郝贠洪，范寶鑫，李 慧，郭 鑫，吳日根

(1.內蒙古工業(yè)大學土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區(qū)土木工程結構與力學重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；3.內蒙古自治區(qū)建筑檢測鑒定與安全評估工程技術研究中心，內蒙古 呼和浩特 010051)

1 前 言

固體顆粒的沖擊可使工程材料表面發(fā)生磨損或損傷，使得工程材料在服役過程中存在極大的安全隱患。目前，固體顆粒沖蝕的研究主要集中于航空航天工程和設備工程領域，對建筑材料受固體顆粒沖蝕的研究較少。暴露在大氣中的建筑材料常年受沙塵環(huán)境侵蝕，其在風沙環(huán)境下的耐久性是影響材料使用性及安全性的重要因素。如內蒙古中西部地區(qū)屬沙塵暴頻發(fā)區(qū)，僅2016年地區(qū)內爆發(fā)沙塵暴7次，單次沙塵暴持續(xù)時間最長達18 h。沙粒長期沖蝕地區(qū)內建筑材料造成材料表面損傷破壞，帶來巨大的經濟損失與安全隱患。

沖蝕磨損研究目前主要集中在液固沖蝕[1-2]和氣固沖蝕[3-4]，以液相或氣相為載體攜帶可控的固體顆粒沖蝕材料表面，以材料的質量損失量或體積損失量進行損傷程度評價。學者們結合理論、實驗及結果分析對金屬材料[5-6]和陶瓷材料[7-8]在風沙環(huán)境下的沖蝕磨損行為進行了研究，并建立了較為系統的評價體系。玻璃材料是廣泛應用的建筑材料，但對其受風沙環(huán)境侵蝕損傷的研究相對較少。已有的相關研究僅從宏觀角度分析了材料的耐沖蝕性能，而顆粒對材料的損傷過程，還需要從微觀角度對沖蝕損傷機理進行分析。材料損傷機理的分析大多采用激光共聚焦顯微鏡(LSCM)和掃描電子顯微鏡(SEM)進行二維磨損形貌分析[9]，但是二維形貌圖不能夠完全體現出沖蝕形貌的形成過程，為此學者們研究了三維磨損形貌并取得了一定的成果[10-11]。

本研究采用氣流挾沙噴射法，對內蒙古中西部地區(qū)風沙環(huán)境作用下玻璃材料的損傷進行研究，結合LSCM的面掃描技術和SEM的高倍清晰圖像將損傷表面量化，通過改變沖蝕因素得到不同的損傷發(fā)展過程，利用粗糙度輪廓曲線分析不同沖蝕因素下的損傷機理。研究成果可為風沙環(huán)境地區(qū)玻璃材料的防護提供一定的理論依據。

2 實 驗

2.1 材料

沖蝕顆粒選自內蒙古鄂爾多斯地區(qū)庫布齊沙漠，粒徑分布和形狀如圖1，2所示，其多為不規(guī)則形帶棱角。實驗用玻璃來自某玻璃廠，材料相關參數見表1。

圖1 沙粒粒徑分布圖Fig.1 Size distribution of sand particles

圖2 庫布齊沙漠沙粒電鏡照片Fig.2 SEM image of Hobq desert sand particle

表1 材料性能參數Table 1 Performance parameter of material

2.2 氣流挾沙噴射法實驗裝置及實驗參數選擇

采用氣流挾沙噴射法，通過模擬風沙環(huán)境侵蝕實驗系統(見圖3)，對鋼化玻璃和浮法玻璃進行不同沖蝕力學參數下的沖蝕試驗。該系統包括高壓氣源系統、供沙系統、沖蝕系統和回收系統。其中高壓氣源系統可提供干燥高速氣流，供沙系統通過控制閥提供所需沙量，沙粒在高速氣流的攜帶下，沖蝕距離噴槍口10 cm處的靶材；回收系統用來回收實驗后的沖蝕沙粒。根據內蒙古地區(qū)2012～2016年沙塵暴風速調查結果可知最大風速為27.9 m/s，選定實驗沖蝕速度為30 m/s。在沖蝕時間5 min，沙流量為110 g/min條件下，調整噴嘴與玻璃表面的夾角分別為15°、30°、45°、60°、75°和90°。采用靶材沖蝕前后質量損失和沖蝕磨料質量的比值(即沖蝕率)來衡量靶材的沖蝕損傷程度。利用OUHAUS-EP214精密電子分析天平(精度0.1 mg，量程220 g)測靶材沖蝕前后的質量，相同沖蝕條件下三次稱量結果取平均值。

