【科普系列】低调的杀手——玻璃的疲劳

Original 王敏博材料工程 2021-05-08

背景

硅酸盐玻璃具有良好的光学特性、高强度、高硬度以及能够在高温下稳定使用等优良的物理性能被广泛应用于建筑材料、飞机风挡、装甲防护等民用和国防军工领域。飞机风挡作为机体结构的一部分，由于服役环境比较苛刻，在实际使用过程中，不仅要经历高温（≈70℃）、低温（≈－55℃）以及高低温循环冲击，还有盐雾、霉菌等环境腐蚀。因此要求其不仅具有耐划伤、耐冲击、高透过率、耐高低温冲击等性能，而且必须具有足够的结构强度、刚度和疲劳寿命。据统计，在飞机构件的断裂失效中疲劳失效占80%以上，造成了重大的经济损失及人员伤亡，图1所示为某破碎汽车风挡。因此，研究玻璃的静态疲劳与动态疲劳行为对制备出具有高强度和长疲劳寿命的玻璃材料具有重大的意义。

图1 风挡破碎

Fig. 1 Broken windshield

（来自百度）

什么是玻璃的疲劳？

材料的疲劳行为多发生在金属材料，当金属材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称作金属的疲劳。但与金属材料不同的是，硅酸盐玻璃几乎没有塑性，玻璃材料的疲劳是指荷载作用下的裂纹萌生以及裂纹扩展并最终导致玻璃的延迟破坏。根据受力状态的不同将玻璃的疲劳行为分为静态疲劳与动态疲劳。

玻璃的裂纹萌生

裂纹萌生是指当对玻璃作用力超过一临界值时在玻璃表面或内部产生裂纹的行为（图2）。在玻璃表面微裂纹萌生及扩展理论中，Griffith微裂纹能量平衡扩展理论应用最为广泛。Griffith理论把微裂纹尖端范围视作区域化线弹性体，该线弹性区域在能量平衡时处于稳定状态，一旦外力作用下使得该线弹性体变形能大于生成微裂纹产生的表面能时，就会形成微裂纹，并使微裂纹受力扩展。

图2 裂纹萌生

Fig. 2 Crack initiation

（来自百度）

玻璃的静态疲劳

玻璃的静态疲劳是指恒载荷作用下的延迟破坏，其主要来源是应力腐蚀条件下的亚临界裂纹扩展，图3所示为研究静态疲劳时所用双扭法加载示意图。在恒载荷作用下，玻璃内部萌生裂纹，随时间的延长，裂纹缓慢扩展。当其达到临界尺寸时，玻璃发生失稳破坏。在玻璃服役期间，裂纹的萌生与裂纹的扩展速率对玻璃的使用寿命有着重要的影响。静态疲劳寿命取决于应力腐蚀条件下的亚临界裂纹扩展速率，当应力强度因子随裂纹扩展速率变化达到断裂韧性时玻璃发生断裂。图4为硅酸盐玻璃典型的曲线，由该曲线可以确定其断裂韧度等力学性能。

图3 双扭法加载示意图

Fig. 3 The double-torsion testing mechanical loading system

（JIANG L B ,WANG Y , MOHAGHEGHIAN I , et al. Subcritical crack growth and lifetime prediction of chemically strengthened aluminosilicate glass[J].Materials & Design, 2017, 122:128-135.）

图4 无机硅酸盐玻璃V-K_I曲线示意图

Fig. 4 V-K_Ischematic diagram of inorganic silicate glass

（WIEDERHORN S M. Influence of water vapor on crack propagation in soda‐lime glass[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1967, 50(8):407-414.）

国内外研究人员针对原片玻璃与化学强化玻璃的静态疲劳行为已开展了较为系统的研究，得到了一致的结论：水对裂纹尖端的腐蚀作用是裂纹尖端应力腐蚀的重要组成部分，其能够降低玻璃抗静态疲劳的性能。水与裂纹尖端作用的机理是水与玻璃中的Si一O一Si键发生化学反应导致键的断裂，反应共分为3个阶段，如图5所示。

第一阶段：在裂纹尖端，环境中的水分子附着在Si一O一Si桥接键。水分子通过下列方式排列：一是与桥氧O(b)形成氢键，二是来自于水中氧原子O(w)的孤对轨道与Si原子相互作用。孤对轨道相互作用包括范德瓦尔斯吸引或者一些Si的未占据轨道的共价键。第二阶段：发生向桥氧的质子转移反应，同时发生从水中的氧原子向Si原子的电子转移。最终形成两个键，一个是Si一O(w)键，另一个是H一O(b)键。而最初的Si一O(b)桥接键被破坏。第三阶段：O(w)与转移的H原子之间的氢键断裂，并在每一个断裂面上形成Si一O一H。由于氢键相互作用很弱，所以质子转移后这个阶段会迅速出现。当水存在的时候，应变区的表面键会作为一个水分子吸附位点，形成两个Si一O一H表面基团。

图5 玻璃裂纹尖端桥接键与水分子的相互作用的三个阶段示意图

Fig. 5 Three-stage schematic diagrams of the interaction between the glass crack tip bridging bond and water

Molecules

（MARSHALL D B, LAWN B R. Residual stresses in dynamic fatigue of abraded glass[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1981, 64(1):6-7.）

玻璃的动态疲劳

玻璃的动态疲劳是变化载荷下的延迟破坏。在变载荷作用下，随着载荷的增大，玻璃表面或内部萌生裂纹，在循环载荷的作用下玻璃中裂纹不断扩展，直至达到临界断裂应力玻璃发生断裂，图6为动态疲劳实验所用三点弯曲加载在示意图。

玻璃的动态疲劳虽然是变载荷作用下的延迟破坏，但仍可采用应力腐蚀模型来解释动态加载条件下的裂纹扩展，因为动态疲劳是玻璃中出现的一种特殊的静态疲劳形式。在相同的变量下，瞬时应力水平和温度、压力以及大气成分控制着玻璃的破坏过程，任何成功地描述静态疲劳的分析模型都可以描述动态疲劳。因此修正后静态疲劳理论成功预测了加载速率对玻璃断裂强度的影响，从而奠定了玻璃动态疲劳研究的理论基础。

现有的研究主要集中于原片玻璃的动态疲劳。原片玻璃的断裂强度随加载速率增大而增加，抗动态疲劳性能提高。这是因为随着加载速率的增大，应力变化速率增加，破坏时间缩短，降低了裂纹慢速扩展的时间，从而提高了断裂强度。

图6 三点弯曲实验加载示意图

Fig. 6 Three-point bending mechanical loading system

（自绘）

结束语

随着玻璃材料的应用日益广泛，提高其强度与安全性是一个永恒的话题。尽管前期对硅酸盐玻璃的疲劳行为有了一定的认识，但是尚有许多问题需要进一步研究，比如应力状态和环境因素对化学强化硅酸盐玻璃静态疲劳与动态疲劳行为的影响有待系统研究，同时，加载速率对化学强化玻璃动态疲劳性能影响规律也是迫切需要研究的方向。

原文出处

钠钙/铝硅酸盐玻璃疲劳行为研究进展（点击查看全文）

王敏博，姜良宝，李晓宇，刘家希，李佳明，付子怡，颜悦

中国航发北京航空材料研究院

材料工程，2021，49（2）：54-65.

DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000459