Obserwacja pękania próbek szklanych w trakcie testu punktowego przebicia
Wstęp
Szkło jest tradycyjnie wykorzystywane w różnorodnych dziedzinach przemysłu, włączając w to szyby okienne, obiektywy, soczewki czy zastawę stołową. Spośród dostępnych rodzajów szkła, to właśnie szkło wzmacniane chemicznie metodą wymiany jonów jest powszechnie stosowane w obudowach smartfonów. Ponieważ powierzchnia tak wzmocnionego szkła uzyskuje wyższą wytrzymałość na skutek wprowadzenia naprężeń ściskających, siła powodująca pęknięcie może być wyższa niż dla szkła nie poddanego takiej obróbce. Mimo to istnieje możliwość natychmiastowego pęknięcia całej tafli szkła nawet od małej rysy powstałej wskutek uderzenia. Z tego powodu rozpoczęto badania, mające na celu dalsze zwiększanie wytrzymałości oraz odporności na uderzenia.(1)
System pomiarowy
Do rejestracji pękania próbek z dwóch rodzajów szkła wzmocnionego oraz szkła niewzmocnionego zastosowano system składający się z szybkiej kamery HPV-X2 oraz maszyny wytrzymałościowej do testów udarowych HITS-PX. W tabeli 1 zawarto szczegóły dot. układu pomiarowego, z kolei rysunki 1 i 2 przedstawiają zdjęcia oraz schemat stanowiska badawczego. Zastosowanie lustra widocznego na rys. 2 pozwala na obserwację uderzanej próbki bezpośrednio od dołu.
| Szybka kamera | HPV-X2 |
| Obiektyw | Obiektyw makro 105 mm |
| Oświetlenie | Stroboskop |
| Maszyna wytrzymałościowa do testów udarowych | HITS-PX |
| Bijak | Ø 20, 10 kN |
| Płytka mocująca | Ø 40 |
Rys.1
Zdjęcie po lewej: Szybka kamera HPVTM - X2
Zdjęcie po prawej: Maszyna wytrzymałościowa do testów udarowych HITS™-PX
Rys. 2 Schemat stanowiska badawczego
Warunki pomiarowe i próbki
W ramach badania szkło było uderzane punktowo z prędkością 10 m/s za pomocą bijaka o średnicy 20 mm. Prędkość nagrywania kamery została ustawiona na 2 miliony klatek na sekundę. Tabela 2 przedstawia podsumowanie warunków testu. Próbki szkła wzmacnianego i niewzmacnianego zostały przygotowane z wykorzystaniem tafli dostępnego komercyjnie szkła sodowo-wapniowego o grubości 1,3 mm. Zastosowano dwie metody wzmacniana: zanurzeniową oraz przy zastosowaniu pola elektrycznego.
| Prędkość testu | 10 m/s |
| Prędkość nagrywania | 2 miliony klatek/s |
| Próbka | Szkło wzmacniane metodą z wykorzystaniem pola elektrycznego, metodą zanurzeniową oraz szkło niewzmocnione |
Wyniki pomiarów
Tabela 3 pokazuje maksymalną siłę w trakcie testu oraz naprężenie niszczące*2 dla każdej z próbek. Rys. 3 pokazuje wykres siła-przemieszczenie zarejestrowany podczas testów. Uzyskane rezultaty pokazują, że największą maksymalną siłę testową podczas testu zarejestrowano dla próbki szkła poddanego wzmacnianiu metodą z wykorzystaniem pola elektrycznego.
2* naprężenia niszczące obliczono metodą elementów skończonych
| Maksymalna siła testowa [kN] | Naprężenie niszczące [GPa] | |
| Wzmacnianie metodą przy zastosowaniu pola elektrycznego | 1,54 | 1,33 |
| Wzmacnianie metodą zanurzeniową | 1,38 | 1,14 |
| Bez wzmacniania | 1,09 | 0,90 |
W ramach przykładu na rys. 4 pokazano zdjęcia uzyskane podczas rejestracji testu na próbce poddanej wzmacnianiu metodą z wykorzystaniem pola elektrycznego. Zdjęcie (1) na rys. 4 przedstawia moment kontaktu bijaka z próbką. Następnie na zdjęciach (2) do (6) widać promieniową propagację pęknięć. Lewy górny narożnik zdjęcia (7) zawiera pęknięcie propagujące w innym kierunku niż pęknięcia na zdjęciach (2) do (6), a na zdjęciach (8) do (12) widać z kolei wiele pęknięć propagujących w koncentrycznych okręgach, co wskazuje, że szkło poddane wzmacnianiu z wykorzystaniem pola elektrycznego pęka na drobniejsze fragmenty.
Rys. 5 pokazuje przykład zależności pomiędzy długością pęknięcia oraz czasem dla próbki szkła wzmacnianego metodą z wykorzystaniem pola elektrycznego. Tabela 4 podsumowuje prędkości propagacji pęknięcia obliczone ze związku długości pęknięcia i czasu dla każdej z próbek. Uzyskane wartości są bardzo zbliżone, jednak szkło poddane wzmacnianiu wykazuje nieco wyższe prędkości propagacji.
Rys. 3 Wykres siła testowa-przemieszczenie
Rys. 4 Pękanie szkła poddanego wzmacnianiu z wykorzystaniem pola elektrycznego (czas pomiędzy ujęciami: 500 ns)
Rys. 5 Zależność pomiędzy długością pęknięcia oraz czasem dla próbki szkła wzmacnianego z wykorzystaniem pola elektrycznego
| Prędkość propagacji pęknięcia [km/s] | |
| Metoda z wykorzystaniem pola elektrycznego | 1,70 |
| Metoda zanurzeniowa | 1,69 |
| Bez wzmacniania | 1,67 |
Rys. 6 przedstawia pęknięcia w każdym z rodzajów badanego szkła, a rys. 7 zawiera wyniki zliczenia liczby pęknięć propagujących promieniowo na tych obrazach. Z rys. 7 wyraźnie wynika, że im wyższe naprężenie niszczące, tym większa liczba pęknięć.
Rys. 6 Pęknięcia w każdym z rodzajów szkła
Rys. 7 Liczba pęknięć w każdym z rodzajów szkła
Podsumowanie
Testy przebicia na próbkach szkła zrealizowano przy pomocy maszyny wytrzymałościowej do testów udarowych HITS-PX. Badania przeprowadzono na szkle standardowym oraz wzmocnionym dwoma metodami. Uzyskane wyniki wskazały wzrost wartości naprężenia niszczącego w przypadku próbek wzmocnionych. W trakcie testu przebijania, proces pękania zarejestrowano przy pomocy szybkiej kamery HPV-X2. Nagrania potwierdziły, że wzmacnianie szkła skutkuje zwiększeniem prędkości propagacji pęknięcia oraz zwiększeniem liczby pęknięć. Badania pozwoliły również potwierdzić przydatność urządzeń HITS-PX oraz HPV-X2 do badania wzmacnianego szkła.
Źródła
- S. Nagai, T. Kishi, N. Matsushita, T. Yano, Preprints for the Ceramic Society of Japan Annual Meeting (2018).
HPV oraz HITS są znakami towarowymi Shimadzu Corporation lub firm stowarzyszonych Japonii i/lub innych państwach.
Autorzy aplikacji: T.Yano*1, F. Yano
*1 Tokyo Institute of Technology
Zapoznaj się z naszą pełną ofertą maszyn wytrzymałościowych >>
