CN108627396B - 一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法 - Google Patents

一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法，该方法使用现有的四点弯曲强度测试设备，通过不断缩小测试时夹具的跨距，测试玻璃抗弯强度随跨距的变化规律，直至玻璃的抗弯强度趋于稳定，进而获得超薄玻璃抗弯强度值。本发明根据现有的万能试验机，通过引进跨距可调式四点弯曲夹具来完成超薄玻璃抗弯强度的测试，很好的解决了目前对超薄玻璃测试过程中大的变形量及测试结果不准确问题，具有很好的操作性能和应用价值。

Description

一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法
技术领域
本发明属于脆性材料抗弯强度测试技术领域，具体涉及一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法。
背景技术
消费电子产品重量轻、厚度薄、强度高的发展趋势，对超薄玻璃的力学性能提出了较高的要求。抗弯强度是衡量材料弯曲能力的重要参数，故常用抗弯强度表示玻璃材料的力学性能。与金属材料不同，玻璃材料在断裂的过程中不存在弹塑性过程，不会产生一个相对稳定的屈服极限。玻璃材料的强度极限容易受到外界环境、应力方式、玻璃的结构和尺寸的改变而发生变化。在外界条件和应力加载方式相同时，玻璃材料的几何尺寸发生变化对测试所得的抗弯强度有较大影响，玻璃厚度越薄，影响越大。
现有针对脆性材料的测试标准，如欧洲标准BS EN 1288-3-2000、标准ISO 1288-3-2016、以及GB/T 6569-2006均是针对大尺寸玻璃或陶瓷的测试标准，测试夹具的跨距值较为固定(40mm或30mm)，难以满足现有超薄玻璃抗弯强度的测试要求。使用上述的测试标准测试超薄玻璃时，玻璃在载荷的作用下会发生较大的形变，如图1所示，m表示发生大变形的玻璃，n表示四点弯曲的左下支杆的辊棒，F表示施加的荷载，图中玻璃在发生断裂前的弯曲度非常明显，远大于玻璃的厚度，此时玻璃所承受的最大张应力出现在玻璃跨中位置的下表面附近。对于均匀脆性材料来说，破坏点是从最大张应力处开始的，但由于玻璃材料破坏点周围的微裂纹会引起不同程度的应力集中，使得玻璃材料的破坏发生在一个微型区域内，在微型区内的张应力是非线性变化的，通常用该区域的平均张应力来衡量玻璃的破坏强度。
图2所示的是弯曲过程中张应力最大区域内的应力分布示意图。在理想弹性体中，应力分布为线性分布，σb为与玻璃材料自身特征相关的本征拉伸强度，是一个常数。在玻璃实际弯曲测试过程中，在玻璃的拉应力表面形成的破坏发生区(Δ区)，破坏发生区CD内的应力是非线性变化的，Δ区体现了玻璃在断裂失效条件下微观结构的相互作用和相互制约的范围，反映了破碎时局部能量累积的阈值。C点被称为伪屈服应力点，是由应力线性分布转化为非线性分布的分界点，此处的伪屈服应力为σy，当破坏发生区内均应力达到材料拉伸破坏强(σt)时发生破碎。通过这个模型，得出弯曲断裂强度计算公式：
上式体现了玻璃厚度和破坏发生区Δ对玻璃弯曲强度的影响，当h很大，玻璃较厚时，玻璃弯曲断裂失效时的变形量很小，厚度方向上的应力梯度(1-Δ/h)很小，引发玻璃断裂失效的断裂发生区Δ就较小，此时玻璃的抗弯强度近似接近于其拉伸强度；当玻璃很薄时，测试抗弯强度的过程中玻璃发生较大的形变，会产生较大的应力梯度，导致破坏发生区Δ增大，从而影响玻璃的真实抗弯强度，并且玻璃变形量的增大，对其抗弯强度的影响越大。
