玻璃在准静态和冲击载荷作用下的压缩破坏过程

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玻璃是一种典型的脆性材料,有着重量轻,硬度高、耐腐蚀、高强度和良好透光性等优点,是航空航天、高科技产业,国防军工和人民生活等诸多领域不可或缺的重要材料。在广泛的应用过程中,不可避免地受到各种外部载荷的作用。因此,研究玻璃在准静态和动态载荷作用下的碎裂过程具有重要的现实意义。本文从三个方面对普通和钢化Soda Lime玻璃的破坏和损伤进行了分析,即准静态压缩,动态压缩和端面摩擦对玻璃压缩强度的影响。主要研究内容如下:(1)借助液压伺服万能试验机MTS810,对普通和钢化Soda Lime玻璃进行了应变率为10-4 s-1的准静态压缩试验,试验结果表明:在压缩过程中两种玻璃试件都出现碎片剥落,同时伴随着应力值的小幅度下降;在最后应力卸载时,都表现出“爆炸式”破坏;钢化玻璃平均压缩强度为685 MPa,比普通玻璃高99 MPa,碎片尺寸比普通玻璃的小。(2)通过SHPB装置对试件进行应变率为650 s-1的恒定加载试验,试验结果表明:两种玻璃的破坏均由轴向裂纹贯穿试件内部引起,而且裂纹均从入射杆端萌生。其中普通玻璃的破坏裂纹沿着试件内部中间扩展,其速度约为1560 ms-1;而钢化玻璃试件的破坏裂纹首先沿着试件表层延伸扩展;钢化玻璃试件的动态平均强度分别为899 MPa,比普通玻璃高102 MPa。同时,两者的压缩强度都表现出率相关性。碎片分析表明:大碎片的个数相对较少,而较小的碎片数量相对更多。这是由于样品最后发生的“爆炸式”破碎,内部积累的大量应变能瞬间释放,裂纹的快速扩展至整个试件,从而导致了碎片更加细小化。(3)采用铜箔和凡士林共同对压缩接触端面进行减摩处理,利用高速摄像机和DIC技术,记录试件的变形和破坏过程,试验结果表明:压缩过程中试件没有出现显著裂纹或碎片剥落,试件均匀变形直到最后瞬间破坏,表现出更理想的单轴压缩状态;经过铜箔和凡士林共同减摩擦处理的玻璃平均压缩强度较低,表明端部横向惯性约束改变了玻璃的局部应力状态和损伤分布,围压效应导致了玻璃抗压强度的提高。然而,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。
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