CN1558203A - 一种玻璃强度保证试验方法及其在玻璃检测中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种玻璃强度保证试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：1.对于待测玻璃，给定一个期望达到的强度保证值σ_s，选定已知半径和弹性常数的压球，根据临界载荷与玻璃局部强度之间的对应关系,由期望的强度保证值σ_s得到对应的强度保证载荷P_s；2.通过加载设备将所述球形压头垂直压在被测玻璃表面，并逐渐加载至期望的强度保证载荷P_s，停留数秒后卸载；3.观察被测玻璃表面是否出现了赫兹裂纹，若未出现赫兹裂纹，说明被测玻璃的局部强度高于期望的强度保证值σ_s；若出现赫兹裂纹，说明被测玻璃的局部强度低于期望的强度保证值σ_s。本发明方法不但可以对玻璃进行逐块检测，而且可以保护被检测的玻璃在不破坏的情况下，确切地知道哪一块合格，哪一块不合格。甚至在一块玻璃产品中可测到哪些部位强度高些，哪些部位强度低些。本发明不仅可用于玻璃产品强度的检测中，还特别适用于服役状态下的玻璃构件在线测试和监测，以及不同的玻璃的相对比较和评价。对玻璃行业的发展和脆性材料的性能评价具有非常广阔的应用前景。

Description

一种玻璃强度保证试验方法及其在玻璃检测中的应用

技术领域

本发明涉及一种玻璃的试验方法及其应用，特别是关于一种非破坏性的玻璃(包括普通玻璃、增强玻璃、钢化玻璃等)强度保证试验及其在玻璃检测中的应用。

背景技术

一百多年前著名的物理学家赫兹建立了两弹性体相互接触时接触变形与接触载荷之间的解析关系，由于这种接触理论和球压法操作方便和具有解析解的特点，因此越来越受到重视。人们在研究中发现对于脆性材料，当接触应力到达某一临界值时，接触点周围会产生一圆环状赫兹裂纹。针对这一特性，很多科研工作者一直想利用这种临界接触裂纹的特性对脆性材料的断裂强度进行非破坏性评价，通过赫兹裂纹产生时的临界最大应力来获得材料或构件在该点的强度。

但是经过许多实验研究之后却发现一些与常规强度理论相矛盾的问题，从而使得球压测试强度的设想无法实现，问题主要是：1、材料的强度本应该是一个常数，但球压开裂时的最大压痕应力随着压球半径的增大而减小，不为常数，并且总是远高于常规破坏性实验测到的强度值。2、赫兹接触理论表明最大拉应力发生在表面接触圆周线上，但实践中环形裂纹总是大于接触圆，即裂纹不是产生在最大拉应力处。

1993年中国建筑材料研究院包亦望博士在《Fatigue and Fracture of EngineeringMaterials and Structure》上发表文章，认为脆性开裂不是由一点的应力峰值决定的，而是由材料过程区内的平均应力决定的，即当该平均应力达到材料强度时此处发生开裂，并把这种平均应力控制开裂的现象定义为均强度准则。近几年包亦望博士带领的课题组在大量球压实验和应力分析的基础上，发现被测样品厚度方向的应力梯度随着压球尺寸和样品材料的改变而变化的特性，并依据均强度准则导出了高度非均匀应力场下的临界应力计算方法；同时证明了虽然最大球压临界应力以及应力梯度都是随着压球的直径变化而变化，但是在一定表层厚度上的平均应力临界值却是一个常量，这个常量被定义为局部强度，根据这一强度理论，包亦望博士又进一步提出了一种用球压法测评脆性材料及构件的局部强度性能的非破坏性测评方法。

这种非破坏性的局部强度测评方法的基本原理是：通过对接触应力函数沿试样厚度方向一定范围内(对玻璃该厚度层约为0.03mm)积分算出该区域内应力平均值与球压载荷的关系，以临界开裂时刻的平均应力作为接触点的局部强度。并通过强度的尺寸效应建立局部强度与常规弯曲强度的统计关系。对于给定的压球尺寸和已知的压球性能，可以通过球压接触公式得到临界载荷与材料局部强度的对应关系：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{loc}}=({\mathrm{ar}}_c^2+{\mathrm{br}}_c+c)\·{\left(\frac{E}{k}\right)}^{2/3}\·\frac{1}{\mathrm{\π}}\·{\left(\frac{P_c}{R^2}\right)}^{1/3}$

