鄭夢(mèng)瑤，吳國(guó)慶，姜旭胤，張曉雯，丁堯，顏悅

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京市先進(jìn)運(yùn)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明件工程技術(shù)研究中心，北京 100095； 2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082)

深海載人潛水器是未來海洋開發(fā)的前沿與制高點(diǎn)之一，潛水器觀察窗作為唯一的非金屬結(jié)構(gòu)部件，直接關(guān)系到潛水器的安全可靠性。有機(jī)玻璃為水下觀察窗的首選材料，具有密度小、強(qiáng)度高、光學(xué)性能好、允許局部屈服和應(yīng)力重新分配以及失效前有明顯預(yù)警特征等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前國(guó)內(nèi)的載人潛水器觀察窗采用的主要還是進(jìn)口生產(chǎn)制造的觀察窗玻璃，常見厚度在20 cm左右，觀察窗玻璃的受力形式以及厚度較大結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了一般選用澆鑄(非定向)有機(jī)玻璃作為原材料，避免因定向有機(jī)玻璃面內(nèi)取向后導(dǎo)致的層間作用力弱而產(chǎn)生的玻璃易發(fā)生層間破壞的現(xiàn)象[3]。美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)載人壓力容器安全標(biāo)準(zhǔn)ASME PVHO-1-2019對(duì)觀察窗用有機(jī)玻璃材料性能提出了沖擊強(qiáng)度、吸水率、拉伸性能、壓縮性能、剪切性能、洛氏硬度、彎曲強(qiáng)度等詳細(xì)指標(biāo)要求。我國(guó)潛水器觀察窗的研究起步較晚，主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)對(duì)觀察窗玻璃的研究主要集中在觀察窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析、蠕變變形等[4-6]，對(duì)觀察窗用有機(jī)玻璃材料的性能研究還不充分，也未形成相關(guān)材料體系標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于高性能防護(hù)透明件領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)研究較為成熟充分的是航空透明件，特別是航空有機(jī)玻璃，已形成針對(duì)不同牌號(hào)有機(jī)玻璃的材料規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 9438-2018，GJB 1251A-2008等，對(duì)材料外觀尺寸、光學(xué)性能、力學(xué)性能、熱性能以及耐環(huán)境性能等的試驗(yàn)方法以及評(píng)級(jí)指標(biāo)作出了詳細(xì)的規(guī)定。

對(duì)潛水器觀察窗受力形式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)觀察窗玻璃主要受側(cè)向壓應(yīng)力以及摩擦剪應(yīng)力作用[7]，服役過程中受蠕變以及疲勞載荷作用，玻璃與窗座接觸面上易出現(xiàn)銀紋、微裂紋等缺陷[8]，影響其使用壽命，因此，研究觀察窗用有機(jī)玻璃材料的損傷破壞行為以及抗裂紋擴(kuò)展性能對(duì)潛水器觀察窗玻璃使用壽命以及安全可靠性評(píng)估具有重要意義[9]。以有機(jī)玻璃為代表的聚合物材料的損傷與破壞是從微觀層次分子鏈運(yùn)動(dòng)及斷鏈開始，到細(xì)觀層次的銀紋引發(fā)、生長(zhǎng)及斷裂，直到裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料破壞[10]，研究有機(jī)玻璃的強(qiáng)度就必須考慮材料的損傷及缺陷演化。航空透明件用有機(jī)玻璃的制造及應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，損傷及破壞行為研究也較為充分。李業(yè)媛等[11]對(duì)有機(jī)玻璃的疲勞裂紋擴(kuò)展和斷裂行為的微觀機(jī)制進(jìn)行了討論，基于裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析軟件將穿透直裂紋測(cè)定的材料參數(shù)準(zhǔn)確應(yīng)用到表面裂紋的壽命預(yù)測(cè)上。張志林等[12]研究得出了航空有機(jī)玻璃MDYB-3的裂紋擴(kuò)展門檻值，建立了座艙玻璃劃傷缺陷剩余強(qiáng)度以及損傷容限的計(jì)算方法。載人潛水器觀察窗用有機(jī)玻璃，因其服役工況較為特殊，需結(jié)合其受載形式、損傷情況，對(duì)觀察窗用有機(jī)玻璃的損傷破壞行為進(jìn)行研究。