圖3 模擬風沙環(huán)境侵蝕實驗系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of the erosion experiment system in simulated wind sand environment

2.3 沖蝕磨損機理分析

通過OLYMPUS4100型LSCM分析鋼化玻璃和浮法玻璃的三維損傷形貌及線粗糙度，結合QUANTA FEG-650型SEM評價鋼化玻璃和浮法玻璃的沖蝕磨損機理。

3 結果與討論

3.1 沖蝕角度對沖蝕率的影響

圖4為兩種玻璃在沖蝕速度為30 m/s,沙流量為110 g/min時，沖蝕率隨沖蝕角度的變化曲線。圖中兩種玻璃的沖蝕率均隨沖蝕角度的增加而增大，符合脆性材料的沖蝕特征[12]，且高角度沖蝕率的增長速度大于低角度增速，兩者增長趨勢基本一致。低角度沖蝕時，由于鋼化玻璃和浮法玻璃表面硬度和彈性模量較大，微切削作用對其損傷不明顯，兩者的沖蝕率接近。隨著沖蝕角度的增加，沙粒法向動能增大加速了橫向裂紋的萌生和發(fā)展。鋼化玻璃由于表面壓應力層的存在抑制了裂紋的擴展，兩者沖蝕率出現差異，鋼化玻璃沖蝕損傷程度明顯小于浮法玻璃。

圖4 不同沖蝕角度下鋼化玻璃和浮法玻璃的沖蝕率Fig.4 Erosion rate of tempered glass and float glass at different erosion angles

3.2 損傷表面形貌分析

圖5為鋼化玻璃和浮法玻璃在不同沖蝕角度下的LSCM三維形貌圖，圖中顯示隨著損傷區(qū)域顏色向黃橙過度，損傷深度增大。損傷區(qū)域沿沖蝕方向呈橢圓形，圖中僅含藍色和綠色，表明材料表面可分為未被沖蝕或者沖蝕深度較淺損傷較輕的區(qū)域。損傷區(qū)域出現了黃色和橙色，表明沖蝕損傷嚴重，沖蝕凹坑深度較深。隨著沖蝕角度的增加，鋼化玻璃表面損傷深度增加，損傷區(qū)域形狀由橢圓逐漸轉變?yōu)閳A形。浮法玻璃表面沖蝕損傷區(qū)域形狀及損傷深度隨沖蝕角度的變化規(guī)律與鋼化玻璃相似。沖蝕角度相同時，浮法玻璃表面沖蝕損傷深度大于鋼化玻璃。

圖5 LSCM三維形貌圖 (a) 鋼化玻璃45°; (b) 鋼化玻璃 90°; (c) 浮法玻璃45°; (d) 浮法玻璃 90°Fig.5 Three-dimension topography images of LSCM (a) tempered glass 45°; (b) tempered glass 90°; (c) float glass 45°; (d) float glass 90°

45°傾角入射時，沖蝕粒子沿著風向作切削作用，并順風向反彈。由于沙粒的質量較小、跟隨性好，反彈后隨風向逃離試件表面，導致沖蝕損傷區(qū)域形狀為橢圓形。其沖蝕剖面輪廓呈拋物線形，如圖6(a)所示。沖蝕角度為90°時，沙粒垂直擊打玻璃表面，與玻璃撞擊后逆著風向向四周均勻反彈，反彈一段距離在流體粘性力的作用下，改變運行軌跡，再次沖擊靶材表面，導致沖蝕損傷區(qū)域形狀為圓形。在氣固兩相流沖蝕時，兩相流中的氣體方向因靜背壓而改變[13]。少部分顆粒被平行于材料表面的橫向氣體夾帶，其運動方向改變，離沖蝕中心越遠，沖蝕角度改變越大，沖蝕機制由脆性斷裂轉變?yōu)榍邢髯饔?。此外，風速由中心線向周邊衰減，其所攜帶沙粒的沖蝕速度也減弱，沖蝕深度由中心向邊緣遞減。又由于沙粒形狀不規(guī)則，隨著沖蝕深度的增加，沖蝕表面凹凸不平，沙粒撞擊玻璃后不全是垂直沖擊，粒子隨機向四周反彈，最終使得損傷區(qū)域呈自表面向零點分布的圓錐形，沖蝕剖面輪廓見圖6(b)。由表2可知，隨著沖蝕角度增大，鋼化玻璃和浮法玻璃沿X軸向的損傷寬度逐漸增加，沿Y軸向損傷寬度逐漸減小。沖蝕角度相同時，浮法玻璃的損傷寬度大于鋼化玻璃。由表1可知，鋼化玻璃的抗壓強度、硬度和彈性模量均大于浮法玻璃，鋼化玻璃表面的預壓應力使材料表面致密，在沙粒沖擊時，抑制了表面微裂紋等缺陷對表面強度的削弱作用。所以當玻璃在相同的沖蝕條件下，表面所受的壓力相同，沙粒在鋼化玻璃表面的壓入深度相對較小，產生的損傷較小。