然而，如何在生产实践中应用这些理论研究成果，对玻璃包括钢化玻璃和陶瓷等脆性材料进行非破坏性的强度性能试验或检测，是世界各国都期盼解决的具有重大实用价值的研究课题。目前国内的玻璃产品和玻璃构件的检测方法都比较落后，普遍采用的是破坏性试验，例如有一百块玻璃需要检测其强度是否达到标准，就需要将这些玻璃一一按照强度测试方法压碎测得每一块的强度，但结果是一百块玻璃都变成了碎块垃圾；如果抽取十块玻璃进行测试，剩下的九十块玻璃中哪块合格，那块不合格仍然不知道，只能根据已得到的抽检结果预测一个大概的合格率。这种检测方法不但不能得到产品是否合格的确切结果，而且浪费很多被测样品和经费。

发明内容

本发明的目的是基于均强度准则的理论和由此推导出的临界载荷与材料强度之间关系的局部强度公式，提出一种非破坏性的玻璃强度保证试验方法，以及该方法在玻璃检测中的应用。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：1、一种玻璃强度保证试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：(1)给定一个待测玻璃所期望达到的强度保证值σ_s，选定已知半径和弹性常数高于被测材料的光滑压球，根据临界载荷与玻璃局部强度之间的对应关系，由期望的强度保证值σ_s得到对应的强度保证载荷P_s；(2)通过加载设备将所述球形压头垂直压在被测玻璃表面，并逐渐加载至期望的强度保证载荷P_s，停留数秒后卸载；(3)观察被测玻璃表面是否出现了赫兹裂纹，若未出现赫兹裂纹，说明被测玻璃的强度高于期望的强度保证值σ_s；若出现赫兹裂纹，说明被测玻璃的强度低于期望的强度保证值σ_s。

在步骤(1)中，强度保证载荷P_s是将期望的强度保证值σ_s带入临界载荷与玻璃局部强度之间的对应关系公式，经计算得到的。

在步骤(1)中，强度保证载荷P_s是根据期望的强度保证值σ_s在临界载荷与玻璃局部强度之间的对应关系曲线图中，查找出来的。

在步骤(3)中，检查被测玻璃表面是否出现赫兹裂纹采用声发射仪。

在步骤(3)中，观察被测玻璃表面是否出现赫兹裂纹采用显微镜。

一种玻璃强度保证试验方法在玻璃强度检验中的应用。

本发明由于采用以上方法，其具有以下优点：1、本发明提出了一种对玻璃强度进行评价和检测的新方法，由于其采用按最低强度要求对应的强度保证载荷对玻璃产品或玻璃构件进行球压试验，因此这种试验方法对玻璃材料不具有破坏性，对符合要求的玻璃不会造成任何损伤，同时对不满足强度要求的玻璃能有感应，并可以多次反复进行，这对于玻璃材料的研究和开发具有十分重要的意义。2、本发明这种无破坏性的试验方法应用于玻璃强度的检测实践中的意义更加重大，其不但可以对玻璃进行逐块检测，而且可以保护被检测的玻璃在不破坏的情况下，确切地知道哪一块合格，哪一块不合格。3、由于本发明方法是直接对被测试产品或构件本身进行非破坏性测试，因此不需要切割成标准试件，不但检测数据具有较好的稳定性，离散性较小，不受材料的边缘裂纹和内部缺陷的影响，而且使检测效率和准确性大为提高，检测代价却大为降低。4、本发明在判别材料表面是否产生赫兹裂纹时，引入了声发射仪作为监控装置，其可以将肉眼看不见的赫兹裂纹启裂时的信号，通过声传感器传送给控制设备，确切地知道微裂纹发生时的载荷值。5、本发明方法不受试验条件和设备的限制，其可以很容易地分辨不同的钢化工艺和产品等级，对评价多种同类型的材料的相对优劣和归类产品的等级非常方便。本发明特别适用于服役状态下的玻璃构件在线测试和监测，对玻璃行业的发展和脆性材料的性能评价具有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1是球压赫兹裂纹启始和裂纹位置示意图

图2是玻璃样品表面球压后的赫兹裂纹形貌图

图3是临界载荷与玻璃的局部强度的对应关系图

图4是采用声发射信号确定临界载荷示意图

图5是强度保证试验中加载路径示意图

图6-a是载荷在100N时接触变形情况图

图6-b是载荷在180N时裂纹起始形貌图

图6-c是载荷在260N时裂纹扩展形貌图

图6-d是载荷在500N时喇叭状裂纹形貌图

具体实施方式

由上述背景技术的描述可知，球压接触方法的基本原理是用半径为R的压球，将一定载荷P作用于试样表面，当接触应力达到某一临界值时，接触面周围产生一环形赫兹裂纹(如图1、图2所示)，根据均强度准则，脆性材料中裂纹起始的临界状态取决于一个特定的小区域(过程区)内的平均应力。当此过程区的平均应力达到一临界值σ_c时，脆性材料将在此断裂，裂纹起始时对应的最大平均应力代表了样品的局部强度σ_loc。临界载荷P_c与局部强度σ_loc之间的这种对应关系可以用以下球压接触公式表达：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{loc}}=({\mathrm{ar}}_c^2+{\mathrm{br}}_c+c)\·{\left(\frac{E}{k}\right)}^{2/3}\·\frac{1}{\mathrm{\π}}\·{\left(\frac{P_c}{R^2}\right)}^{1/3}---\left(1\right)$