筆者將從以下幾個(gè)方面對(duì)觀察窗有機(jī)玻璃的損傷與破壞行為進(jìn)行研究：(1)根據(jù)觀察窗有機(jī)玻璃的受載形式，進(jìn)行拉伸、壓縮、剪切、斷裂韌性、應(yīng)力銀紋等測(cè)試，表征與服役損傷相關(guān)的關(guān)鍵力學(xué)性能；(2)研究可能出現(xiàn)的損傷缺陷對(duì)有機(jī)玻璃關(guān)鍵力學(xué)性能的影響；(3)結(jié)合潛水器觀察窗玻璃的損傷缺陷情況，對(duì)觀察窗的缺陷(裂紋)擴(kuò)展性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 有機(jī)玻璃原材料

采用的有機(jī)玻璃原材料為潛水器觀察窗專用的某牌號(hào)進(jìn)口有機(jī)玻璃澆鑄件(非定向有機(jī)玻璃)，其材料化學(xué)名稱為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

1.2 測(cè)試儀器

有機(jī)玻璃的力學(xué)性能(拉伸、壓縮、剪切、斷裂韌性等)試驗(yàn)在美國(guó)英斯特朗公司的5982型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，各項(xiàng)試驗(yàn)均配有符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)夾具。

應(yīng)力銀紋試驗(yàn)在北京時(shí)代天誠(chéng)科技有限公司的TC-202型透明材料銀紋試驗(yàn)儀上進(jìn)行，符合HB 6657-1992的要求。

1.3 試樣制備

(1)有機(jī)玻璃各力學(xué)性能的測(cè)試試樣按照各測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸要求在有機(jī)玻璃原材料上通過機(jī)加工得到。

(2)銀紋損失試樣制備：參照HB 6657-1992銀紋試驗(yàn)的方法，通過四點(diǎn)彎曲的加載方式，在有機(jī)玻璃原材料上預(yù)制銀紋，以0.04 mm/min速率加載，加載過程觀察試樣上銀紋的產(chǎn)生。

(3)微裂紋缺陷試樣制備：從靜水外壓試驗(yàn)后得到的觀察窗玻璃樣件的錐面上取樣[9]，錐面表面帶有明顯的微裂紋，微裂紋深度為0.2～5 mm，取樣深度為10 mm。

1.4 測(cè)試與表征

(1)壓縮性能測(cè)試。

有機(jī)玻璃原材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能按照ASTM D695-2010測(cè)試，選取試樣尺寸為Φ12.7 mm×50.8 mm (測(cè)量壓縮彈性模量時(shí))以及Φ12.7 mm×25.4 mm (測(cè)量壓縮屈服強(qiáng)度時(shí))的圓柱，以1.3 mm/min的加載速率壓縮試件，直至試件屈服。銀紋損傷以及微裂紋缺陷試樣的壓縮性能按照GB/T 1041-2008測(cè)試，試樣為10 mm×10 mm×10 mm的立方體，壓縮速度為1 mm/min。

(2)剪切性能測(cè)試。

有機(jī)玻璃原材料、銀紋損傷試樣和微裂紋缺陷試樣準(zhǔn)靜態(tài)剪切性能按照GB/T 15598-1995測(cè)試，試樣為50 mm×50 mm×10 mm的方片，中心有1個(gè)直徑為11 mm的孔，試驗(yàn)速度為(1±0.5) mm/min。

(3)拉伸性能測(cè)試。

有機(jī)玻璃原材料以及銀紋損傷試樣準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能按照GB/T 1040.2-2006測(cè)試，試樣按照標(biāo)準(zhǔn)1B型制備，加載速度為1 mm/min。微裂紋缺陷試樣為10 mm×10 mm×150 mm的拉伸樣條，拉伸試驗(yàn)加載速度為1 mm/min。

(4)應(yīng)力銀紋試驗(yàn)。

有機(jī)玻璃原材料的應(yīng)力銀紋試驗(yàn)按照HB 6657-1992進(jìn)行，試樣尺寸為350 mm×20 mm×10 mm，以0.04 mm/min速率加載，加載過程觀察試樣上銀紋的產(chǎn)生，并記錄銀紋測(cè)力計(jì)的讀數(shù)。

