建筑玻璃的断裂力学.docx

1断裂本质

玻璃断裂是以裂纹在玻璃中扩展为基本前提，分析裂纹尖端应力集中区域的应力和应变场分布，研究裂纹的生长、扩展、最后导致断裂的过程和规律以及抑制某些裂纹扩展、防止断裂的条件，为玻璃应用提供有力判断依据。

2强度与断裂力学

玻璃强度对断裂特征有着重大的影响。断裂应力值域直接影响着玻璃裂纹形态的形成，而裂纹形态是一系列传播扩展的裂纹与玻璃物理表面相交的总合。这是因为玻璃强度决定玻璃中储存的弹性应变能，弹性应变能推动断裂中的裂纹扩展，其与玻璃强度（σ）成方比，如钢化玻璃的σ1是90MPa，普通玻璃的σ2是6MPa，则同样单位面积的弹性应变能钢化玻璃是普通玻璃的225倍。玻璃原片一般分为外层与内层，玻璃应力也分为压应力与张应力，玻璃外层分布压应力，玻璃内层分布张应力。如图1所示，玻璃外层压应力区间分布于玻璃两侧的0.2t，张应力区间分布于玻璃中心的0.6t。无论是普通玻璃还是钢化玻璃，其应力分布在厚度上均遵循这一分布关系，但应注意其应力大小不同。同样，不同配方比例下的钠钙硅玻璃，压应力与张应力大小有变化，但分布大致遵循0.2t-0.6t-0.2t规律。

图1玻璃应力厚度分布

3格里菲斯方程与I型断裂

根据格里菲斯方程，玻璃的断裂强度和屈服强度为式（1）、（2）：

格里菲斯方程借鉴了穿晶断裂理论，论述系统自由能减少而引起的裂纹生长扩展。假设玻璃含有一个半径为α的穿透性裂纹，原先受外力σ的作用产生位移uy，然后两端夹紧固定，外力使之成恒位移状态。由于玻璃外力等于零，裂纹扩展所需能量全部由贮存的应变能释放来提供。系统的弹性应变能是其固有裂纹大小和外力大小的函数。随着裂纹扩展，单位面积所释放的弹性应变能率?uE大于伴随着裂纹扩展单位面积所需的表面能增量?us，裂纹就失稳扩展。当半径为α的裂纹扩展??α、弹性应变能释放率与表面能增量之间达到平衡，称之为裂纹扩展的临界条件。?

玻璃裂纹在受到张力作用时，裂纹尖端区域的应力线密度随着应力的加大和裂纹的增长而提高。玻璃材料的裂纹主要属于张开式裂纹，如图2所示。

图2缺陷形貌

4断裂影响因素

通过对玻璃成分与裂纹扩展的研究，发现了玻璃强度KIC与裂纹扩展速率于不同成分玻璃间的变化，如图3所示。以普通玻璃为例，玻璃承载时强度降低，因为承载使得玻璃缺陷增加，被称为亚临界裂纹扩展，使得玻璃破裂所需弹性能降低，是玻璃风化强度降低的一种形式。而钢化玻璃在较高的应力下破裂所需弹性能大幅度提高，其裂纹扩展速率以多个数量级提高，其缺陷在高应力条件下达不到裂纹扩展所需应变能则缺乏断裂条件，因此钢化玻璃更坚固，但释放的弹性能会朝着四面八方断裂。玻璃在低于临界断裂应力状态下时，亦可以根据温度、应力、环境介质在亚临界下扩展裂纹。

图3硼硅、铝硅、石英、钠钙硅玻璃强度KIC与裂纹扩展

同样，温度也影响玻璃的断裂。同一强度下，90℃时的建筑玻璃要比25℃时强度低很多，得以解释为何热玻璃更容易炸裂。此外，环境湿度也影响玻璃的断裂。水汽接触玻璃表面，水分子中的羟基（-OH）对玻璃进行腐蚀作用于应力裂纹尖端，裂纹则通过水分子的腐蚀作用进一步扩展。缺陷内部的硅氧键与水发生反应：氢离子与氧反应生成羟基使缺陷尺寸逐渐扩大。基于环境因素对玻璃断裂的考量，研究水分含量与钠钙硅玻璃裂纹扩展速率的关系（图4）。由图4可以看出，同等玻璃强度下，0.2%水汽环境的裂纹扩展速率则是0.017%水汽环境的十倍。当水汽环境较为饱和时，水汽含量与裂纹扩展速率则呈现出较为线性的关系。

图4水汽-裂纹扩展-钠钙硅玻璃关系

5断裂现象

玻璃碎片是一个非常重要的断裂现象。玻璃钢化得到一个极大的表面残余压应力，其弹性应变能同时也得到了平方级的增加，这正是钢化玻璃断裂高度颗粒化的重要原因。极高的弹性应变能释放，导致玻璃断裂需要更多的裂纹消耗释放的应变能，所以产生了丰富的裂纹，增大断裂总体表面积，呈现出颗粒化现象。图5、图6即为普通、半钢化、全钢化玻璃边缘缺陷与冲击缺陷产生的断裂现象规律图。

图5边缘缺陷断裂

图6冲击缺陷断裂

6断裂表面形貌

玻璃裂纹的原点称之为断裂原点。断裂原点是分析玻璃断裂的重要依据，它是断裂表面形貌的核心。断裂原点通常可以辨别出导致断裂的具体原因。对玻璃裂纹做出了更为重要的发现。微观上，任何玻璃物体的裂纹扩展均会包含三种明显的表面特征：镜面区；雾状区；沟壑区。当裂缝在原点开始扩展，会按照这三种顺序持续发展直到从初始裂纹分叉为多个二级裂纹。玻璃断裂表面特征与塑料也极为相似。玻璃断裂原点所处光滑的镜面区域在高分子塑料的断裂学中被简单称为平滑区域。断裂的起源（缺陷）清晰可见，光滑的镜面表明原点附近的裂纹是一种平面镜像的扩展，其扩展速率较低且平缓。当裂纹扩展离开原点一定距离后，镜面区逐渐变化为朦胧的雾状形貌。经过极为短暂的