汽車用玻璃材料高溫蠕變特性研究

汽車用玻璃材料高溫蠕變特性研究

0高溫監(jiān)測可選用的本構(gòu)模型由于其耐耐性、強度高、耐堿性、耐光性等特點，汽車玻璃廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。工業(yè)上,擋風玻璃采用高溫成型,過程中具有高溫蠕變變形產(chǎn)生,這直接影響到擋風玻璃成型的質(zhì)量和成品率。因此,研究擋風玻璃材料的高溫蠕變特性,具有重要的實際應(yīng)用價值。蠕變是在溫度不變、載荷不變的條件下,試件的變形隨著時間的增長而緩慢增大的現(xiàn)象。蠕變體現(xiàn)了材料力學(xué)性能的時間效應(yīng)。玻璃屬于無機非金屬材料,作為結(jié)構(gòu)材料,多是在常溫下應(yīng)用,對于其蠕變的研究報道較少。一些學(xué)者對其進行了研究,C.Borde等進行了270℃,536℃和544℃時玻璃材料的蠕變和回復(fù)實驗,并建立了基于激活時間和激活體積的蠕變和回復(fù)模型。T.Rouxel等做了800℃～1000℃溫度范圍內(nèi)玻璃材料的彎曲蠕變實驗,研究了玻璃材料的彈性常數(shù)隨溫度的變化。毛起炤等實驗研究了在350℃～680℃溫度范圍內(nèi)玻璃絲的拉伸和玻璃棒的壓縮蠕變,理論上得出了拉伸和壓縮的流變模型、粘彈性參數(shù),以及參數(shù)與溫度的關(guān)系;在有機玻璃的研究方面,O.E.Ol’khovik等做了80℃時不同載荷情況下的有機玻璃剪切蠕變實驗,并建立了粘彈性蠕變模型;基于低溫(17℃)小應(yīng)變的蠕變和回復(fù)實驗,N.T.Smotrin等采用冪律形式的本構(gòu)方程來描述低溫拉伸曲線;陳建橋等做了有機玻璃不同應(yīng)力水平下的低溫(21℃～22℃)蠕變實驗,通過定義損傷區(qū)的有效應(yīng)力,導(dǎo)出了銀紋區(qū)的本構(gòu)關(guān)系,采用宏觀和細觀相結(jié)合的方法,研究了材料在破壞之前的缺陷演化對材料力學(xué)性能的影響。上述工作中沒有考慮對玻璃高溫蠕變加速階段的本構(gòu)描述。另外,在玻璃蠕變機理的研究方面,C.Borde等認為玻璃的高溫蠕變變形是由于大量原子和結(jié)構(gòu)單元在微域內(nèi)的聯(lián)合遷移作用所造成的;T.Rouxel等總結(jié)了前人的工作,認為玻璃內(nèi)部含有擬不動自由體積,玻璃蠕變源自玻璃中流動單元的重新排列。毛起炤等在研究粘彈性參數(shù)隨溫度變化的過程中,認為玻璃的高溫蠕變機理是由于溫度的升高使玻璃中的質(zhì)點獲得更多動能,有更多質(zhì)點具有足夠克服勢壘的能量,從而可以越過勢壘產(chǎn)生流動。O.E.Ol’khovik等則用自由體積理論解釋了有機玻璃剪切蠕變的機理,認為動態(tài)單元活動的快慢是由自由體積的多少所決定的,非線性蠕變變形規(guī)律;經(jīng)對試件斷裂數(shù)據(jù)的分析比較,發(fā)現(xiàn)如同晶體材料一樣,車用玻璃材料的高溫蠕變斷裂時間與其穩(wěn)態(tài)速率的乘積符合Monkman-Grant關(guān)系。進一步,根據(jù)實驗揭示的蠕變行為特性,建立了非線性高溫蠕變本構(gòu)關(guān)系。最后,采用所建本構(gòu)關(guān)系,對車用玻璃成型過程中的蠕變規(guī)律進行了理論預(yù)測,并與實驗數(shù)據(jù)做了比較,結(jié)果表明本文所提出的玻璃高溫蠕變本構(gòu)方程能夠較好地描述其高溫蠕變各階段的變形行為。1高溫噴射實驗1.1試驗測量變形本文采用Sans公司出品的GWTA304電子高溫蠕變持久實驗機,利用拉桿式引伸儀測量變形,下拉桿行程為150mm,下拉桿移動速度為0.05～100mm/min,高溫爐溫度范圍為200℃～1100℃。