(5)斷裂韌性測(cè)試。

有機(jī)玻璃原材料斷裂韌性按GJB 9438-2018測(cè)試，試樣尺寸為150.0 mm×50.0 mm×10 mm，中心孔徑4.75 mm；試樣中心定位孔的兩側(cè)沿著寬度方向引發(fā)一對(duì)裂紋，引發(fā)裂紋頂端間距應(yīng)在12.7～19 mm范圍內(nèi)，從而使失穩(wěn)的裂紋長(zhǎng)度在試樣寬度的25%～50%范圍內(nèi)，加載使試樣在(3～5) min內(nèi)破壞。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)玻璃原材料關(guān)鍵力學(xué)性能

(1)壓縮性能分析。

根據(jù)潛水器觀察窗的受力分析，觀察窗玻璃受壓應(yīng)力作用，有機(jī)玻璃的壓縮性能是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。在應(yīng)變率為10-3s-1的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試條件下，壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖1看出，壓縮過程中，有機(jī)玻璃材料表現(xiàn)出經(jīng)典韌性高聚物材料的壓縮曲線特征，經(jīng)歷彈性變形、屈服、應(yīng)變軟化，后續(xù)可能繼續(xù)發(fā)生應(yīng)變硬化。在普彈變形過程中，分子發(fā)生鍵長(zhǎng)、鍵角的變化，材料表現(xiàn)出高模量、小變形且形變可回復(fù)；應(yīng)力繼續(xù)增加，鏈段開始運(yùn)動(dòng)，到達(dá)屈服點(diǎn)；后續(xù)發(fā)生應(yīng)變軟化，分子鏈呈現(xiàn)聚集、堆積，在局部塑形形變中有缺陷萌生，進(jìn)而應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣档蚚13]。

圖1 觀察窗有機(jī)玻璃原材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

測(cè)試得到觀察窗用有機(jī)玻璃的壓縮彈性模量為3.12 GPa，壓縮屈服強(qiáng)度為115 MPa，壓縮屈服應(yīng)變?yōu)?.85%，滿足ASME PVHO-1-2019對(duì)觀察窗有機(jī)玻璃的壓縮屈服強(qiáng)度不低于103 MPa、壓縮彈性模量不低于2.76 GPa的材料要求。該觀察窗用有機(jī)玻璃材料的壓縮彈性模量較高，服役過程中壓縮變形量較小，不會(huì)因變形較大導(dǎo)致窗體密封失效，同時(shí)，壓縮強(qiáng)度較高，屈服點(diǎn)后壓縮應(yīng)力也不突降，即使變形量較大的情況下材料也不會(huì)發(fā)生崩裂等脆性破壞，對(duì)觀察窗玻璃這類對(duì)抗壓性能要求較高的防護(hù)材料而言極其適用，較常見的聚碳酸酯、無機(jī)玻璃具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

(2)剪切性能分析。

有機(jī)玻璃的壓縮強(qiáng)度較高，且壓應(yīng)力下不易引發(fā)裂紋缺陷，相對(duì)來說拉伸及剪切強(qiáng)度較低，且較易引發(fā)裂紋等缺陷，因此研究其剪切性能具有重要意義。參考GB/T 15598-1995，剪切穿孔試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。非定向有機(jī)玻璃與定向有機(jī)玻璃的剪切性能差異較大，該觀察窗用有機(jī)玻璃為澆鑄成型的非定向有機(jī)玻璃，圖2中的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一屈服點(diǎn)，此時(shí)剪切應(yīng)力最大，試樣開始出現(xiàn)裂紋，但試樣仍可承力，應(yīng)力不會(huì)突降、試樣也不會(huì)崩裂。與常用的高防護(hù)性能用透明件定向有機(jī)玻璃以及聚碳酸酯材料相比，該非定向有機(jī)玻璃的剪切強(qiáng)度高于聚碳酸酯，同時(shí)也不會(huì)像定向有機(jī)玻璃那樣突然發(fā)生散裂[14]。對(duì)于觀察窗用有機(jī)玻璃而言，剪切力為主要的受力形式之一，因此，非定向有機(jī)玻璃在剪切性能上明顯優(yōu)于定向有機(jī)玻璃以及聚碳酸酯材料。

