基于田口方法研究風(fēng)化對(duì)鋼化玻璃抗沖蝕性能的影響

郝贠洪，吳日根，趙呈光，郭 鑫，雅茹罕

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)建筑檢測(cè)鑒定與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，呼和浩特 010051)

0 引 言

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)位于中亞沙塵暴區(qū)中心地段，該地區(qū)內(nèi)建筑的玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及列車、汽車的擋風(fēng)玻璃長(zhǎng)期受風(fēng)沙侵蝕[1-2]。在夏季及雨季地區(qū)氣溫及空氣相對(duì)濕度大幅上升，玻璃材料與空氣中的水接觸并發(fā)生反應(yīng)，材料表面發(fā)生破壞。長(zhǎng)期暴露于大氣中的鋼化玻璃，在大氣環(huán)境中不斷老化的同時(shí)，還受到沙塵的長(zhǎng)時(shí)間侵蝕，風(fēng)化后鋼化玻璃的抗沖蝕性能成為影響其安全性及使用性的重要因素。

學(xué)者們結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析方法對(duì)鋼化玻璃在風(fēng)沙環(huán)境、大氣環(huán)境下的損傷過(guò)程進(jìn)行了研究，且在試驗(yàn)方法、損傷機(jī)理、評(píng)價(jià)指標(biāo)等方面取得了較多進(jìn)展[3-5]。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)玻璃材料受風(fēng)沙沖蝕或風(fēng)化單因素侵蝕以及風(fēng)沙沖蝕-溫濕交變-紫外光輻照多因素侵蝕損傷的研究較多[6]，但對(duì)鋼化玻璃在風(fēng)沙沖蝕及風(fēng)化雙因素作用下的損傷研究較少[7]。

本文針對(duì)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，風(fēng)沙環(huán)境與大氣環(huán)境下鋼化玻璃的損傷進(jìn)行研究。采用高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行人工加速風(fēng)化試驗(yàn)，采用掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜儀(EDS)分析風(fēng)化后鋼化玻璃表面形貌及化學(xué)元素含量的變化情況，基于田口正交方法對(duì)沖蝕試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)未風(fēng)化及風(fēng)化后的鋼化玻璃進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，研究沖蝕參數(shù)對(duì)鋼化玻璃沖蝕率的影響規(guī)律，對(duì)比分析風(fēng)化對(duì)鋼化玻璃抗沖蝕性能的影響。研究成果可為內(nèi)蒙古中西部地區(qū)鋼化玻璃的使用及防護(hù)提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

玻璃試件尺寸為70 mm×70 mm×5 mm，由納米壓痕儀進(jìn)行五點(diǎn)測(cè)量并取均值得到鋼化玻璃性能參數(shù),如表1所示。

表1 鋼化玻璃性能參數(shù)Table 1 Property parameters of toughened glass

試驗(yàn)用沙取自內(nèi)蒙古中西部的庫(kù)布齊沙漠，硬度為6.75 GPa，密度為2.70 g/cm3。采用篩分法分析沙粒的粒徑分布，結(jié)果如表2所示。由表2可知，沙粒粒徑主要分布于0.05～0.25 mm之間，約占沙總量的88.66%。采用SEM觀察沙粒形狀，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，沙粒基本為橢圓形及圓形，只有少數(shù)為尖角粒子。

圖1 沙粒SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of sand particles

表2 沙粒粒徑分布Table 2 Particle size distribution of sand

1.2 方法與設(shè)計(jì)

采用高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行人工加速風(fēng)化試驗(yàn)?zāi)M鋼化玻璃在大氣環(huán)境下的長(zhǎng)期損傷過(guò)程。國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)玻璃風(fēng)化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)對(duì)玻璃風(fēng)化損傷的研究[8]采用恒溫恒濕方法進(jìn)行試驗(yàn)。該方法通過(guò)保持恒溫恒濕狀態(tài),保證鋼化玻璃在短時(shí)間發(fā)生風(fēng)化反應(yīng)，試驗(yàn)箱內(nèi)主要影響因素為溫度及濕度。玻璃的風(fēng)化程度隨溫度及濕度的增加而增大，為加速風(fēng)化同時(shí)結(jié)合地區(qū)環(huán)境特征，選定溫度為50 ℃，相對(duì)濕度為75%，風(fēng)化時(shí)間為30 d，采用SEM和EDS分析風(fēng)化后鋼化玻璃表面形貌及化學(xué)元素含量的變化情況。