圖1為實驗用玻璃材料試件和夾頭,采用矩形截面的試件,長、寬、高分別為50mm,9mm和4mm。其成分如表1所示。1.2高溫持久試驗程序把汽車用玻璃試件正確地固定在電子高溫蠕變持久實驗機的拉桿式引伸儀上,并使其處于高溫爐內(nèi)。使用Sans公司專門開發(fā)的高溫持久蠕變試驗程序P&Ctest_P01C進行實驗溫度、實驗應(yīng)力以及實驗時間的設(shè)置,之后電子高溫蠕變持久實驗機會按照程序設(shè)置的要求進行后續(xù)的操作,并輸出結(jié)果。根據(jù)車用玻璃成型時的工況,實驗溫度分別選為550℃,560℃,565℃,570℃和590℃;實驗應(yīng)力分別為2MPa,3.5MPa和5MPa。2結(jié)果表明，高溫溶變試驗的結(jié)果和分析2.1玻璃高溫下導(dǎo)態(tài)變形特性圖2至圖6給出了各實驗溫度下的蠕變應(yīng)變隨時間變化的實測結(jié)果,考慮到玻璃在高溫下產(chǎn)生較大的變形,圖中應(yīng)變?yōu)檎鎸崙?yīng)變值(ε=∫dllε=∫dll)。從圖中可以看出,各溫度下,玻璃瞬態(tài)蠕變不明顯,蠕變減速階段在整個蠕變變形過程中所占比重極小。之后,如同一般金屬材料的蠕變變形行為一樣,玻璃材料產(chǎn)生準線性的穩(wěn)態(tài)蠕變變形,其在整個蠕變壽命中持續(xù)時間最長。最后,蠕變速率加快,蠕變變形急劇增大,表現(xiàn)為加速蠕變行為,直至斷裂。比較各圖中的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)變-時間曲線同時隨溫度和應(yīng)力而變化,增加應(yīng)力或者溫度,穩(wěn)態(tài)階段的曲線斜率增大,穩(wěn)態(tài)蠕變時間縮短,且該階段在整個蠕變壽命中所占比重減小。同時,加速蠕變階段曲線隨著溫度和應(yīng)力的增加而急劇變化,加速階段時間減少,但是在整個蠕變壽命中所占比例卻是增加的。另外,玻璃高溫蠕變變形表現(xiàn)出較高的蠕變應(yīng)變值,其值大致在0.6～0.9之間?？傊?玻璃高溫蠕變曲線呈現(xiàn)出瞬態(tài)蠕變階段不明顯,穩(wěn)態(tài)蠕變階段持續(xù)時間較長和較高蠕變應(yīng)變的特點。2.2溫度和電壓對玻璃溫度彎曲的影響2.2.1模型2下t/tf曲線圖7表示給定應(yīng)力(如σ=3.5MPa)、各實驗溫度下的˙εc~t/tfε˙c~t/tf曲線,其中˙εε˙c為蠕變速率,t/tf為歸一化時間,tf為蠕變斷裂時間。從圖中可知,隨著溫度的增加,蠕變速率相應(yīng)增大,且穩(wěn)態(tài)蠕變過程縮短。溫度對穩(wěn)態(tài)速率的影響如圖8所示,從圖中可見,穩(wěn)態(tài)速率隨著溫度的增加呈非線性持續(xù)增大。2.2.2氧變速率-歸一化時間曲線當溫度恒定(如565℃),蠕變應(yīng)力分別為2MPa,3.5MPa和5MPa時,蠕變速率-歸一化時間曲線如圖9所示。由圖可知,蠕變速率隨著應(yīng)力的提高而增大,并且隨著應(yīng)力的增大穩(wěn)態(tài)蠕變過程同樣變短。圖10反映了穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨應(yīng)力的變化曲線,從圖可以看出穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著應(yīng)力的增大而緩慢增加。2.3玻璃高溫壓縮試驗Monkman-Grant常數(shù)反映了材料斷裂時間與穩(wěn)態(tài)蠕變速率之間的關(guān)系。