圖2 觀察窗有機(jī)玻璃原材料的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2得到觀察窗有機(jī)玻璃剪切強(qiáng)度為62.6 MPa，此時(shí)應(yīng)變?yōu)?8.36%，滿足ASME PVHO-1-2019對(duì)有機(jī)玻璃剪切強(qiáng)度不低于55 MPa的材料要求。該有機(jī)玻璃的剪切強(qiáng)度高于聚碳酸酯，破壞時(shí)的變形量(韌性)高于定向有機(jī)玻璃，可見，從剪切性能而言，常用的聚合物透明材料中，非定向有機(jī)玻璃為最優(yōu)選的潛水器觀察窗用材料。

觀察窗用有機(jī)玻璃的主要受力形式為服役過程中水壓作用下，窗座對(duì)有機(jī)玻璃的壓縮及剪切應(yīng)力，經(jīng)過測(cè)試，該觀察窗有機(jī)玻璃的壓縮強(qiáng)度以及剪切強(qiáng)度均滿足ASME PVHO-1-2019的要求，與高性能航空有機(jī)玻璃的性能相當(dāng)，且該非定向有機(jī)玻璃的材料特性適用于潛水器觀察窗玻璃的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 觀察窗有機(jī)玻璃的銀紋損傷

(1)有機(jī)玻璃原材料應(yīng)力銀紋分析。

PMMA是典型的高聚物材料，在玻璃態(tài)及其附近，缺陷處局部應(yīng)力集中或應(yīng)變超過了聚合物的臨界應(yīng)力或應(yīng)變值，材料發(fā)生塑性變形以及冷拉，在聚合物本體材料中表現(xiàn)為銀紋化，銀紋對(duì)高聚物材料的強(qiáng)度和韌性及破壞性能起著不可忽視的重要作用。對(duì)有機(jī)玻璃原材料進(jìn)行了應(yīng)力銀紋試驗(yàn)，應(yīng)力值越高，則該材料在應(yīng)力作用下越難出現(xiàn)銀紋損傷。采用四點(diǎn)彎曲的方法，按照標(biāo)準(zhǔn)HB 6657-1992進(jìn)行，如圖3所示。

圖3 有機(jī)玻璃原材料的應(yīng)力銀紋試驗(yàn)以及銀紋放大圖片

在四點(diǎn)彎曲作用下，該有機(jī)玻璃出現(xiàn)銀紋的應(yīng)力值即應(yīng)力銀紋強(qiáng)度為20.6 MPa。對(duì)有機(jī)玻璃來說，分子量越高、定向度越高，分子間的作用力越強(qiáng)，越不容易出現(xiàn)銀紋。對(duì)于潛水器觀察窗玻璃，使用過程中有可能接觸到水、潤(rùn)滑劑等，這些物質(zhì)可能會(huì)促進(jìn)銀紋缺陷的產(chǎn)生，但主要原因還是窗座對(duì)觀察窗有機(jī)玻璃材料的壓縮、剪切作用力[15]導(dǎo)致。

(2)銀紋損傷對(duì)壓縮性能的影響。

將有機(jī)玻璃原材料制成10 mm×10 mm×10 mm的立方體，按照GB/T 1041-2008，在壓縮應(yīng)變率1.6 s-1下，測(cè)試原材料及銀紋損傷試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。由圖4可以看出，與無損傷缺陷的有機(jī)玻璃原材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，銀紋損傷試樣壓縮過程中經(jīng)歷彈性變形、屈服、應(yīng)變軟化，后續(xù)發(fā)生應(yīng)變硬化，表現(xiàn)出典型的韌性高聚物材料壓縮特征。壓縮變形量高達(dá)50%時(shí)，試樣不發(fā)生破壞。

