玻璃是一种典型的脆性材料，通常具有透明性，在工程和生活中有广泛的实际应用[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]]。然而，由于其脆性，玻璃在冲击载荷下容易断裂[14]。材料的脆性可以通过一些提出的关系来解释。Pugh[15]提出了一个简单的关系，将材料的脆性属性与其体积模量（K）和剪切模量（G）联系起来。区分脆性和韧性材料的临界值约为1.75；如果K/G < 1.75，材料表现出脆性行为。因此，许多研究人员对玻璃在冲击载荷下的损伤机制和冲击行为进行了研究。研究发现，玻璃在冲击载荷下的损伤行为表现出复杂的机制[10],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22]]。
冲击被定义为在极短时间内以一定速度施加在材料或结构上的瞬时外力[23]。冲击通常分为低速或高速[24]。有时，冲击的分类还包括低速冲击、中速冲击、高速冲击和超高速冲击。冲击速度是影响玻璃损伤行为的关键因素。低速冲击的速度低于10米/秒，中速冲击的速度在10米/秒到50米/秒之间，高速冲击的速度范围为50米/秒到1000米/秒，超高速冲击的速度范围为2公里/秒到5公里/秒[25]。低速冲击对工程结构是一个关键的动态条件[26]。在制造、正常运行和维护过程中，玻璃容易受到各种冲击事件的影响，包括冰雹冲击、落石和波浪冲击。这些应用中的损伤涉及相对较大颗粒的低速冲击。
从吸收能量、峰值载荷和损伤区域的角度来看，Montazeri等人[27]进行了准静态压痕试验，以比较由切碎的玻璃和凯纳夫纤维组成的复合材料的机械特性。研究结果与低速冲击试验结果一致。Sharma等人[28]使用落塔冲击机研究了两种不同复合材料的低速（1.79米/秒 - 4.38米/秒）冲击行为。通过力-位移响应、损伤和参数来表征复合材料的低速冲击行为。用于比较复合材料性能的参数包括最大力、残余位移和最大位移、接触时间等。Grant等人[29]发现，冲击速度的法向分量（4.0 - 10.6米/秒）决定了损伤的阈值。Liu等人[30]发现，在6.6米/秒的冲击速度下，挡风玻璃吸收了90.6焦耳的动能，而在11.2米/秒时，这一值增加到276.9焦耳。在更高速度的冲击下，会同时形成更多的裂纹。Wu等人[31]发现，在“穿透冲击速度”和“非穿透冲击速度”下，层压玻璃的能量吸收行为不同。对于不能穿透层压玻璃的10米/秒、50米/秒和100米/秒的冲击速度，几乎100%的初始动能被板材吸收；而在300米/秒和500米/秒的速度下，只有50%的冲击能量被吸收。Cheong等人[32]发现，随着冲击速度从17米/秒增加到26米/秒，整体玻璃球片碎片的平均尺寸逐渐减小。这些报道的大多数工作都是基于4–20米/秒范围内的低速冲击，通过试验和模拟进行。
关于冲击质量，目前关于其影响的研究较少。Sharma和Velmurugan[33]研究了在相同动能（30焦耳）下冲击质量（8.132千克和13.132千克）对纤维金属层压板冲击行为的影响。研究发现，当冲击质量减小时，接触力增加。不同冲击质量下纤维金属层压板的损伤模式也不同。因此，冲击质量是材料低速冲击行为的另一个关键因素。当前研究中选择的冲击速度和质量仍然过高，导致低速冲击试验存在局限性，这主要是由于高载荷力和动能值所致。在报告的调查中，玻璃在所研究的冲击速度下仍然容易断裂，难以观察到详细的冲击行为和损伤过程。这些因素导致缺乏冲击过程中的动能响应数据和动能耗散值，从而无法建立它们之间的关系。此外，本文还考虑了尖锐的冲头形状。尖锐冲头的冲击在技术上具有重要意义，既可用于评估冲击材料的行为，也可用于评估小而尖锐的颗粒对各种类型结构造成的损伤[34]。Montazeri等人[35]使用带有半球形尖端的圆柱形压头进行了准静态压痕试验。结果表明，用凯纳夫纤维增强的复合材料在穿透过程中表现出脆性行为和关键的损伤机制。显然，圆锥形几何形状在分析上更易于处理。然而，三角锥形冲头的尖锐边缘和平坦表面会对弹性变形和塑性变形的过程产生重要影响[36]。在这里，使用常用的校准材料石英玻璃进行了圆锥形和三角锥形冲头的低速冲击试验，以识别两种冲头之间的重要差异。
本研究旨在深入理解玻璃在低速冲击下的损伤过程和机制。为了解决冲击载荷和能量耗散信息不足的问题，本研究采用了基于动能控制模式的微动冲击磨损试验机进行冲击力学试验。系统研究了动能组成（冲击速度和质量）对石英玻璃冲击行为的影响，以及两种冲头形状对损伤机制的影响。这项研究有助于更好地理解石英玻璃在低速冲击下的损伤过程。
