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玻璃的表面接触损伤评价

发布时间:2016/7/20
接触应力分析是赫兹100年前建立的一个弹性理论体系。其中球与半无限体的接触已被用于 评价材料的硬度以及颗粒冲击等问题,也称为压痕方法。在接触加载的过程中,本构关系从低载 荷下的线弹性发展成为高载荷下的非线性。对于玻’
璃等典型脆性材料,压痕损伤表现为一个环形表面 裂纹,当载荷略大于临界载荷,这种赫兹裂纹会向 深处以喇叭状发展并形成裂纹分叉。图26-9所示 为一个直径5mm的陶瓷小球在普通玻璃上球压接 触时临界载荷U)与超临界载荷(b)的表面压痕 损伤形貌。不像维氏压痕或努氏压痕会产生表面缺 陷,球接触压痕在临界载荷以下的弹性范围内不导 致任何损伤,而且具有解析的应力分析理论。接触应力分析是赫兹100年前建立的一个弹性理论体系。其中球与半无限体的接触已被用于 评价材料的硬度以及颗粒冲击等问题,也称为压痕方法。在接触加载的过程中,本构关系从低载 荷下的线弹性发展成为高载荷下的非线性。对于玻’

璃等典型脆性材料,压痕损伤表现为一个环形表面 裂纹,当载荷略大于临界载荷,这种赫兹裂纹会向 深处以喇叭状发展并形成裂纹分叉。图26-9所示 为一个直径5mm的陶瓷小球在普通玻璃上球压接 触时临界载荷U)与超临界载荷(b)的表面压痕 损伤形貌。不像维氏压痕或努氏压痕会产生表面缺 陷,球接触压痕在临界载荷以下的弹性范围内不导 致任何损伤,而且具有解析的应力分析理论。

由于脆性材料的断裂主要由拉应力引起,因此

对于脆性的玻璃,当压痕应力达到一个临界时将在压痕周边产生一个环形小裂纹,其压痕几乎不 产生塑性变形,在压痕应力超出临界值时在玻璃表面产生一个环形裂纹,从而造成表面损伤。这 种损伤随载荷增大而加重。图26-10显示了不同接触载荷产生的压痕形貌。一个值得注意的现象 是环形裂纹产生时刻的接触环上,径向拉应力往往远大于材料的抗拉强度。这使得人们无法用这 种压痕方法直接来测试材料的抗拉强度,也使普通的强度理论用于分析这种压痕开裂时出现矛 盾,这是一个至今使强度工作者感到困惑的问题。这可能是由于应力梯度对强度的影响。研究表 明,应力变化梯度越大,破坏时的应力峰值就可达到越高。例如脆性材料裂纹尖端的应力峰值可 以远高于材料的强度值而不断裂。压痕环表面的拉应力虽然很高,但往深度方向急剧下降并变成 负值。计算显示玻璃试样接触环的径向应力(压球直径为6mm)在距表面仅为0.01mm深处就 已经衰减到表面应力的1/7左右了,再往深处就变为负值(压应力),可见应力梯度非常大。玻 璃的表面接触损伤对强度和冲击阻力的影响很大,所以应保持玻璃表面的完整和干净。

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