田口方法是一種穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其采用誤差因素模擬造成產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)的干擾因素，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)方案的統(tǒng)計(jì)分析找出性能最穩(wěn)定的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)得到各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度[9-10]。采用田口方法對(duì)沖蝕試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究過(guò)程選取的控制因素包括沖蝕角度、沖蝕速度及沙流量，選定沖蝕角度為15°、45°、60°、90°，沖蝕速度為20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s，沙流量為15 g/min、25 g/min、35 g/min、45 g/min，采用L16(43)正交試驗(yàn)組合，試驗(yàn)沖蝕時(shí)間為15 min。通過(guò)氣流攜沙噴射法對(duì)未風(fēng)化及風(fēng)化后的鋼化玻璃進(jìn)行沖蝕試驗(yàn),模擬風(fēng)沙對(duì)玻璃材料的長(zhǎng)期侵蝕過(guò)程，試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示，由圖可知，該系統(tǒng)由高壓氣源、供沙系統(tǒng)、沖蝕系統(tǒng)和沙?；厥障到y(tǒng)構(gòu)成。

圖2 模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of erosion experiment system

采用沖蝕率評(píng)價(jià)鋼化玻璃沖蝕磨損程度，以鋼化玻璃沖蝕前后的質(zhì)量損失與沖蝕用沙粒質(zhì)量的比值來(lái)評(píng)價(jià)其損傷程度，沖蝕率α公式如下：

α=(m1-m2)/mst

(1)

式中：m1為試件沖蝕前質(zhì)量,mg；m2為試件沖蝕后質(zhì)量,mg；ms為沙流量,g/min；t為沖蝕時(shí)間,min。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼化玻璃風(fēng)化試驗(yàn)

鋼化玻璃經(jīng)高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱風(fēng)化前后的SEM照片如圖3所示。由圖3(a)可知，未風(fēng)化的鋼化玻璃表面光潔平整，無(wú)明顯刮痕。由圖3(b)可知，鋼化玻璃在濕熱環(huán)境中發(fā)生風(fēng)化，風(fēng)化產(chǎn)物分布于材料表面不平整區(qū)域內(nèi)，這是風(fēng)化生成的SiO2水化物富集層粘附于材料表面，風(fēng)化嚴(yán)重區(qū)域可見風(fēng)化產(chǎn)物于材料表面堆積成團(tuán)鼓起，材料表面粗糙度增大。

圖3 風(fēng)化前后鋼化玻璃SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of unweathered and weathered toughened glass

采用EDS對(duì)鋼化玻璃表面風(fēng)化產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，得到各元素含量如表3所示。由表3可知，相較于風(fēng)化產(chǎn)物邊緣，風(fēng)化產(chǎn)物中心處O、Na元素含量增多，Si元素含量減少，Mg、Ca元素含量變化較小。表明鋼化玻璃在高溫高濕環(huán)境中風(fēng)化，Na+主要和表面吸附水中H+發(fā)生交換，形成的風(fēng)化產(chǎn)物主要是鈉鹽，玻璃表面的風(fēng)化薄膜為材料脫堿形成的高硅層。

表3 風(fēng)化產(chǎn)物化學(xué)元素含量Table 3 Chemical elements content of weathering product

鋼化玻璃在潮濕環(huán)境中風(fēng)化，主要是由于玻璃表面易吸附水分子[11]，當(dāng)表面吸附的水膜足夠厚時(shí)，鋼化玻璃表面的堿金屬離子與吸附水中的H+或H3O+進(jìn)行離子交換，反應(yīng)見式(2)、式(3)。由于H+的半徑遠(yuǎn)小于堿金屬離子，鋼化玻璃的表面結(jié)構(gòu)變得疏松。隨著鋼化玻璃表面侵蝕逐漸嚴(yán)重，析堿量增加，表面形成富硅層，破壞方式從最開始H+和H3O+對(duì)玻璃的侵蝕逐漸演變?yōu)閴A對(duì)鋼化玻璃的溶蝕，反應(yīng)見式(4)，生成的一端斷裂的≡Si-O-與水分子反應(yīng)，反應(yīng)見式(5)[12]。離子交換使表面區(qū)域鍵強(qiáng)度降低，Na+析出使材料表面產(chǎn)生張應(yīng)力[13]，材料表面硬度及致密度降低。

≡Si-O-Na+H2O→Si-OH+NaOH

(2)