對于具有穩(wěn)態(tài)蠕變階段的材料,當蠕變斷裂時間與穩(wěn)態(tài)蠕變速率的乘積是一個恒定的數(shù)值時,能夠判別材料斷裂的機理。因此,確定Monkman-Grant常數(shù)可以獲得蠕變斷裂的相關(guān)信息,對于玻璃高溫蠕變斷裂而言,斷裂機理可能為原子間化學(xué)鍵的斷裂。Monkman-Grant常數(shù)表達式如下:tf?˙εm=CΜG(1)tf?ε˙m=CMG(1)式中,CMG為Monkman-Grant常數(shù);tf為蠕變斷裂時間;˙εε˙m為穩(wěn)態(tài)蠕變速率。下面根據(jù)前述高溫蠕變測試的數(shù)據(jù),以σ=5MPa和溫度為565℃的實測結(jié)果為例,分別計算各實驗溫度下和各實驗應(yīng)力下的Monkman-Grant常數(shù),結(jié)果分別如表2和表3所示:從表中的計算結(jié)果可以看出,溫度和應(yīng)力對擋風玻璃高溫蠕變過程的Monkman-Grant常數(shù)影響不大,影響范圍大致在0.6081～0.6881之間,說明擋風玻璃高溫蠕變斷裂數(shù)據(jù)基本符合Monkman-Grant常數(shù)。3玻璃高溫蠕變的非線性本構(gòu)關(guān)系3.1玻璃高溫氧變斷裂斷裂rt的本構(gòu)方程通常,溫度T、應(yīng)力σ和結(jié)構(gòu)因子S被認為是影響蠕變速率的三個獨立變量,即:˙ε∝f(Τ)?f(σ)?f(S)(2)ε˙∝f(T)?f(σ)?f(S)(2)其中結(jié)構(gòu)因子表示物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響蠕變速率的因素,如晶體材料中晶格的大小。如前所述,T.Rouxel等認為玻璃蠕變是結(jié)構(gòu)單元在溫度和應(yīng)力的激活下產(chǎn)生流動而發(fā)生的變形,并且給出了描述穩(wěn)態(tài)蠕變速率的微觀蠕變速率方程,形式如下:˙εstc=Aσne-QcRΤ(3)ε˙stc=Aσne?QcRT(3)式中,˙εε˙stcstc為穩(wěn)態(tài)蠕變速率(h-1);A為材料相關(guān)常數(shù);σ為外加應(yīng)力(MPa);n為穩(wěn)態(tài)速率平均應(yīng)力指數(shù);Qc為平均表觀激活能(kJ/mol);R為氣體常數(shù);T為絕對溫度(K)。玻璃為非晶體材料,在轉(zhuǎn)變溫度Tg上下,內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大差異,這種結(jié)構(gòu)差異會對玻璃高溫蠕變速率產(chǎn)生影響。如此,本文將方程(3)修正為:˙εstc=Aσne-QcRΤ(ΤΤg)γc(4)ε˙stc=Aσne?QcRT(TTg)γc(4)式中,˙εε˙stcstc為玻璃的高溫穩(wěn)態(tài)蠕變速率;(ΤΤg)γc(TTg)γc表征了玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對穩(wěn)態(tài)蠕變速率的影響;γc為穩(wěn)態(tài)蠕變結(jié)構(gòu)影響指數(shù),本文實驗中用DSC方法測得Tg值為565℃。式(4)對時間t積分,便得到描述玻璃穩(wěn)態(tài)高溫蠕變階段的本構(gòu)方程:εstc(σ,Τ,t)=Bσne-QcRΤ?(ΤΤg)γc?t(5)εstc(σ,T,t)=Bσne?QcRT?(TTg)γc?t(5)式中,B為材料相關(guān)常數(shù)。