其中：σ_loc是被测材料的局部强度，r_c是压球与试样表面的临界接触半径，a、b、c分别是与被测材料及压球的性能有关的常数，k是与压球及被测材料的性能有关的常数，k＝(9/16)[(1-v²)+(1-v′²)E/E′，式中E，E′和v，v′分别为样品和压头的弹性模量和泊松比，P_c是临界载荷值，R是压球半径。

通过对玻璃材料的试验数据的曲线拟合可以确定出公式(1)中的常数项a、b、c，将a、b、c带入公式(1)得到：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{loc}}=\[-{0.1133r}_c^2+0.2363r_c+0.01948\]\·{\left(\frac{E}{k}\right)}^{2/3}\·\frac{1}{\mathrm{\π}}\·{\left(\frac{P_c}{R^2}\right)}^{1/3}---\left(2\right)$

压球半径R，临界载荷P_c和接触半径r_c三者之间关系可用经典的赫兹弹性接触公式确定：

$r_c^3={4\mathrm{kP}}_C\·R/\left(3E\right)---\left(3\right)$

将公式(3)代入公式(2)可以消去接触半径r_c，从而对于给定压球材料和压球尺寸以及给定试样的局部强度σ_loc可以表示为临界载荷P_c的一元函数。比如：对于直径为5毫米的碳化钨压球(弹性模量为600GPa，泊松比为0.25)，可以导出玻璃的局部强度σ_loc和临界载荷P_c之间的关系为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{loc}}={8.21P}_c^{1/3}+{3.014P}_c^{2/3}-{0.0437P}_c---\left(4\right)$

即，在玻璃强度的测试中，只要通过球压法测得临界载荷P_c，并将其代入公式(4)，便可以计算出玻璃在该点的局部强度σ_loc。临界载荷与玻璃局部强度之间的这种对应关系还可以用曲线图表示(如图3所示)。

基于对上述公式的推导，本申请人提出了一种对玻璃强度进行非破坏性的新的评价方法一玻璃的强度保证试验方法，该方法包括以下步骤：

(1)对于被测玻璃1，给定一个期望达到的强度保证值σ_s，选定已知半径和弹性常数的压球2，根据临界载荷与玻璃局部强度之间的对应关系，由期望的强度保证值σ_s得到对应的强度保证载荷P_s；强度保证载荷P_s可以是通过上述玻璃的局部强度σ_loc与临界载荷P_c之间关系的公式计算出来的(如公式(1)～(4))，也可以是从临界载荷与玻璃局部强度之间的对应关系曲线图(如图3所示)中查出。

(2)通过加载设备将球形压头垂直压在被测玻璃表面，逐渐加载(如图4所示)，至期望的上述强度保证载荷P_s，停留数秒后卸载；其中加载速度按一般经验为0.05～0.1mm/min。

(3)观察被测玻璃表面是否出现了赫兹裂纹，若未出现赫兹裂纹，说明被测玻璃的局部强度高于期望的强度保证值σ_s；若出现赫兹裂纹，说明被测玻璃的强度低于期望的强度保证值σ_s；观察的时候，由于用肉眼不能直接看到赫兹裂纹，因此可以采用显微镜观察，也可以采用一声发射仪进行监控，采用声发射仪监控的好处是，将声传感器设置在被测玻璃表面，一旦发现赫兹裂纹(如图5所示)，传感器就可以将信号传送给控制系统，停止加载，这种实时监控可以确切地了解这块玻璃或玻璃构件此刻的载荷值。根据这一点，本发明方法还可以进一步引申，通过设置不同的强度保证载荷，可评价玻璃、钢化玻璃、精密陶瓷等脆性材料的强度等级等性能指标。

本发明提出的玻璃强度保证试验方法，可以应用在玻璃强度的检测中，也可以说是为玻璃强度的检测提供了一种新的非破坏性检测方法。当本发明强度保证试验方法用于玻璃检测时，步骤(1)～(3)与强度保证试验方法相同，但对于是否出现赫兹裂纹所得结论不同，即：未出现赫兹裂纹的产品为合格，出现赫兹裂纹的产品为不合格。

