对高速硬冲击作用下整体玻璃损伤过程的原位观察：退火处理与化学强化处理的效果对比

本研究对比了退火和化学强化铝硅酸盐玻璃在高速冲击下的断裂行为及损伤机制。通过同步超高速成像技术（4Mfps垂直和平面）和应力波可视化分析，发现退火玻璃呈现双重损伤模式，而化学强化玻璃为单一模式，后者损伤起始更晚（3.75±0.50μs vs 5.125±0.19μs），能量吸收能力显著提升，为结构安全应用提供理论依据。

　　

Kashif Masood|Muhammad Aamir Raza|Imad ud din|Tang Zhongbin|Suo Tao

西北工业大学航空学院，中国陕西省西安市710072

摘要

在易受冲击的环境中，结构玻璃越来越多地使用退火和化学强化（CS）的铝硅酸盐玻璃，然而它们的脆性和对缺陷的敏感性使得高速失效成为一个关键的安全问题。以往的研究主要集中在准静态或低速加载条件下，并且通常只跟踪单一平面上的断裂过程，而未能解决贯穿厚度和平面内损伤之间的微秒级耦合问题。为了填补这一空白，本文研究了退火和化学强化铝硅酸盐玻璃在高速冲击下的断裂行为和损伤机制。采用三点弯曲配置的玻璃样品，通过气动气体枪发射球形钢弹进行冲击实验。实验采用高达400万帧每秒（Mfps）的快速成像技术来捕捉垂直于平面和垂直于平面方向的损伤演变过程，并使用偏振器来可视化应力波的传播。退火玻璃表现出双重损伤模式：即初次断裂发生在冲击表面，随后由于拉伸应力波的反射而在未受冲击面引发二次损伤。相比之下，化学强化玻璃表现出单一损伤模式，从冲击面开始并向未受冲击面扩展。退火玻璃的损伤起始时间（）比化学强化玻璃（）更早，这表明化学强化玻璃具有更好的能量吸收能力，更适合用于结构安全应用。总体而言，研究结果表明表面压缩应力可以延缓损伤的起始并增加能量吸收，为层压结构设计以及防护玻璃和挡风玻璃的设计提供了有益的见解。

引言

由于玻璃具有光学透明度、表面硬度和尺寸稳定性等优良特性，它已成为现代结构和商业应用中不可或缺的材料[1]、[2]。然而，其固有的脆性和对拉伸应力的敏感性在受到冲击载荷时尤为严重[3]。高压缩强度与低拉伸抗力相结合，常常导致灾难性失效，如剥落、径向裂纹和脆性断裂，这些都对安全要求极高的应用中的结构完整性构成严重威胁[4]、[5]。在多种类型的玻璃中，退火和化学强化（CS）铝硅酸盐玻璃常用于动态环境，如建筑立面、航空座舱盖和车辆挡风玻璃[6]、[7]、[8]。未经处理的退火玻璃在机械性能上表现均匀，但由于缺乏表面压缩应力，因此在受到冲击时容易激活缺陷并发生失效[9]。另一方面，化学强化玻璃通过离子交换工艺在表面形成一层残余压缩应力，这使得玻璃在裂纹起始和扩展过程中更加坚固，因为这层应力能够防止表面缺陷的扩展[10]、[11]。这提高了玻璃的耐久性。

然而，特别是在汽车挡风玻璃和飞机座舱盖玻璃等精密应用中，由冲击引起的断裂问题仍然十分关键[12]、[13]。许多研究发现，玻璃的固有压缩强度会导致其在弯曲或冲击载荷下发生失效[14]、[15]。研究人员专注于分析玻璃在低速和高速冲击下的响应。Zhen等人[16]对整体玻璃板进行了球-环冲击试验，得出结论认为铝硅酸盐玻璃在低速冲击下表现出动态强化效应。Pauw等人[17]观察到玻璃板在失效时出现多条裂纹和碎片，这与准静态加载下的现象不同。Zhen等人[18]使用不同形状的弹丸（球形、平面形和锥形）对铝硅酸盐玻璃进行了高速冲击研究，发现弹丸速度和碎片化行为取决于弹丸形状。他们建立了一个FEM-SPH耦合数值模型来验证弹道冲击响应。Sheikh等人[19]使用巴西圆盘（BD）试验研究了退火和化学强化铝硅酸盐玻璃在静态和动态载荷条件下的拉伸强度和断裂行为，发现两种类型的玻璃都对加载速率敏感，其中化学强化玻璃由于存在强压缩层而表现出显著更高的拉伸强度。

