研究背景
化学强化铝硅酸盐玻璃因其高强度、高硬度和良好的抗冲击性能，广泛应用于飞机、高铁风挡及触摸屏屏幕等领域。作为触摸屏屏幕或飞机、高铁风挡玻璃的主要材料，化学强化玻璃的表面抗损伤性能非常重要，表面硬度和模量与玻璃的抗损伤性能息息相关，通常作为评判化学强化玻璃抗损伤性能的关键指标。
图1 化学强化铝硅酸盐玻璃在生活中的广泛应用
纳米压痕方法是测量玻璃表面硬度和模量最为简单有效的方式。采用纳米压痕方法研究材料的力学性能，需要准确理解材料的应力-应变曲线和压痕加载-卸载曲线之间的关系。纳米压痕过程中的很多参数，包括屈服应力、塑性变形区域、压痕应力场分布状态等均难以通过实验获得，这些参数的分析方法主要有解析法和数值法两类，而由于应力场的复杂性，解析法通常只能解决少量简单问题，所以数值法已成为不可替代的广泛应用的方法。有限元法就是伴随着电子计算技术的进步发展起来的新兴数值分析方法。利用有限元模拟能够更好地理解纳米压痕过程中弹塑性变形及残余应力场的变化，并且能够计算出一些难以通过实验测量的塑性参数，例如脆性材料的屈服强度、塑性区域应力应变关系等，对于研究脆性材料弹塑性变形行为、预测其力学性能具有重要科学意义。
主要研究结果结论
（1）采用Larsson塑性公式计算得出的玻璃屈服应力及塑性区域应力应变关系进行有限元模拟得到的压痕载荷-位移曲线与实验结果吻合度高，有限元方法能够准确模拟化学强化铝硅酸盐玻璃的纳米压痕实验过程。
图2 原片铝硅酸盐玻璃纳米压痕实验与有限元计算得到的载荷-位移曲线的对比
（a）空气面;（b）锡面
Fig.2 FEM calculated and experimentally measured indentation P-h curves for raw glass
(a) air side; (b) tin side
（2）根据有限元模拟得到的载荷-位移曲线，采用Oliver-Pharr方法计算得到的硬度值与实验得到的硬度值的相对误差为10%，杨氏模量的相对误差为2%，表明采用有限元方法能够较好地预测样品的硬度和杨氏模量。
图3 根据有限元结果计算的硬度值与实验硬度的比值（a）和根据有限元结果计算的杨氏模量值与实验杨氏模量的比值（b）随压应力的变化
Fig.3 The ratio between hardness derived from the finite element results and from experimental results (a), and Young’s modulus derived from the finite element results and from experimental results (b) as a function of compressive stress
（3）有限元给出的Von Mises应力分布说明化学强化对铝硅酸盐玻璃的弹性区影响较大，对塑性区影响较小。有研究表明，当化学强化玻璃发生反向离子交换使得玻璃表面离子恢复原有状态时，玻璃的体积会完全恢复至离子交换前，说明化学强化的离子交换过程引入的应变是弹性应变。根据脆性材料压入理论，压痕过程可以分为三个明确的阶段：全弹性、弹塑性和全塑性。当压入载荷很小时，玻璃发生弹性变形，随着压入载荷的增大，逐渐由弹性变形转变为塑性变形。前期作者在研究化学强化铝硅酸盐玻璃在加载损伤过程的弹/塑性变形行为时，发现化学强化铝硅酸盐玻璃发生弹/塑性变形转变的临界载荷高于原片铝硅酸盐玻璃，同样证明化学强化玻璃能够在更大的载荷范围内发生弹性应变，这些研究成果与有限元模拟的结果是一致的。
团队介绍
北京航空材料研究院透明件研究所无机玻璃实验室是从事飞机风挡用铝硅酸盐玻璃深加工技术及科学研究的专业团队，近年来承担了与无机玻璃相关的国家自然科学基金、大型飞机国家科技重大专项、型号研制等基础或应用研究项目，具有良好的研究积累，在飞机风挡用高强度铝硅酸盐玻璃的化学强化机理及表面微观力学行为研究方面开展了许多卓有成效的工作。
作者信息
李晓宇1,2,姜良宝1,2,刘家希1,2,王敏博1,2,李佳明1,2,颜悦1,2
1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095;
2. 北京市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心，北京 100095
收稿日期：2021-01-19；修订日期：2021-04-11
基金项目：国家自然科学基金项目（51402273）；航材院益材青年基金项目（KJ53200805）
通讯作者：李晓宇(1989-)，女，工程师，博士，主要研究方向为硅酸盐玻璃深加工，联系地址：北京81信箱83分箱(100095)，E-mail：lixiaoyu621@126.com；姜良宝(1983-)，男，高级工程师，博士，主要研究方向为硅酸盐玻璃深加工，联系地址：北京81信箱83分箱(100095)，E-mail：liangbaojiang@hotmail.com；颜悦(1966-)，男，研究员，博士，主要研究方向为透明材料与透明件制造技术，联系地址：北京81信箱83分箱(100095)，E-mail：Yue.yan@biam.ac.cn
原文刊载于【材料工程】公众号
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！