圖4 有機(jī)玻璃原材料和銀紋損傷試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4可得，銀紋損傷試樣的壓縮屈服強(qiáng)度為159 MPa，屈服應(yīng)變率為14.7%。由圖4可知，銀紋損傷試樣與原材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本無差異，可見銀紋損傷對(duì)有機(jī)玻璃的壓縮性能基本無影響。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力下，銀紋基本不發(fā)生擴(kuò)展，并且由于銀紋的深度較淺，對(duì)于材料的本體分子結(jié)構(gòu)基本無影響。

(3)銀紋損傷對(duì)剪切性能的影響。

有機(jī)玻璃原材料及銀紋損傷試樣的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5可以看出，銀紋損傷試樣的剪切過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與原材料剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本相同，在剪切應(yīng)力的作用下，首先發(fā)生普彈變形，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，變形量繼續(xù)增加，試樣發(fā)生破壞，但是載荷仍可保持，應(yīng)力未發(fā)生突降。

圖5 有機(jī)玻璃原材料和銀紋損傷試樣的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5可得，銀紋損傷試樣的剪切強(qiáng)度為64.81 MPa，此時(shí)的應(yīng)變?yōu)?9.40%，與原材料相比未有明顯變化，且破壞形式與原材料一致，試樣未發(fā)生崩壞。這是由于銀紋損傷在材料表面的深度較淺，在準(zhǔn)靜態(tài)的剪切作用下未發(fā)生擴(kuò)展，且這些銀紋損傷對(duì)有機(jī)玻璃材料的本體結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生影響，因而銀紋損傷對(duì)剪切性能基本無影響。

(4)銀紋損傷對(duì)拉伸性能的影響。

有機(jī)玻璃原材料及銀紋損傷試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖6看出，銀紋損傷試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與有機(jī)玻璃原材料相同，室溫下表現(xiàn)為典型的韌性高聚物拉伸曲線，首先發(fā)生普彈變形，分子鏈鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生變化，模量較低、變形可回復(fù)；應(yīng)變繼續(xù)增加，分子鏈運(yùn)動(dòng)發(fā)生取向，模量增大，到達(dá)屈服點(diǎn)附近，分子鏈斷裂，試樣發(fā)生破壞。

圖6 有機(jī)玻璃原材料和銀紋損傷試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖6可得，銀紋損傷試樣的拉伸強(qiáng)度為73.8 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為7.15%。可見，由于銀紋損傷深度較淺，且在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸作用下，沒有發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)有機(jī)玻璃本體材料結(jié)構(gòu)無影響，因此有機(jī)玻璃的拉伸性能基本無變化。

通過應(yīng)力銀紋試驗(yàn)考核了觀察窗用有機(jī)玻璃的抗應(yīng)力銀紋的性能，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力銀紋強(qiáng)度為20.6 MPa，抗銀紋性能較好。實(shí)際工況下，觀察窗玻璃上出現(xiàn)的銀紋和微裂紋缺陷是相伴出現(xiàn)的，無法單獨(dú)分離出單獨(dú)的帶有銀紋損傷的樣品，因此通過四點(diǎn)彎曲的方法預(yù)制銀紋，評(píng)價(jià)了銀紋對(duì)觀察窗玻璃原材料主要靜強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)銀紋對(duì)壓縮、剪切以及拉伸性能基本不產(chǎn)生影響，在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，銀紋也不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。當(dāng)觀察窗玻璃出現(xiàn)銀紋時(shí)，可以繼續(xù)使用，但是要密切關(guān)注銀紋的擴(kuò)展情況。實(shí)際上，對(duì)于航空有機(jī)玻璃而言，服役過程中經(jīng)常出現(xiàn)銀紋損傷，若銀紋的深度不深、面積不大，則只需要拋光去除銀紋，防止銀紋進(jìn)一步擴(kuò)展成為裂紋源即可，銀紋的出現(xiàn)對(duì)于非銀紋區(qū)域即材料本體的區(qū)域沒有任何影響。

