球体颗粒冲击下化学强化锂铝硅玻璃的冲击损伤与剩余强度

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Impact damage and residual strength of chemically strengthened lithium aluminosilicate glass under spherical particle impact

　　摘要化学强化锂铝硅（LAS）玻璃因其优异的力学性能和抗冲击性能，被广泛应用于航空航天及其他高安全性应用。然而，高速颗粒冲击引起的表面损伤仍然是断裂和使用失效的主要原因。由于不规则颗粒冲击的强随机性，冲击诱发缺陷演化与残余强度退化之间的可靠关联仍然难以建立。为克服这一局限性，采用球形碳化硅颗粒（直径1.6 mm）在服务相关的动态冲击条件下对两步化学强化LAS玻璃和未处理LAS玻璃进行冲击实验。在接近临界压力的范围内，冲击载荷能够稳定且可重复地产生具有特征环形-锥形裂纹形态的赫兹冲击缺陷，类似于经典的赫兹接触裂纹系统。缺陷形成所需的临界压力随表面压应力的增加而单调增大，而压应力层深度对裂纹萌生的影响则有限。此外，残余强度与特征参数S^(?1/2)之间呈近似线性关系，符合线弹性断裂力学（LEFM）型标度关系。这些结果建立了几何可控的动态冲击框架，用于系统关联化学强化玻璃在服务相关条件下赫兹冲击缺陷演化与残余强度退化之间的关系，为受服务相关颗粒冲击的化学强化玻璃的冲击损伤评估提供了有益见解。引言锂铝硅（LAS）玻璃因其相比普通钠钙玻璃具有高强度、优异的光学透明度和卓越的热稳定性，被广泛应用于先进工程领域[1,2]。特别是，LAS玻璃被认为是航空航天透明件和承受严酷力学与环境条件的防护结构的重要候选材料[3]。然而，玻璃仍然是一种典型的脆性材料，其强度对表面和亚表面缺陷极为敏感。即使在制造或使用过程中产生的相对较小的缺陷，也可能在拉伸载荷下成为断裂源，导致强度显著降低和可靠性下降[4]。化学强化是提高玻璃力学性能和抗损伤能力最有效的途径之一[5,6]。在离子交换过程中，玻璃表面内较小的碱金属离子被熔融盐中较大的离子取代，从而在表面附近产生压应力层[6]。该压应力抑制了裂纹萌生和裂纹张开，显著提高了强度和抗冲击性[7,8]。以往的研究表明，强化效果主要由表面压应力（CS）、压应力层深度（DOL）和整体应力分布所控制[9,10]。最近，开发了两步离子交换工艺以优化离子扩散行为和应力分布，与常规单步强化相比，实现了更优的CS和DOL组合[11]。因此，两步化学强化LAS玻璃表现出更好的强度、可靠性和损伤容限[12,13]。然而，尽管化学强化提供了增强的抗损伤能力，但在真实冲击载荷条件下强化玻璃的断裂行为仍然缺乏充分理解。在实际服役环境中，化学强化LAS玻璃经常承受冲击载荷，其中鸟击和砾石冲击是航空航天透明件面临的两大最严重威胁[14,15]。与静态载荷不同，颗粒冲击涉及瞬态应力演化、局部能量传递、惯性效应和动态演化的裂纹系统[15]。即使没有立即发生灾难性断裂，冲击引起的缺陷也会显著降低玻璃结构的残余强度和长期可靠性[16]。因此，理解冲击缺陷的形成和演化及其对残余强度退化的影响，对于评估化学强化玻璃在服役条件下的结构完整性至关重要。因此，投入了大量精力开发能够将冲击缺陷演化与玻璃断裂行为及残余强度退化相关联的实验方法。为了研究玻璃的断裂行为，已利用可控缺陷方法进行了广泛研究，特别是压痕和划痕法[9]。维氏压痕已被广泛用于引入明确定义的径向和中间裂纹系统进行断裂力学分析[10]，而划痕测试则用于研究滑动接触条件下的损伤演化[17,18]。由于这些方法提供了优异的可靠性和可重复性，它们已成为研究脆性材料裂纹萌生、裂纹扩展和残余强度退化的重要实验方法。然而，这些缺陷通常是在准静态载荷条件下产生的，由相对稳定的局部应力场控制，导致裂纹几何形状相对简单。相比之下，服务相关的冲击损伤往往涉及高度瞬态载荷条件下的复杂三维裂纹演化[16]。因此，尽管准静态接触方法为断裂力学分析提供了明确定义的缺陷几何形状，但它们无法完全再现与真实颗粒冲击相关的动态演化断裂过程，因此有必要进行动态加载冲击实验。