下面结合具体实验对本发明进一步进行描述。

实验一  赫兹裂纹的启始和扩展

选用普通钠钙硅玻璃，其尺寸为50×50×5mm³，压球为直径5mm的碳化钨球。实验过程中，为了在线观测玻璃样品在不同球压载荷下的裂纹形成及扩展情况，采用DS-II型多功能材料实验仪，利用这一仪器在加载过程中可以从显微镜中清晰的观察到裂纹形成及扩展的整个过程，同时可以用数码相机记录这一过程，如图6所示，即为数码相机在线记录的不同载荷下的裂纹扩展情况。从图中可以看到玻璃在100N的载荷下尚未出现裂纹(如图6-a所示)；当载荷达到180N时(如图6-b所示)，裂纹起始并开始扩展；随着载荷的进一步增加260N、500，裂纹以一定角度的喇叭状向纵深扩展(如图6-c、图6-d所示)。裂纹起始时的载荷，被确定为玻璃局部强度的临界载荷，例如，此处的临界载荷为180N。

实验二  临界载荷的确定

本实验选用普通钠钙硅玻璃和化学钢化增强玻璃(同种玻璃钢化前后的弹性模量不变)，其厚度为3mm，面积为50×50mm²，加载速率为0.05mm/min，压球为直径5mm的碳化钨球。采用万能材料试验机，测试玻璃表面不同位置处的局部强度。先后随机选择了多个测试点，对各点连续施加载荷直至玻璃表面出现赫兹裂纹时停止加载，此时施加的载荷即为玻璃样品在此点的临界载荷。在这种方法的实施过程中，由于样品表面的赫兹裂纹是肉眼所不能发现的，因此就使赫兹裂纹的及时监测成为一个难题。本发明在试验开始时将声发射仪的传感器置于被测玻璃表面，在赫兹裂纹产生的同时玻璃内部会有声发射信号出现，此时置于玻璃表面的传感器同时捕捉到这一信号并将其放大处理后显示在电脑屏幕上，对应于声发射信号的载荷值为临界载荷。通过这一方法可以实现赫兹裂纹的实时监控，并及时地在发现赫兹裂纹演变过程的同时停止加载，获得较为可靠的玻璃在某一点的临界载荷P_c，然后用玻璃局部强度与临界载荷关系的公式，计算出局部强度σ_loc。

实验三  强度保证实验和玻璃的强度检测

本实验选用普通玻璃及增强玻璃，其尺寸均为50×50×3mm³，压球直径为10mm的氧化铝小球(E′＝310GPa；v′＝0.22)。检验玻璃样品的局部强度是否分别达到200MPa及300MPa以上，强度保证试验的实施步骤(如图4所示)：

首先根据方程(2)针对普通玻璃和钢化玻璃设定一个与强度要求相符合的球压载荷P_s，分别为755N与1608N。对两块玻璃的不同选点处进行球压使载荷达到P_s时卸载，然后检查球压点处是否有赫兹裂纹，若没有任何裂纹则认为产品高于所预期的强度，否则可认为此处没有达到预期的强度。另外，该方法还可以检测钢化玻璃的均匀性，在同一块玻璃上若有的地方有压痕，有的地方没压痕，则表明有压痕的地方钢化效果差一点，无压痕的地方钢化效果好一些。

在本实验中对于普通玻璃，测得压力为755N时并不产生微裂纹；对于强化玻璃，测得压力为1608N时也未发现微裂纹。实验结果表明两块玻璃均达到了要求的强度，从而实现了玻璃的无损强度保证试验。

Claims (6)

1、一种玻璃强度保证试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)给定一个待测玻璃所期望达到的强度保证值σ_s，选定已知半径和弹性常数高于被测材料的光滑压球，根据临界载荷与玻璃局部强度之间的对应关系，由期望的强度保证值σ_s得到对应的强度保证载荷P_s；

(2)通过加载设备将所述球形压头垂直压在被测玻璃表面，并逐渐加载至期望的强度保证载荷P_s，停留数秒后卸载；

(3)观察被测玻璃表面是否出现了赫兹裂纹，若未出现赫兹裂纹，说明被测玻璃的强度高于期望的强度保证值σ_s；若出现赫兹裂纹，说明被测玻璃的强度低于期望的强度保证值σ_s。

2、如权利要求1所述的一种玻璃强度保证试验方法，其特征在于：在步骤(1)中，强度保证载荷P_s是将期望的强度保证值σ_s带入临界载荷与玻璃局部强度之间的对应关系公式，经计算得到的。

3、如权利要求1所述的一种玻璃强度保证试验方法，其特征在于：在步骤(1)中，强度保证载荷P_s是根据期望的强度保证值σ_s在临界载荷与玻璃局部强度之间的对应关系曲线图中，查找出来的。

4、如权利要求1或2或3所述的一种玻璃强度保证试验方法，其特征在于：在步骤(3)中，检查被测玻璃表面是否出现赫兹裂纹采用声发射仪。

5、如权利要求1或2或3所述的一种玻璃强度保证试验方法，其特征在于：在步骤(3)中，观察被测玻璃表面是否出现赫兹裂纹采用显微镜。

6、一种玻璃强度保证试验方法在玻璃强度检验中的应用。

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