针对超薄玻璃抗弯测试过程中的大变形问题，专利CN 104316415 B提出减少玻璃变形量的抗弯强度测试方法。通过减小玻璃断裂失效过程中的变形量来削弱应力梯度对玻璃抗弯强度的影响。测试过程使用粘结剂将玻璃片和金属块粘接在一起，然后对组合构件做弯曲测试，组合构件在荷载的作用下发生弯曲变形，粘贴在组合件下方的玻璃收到的张应力最大，率先发生断裂，万能试验机记录的荷载会骤降然后再增大，认为骤降前的荷载就是超薄玻璃的所能承受的最大荷载，将其带入到公式中计算得到玻璃的抗弯强度。这种方法通过减少了超薄玻璃的抗弯强度测试过程的变形量，从而得某种测试玻璃片的具体抗弯强度值，但在实际操作过程中较为复杂繁琐，并且金属块在长期反复的测试过程中会发生蠕变从而影响实际的测试结果。
本发明是针对超薄玻璃抗弯强度测试过程中变形量大影响抗弯强度的问题，提出的一种跨距可调式超薄玻璃抗弯强度测试方法。在抗弯强度测试过程中，通过调节跨距的依次减小来实现玻璃变形量逐渐减小，从而逐渐削弱应力梯度对抗弯强度的影响，使得玻璃的抗弯强度在跨距减小的过程中逐渐趋于稳定，实现超薄玻璃抗弯强度的稳定测试。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、按预设条件调整跨距可调式夹具的跨距；
步骤2、将超薄玻璃试件水平放置在夹具上压杆和下支杆之间；
步骤3、利用万能试验机，按照一定的加载速率通过夹具上压杆对玻璃试件施加向下的荷载；
步骤4、记录加载过程中载荷-变形或载荷-时间曲线，随荷载的不断增大，玻璃在某处发生断裂失效破碎，在载荷-变形曲线上出现荷载的最大值Fmax，获取最大荷载值后万能试验机停止施压，夹具退回到初始位置(即万能试验机启动前夹具的相对位置)；
步骤5、调整上跨距和下跨距，开始进行下一组试验；
步骤6、重复步骤2-5，测出下跨距从52mm减小到4mm之间若干组工况下玻璃的抗弯强度值；
步骤7、将随跨距逐渐减小的超薄玻璃的抗弯强度值进行拟合，通过拟合测试结果，得出玻璃在小跨距下的抗弯强度，此时玻璃变形量较小，测得的抗弯强度区域稳定，作为超薄玻璃真实的抗弯强度。
所述跨度可调式夹具为四点弯曲式夹具，包括带刻度的上导轨和下导轨，连接在上导轨下端的上左压杆和上右压杆，连接在下导轨上端的下左支杆和下右支杆，连接在两根上压杆下方的上棍棒，连接在两根下支杆上方的下棍棒，压杆和支杆分别通过上支撑座和下支撑座与导轨连接，上支撑座与下支撑座分别通过上六角螺栓和下六角螺栓与上下导轨调节固定，上内六角螺栓和下内六角螺栓分别与设置在上导轨和下导轨内部的上滑块和下滑块连接，导轨内开设有供滑块左右滑动的滑槽，通过左右拨动压杆和支杆，调节夹具上跨距和下跨距，通过旋转调节六角螺栓，调整上下导轨之间的间距。
所述待测玻璃试样为薄片状，试样边缘经过磨边机精细磨边，玻璃试样的厚度不超过2mm。
所述跨度可调式夹具的的上跨距调节范围为2-100mm，下跨距调节范围为4-200mm。
所述上跨距为两根上辊棒轴心之间的距离，下跨距为两根下辊棒轴心之间的距离，本发明采用四点1/4弯曲测试方法测试玻璃抗弯强度，已知强度计算公式如下：
Figure BDA0001649845970000041
上述公式中，σ为玻璃的抗弯强度，Fmax表示玻璃变形断裂过程中最大施加力，l为四点弯曲的力臂，在四点1/4弯曲实验中，l为下跨距的1/4，b表示玻璃的宽度，d表示玻璃的厚度，本实验中始终保持上跨距为下跨距的一半。