为了更好地再现服役冲击条件，已对玻璃结构中的冲击损伤和接触诱发断裂行为进行了广泛研究[15,19]。Veer[15]进一步揭示了冲击能量、载荷速率、损伤形态和断裂行为之间的强相关性。与此同时，不规则颗粒冲击实验，特别是砾石冲击研究，已被广泛用于模拟真实的服役冲击环境[19]。这些研究表明，冲击引起的损伤和残余强度退化对颗粒尺寸、颗粒几何形状、冲击速度、冲击角度和局部接触条件极为敏感。然而，由于不规则颗粒冲击通常产生高度分散的裂纹形态和复杂的亚表面损伤结构，所得到的断裂行为也表现出很大的变异性。因此，大多数现有方法主要依赖于失效概率和强度退化的统计描述[19]。虽然这些实验比准静态接触加载更能有效地再现真实服役条件，但天然颗粒的不规则性使得难以建立冲击条件、缺陷几何形状、裂纹演化和残余强度退化之间的确定性关系。因此，仍然需要在服务相关的动态条件下建立一个几何可控的冲击框架，以系统关联玻璃中的冲击条件、缺陷演化和残余强度退化。在此背景下，球形颗粒冲击提供了理想化的准静态接触载荷和不规则颗粒冲击之间的重要中间框架。该框架的动机在于，在准静态球形压痕和接触载荷条件下，环裂纹和锥形裂纹系统已在钠钙玻璃等脆性材料中被广泛报道[20, 21, 22]。Bao[23]证明球形接触下的裂纹萌生强烈依赖于接触条件和材料性能，而Chen[24]进一步表明赫兹锥形裂纹演化强烈受到加载过程中接触应力分布和裂纹-接触相互作用的影响。这些赫兹接触裂纹系统通常与接触边界附近产生的局部拉应力相关，已被广泛用于研究脆性固体的接触诱发断裂行为[25,26]。以往的研究还表明，在钠钙玻璃受到小硬颗粒或球体冲击的动态球形冲击条件下，可能发展出类似的环-锥裂纹形态[27]。然而，与理想准静态赫兹接触不同，真实冲击事件涉及瞬态应力演化、惯性效应和应力波传播，导致裂纹萌生和扩展行为要复杂得多[28]。因此，化学强化锂铝硅（LAS）玻璃中动态产生的冲击缺陷是否表现出与经典赫兹接触裂纹系统相似的裂纹形态仍不清楚。此外，此类缺陷与残余强度退化之间的关系尚未建立。在本工作中，采用球形碳化硅颗粒作为冲击弹丸，研究两步化学强化LAS玻璃在服务相关动态冲击条件下的缺陷形成。系统研究了CS和DOL对缺陷形成的临界条件、缺陷形态和残余强度的影响。特别关注了冲击缺陷的几何特征及其与残余强度退化的关联。基于实验观察和形态表征，进一步讨论了CS和DOL在裂纹萌生和亚表面损伤演化中的各自作用。章节摘要化学强化LAS玻璃的制备本研究中使用的3 mm厚LAS玻璃板由浮法工艺生产，由中国四川虹科创新科技有限公司供应，等级代码为Panda-1681。LAS玻璃的摩尔组成为62.9% SiO?、19.4% Al?O?、5.1% Li?O、7.2% Na?O、1.4% K?O和4.0%其他氧化物。化学成分由认证的第三方分析实验室（中国国家测试与认证中心）通过电感耦合等离子体（ICP）分析测定。形态表征和赫兹冲击缺陷的定义在球形颗粒冲击下，LAS玻璃的表面损伤形态表现出明显的压力依赖性演化，随着冲击压力从高到低降低。在相对较高的冲击压力下，接触区域附近发生严重的表面压碎和碎裂，如图2(a)所示。随着压力的降低，损伤逐渐演变为具有清晰环状裂纹形态的明确冲击缺陷，如图2(b, c)所示。随着冲击压力...结论在本工作中，采用球形碳化硅颗粒（直径1.6 mm）系统研究了两步化学强化锂铝硅（LAS）玻璃的冲击损伤行为。在接近临界的冲击条件下，动态球形颗粒冲击可重复地产生了具有特征环-锥形裂纹形态的赫兹冲击缺陷，类似于经典的赫兹接触裂纹系统。形态表征揭示了明显的...CRediT作者贡献声明**田浩东（Haodong Tian）：** 撰写–原始草稿，数据整理。**徐驰（Chi Xu）：** 资源，方法论，概念化。**林博旭（Boxu Lin）：** 撰写–审阅与编辑，调查。**胡云庭（Yunting Hu）：** 撰写–审阅与编辑，资源。**祖成奎（Chengkui Zu）：** 撰写–审阅与编辑，资源。利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。田浩东 | 徐驰 | 林博旭 | 胡云庭 | 祖成奎