Sheikh等人[20]还使用改进的Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）进行了压缩载荷下退火和化学强化铝硅酸盐玻璃的动态力学行为研究。结果表明，两种类型的玻璃都对应变率敏感，化学强化玻璃由于其强压缩层而表现出更高的压缩强度，其失效过程涉及轴向裂纹的起始和扩展，最终导致轴向分裂和破裂。在另一项研究中，Sheikh等人[21]使用Edge-on Impact（EOI）测试技术研究了退火和化学强化铝硅酸盐玻璃板在约180 m/s冲击速度下的冲击损伤和断裂过程，发现损伤前沿和断裂过程受到弹丸形状的显著影响，化学强化玻璃的损伤前沿传播速度更快，径向和横向裂纹的密度也更高。

许多研究者解释了裂纹沿单一参考平面的传播[22]、[23]。然而，玻璃在高速冲击下的失效机制尚未完全明了，同步观察平面内和平面外方向的断裂机制将具有重大意义。尽管存在这些差异，但对这两种材料在高速冲击条件下的综合比较理解仍不充分。以往的研究主要集中在准静态或低速测试场景[24]、[25]，从而忽略了评估这些材料在平面外方向上的响应，而该方向会引发应力波相互作用和混合模式断裂机制。虽然玻璃的弯曲强度主要由缺陷分布和拉伸抗力决定，但高速冲击引入了额外的复杂性，如剪切作用、应力波反射和延迟的断裂传播现象[26]。高速成像和原位再现技术的最新进展为实时观察断裂演变提供了新的途径[27]。然而，同时观察平面内和平面外方向的损伤机制的研究还很少。值得注意的是，化学强化玻璃中的残余压缩应力如何影响裂纹萌生时间与退火玻璃在相同载荷下的缺陷主导行为之间的关系仍不清楚。

尽管进行了大量研究，但目前还没有研究能够在平面内和平面外方向同时使用快速成像技术（1 Mfps）来捕捉退火和化学强化玻璃在高速冲击下的损伤模式。此外，之前也未讨论过化学强化玻璃在微秒级别上比退火玻璃具有更高的能量吸收能力。本工作旨在表征退火玻璃和化学强化玻璃板在高速刚性弹丸冲击下的损伤机制和断裂序列。通过对样品的平面内和平面外视图进行高分辨率原位观察，确定了退火玻璃和化学强化玻璃的断裂模式和机制。用于可视化应力波和损伤传播的光学方法分别是使用偏振器的透射光阴影图模式（以获得光弹性效应）和简单的透射光阴影图模式。

本文的其余部分安排如下：第2节解释了材料和实验设置。第3节包含了实验结果以及对退火玻璃和化学强化玻璃的讨论，以及它们在高速冲击下的定量性能比较。第4节通过数值模拟验证了实验观察到的损伤起始和扩展现象。最后第5节总结了本文描述的实验和数值结果。

材料与样品

本研究使用了两种类型的铝硅酸盐玻璃样品：退火玻璃和化学强化（CS）玻璃。中国的Tie Mao Glass公司提供了化学成分和机械性能如表1、表2所示的玻璃样品，其中化学强化玻璃由于离子交换过程而在表面具有650 MPa的残余压缩应力，压缩层深度为150 μm[28]、[29]。矩形梁样品是从较大的玻璃片中切割出来的。

结果与讨论

本节对退火玻璃和化学强化玻璃在高速（169 m/s）球形弹丸冲击下的原位高分辨率再现图进行了全面实验分析，旨在确定它们的断裂机制。对这两种玻璃在损伤机制、损伤时间、冲击耐受性和能量吸收方面进行了定量性能比较。

数值模拟

本节采用3D、瞬态、非线性有限元模拟（Abaqus/Explicit）来验证实验观察到的退火玻璃和化学强化玻璃在高速球形冲击下的损伤起始和扩展现象。模拟中考虑了大位移、脆性损伤、接触、摩擦和应变率效应。

结论

本研究对退火玻璃和化学强化（CS）铝硅酸盐玻璃在高速球形弹丸冲击下的断裂和损伤机制进行了全面的原位实验研究。高分辨率再现图成像技术提供了关于损伤时间和能量吸收的重要信息。结果表明，退火玻璃表现出双重损伤模式：从冲击面开始的初次断裂以及由于应力波引起的二次断裂。

作者贡献声明

Kashif Masood：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件使用、方法论、研究设计、数据分析。Muhammad Aamir Raza：初稿撰写、数据分析。Imad ud din：软件使用、数据分析。Tang Zhongbin：撰写——审稿与编辑、资源获取、资金筹措。Suo Tao：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹措、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益或个人关系可能构成潜在的利益冲突：Suo Tao报告称其研究得到了中国国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：12025205、12141203和12172304）的支持。