玻璃高溫蠕變減速階段,時間較短,考慮到減速蠕變的響應(yīng)特征,建立下面的本構(gòu)方程:εinc(σ,Τ,t)=Aσne-QcRΤ?(ΤΤg)γc?(1-e-kt)(6)式中,εinc(σ,T,t)表示減速階段應(yīng)變函數(shù);k為材料相關(guān)常數(shù)。在玻璃高溫蠕變的加速蠕變階段,當t/tf較大時,蠕變速率急劇加快最后直至斷裂,其中tf為蠕變斷裂時間。蠕變斷裂時間受到溫度和外加應(yīng)力的影響,對于晶體材料,蠕變斷裂時間與穩(wěn)態(tài)蠕變速率成倒數(shù)關(guān)系:tf=DσmeQfRΤ(7)式中,D為材料相關(guān)常數(shù);m為斷裂時間平均應(yīng)力指數(shù);Qf為平均斷裂激活能(kJ/mol)。根據(jù)本文實驗結(jié)果,玻璃高溫蠕變斷裂數(shù)據(jù)也基本符合Monkman-Grant關(guān)系,再考慮到溫度的相關(guān)性,本文取玻璃高溫蠕變斷裂時間的表達式如下:tf=DσmeQfRΤ(ΤΤg)-γc(8)根據(jù)蠕變加速階段的響應(yīng)特性,再考慮到(8)式,本文提出該階段的本構(gòu)方程如下:εacc(σ,Τ,t)=Cσne-QcRΤ?(ΤΤg)γc?(ef(σ,Τ,t)-1)(9)其中:f(σ,Τ,t)=tDσmeQfRΤ(ΤΤg)-γc(10)式中,C,D為材料相關(guān)常數(shù)。最后,由式(4),(5)和(6),建立玻璃高溫蠕變的非線性本構(gòu)方程如下:εc(σ,Τ,t)=σne-QcRΤ?(ΤΤg)γc?[A(1-e-kt)+Bt+C(ef(σ,Τ,t)-1)](11)3.2材料相關(guān)常數(shù)擬合對式(3)兩邊取自然對數(shù)得到:ln˙ε=lnB+nlnσ-Qc/RΤ(12)由上式,穩(wěn)態(tài)速率平均應(yīng)力指數(shù)n可以在一定的溫度下,通過計算ln˙ε與lnσ的斜率,取平均值求得;平均表觀蠕變激活能Qc可以在一定的應(yīng)力下,通過計算ln˙ε與1/T曲線的斜率,取平均值求得。本文實驗數(shù)據(jù)求得的結(jié)果如圖11和圖12所示。同理,對式(7)采用對式(3)相同的處理方法,可以求得平均斷裂激活能Qf和斷裂時間平均應(yīng)力指數(shù)m。其它的材料相關(guān)常數(shù)采用最小二乘法擬合確定,所確定的參數(shù)如表4所示。顯然,平均表觀激活能大于平均斷裂激活能,說明穩(wěn)態(tài)階段抗蠕變的能力大于加速階段抗蠕變的能力,因此穩(wěn)態(tài)階段較長。把表4中的各個參數(shù)值帶入到玻璃的非線性高溫蠕變本構(gòu)方程(11)中,便得到理論預(yù)測值。3.3加速渙變試驗圖13～17給出了理論值與實驗值的對比,比較各圖可以發(fā)現(xiàn),理論預(yù)測的蠕變響應(yīng)曲線反映了玻璃減速蠕變階段不明顯的特征。在穩(wěn)態(tài)蠕變階段,理論值在穩(wěn)態(tài)蠕變階段表現(xiàn)了近似線性的特征,且持續(xù)時間很長,與實驗值較接近。在加速蠕變階段理論值與實驗值有偏差,這主要是因為在加速蠕變階段,試件除了溫度和應(yīng)力等外部影響因素以外,還有自身和加工缺陷等其它因素的影響。圖18～20給出了非實驗溫度(575℃,580℃和585℃)下的理論預(yù)測值,從圖中可以看出,理論預(yù)測響應(yīng)規(guī)律符合玻璃高溫蠕變變形的特征。4高溫平均勢分析車用玻璃高溫蠕變曲線具有和晶體材料蠕變曲線相類似的特征,但是也有其本身的特性。玻璃高溫蠕變響應(yīng)的減速階段很不明顯,在整個蠕變?nèi)^程中幾乎可以忽略,其穩(wěn)態(tài)階段持續(xù)的時間較長,且隨著溫度和應(yīng)力的