2.3 觀察窗有機(jī)玻璃的損傷及破壞行為

(1)有機(jī)玻璃原材料的抗裂紋擴(kuò)展性能。

有機(jī)玻璃的斷裂韌性，是結(jié)構(gòu)透明件安全設(shè)計(jì)、材料評(píng)價(jià)以及使用壽命估計(jì)的重要力學(xué)性能指標(biāo)。結(jié)構(gòu)透明件服役過程中，破壞事故的發(fā)生常常與材料內(nèi)部存在的宏觀裂紋而引發(fā)的低應(yīng)力脆斷有關(guān)，因此需利用斷裂韌性(也稱抗裂紋擴(kuò)展性)來評(píng)價(jià)材料抵抗脆性破壞的能力以及材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。

觀察窗用有機(jī)玻璃原材料的斷裂韌性測(cè)試載荷-位移曲線以及斷面形貌如圖7所示。由圖7a可以得出原材料的斷裂韌性為1.66 MPa·m1/2，由圖7b可以看出，斷面形貌為典型的非定向有機(jī)玻璃斷裂形貌[16]，斷面形貌特征的均一性較好，斷裂區(qū)光滑，裂紋粗，且隆起出現(xiàn)平臺(tái)，與撕裂區(qū)有明顯邊界，其斷面明顯分為慢裂紋和快裂紋兩個(gè)區(qū)域。慢裂紋略粗卻較平，快裂紋區(qū)起始多為鏡面區(qū)，有高反光能力，在一定傾角下可見到干涉色，隨著裂紋擴(kuò)展，在末端出現(xiàn)細(xì)微的線束。

圖7 觀察窗用有機(jī)玻璃原材料的斷裂韌性測(cè)試載荷-位移曲線以及典型斷面形貌

對(duì)于航空有機(jī)玻璃，非定向有機(jī)玻璃的斷裂韌性在1.3～1.5 MPa·m1/2范圍內(nèi)，定向有機(jī)玻璃的斷裂韌性在3.2～4.2 MPa·m1/2范圍內(nèi)。按照GJB 9438-2018測(cè)得的觀察窗用有機(jī)玻璃斷裂韌性為1.66 MPa·m1/2，與非定向航空有機(jī)玻璃相近甚至更高，但遠(yuǎn)低于定向有機(jī)玻璃。

(2)帶有損傷缺陷的觀察窗玻璃關(guān)鍵力學(xué)性能。

靜水外壓試驗(yàn)后，觀察窗樣件內(nèi)側(cè)部分的錐面上出現(xiàn)了尺寸不一的裂紋缺陷，如圖8所示。為了確定該部分材料強(qiáng)度下降程度及其裂紋擴(kuò)展情況，對(duì)樣件微裂紋區(qū)域進(jìn)行取樣，對(duì)其拉伸、壓縮以及剪切性能進(jìn)行測(cè)試。

圖8 觀察窗用有機(jī)玻璃的缺陷情況

①壓縮性能。

按照GB/T 1041-2008對(duì)微裂紋缺陷試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試樣受壓過程如圖9所示，可直觀地觀察到壓縮過程中微裂紋的擴(kuò)展情況。

圖9 微裂紋缺陷試樣壓縮過程圖

微裂紋缺陷試樣和銀紋損傷試樣壓縮過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比如圖10所示。由圖10可以看出，對(duì)于微裂紋缺陷試樣，其壓縮屈服強(qiáng)度相比銀紋損傷試樣略有降低，這可能是材料內(nèi)部的缺陷變多導(dǎo)致的。但是試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使壓縮變形至40%，在壓縮載荷作用下，裂紋也不會(huì)擴(kuò)展。也就是說，對(duì)于潛水器觀察窗玻璃而言，若微裂紋處只受單壓應(yīng)力，則缺陷不會(huì)擴(kuò)展。

圖10 微裂紋缺陷試樣與銀紋損傷試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

②剪切性能。

按照GB/T 15598-1995對(duì)微裂紋缺陷試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，其與銀紋損傷試樣剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)比如圖11所示。在剪切試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在沿著微裂紋面對(duì)試樣施加剪切力，玻璃上的微裂紋發(fā)生擴(kuò)展，在剪切屈服點(diǎn)之前就產(chǎn)生脆性斷裂，由圖11可以看出，微裂紋缺陷試樣剪切強(qiáng)度相比于銀紋損傷試樣下降約15%。在剪切應(yīng)力的作用下，試樣上的微裂紋發(fā)生擴(kuò)展，并且在厚度方向穿透，因此試樣會(huì)突然碎裂。

