化学强化铝硅酸盐玻璃表面微观力学行为的有限元模拟

李晓宇，姜良宝，刘家希，王敏博，李佳明，颜 悦

(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)

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[1-3]。化学强化，又称离子交换，是熔融盐液中半径较大的碱金属离子与玻璃表面半径较小的碱金属离子发生互扩散从而产生表面压应力的过程。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。

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[4]。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[5-6]，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[7]，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[8]，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。……