圖6 鋼化玻璃在不同角度下的沖蝕剖面圖 (a) 沖蝕角度45°； (b) 沖蝕角度90°Fig.6 Erosion profiles of tempered glass at different angles (a) impact angle 45°; (b) impact angle 90°

表2 LSCM沖蝕損傷寬度數據表Table 2 Erosion damage width numerical value of LSCM

3.3 沖蝕角度對表面粗糙度的影響

粗糙度是指表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度，粗糙度值越大表面越不平整。二維表面粗糙度提供的是表面單一輪廓上的輪廓高度和間距上的信息，適用于像玻璃等各向同性材料表面粗糙度的測量[14]。常用的評價參數包括：算數平均值(Ra)、最大輪廓峰值(Rp)、最低輪廓谷值(Rv)和峰態(tài)系數(Rku)[15]。

(1)

Rp=max[Z(xi)]

(2)

Rv=|min[Z(xi)]|

(3)

(4)

在沖蝕過程中，沿噴嘴的沖蝕中心處沙粒數量更多且沖蝕速度更大，導致中線處損傷較邊緣處更為嚴重，如圖7各同心圓所示，較深的色調對應較大的沖蝕損傷，沖蝕程度由中心深色處向邊緣淺色過度。為研究粒子在不同沖蝕角度下的沖蝕機理及其與線粗糙度的相關變化情況，取Y軸方向以沖蝕中心點左右各500 μm，約為主要粒子加權直徑的3.6倍，輪廓圖取樣總長度為1000 μm，粗糙度相關數據由LSCM測出。不同沖蝕角度下鋼化玻璃和浮法玻璃的粗糙度參數見表3和圖8，表面損傷二維橫向輪廓圖見圖9。鋼化玻璃除峰態(tài)系數隨沖蝕角度先增大后減小外，其他評價參數均隨沖角增加而增大，與其他研究結果相一致[16]。而浮法玻璃的粗糙度并不隨沖蝕角度的增加而增大，呈現出粗糙度隨沖蝕角度45°>15°>90°的趨勢變化。結合橫向輪廓圖(如圖9)及SEM照片(圖10,11)分析具體損傷過程及機理。