≡Si-O-Na+2H2O→Si-O-H2O+NaOH

(3)

≡Si-O-Si+OH-→≡SiOH+≡Si-O-

(4)

≡Si-O-+H2O→≡SiOH+OH-

(5)

材料受風(fēng)沙環(huán)境侵蝕其實(shí)質(zhì)為表面材料的沖蝕磨損過(guò)程，具有其自身特性。風(fēng)化后鋼化玻璃表面粗糙度增加，硬度及致密度降低，其抗沖蝕性能較未風(fēng)化鋼化玻璃發(fā)生改變。

2.2 鋼化玻璃沖蝕試驗(yàn)

在田口方法中，采用信噪比(S/N)衡量指標(biāo)波動(dòng)以評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量特性，靜態(tài)質(zhì)量特性有以下三類：(1)望目特性，特性圍繞目標(biāo)值波動(dòng)；(2)望小特性，特性越小越好；(3)望大特性，特性越大越好。本研究為尋找最大沖蝕率，選擇望大特性進(jìn)行分析，望大特性信噪比公式如下：

(6)

式中：n為試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)；Yi為試驗(yàn)因變量，即沖蝕率。

采用式(1)、式(6)計(jì)算32組試驗(yàn)鋼化玻璃的沖蝕率及沖蝕率信噪比，計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知，風(fēng)化時(shí)間0 d、沖蝕角度90°、沖蝕速度35 m/s、沙流量15 g/min時(shí)鋼化玻璃沖蝕率信噪比最大。信噪比的大小反映出試驗(yàn)因素的穩(wěn)定性，信噪比越大表明因素在試驗(yàn)過(guò)程中越穩(wěn)定。根據(jù)試驗(yàn)因素的信噪比部分可知，信噪比隨沖蝕角度和沖蝕速度增加而增大，隨沙流量增大在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，即沖蝕角度和沖蝕速度越大，沖蝕率越穩(wěn)定。

表4 L16(43)正交表和未風(fēng)化及風(fēng)化后鋼化玻璃的沖蝕率及沖蝕率信噪比Table 4 L16(43) orthogonal table, erosion rate and S/N ratio of unweathered and weathered toughened glass

對(duì)沖蝕率信噪比進(jìn)行方差分析，得到各因素對(duì)鋼化玻璃沖蝕率信噪比貢獻(xiàn)率如表5所示。由表5可知，風(fēng)化后沖蝕角度對(duì)鋼化玻璃信噪比的貢獻(xiàn)率較未風(fēng)化時(shí)減少5.8%，沖蝕速度對(duì)信噪比的貢獻(xiàn)率增大7.2%，沙流量對(duì)鋼化玻璃沖蝕率信噪比的貢獻(xiàn)率在風(fēng)化前后差異較小。對(duì)信噪比進(jìn)行極差分析可知，各因素對(duì)未風(fēng)化及風(fēng)化后鋼化玻璃沖蝕率的影響程度由大到小均為沖蝕角度、沖蝕速度、沙流量。根據(jù)各因素對(duì)沖蝕率信噪比的貢獻(xiàn)率選擇沖蝕角度和沖蝕速度兩個(gè)因素，進(jìn)一步研究風(fēng)化對(duì)鋼化玻璃沖蝕規(guī)律的影響。

表5 風(fēng)化前后各因素對(duì)鋼化玻璃沖蝕率信噪比貢獻(xiàn)率Table 5 Contribution rate of influence factors to S/N ratio of unweathered and weathered toughened glass

圖4為沖蝕角度及沖蝕速度的信噪比主效應(yīng)曲線。由圖4(a)可知，未風(fēng)化及風(fēng)化后信噪比均值隨沖蝕角度的增加而增大，沖蝕角度為90°時(shí)取得最大值，符合典型的脆性材料沖蝕規(guī)律[14]。低沖蝕角度時(shí)材料的質(zhì)量損失主要由沙粒的微切削作用引起，硬度為決定材料耐沖蝕性能的主要因素。風(fēng)化后鋼化玻璃表面硬度降低，受沙粒微切削作用影響增強(qiáng)，其信噪比均值較未風(fēng)化時(shí)增大。高沖蝕角度時(shí)材料的質(zhì)量損失主要由裂紋疊加造成，風(fēng)化后生成的SiO2水化物粘附于鋼化玻璃表面，部分由裂紋延伸產(chǎn)生的材料碎片由于未水化層與水化層間的粘結(jié)力粘附于材料表面，鋼化玻璃受裂紋疊加作用影響減小，其信噪比均值較未風(fēng)化時(shí)減小。由圖4(b)可知，未風(fēng)化及風(fēng)化后信噪比均值均隨沖蝕速度的增加而增大，沖蝕速度各水平下風(fēng)化后信噪比均值均略大于風(fēng)化前。隨著沖蝕速度增加，沙粒的動(dòng)能增大，由沙粒動(dòng)能轉(zhuǎn)換的應(yīng)變能增大，鋼化玻璃的沖蝕率增大，信噪比均值相應(yīng)增大。風(fēng)化后鋼化玻璃表面硬度及致密度降低，對(duì)沖蝕速度的敏感性提高，故其信噪比均值在沖蝕速度各水平下較未風(fēng)化時(shí)增大。

