浮法玻璃與玻璃鋼的沖擊力學(xué)特性

浮法玻璃與玻璃鋼的沖擊力學(xué)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(xué)家的喜愛。目前，美國科學(xué)家已經(jīng)開始加強(qiáng)對玻璃材料的影響力學(xué)的研究。稱興、劉偉、xunie、w.chen等人使用shpb加載技術(shù)對軍用玻璃材料進(jìn)行了影響加載試驗(yàn)，并使用了連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法、含損傷本構(gòu)關(guān)系和有限方法對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)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(fā)展的規(guī)律。在考慮緩沖率效應(yīng)的基礎(chǔ)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(xué)性。作者對類陶瓷材料(浮法玻璃和鋼化玻璃)的沖擊力學(xué)性能進(jìn)行了研究,結(jié)合典型建筑玻璃的沖擊力學(xué)性能,對類陶瓷材料的沖擊破壞過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測的可行性問題進(jìn)行了探討.1試驗(yàn)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(nèi)部初始損傷的差別較大,其破壞強(qiáng)度往往具有不確定性.目前廣泛應(yīng)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(yīng)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(yīng)力波,利用間接的方法得到夾在兩根壓桿之間試件的動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率及其他動力學(xué)參數(shù),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(shí)驗(yàn)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(jìn)行沖擊加載,實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行9次;典型實(shí)驗(yàn)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(jìn)行處理,可得如圖3所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖4和圖5所示的應(yīng)力-時(shí)間曲線以及應(yīng)變-時(shí)間曲線.從圖4可以看出:在前20μs內(nèi)(330～350μs),由于加載速率急劇變化的影響,應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間的變化不呈線性關(guān)系;在350～365μs內(nèi),基本呈線性關(guān)系;之后,隨著損傷演化的發(fā)展,線性關(guān)系被打破.該現(xiàn)象從圖4中看得更清楚一些.2連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型對于脆性材料,用連續(xù)介質(zhì)損傷及其本構(gòu)理論來描述脆性材料的宏觀響應(yīng)已成為破壞力學(xué)發(fā)展的主流.對于沖擊條件下的玻璃來說,常用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型來描述其宏觀力學(xué)響應(yīng).2.1應(yīng)力應(yīng)變th的表征根據(jù)連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型,當(dāng)拉伸主應(yīng)力σi大于門檻值σth時(shí),損傷的演化與拉伸主應(yīng)力呈簡單線性關(guān)系(拉應(yīng)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(yīng)力分量;Dii為損傷變量;σth為應(yīng)力門檻值;σcr為應(yīng)力臨界值.SunXin,LiuWenning等認(rèn)為,損傷的演化與最大切應(yīng)力τmax緊密相關(guān);并在式(1)的基礎(chǔ)上,得到損傷演化方程(拉應(yīng)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(yīng)力門檻值;τcr為剪切強(qiáng)度.2.2剛度矩陣的擬合對于浮法玻璃來說,內(nèi)部物理性能表現(xiàn)為各向同性且無預(yù)應(yīng)力,其力學(xué)性能的非線性由本構(gòu)關(guān)系中的損傷變量來控制.該含損傷本構(gòu)關(guān)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(dá)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(shí)的彈性模量.3shpb沖擊力學(xué)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(nèi)部產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,表面呈壓應(yīng)力狀態(tài),內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài),在沖擊力學(xué)性能方面比浮法玻璃更具有顯著特點(diǎn).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(xué)性能進(jìn)行研究.該沖擊實(shí)驗(yàn)針對鋼化程度為半鋼化的玻璃試件,共進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)12次,取得典型實(shí)驗(yàn)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(jìn)行處理,可得如圖7所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.4結(jié)果分析4.1應(yīng)力-時(shí)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(yīng)力有關(guān);因此,它們的取值可以直接從SHPB實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出來.對圖3的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來說,由于從點(diǎn)A損傷開始發(fā)展,彈性模量開始降低;因此,點(diǎn)A應(yīng)力對應(yīng)τth門檻應(yīng)力.同樣,到達(dá)點(diǎn)B處,材料發(fā)生破壞,其對應(yīng)玻璃的剪切強(qiáng)度τcr;但τcr在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的表達(dá)比較模糊,從斷裂理論來講,最大應(yīng)力并不對應(yīng)其剪切強(qiáng)度τcr.從圖4的應(yīng)力-時(shí)間曲線來看,其對應(yīng)τth和τcr的確定更清晰、準(zhǔn)確一些,但τcr的確定依然缺乏理論依據(jù).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(jìn)行SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)的同時(shí),利用連續(xù)閃光光學(xué)高速攝影對該沖擊破裂過程進(jìn)行同步拍攝;但從應(yīng)力-時(shí)間曲線可以看出,整個損傷破裂過程僅持續(xù)20～30μs;因此,要求高速攝影的幅頻至少應(yīng)在20萬幀/s以上.將高速攝影和SHPB實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力-時(shí)間曲線進(jìn)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(zhì)材料的沖擊破壞機(jī)理由圖7所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出,鋼化玻璃在沖擊情況下,一開始其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為彈性,但隨著壓力的升高,在500MPa附近出現(xiàn)類金屬性質(zhì)的屈服平臺.初步分析認(rèn)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(guān)系,該塑性屈服是一種偽塑性屈服現(xiàn)象,是該種材料本身的強(qiáng)化與微裂紋損傷增長有關(guān)的預(yù)應(yīng)力釋放共同作用的結(jié)果,與其破裂的物理機(jī)制有密切關(guān)系,更與金屬材料的塑性屈服機(jī)制有本質(zhì)區(qū)別,有待進(jìn)一步深入研究.另外,關(guān)于其彈、塑性損傷演化規(guī)律和本構(gòu)關(guān)系,也不能應(yīng)用式(2)(3)所示損傷演化方程和本構(gòu)關(guān)系來進(jìn)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(kuò)展,而背面裂紋在離邊界3～4mm處形成一裂紋環(huán).該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由一維應(yīng)力波彌散和鋼化玻璃的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)所決定.鋼化和浮法玻璃的強(qiáng)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(xì)粉狀.可見,淬冷鋼化產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力分布對材料的沖擊破裂形態(tài)具有顯著影響.5沖擊韌性材料的沖擊損傷演化運(yùn)用SHPB實(shí)驗(yàn)裝置并結(jié)合典型脆性材料損傷演化規(guī)律和含損傷本構(gòu)關(guān)系及有關(guān)玻璃物理特性,探討了浮法和鋼化玻璃的沖擊力學(xué)性能及其沖擊過程的光學(xué)可測性.通過以上研究,可得出以下結(jié)論.①浮法玻璃的SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:其沖擊力學(xué)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(gòu)關(guān)系來描述,有效性有待數(shù)值模擬的進(jìn)一步驗(yàn)證.②損傷演化方程中τth和τcr可以通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)力-時(shí)間曲線來確定,但τcr的確定具有一定主觀性,運(yùn)用閃光高速攝影和SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)相結(jié)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