圖7 射流區(qū)域損傷程度變化圖Fig.7 Change of damage degree of jet area

表3 表面粗糙度的相關參數Table 3 Parameters of surface roughness

結合表3和圖8，9可知，在沖角為15°和45°時，浮法玻璃表面粗糙度參數均大于鋼化玻璃，輪廓微觀不平度的平均間距[17]小于鋼化玻璃。浮法玻璃的Ra、Rp、Rv較大，表明粒子在其沖蝕表面形成的山峰和山谷分布不均勻，有明顯的凸起和凹谷，其較大的峰態(tài)系數Rku表明高度分布較窄，輪廓線陡峭。兩種玻璃在沖蝕角度為45°時的粗糙度均大于15°時的，45°的輪廓微觀不平度平均間距小于15°的，輪廓谷深和峰高大于后者，表面高低起伏嚴重。結合圖10，11分析可知，沙粒在傾角入射時，試樣表面既受到水平分量的切削作用又受到垂直分量的撞擊作用，而脆性材料的侵蝕主要受垂直于靶材表面的分量的控制，具體的沖蝕損傷破壞行為如圖12所示。沖蝕角度為15°時，由于沙粒與試件表面的夾角較小，垂直分量產生的撞擊作用過弱，試件表面損傷主要由沙粒的刮擦和微切削作用引起。沖蝕初期表面形貌以具有明顯方向性的淺而長的切削犁溝為主，隨著連續(xù)沖蝕，表面微觀凹凸被粒子的切削作用逐層切掉[18]，減小了峰值，導致該角度下表面粗糙度較低。與圖10(a)中鋼化玻璃的表面形貌對比，圖11(a)中浮法玻璃表面有很大起伏，切削犁溝較深，損傷表面不平整，證實了兩者粗糙度的差異。沖蝕角度為45°時，沙粒的法向運動對表面的撞擊作用增強，使玻璃表面產生形變，誘發(fā)裂紋；切向運動使沙粒在壓入玻璃表面的同時對其產生切削作用，壓力越大切削深度越深、粗糙度越大。在該角度下，切割作用和裂紋擴展兩種損傷機制共同存在，前者占主導地位，能夠產生較大的切削深度。在圖10(b)和圖11(b)中，可見明顯的鏟削痕跡，材料表面起伏波動大、粗糙度大。但浮法玻璃的鏟削深度明顯大于鋼化玻璃，因此其粗糙度大于后者，如圖9(b)所示。在以上兩種沖蝕角度下，鋼化玻璃的粗糙度及損傷形貌均小于浮法玻璃，造成這一現象的原因在于：鋼化玻璃表面致密性高、機械強度大。沖蝕角度15°時其表面能承受的引起剪切失效的有效切應力較大，在相同沖蝕條件下粒子產生的切削深度較淺，產生的峰值和谷深小，表面粗糙程度小。沖蝕角度45°時裂紋擴展和切削作用對表面沒有應力層的浮法玻璃產生的損傷顯著，浮法玻璃沖蝕表面輪廓線起伏大、破壞嚴重，這正是沖蝕角度45°時沖蝕率出現顯著差異的原因。

圖8 沖蝕參數與粗糙度關系圖 (a) 鋼化玻璃; (b) 浮法玻璃Fig.8 Relation between erosion factor and roughness parameters (a) tempered glass; (b) float glass

圖9 沖蝕表面橫向輪廓圖 (a) 沖蝕角度15° ; (b) 沖蝕角度45°; (c) 沖蝕角度 90°Fig.9 Transverse profile image of erosion surface (a) impact angle 15°; (b) impact angle 45° ; (c) impact angle 90°

圖10 鋼化玻璃表面形貌SEM照片 (a) 沖蝕角度15° ; (b) 沖蝕角度45°; (c) 沖蝕角度 90°Fig.10 SEM images of tempered glass (a) impact angle 15°; (b) impact angle 45° ; (c) impact angle 90°

圖11 浮法玻璃表面形貌SEM照片 (a) 沖蝕角度15° ; (b) 沖蝕角度45°; (c) 沖蝕角度 90°Fig.11 SEM images of float glass (a) impact angle 15°; (b) impact angle 45° ; (c) impact angle 90°

圖12 不同沖蝕角度下玻璃的沖蝕損傷破壞行為Fig.12 Damage behavior of glass at different erosion angles

從圖9(c)可知，材料表面有較大面積的脆性斷裂凹坑，此時損傷機制為裂紋疊加。沖蝕角度為90°時，鋼化玻璃粗糙度評價參數均大于浮法玻璃，輪廓微觀不平度的平均間距較大，沖蝕表面極不規(guī)則，而浮法玻璃的輪廓谷深和峰高區(qū)間較45°時顯著減小，表現為其沖蝕表面較光滑。圖10(c)顯示鋼化玻璃表面有大量裂紋及深度較深的脆性斷裂凹坑，未發(fā)現犁溝；圖11(c)中，浮法玻璃表面脆性斷裂凹坑相互疊加，產生了大面積的材料剝落，沖蝕表面較平整，在沖蝕邊緣存在較多材料碎片將落未落。出現這種差異的原因是：浮法玻璃內部微裂紋較多[19]，與鋼化玻璃相比更易產生損傷。在高角度沖蝕時，高速粒子對材料表面的沖蝕是間斷的，粒子沖擊到材料表面到粒子反彈離開表面時，材料表面承受一次加載-卸載的過程，材料承受的載荷為壓-壓脈動載荷，該載荷下產生的法向正應力，更易使材料產生縱向和橫向裂紋，迫使材料表面產生沖蝕坑[20]。浮法玻璃在垂直沖蝕過程中以“微裂紋擴展-斷裂”的循環(huán)方式損耗。隨著粒子的不斷沖擊和逃離，浮法玻璃內部微裂紋處局部應力集中嚴重，導致裂紋發(fā)展引發(fā)材料斷裂碎屑劇增，在表面形成密集的脆性斷裂沖蝕坑，坑周圍的凸起不斷被沖蝕，最后形成大面積的斷裂凹坑，降低了浮法玻璃的表面輪廓微觀不平度，同時增加了輪廓微觀不平度的間距，使損傷表面峰谷值大幅度減小。沙粒垂直沖蝕時，法向動能為引起材料去除的橫向裂紋提供足夠的能量，鋼化玻璃的去除率比45°時增大，材料表面出現脆性斷裂、粗糙度變大，但其表面缺陷少，沖蝕面未出現類似浮法玻璃大面積脫落的現象。此外，沙粒垂直入射時其沖擊力易達到削除材料切屑所需的沖擊力，而將沖蝕表面的凸起峰沖蝕掉，使損傷表面相對平整，表現為輪廓微觀不平度平均間距較大。