所述万能试验机连接传感器，传感器与夹具连接，在玻璃测试过程中，利用万能试验机向试样提供稳定持续的荷载，当夹具接触到玻璃后产生力和变形量的变化，该变化结果由传感器记录保存下来。
本发明具有如下优点：
本发明提供了一种使用跨距可调式夹具快速准确测试超薄玻璃抗弯强度的方法，通过测试超薄玻璃在跨距逐渐减小时的抗弯强度，得到玻璃随变形量逐渐减小渐渐趋于稳定值的真实抗弯强度。采用本发明的测试方法，直接依据已有的测试标准及仪器即可方便快捷的完成对玻璃抗弯强度的稳定测定。
附图说明
图1为超薄玻璃在弯曲测试中产生大变形示意图；
图2为超薄玻璃的弯曲状态下张应力最大区域内的应力分布示意图；
图3为本发明实施例中跨距可调式四点弯曲夹具示意图；
图4为本发明实施例中四点弯曲夹具左侧或右侧示意图；
图5为本发明实施例1的抗弯强度测试结果示意图；
图6为本发明实施例1在不同跨距下玻璃弯曲测试时产生的变形量示意图；
图7为本发明实施例2的抗弯强度测试结果示意图；
图8为本发明实施例2在不同跨距下玻璃弯曲测试时产生的变形量示意图；
图9为本发明实施例3的抗弯强度测试结果示意图；
图10为本发明实施例3在不同跨距下玻璃弯曲测试时产生的变形量示意图；
其中：1-上左压杆，2-上右压杆，3-下左支杆，4-下右支杆，5-上导轨，6-下导轨，7-上滑块，8-上六角螺栓，9-上支撑座，10-上辊棒，11-下棍棒，12-下支撑座，13-下六角螺栓，14-下滑块。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、按预设条件调整跨距可调式夹具的跨距；
步骤2、将超薄玻璃试件水平放置在夹具上压杆和下支杆之间；
步骤3、利用万能试验机，按照一定的加载速率通过夹具上压杆对玻璃试件施加向下的荷载；
步骤4、记录加载过程中载荷-变形或载荷-时间曲线，随荷载的不断增大，玻璃在某处发生断裂失效破碎，在载荷-变形曲线上出现荷载的最大值Fmax，获取最大荷载值后万能试验机停止施压，夹具退回到初始位置(即万能试验机启动前夹具的相对位置)；
步骤5、调整上跨距和下跨距，开始进行下一组试验；
步骤6、重复步骤2-5，测出下跨距从52mm减小到4mm之间若干组工况下玻璃的抗弯强度值；
步骤7、将随跨距逐渐减小的超薄玻璃的抗弯强度值进行拟合，通过拟合测试结果，得出玻璃在小跨距下的抗弯强度，此时玻璃变形量较小，测得的抗弯强度区域稳定，作为超薄玻璃真实的抗弯强度。
如图3和图4所示，跨度可调式夹具为四点弯曲式夹具，包括带刻度的上导轨5和下导轨6，连接在上导轨下端的上左压杆1和上右压杆2，连接在下导轨上端的下左支杆3和下右支杆4，连接在两根上压杆下方的上棍棒10，连接在两根下支杆上方的下棍棒11，压杆和支杆分别通过上支撑座9和下支撑座12与导轨连接，上支撑座9与下支承座12分别通过上六角螺栓8和下六角螺栓12与上下导轨调节固定，上内六角螺栓和下内六角螺栓分别与设置在上导轨和下导轨内部的上滑块7和下滑块14连接，导轨内开设有供滑块左右滑动的滑槽，通过左右拨动压杆和支杆，调节夹具上跨距和下跨距。
实施例1
将厚度为0.33mm的超薄化学钢化玻璃进行抗弯强度测试，玻璃片的尺寸是50mm×100mm×0.33mm，且玻璃边缘进行了精细抛光处理。
调节上左压杆1、上右压杆2分别距离上导轨“0”刻度值13mm，即上跨距为26mm，调节下左支杆3、下右支杆4分别距离下导轨“0”刻度值26mm，即下跨距为52mm。
调节上导轨5与下导轨6之间的距离，即确保上下两部分支杆和压杆的垂直距离大于玻璃片的厚度。
将玻璃片放置在上述的支杆和压杆之间，确保待测玻璃试样与上下导轨平行。
