化學强化鋁矽酸鹽玻璃表面微觀力學行為的有限元類比

化學强化鋁矽酸鹽玻璃因其高强度、高硬度和良好的抗衝擊效能,廣泛應用於飛機、高鐵風擋及觸控式螢幕荧幕等領域。作為觸控式螢幕荧幕或飛機、高鐵風擋玻璃的主要資料,化學强化玻璃的表面抗損傷效能非常重要,表面硬度和模量與玻璃的抗損傷效能息息相關,通常作為評判化學强化玻璃抗損傷效能的關鍵名額。

研究背景

化學强化鋁矽酸鹽玻璃因其高强度、高硬度和良好的抗衝擊效能,廣泛應用於飛機、高鐵風擋及觸控式螢幕荧幕等領域。作為觸控式螢幕荧幕或飛機、高鐵風擋玻璃的主要資料,化學强化玻璃的表面抗損傷效能非常重要,表面硬度和模量與玻璃的抗損傷效能息息相關,通常作為評判化學强化玻璃抗損傷效能的關鍵名額。

圖1化學强化鋁矽酸鹽玻璃在生活中的廣泛應用

納米壓痕方法是量測玻璃表面硬度和模量最為簡單有效的管道。採用納米壓痕方法研究資料的力學性能,需要準確理解資料的應力-應變曲線和壓痕加載-卸載曲線之間的關係。納米壓痕過程中的很多參數,包括屈服應力、塑性變形區域、壓痕應力場分佈狀態等均難以通過實驗獲得,這些參數的分析方法主要有解析法和數值法兩類,而由於應力場的複雜性,解析法通常只能解决少量簡單問題,所以數值法已成為不可替代的廣泛應用的方法。有限元法就是伴隨著電子計算科技的進步發展起來的新興數值分析方法。利用有限元類比能够更好地理解納米壓痕過程中彈塑性變形及殘餘應力場的變化,並且能够計算出一些難以通過實驗量測的塑性參數,例如脆性資料的屈服强度、塑性區域應力應變關係等,對於研究脆性資料彈塑性變形行為、預測其力學性能具有重要科學意義。

主要研究結果結論

(1)採用Larsson塑性公式計算得出的玻璃屈服應力及塑性區域應力應變關係進行有限元類比得到的壓痕載荷-位移曲線與實驗結果吻合度高,有限元方法能够準確類比化學强化鋁矽酸鹽玻璃的納米壓痕實驗過程。

圖2原片鋁矽酸鹽玻璃納米壓痕實驗與有限元計算得到的載荷-位移曲線的對比

(a)空氣面;(b)錫面

Fig.2 FEM calculated and experimentally measured indentation P-h curves for raw glass

(a)air side;(b)tin side

(2)根據有限元類比得到的載荷-位移曲線,採用Oliver-Pharr方法計算得到的硬度值與實驗得到的硬度值的相對誤差為10%,楊氏模量的相對誤差為2%,表明採用有限元方法能够較好地預測樣品的硬度和楊氏模量。

圖3根據有限元結果計算的硬度值與實驗硬度的比值(a)和根據有限元結果計算的楊氏模量值與實驗楊氏模量的比值(b)隨壓應力的變化

Fig.3 The ratio between hardness derived from the finite element results and from experimental results(a),and Young’s modulus derived from the finite element results and from experimental results(b)as a function of compressive stress

(3)有限元給出的Von Mises應力分佈說明化學强化對鋁矽酸鹽玻璃的彈性區影響較大,對塑性區影響較小。有研究表明,當化學强化玻璃發生反向離子交換使得玻璃表面離子恢復原有狀態時,玻璃的體積會完全恢復至離子交換前,說明化學强化的離子交換過程引入的應變是彈性應變。根據脆性資料壓入理論,壓痕過程可以分為三個明確的階段:全彈性、彈塑性和全塑性。當壓入載荷很小時,玻璃發生彈性變形,隨著壓入載荷的增大,逐漸由彈性變形轉變為塑性變形。前期作者在研究化學强化鋁矽酸鹽玻璃在加載損傷過程的彈/塑性變形行為時,發現化學强化鋁矽酸鹽玻璃發生彈/塑性變形轉變的臨界載荷高於原片鋁矽酸鹽玻璃,同樣證明化學强化玻璃能够在更大的載荷範圍內發生彈性應變,這些研究成果與有限元類比的結果是一致的。

團隊介紹

北京航空資料研究院透明件研究所無機玻璃實驗室是從事飛機風擋用鋁矽酸鹽玻璃深加工科技及科學研究的專業團隊,近年來承擔了與無機玻璃相關的國家自然科學基金、大型飛機國家科技重大專項、型號研製等基礎或應用研究項目,具有良好的研究積累,在飛機風擋用高强度鋁矽酸鹽玻璃的化學强化機理及表面微觀力學行為研究方面開展了許多卓有成效的工作。

作者資訊

李曉宇1,2,薑良寶1,2,劉家希1,2,王敏博1,2,李佳明1,2,顏悅1,2

1.中國航發北京航空資料研究院,北京100095;
2.北京市先進運載系統結構透明件工程技術研究中心,北京100095

收稿日期:2021-01-19;修訂日期:2021-04-11

基金項目:國家自然科學基金專案(51402273);航材院益材青年基金項目(KJ53200805)

通訊作者:李曉宇(1989-),女,工程師,博士,主要研究方向為矽酸鹽玻璃深加工,聯繫地址:北京81信箱83分箱(100095),E-mail:lixiaoyu621@126.com;薑良寶(1983-),男,高級工程師,博士,主要研究方向為矽酸鹽玻璃深加工,聯繫地址:北京81信箱83分箱(100095),E-mail:liangbaojiang@hotmail.com;顏悅(1966-),男,研究員,博士,主要研究方向為透明資料與透明件製造技術,聯繫地址:北京81信箱83分箱(100095),E-mail:Yue.yan@biam.ac.cn

原文刊載於【材料工程】公眾號

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資料標籤: 有限元 力學 科普
本文標題: 化學强化鋁矽酸鹽玻璃表面微觀力學行為的有限元類比
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656050361893616
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