4 結 論

1．鋼化玻璃和浮法玻璃的沖蝕率均隨沖蝕角度的增加而增大，在沖蝕角度大于30°后出現差異，在沖蝕角度大于45°后以基本穩(wěn)定的沖蝕率差增長，高角度沖蝕率的增長速度大于低角度增速。由于表面壓應力層的存在，鋼化玻璃表現出更好的抗沖蝕性能。

2．隨著沖蝕角度的增加，鋼化玻璃和浮法玻璃的沖蝕損傷區(qū)域深度和寬度逐漸增大，損傷區(qū)域形狀由橢圓向圓形轉變。45°傾角入射時，沖蝕粒子沿著風向作切削作用并順風向反彈，沖蝕損傷區(qū)域形狀為橢圓形，其沖蝕剖面輪廓呈拋物線形；90°傾角入射時，沙粒垂直擊打玻璃表面，與玻璃撞擊后在流體粘性力的作用下再次沖擊靶材表面，沖蝕損傷區(qū)域形狀為圓形，損傷區(qū)域剖面輪廓呈自表面向零點分布的圓錐形。相同沖蝕角度時，鋼化玻璃的沖蝕損傷區(qū)域深度和寬度均小于浮法玻璃。

3．在沖蝕過程中，沿噴嘴的沖蝕中心處沙粒數量更多且沖蝕速度更大，導致中線處損傷較邊緣處更為嚴重。鋼化玻璃除峰態(tài)系數隨沖角先增大后減小外，其他評價參數均隨沖蝕角度的增加而增大，即鋼化玻璃的粗糙度隨沖蝕角度的增加而增大；而浮法玻璃的粗糙度隨沖蝕角度的增加先增大后減小，在沖蝕角度為45°時達到最大。沖蝕角度為15和45°時，浮法玻璃表面粗糙度參數均大于鋼化玻璃，輪廓微觀不平度的平均間距小于鋼化玻璃。沖蝕角度為15°時試件表面損傷由沙粒的刮擦和微切削作用引起，沖蝕初期表面形貌以具有明顯方向性的淺而長的切削犁溝為主，連續(xù)沖蝕后表面的微觀凹凸易被后續(xù)粒子切掉，峰值減小，粗糙度較低。沖蝕角度為45°時試件表面損傷同時存在切割作用和裂紋擴展兩種損傷機制，前者占主導地位。沙粒的法向運動對表面的撞擊作用較沖蝕角度為15°時增強，切向運動使沙粒在壓入玻璃表面的同時對其產生切削作用，鏟削作用明顯，表面起伏大、粗糙度大。兩種玻璃在沖蝕角度為45°時的粗糙度均大于15°時的粗糙度，45°的輪廓微觀不平度平均間距小于15°時的，輪廓谷深和峰高大于后者，表面高低起伏嚴重。沖蝕角度為90°時，鋼化玻璃粗糙度評價參數均大于浮法玻璃，輪廓微觀不平度的平均間距較大，沖蝕表面極不規(guī)則，而浮法玻璃的輪廓谷深和峰高區(qū)間較45°時顯著減小，表現為沖蝕表面較光滑。沖蝕角度為90°時試件表面損傷由裂紋擴展引起，存在大量的脆性斷裂凹坑，浮法玻璃表面機械強度低，密集的脆性斷裂凹坑造成大面積材料流失，粗糙度降低，表面微觀不平度較??；而鋼化玻璃表面缺陷少，脆性斷裂凹坑未造成材料大面積的脫落，但由于粒子動能大，易造成沖蝕凸起峰脫落，峰態(tài)系數較小，表面平緩。