启动万能试验机，选择向上导轨的施压速率为0.5mm/min。
万能试验机选用由上海倾技仪器仪表科技有限公司生产的QJ211S-10KN微机控制触摸屏专用四点弯曲试验机。
玻璃在施加荷载的情况下发生破碎，根据万能试验机记载的破坏荷载，带入到四点弯曲实验计算公式中
Figure BDA0001649845970000071
得出测试样品在下跨距52mm时的抗弯强度，试验结果由万能试验机通过与夹具连接的传感器记录后保存。
调节上左压杆、上右压杆使上跨距为24mm，调节下左支杆、下右支杆使下跨距为48mm，然后重复上述操作，得到下跨距在48mm时的抗弯强度。
继续调整上下跨距，测玻璃的抗弯强度，分别通过实验测得下跨距是52mm、48mm、44mm、40mm、36mm、32mm、28mm、24mm、20mm、16mm、12mm、8mm时的13组数据，始终保持上跨距是下跨距的一半的距离，并且每一组跨距下测试5组数据，计算出每一组5个抗弯强度数据的平均值和标准差。
将0.33mm厚度不同跨距的化学钢化玻璃的抗弯强度拟合得到图5，图6是在不同跨距下玻璃弯曲测试时产生的最大变形量记录图，其中曲线表示的是对不同跨距下的变形量和跨距的比值的拟合曲线。通过图5和图6可以发现，当下跨距减小到12mm及以下时，玻璃抗弯强度趋于一个稳定值，且此时玻璃的变形量和跨距的比值也趋于稳定值，拟合得到该区域内强度值即为玻璃抗弯强度值，即实施例1中玻璃试样的抗弯强度为778MPa。
实施例2
将0.55mm的超薄化学钢化玻璃进行抗弯强度测试，玻璃片的尺寸是56mm×120mm×0.55mm，且玻璃边缘进行了精细抛光处理。
与上述实施例1采用相同的操作步骤，这里将不再赘述。
通过对上下跨距的调整，测试0.55mm厚度玻璃的抗弯强度，获得下跨距在20mm、24mm、28mm、32mm、36mm、40mm、44mm、48mm、52mm时玻璃的抗弯强度。
将0.55mm厚度试样在不同跨距下测得的抗弯强度拟合得到图7，图8是在不同跨距下玻璃弯曲测试时产生的变形量示意图，其中曲线表示的是对不同跨距下的变形量和跨距的比值的拟合曲线。通过图7和图8可以发现，当下跨距减小到20mm及以下时，玻璃抗弯强度趋于一个稳定值，且此时玻璃的变形量和跨距的比值也趋于稳定值，拟合得到该区域内强度值即为玻璃抗弯强度值，即实施例2中玻璃试样的抗弯强度为814MPa。
实施例3
对0.7mm的化学钢化玻璃经行抗弯强度测试，玻璃片尺寸是56mm×120mm×0.7mm，并且玻璃边缘进行了精细抛光处理。
抗弯强度的测试操作过程和实施例1相同，不再赘述。
通过对上下跨距的调整，测试0.7mm玻璃的抗弯强度，获得下跨距在12mm、16mm、20mm、24mm、28mm、32mm、36mm、40mm、44mm、48mm、52mm时玻璃的抗弯强度。
将0.7mm厚度玻璃试样在不同跨距在测得的抗弯强度拟合得到图9，图10是在不同跨距下玻璃弯曲测试时产生的变形量示意图，其中曲线表示的是对不同跨距下的变形量和跨距的比值的拟合曲线。通过图9和图10可以发现，当下跨距减小到20mm及以下时，玻璃抗弯强度趋于一个稳定值，且此时玻璃的变形量和跨距的比值也趋于稳定值，拟合得到该区域内强度值即为玻璃抗弯强度值，即实施例3中玻璃试样的抗弯强度为734MPa。
测试结果表明随测试跨距的减小，玻璃的变形量也在减小，抗弯强度受应力梯度的影响开始减弱并逐渐增大，当跨距减小到一定值后，这时玻璃的变形量很小，玻璃的抗弯强度趋于一个稳定值，这个稳定的值就是测试玻璃真实的抗弯强度。
