完全不同于脆性和延性材料的“伪塑性屈服”;在较高的应变率范围内,

　　玻璃因其优良的力学性能如优异的光学特性、高强度等而备受关注。钢化玻璃(这里主要指物理钢化,因为化学钢化玻璃破碎形态与普通玻璃相差不大】与普通玻璃相比,具有力学强度高、抗冲击能力强的特点。被击碎时,其碎片不会伤人,并兼具有防盗、防火和一定的装饰功能,而被广为应用。近年来随着国际反恐的发展,国内外对玻璃的冲击力学性能研究越来越多,但主要集中在控制暴动或处理爆炸品的防护头盔和军用透明装甲系统等。如1977年Kni ght等人用高速摄影机研究了耐热玻璃和soda.1ime玻璃表面的小钢球冲击破裂过程【1】。Kwang.Hee等研究了冲击载荷作用下玻璃的穿透断裂特征,对比了浮法玻璃在静态载荷下的实验结果和理论解,分析了在高速冲击下产生断裂的临界值,但对中高应变率的冲击载荷没有涉及【2J。Xin.Sun用Continuum

　　材料的动态应力应变关系是应变率相关的;材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变随应变率的增大而增大。运用AN SYS/LS-DYNA模拟了材料的应力时间曲线,结果显示k模型可以很好的表现钢化玻璃的本构关系。

　　等用改进的SHPB和高速摄像机研究了硼硅酸盐玻璃在压剪载荷作用下的动态失效

　　14]。2008年Nie,Xu等用四点弯曲方法通过SI-IPB和MTS试验机来研究硼硅酸盐

　　玻璃的抗张强度15J。而民用方面很少涉及,特别对钢化玻璃冲击性能研究较少。女

　　钢化玻璃作为一种常见的建筑和装饰材料,不管是在民用住宅还是公共建筑中,都有大量广泛应用,其厚度一般在15mm以下。然而建筑玻璃种类繁多,分类方法也多种多样,如果都加以细致研究很不现实。本文将根据现有玻璃的应用现状,主要利用SHPB 技术研究普通钢化玻璃在爆炸冲击作用下的动态力学性能,为其科学防控提供理论指导作用。

　　2.2实验结果和讨论为保证实验的代表性,每种速率3个试样。图3是钢化玻璃的

　　形可知,由于使用了Pul se Sh ape,图中的入射波和透射波波形都是梯形的,不同于不加波形整型器的矩形波。根据这些信号可确定试件变形过程中的应力、应变和应变率历程。图3表明:入射波为梯形,幅值随着冲击加载速度的提高而增大。反射波幅值较小,由于试件为非常脆的玻璃材料,破坏应变非常小。由于反射波经历了一个平台,说明试样经历了一个恒定应变率,达到了应力均匀化完美体育。透射波型为近似梯形,与浮法玻璃明显不同。