圖11 微裂紋缺陷試樣與銀紋損傷試樣的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

③拉伸性能。

將帶有微裂紋的觀察窗有機(jī)玻璃進(jìn)行取樣，加工成10 mm×10 mm×150 mm的微裂紋缺陷試樣拉伸樣條，對(duì)其進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，試驗(yàn)過程如圖12所示。由圖12看出，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸過程中，可以明顯地觀察到試樣上的微裂紋在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生擴(kuò)展，并且穿透厚度方向，繼而發(fā)生斷裂。

圖12 觀察窗樣件微裂紋取樣的拉伸試驗(yàn)

微裂紋缺陷試樣和銀紋損傷試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖13所示。由圖13可以看出，微裂紋缺陷試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與銀紋損傷試樣有明顯差異，拉伸彈性模量以及拉伸斷裂強(qiáng)度下降很大。拉伸斷裂強(qiáng)度為14.73 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為2.24%?？梢?，在拉應(yīng)力作用下，微裂紋迅速擴(kuò)展成裂紋，拉伸斷裂強(qiáng)度降低約70%。

圖13 微裂紋缺陷試樣與銀紋損傷試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

利用斷裂韌性來評(píng)價(jià)觀察窗有機(jī)玻璃的抗裂紋擴(kuò)展性能，其值為1.66 MPa·m1/2，抗裂紋擴(kuò)展性能較好，材料的韌性較好，基本為非定向有機(jī)玻璃的上限值。同時(shí)，基于銀紋缺陷試樣的力學(xué)性能，評(píng)價(jià)了微裂紋缺陷對(duì)于觀察窗有機(jī)玻璃材料靜強(qiáng)度的影響：壓縮屈服強(qiáng)度略有下降，但裂紋不擴(kuò)展；剪切強(qiáng)度下降約15%，并且出現(xiàn)脆性斷裂的現(xiàn)象；微裂紋缺陷對(duì)拉伸性能有很大的影響，拉伸強(qiáng)度降低了70%左右。結(jié)合潛水器觀察窗的使用情況，當(dāng)觀察窗玻璃出現(xiàn)微裂紋或裂紋時(shí)，微裂紋在剪切或拉伸這類張應(yīng)力的作用下裂紋會(huì)快速擴(kuò)展，導(dǎo)致材料強(qiáng)度大大降低，此時(shí)應(yīng)立即更換觀察窗玻璃，以免事故發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)載人潛水器觀察窗玻璃受載形式，對(duì)其原材料關(guān)鍵力學(xué)性能如壓縮、剪切性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明壓縮強(qiáng)度為115 MPa，剪切強(qiáng)度為62.6 MPa，該非定向有機(jī)玻璃與其它常用高防護(hù)性能的透明材料相比，具有強(qiáng)度高、變形量小、不會(huì)突然發(fā)生破壞等優(yōu)勢(shì)。

(2)潛水器觀察窗用有機(jī)玻璃的抗銀紋引發(fā)以及抗裂紋擴(kuò)展的性能較好，應(yīng)力銀紋強(qiáng)度為20.6 MPa、斷裂韌性為1.66 MPa·m1/2。

(3)有機(jī)玻璃銀紋損傷，對(duì)拉伸、壓縮、剪切靜強(qiáng)度基本無影響。

(4)對(duì)出現(xiàn)微裂紋損傷缺陷的觀察窗玻璃樣件進(jìn)行原位取樣，與銀紋缺陷試樣的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)微裂紋缺陷使得壓縮屈服強(qiáng)度略有降低但裂紋不擴(kuò)展、剪切強(qiáng)度降低約15%且破壞程度劇烈，對(duì)拉伸強(qiáng)度影響最大降低約70%。

(5)研究結(jié)果為后續(xù)安全性評(píng)判方法研究提供了準(zhǔn)靜態(tài)材料性能變化的數(shù)據(jù)支撐，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)開展在疲勞或者蠕變載荷下的損傷缺陷引發(fā)及擴(kuò)展性能方面的研究工作。