本发明根据现有的万能试验机，通过引进跨距可调式四点弯曲夹具来完成超薄玻璃抗弯强度的测试，很好的解决了目前对超薄玻璃测试过程中大的变形量及测试结果不准确问题，具有很好的操作性能和应用价值。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (6)

1.一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、按预设条件调整跨距可调式夹具的跨距；
步骤2、将超薄玻璃试件水平放置在夹具上压杆和下支杆之间；
步骤3、利用万能试验机，按照一定的加载速率通过夹具上压杆对玻璃试件施加向下的荷载；
步骤4、记录加载过程中载荷-变形曲线，随荷载的不断增大，玻璃在某处发生断裂失效破碎，在载荷-变形曲线上出现荷载的最大值Fmax，获取最大荷载值后万能试验机停止施压，夹具退回到初始位置；
步骤5、调整上跨距和下跨距，开始进行下一组试验；
步骤6、重复步骤2-5，测出下跨距从52mm减小到4mm之间若干组工况下玻璃的抗弯强度值；
步骤7、将随跨距逐渐减小的超薄玻璃的抗弯强度值进行拟合，通过拟合测试结果，得出玻璃在小跨距下的抗弯强度，此时玻璃变形量较小，测得的抗弯强度区域稳定，作为超薄玻璃真实的抗弯强度。
2.如权利要求1所述的一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法，其特征在于：所述跨距可调式夹具为四点弯曲式夹具，包括带刻度的上导轨和下导轨，连接在上导轨下端的上左压杆和上右压杆，连接在下导轨上端的下左支杆和下右支杆，连接在两根上压杆下方的上棍棒，连接在两根下支杆上方的下棍棒，压杆和支杆分别通过上支撑座和下支撑座与导轨连接，上支撑座与下支撑座分别通过上六角螺栓和下六角螺栓与上下导轨调节固定，上内六角螺栓和下内六角螺栓分别与设置在上导轨和下导轨内部的上滑块和下滑块连接，导轨内开设有供滑块左右滑动的滑槽。
3.如权利要求1所述的一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法，其特征在于：所述玻璃试件为薄片状，试件边缘经过磨边机精细磨边，玻璃试件的厚度不超过2mm。
4.如权利要求2所述的一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法，其特征在于：所述跨距可调式夹具的上跨距调节范围为2-100mm，下跨距调节范围为4-200mm。
5.如权利要求4所述的一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法，其特征在于：所述上跨距为两根上辊棒轴心之间的距离，下跨距为两根下辊棒轴心之间的距离，本发明采用四点1/4弯曲测试方法测试玻璃抗弯强度，已知强度计算公式如下：
Figure RE-FDA0002229816110000021
上述公式中，σ为玻璃的抗弯强度，Fmax表示玻璃变形断裂过程中最大施加力，l为四点弯曲的力臂，在四点1/4弯曲实验中，l为下跨距的1/4，b表示玻璃的宽度，d表示玻璃的厚度，实验中保持上跨距为下跨距的一半。
6.如权利要求1所述的一种超薄玻璃抗弯强度的测试方法，其特征在于：所述万能试验机连接传感器，传感器与夹具连接，在玻璃测试过程中，利用万能试验机向试样提供稳定持续的荷载，当夹具接触到玻璃后产生力和变形量的变化，该变化结果由传感器记录保存下来。
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