圖4 不同沖蝕角度及沖蝕速度下信噪比主效應(yīng)曲線Fig.4 Main effect curves of S/N ratio under different impact angle and impact velocity

沖蝕速度30 m/s、沙流量60 g/min、沖蝕角度15°和90°下未風(fēng)化及風(fēng)化后鋼化玻璃表面沖蝕SEM照片如圖5、圖6所示。低沖蝕角度下鋼化玻璃的沖蝕損傷形貌主要為沙粒微切削作用造成的犁溝;高沖蝕角度下鋼化玻璃的沖蝕損傷形貌主要為由裂紋疊加導(dǎo)致碎片剝離材料表面產(chǎn)生的脆性斷裂凹坑。圖5(b)中犁溝數(shù)量及尺寸較圖5(a)中增加，即風(fēng)化后鋼化玻璃受沙粒微切削作用影響增大；與圖6(a)相比，圖6(b)中可見部分材料碎片粘附于材料表面，即風(fēng)化后鋼化玻璃受裂紋疊加作用影響減小。

圖5 沖蝕角度15°下鋼化玻璃風(fēng)化前后沖蝕損傷SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of unweathered and weathered toughened glass at 15° impact angle

圖6 沖蝕角度90°下鋼化玻璃風(fēng)化前后沖蝕損傷SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of unweathered and weathered toughened glass at 90° impact angle

3 結(jié) 論

(1)風(fēng)化后鋼化玻璃表面粗糙度增大，可見風(fēng)化產(chǎn)物堆積成團(tuán)鼓起，風(fēng)化產(chǎn)物主要為鈉鹽，玻璃表面的風(fēng)化薄膜為材料脫堿形成的富硅層。鋼化玻璃在風(fēng)化后表面性質(zhì)發(fā)生改變，其抗沖蝕性能受影響。

(2)未風(fēng)化及風(fēng)化后各因素對(duì)鋼化玻璃沖蝕率的影響程度從大到小為沖蝕角度、沖蝕速度、沙流量。風(fēng)化后沖蝕角度對(duì)鋼化玻璃沖蝕率信噪比的貢獻(xiàn)率較未風(fēng)化時(shí)減少5.8%，沖蝕速度對(duì)信噪比的貢獻(xiàn)率在風(fēng)化后增大7.2%，沙流量對(duì)鋼化玻璃沖蝕率信噪比的貢獻(xiàn)率在風(fēng)化前后差異較小。

(3)未風(fēng)化及風(fēng)化后信噪比均值均隨沖蝕角度的增加而增大，沖蝕角度為90°時(shí)取得最大值，符合典型的脆性材料沖蝕規(guī)律。低沖蝕角度時(shí)材料的質(zhì)量損失主要由沙粒的微切削作用引起，風(fēng)化后鋼化玻璃表面硬度降低，受沙粒切削作用影響增強(qiáng)，其信噪比均值較未風(fēng)化時(shí)增大，材料表面犁溝數(shù)量及尺寸較未風(fēng)化時(shí)增加；高沖蝕角度時(shí)材料的質(zhì)量損失主要由裂紋疊加造成，風(fēng)化后部分材料碎片粘附于材料表面，鋼化玻璃受裂紋疊加作用影響減小，其信噪比均值較未風(fēng)化時(shí)減小。

(4)未風(fēng)化及風(fēng)化后信噪比均值均隨沖蝕速度的增加而增大，風(fēng)化后鋼化玻璃表面硬度及致密度降低，材料對(duì)沖蝕速度的敏感性提高，沖蝕速度各水平下信噪比均值較未風(fēng)化時(shí)增大。