cơ chế vật liệu.pdf

Chương 2. Cơ tính vật liệu compozit
2.1. Cơ chế hóa bền 1
2.1. Cơ chế hoá bền trong vật liệu compozit
2.1.1. Cơ chế hoá bền compozit của cốt dạng hạt
2.1.1.1. Hoá bền ở dạng hạt thô
2.1.1.2. Hoá bền ở dạng hạt mịn và siêu mịn
2.1.2. Cơ chế hoá bền compozit của cốt dạng sợi
2.1.2.1. Ảnh hưởng của chiều dài cốt sợi
2.1.2.2. Ảnh hưởng của định hướng tác dụng
• Large-particle and dispersion-strengthened composites are the two
subclassifications of particle-reinforced composites.
• The distinction between these is based upon reinforcement or strengthening
mechanism. The term “large” is used to indicate that particle–matrix interactions
cannot be treated on the atomic or molecular level; rather, continuum mechanics is
used.
• For most of these composites, the particulate phase is harder and stiffer than the
matrix. These reinforcing particles tend to restrain movement of the matrix phase in
the vicinity
of each particle. In essence, the matrix transfers some of the applied stress to the
particles, which bear a fraction of the load. The degree of reinforcement or
improvement of mechanical behavior depends on strong bonding at the matrix–
particle interface.
Compozit hạt thô: Hóa bền theo cơ chế cơ môi trường liên tục. Liên kết nền – cốt
tốt sẽ truyền lực tác dụng lên nền sang cốt lân cận. Cốt thường cứng, bền có tác
dụng hạn chế biến dạng của nền, gia cường (reinforcement) nền.
Compozit hạt mịn: Hóa bền theo cơ chế tiết pha phân tán. Cốt hạt
có kích thước nhỏ (10 and 100 nm), phân tán đều trên nền, có tác
dụng cản trở chuyển động của lệch trong nền, do đó hóa bền nền,
tăng giới hạn chảy, giới hạn bền và độ cứng.
• For dispersion-strengthened composites, particles are normally
much smaller, with diameters between (10 and 100 nm).
• Particle–matrix interactions that lead to strengthening occur on the
atomic or molecular level. The mechanism of strengthening is
similar to that for precipitation hardening.
• Whereas the matrix bears the major portion of an applied load, the
small dispersed particles hinder or impede the motion of
dislocations. Thus, plastic deformation is restricted such that yield
and tensile strengths, as well as hardness, improve.
2.1.1.1. Compozit cốt hạt thô - Large-particle composites
rule of mixtures
quy tắc hỗn hợp
Particles can have quite a variety of geometries, but they should be of approximately
the same dimension in all directions (equiaxed). For effective reinforcement, the
particles should be small and evenly distributed throughout the matrix.
Giới hạn trên (upper):
Giới hạn dưới: (lower)
1 2
3 4

2.1.1.1. Compozit cốt hạt thô - Large-particle composites
• The cermets are examples of ceramic–
metal composites. The most common
cermet is the cemented carbide, which is
composed of extremely hard particles of
a refractory carbide ceramic such as
tungsten carbide (WC) or titanium
carbide (TiC), or TaC, embedded in a
matrix of a metal such as cobalt or
nickel.
• These composites are utilized
extensively as cutting tools for hardened
steels
Vật liệu cắt và mài
Hợp kim cứng
- Tính cứng nóng 800 - 10000C
- Tốc độ cắt hàng trăm m/min;
Thành phần:
• Cacbit WC (tỷ lệ cao nhất) +
Cacbit TiC, TaC + Co;
• Độ bền, cứng, tính cứng
nóng rất cao, không cần NL;
2.1.1. Compozit cốt hạt thô - Large-particle composites
Hợp kim cứng
1450 - 15000C
Quy trình chế tạo
2.1.1.1. Compozit cốt hạt thô - Large-particle composites 2.1.1.2. Compozit cốt hạt mịn dispersion-strengthened composites
• Metals and metal alloys may be strengthened and hardened by the uniform
dispersion of several volume percent of fine particles of a very hard and inert
material. The dispersed phase may be metallic or nonmetallic; oxide materials are
often used.
• Again, the strengthening mechanism involves interactions between the particles
and dislocations within the matrix, as with precipitation hardening.
• The strengthening is retained at elevated temperatures and for extended time
periods because the dispersed particles are chosen to be unreactive with the matrix
phase. For precipitation-hardened alloys, the increase in strength may disappear
upon heat treatment as a consequence of precipitate growth or dissolution of the
precipitate phase
• The high-temperature strength of nickel alloys may be enhanced significantly by
the addition of about 3 vol% of thoria (ThO2) as finely dispersed particles; this
material is known as thoria-dispersed (or TD) nickel.
• The same effect is produced in the aluminum–aluminum oxide system.A very thin
and adherent alumina coating is caused to form on the surface of extremely small
(0.1 to 0.2 m thick) flakes of aluminum, which are dispersed within an
aluminum metal matrix; this material is termed sintered aluminum powder
(SAP).
5 6
7 8

rule of mixtures
quy tắc hỗn hợp
Giới hạn trên:
Giới hạn dưới:
2.1.1.2. Compozit cốt hạt mịn
dispersion-strengthened composites
For dispersion-strengthened composites, particles are normally
much smaller, with diameters between (10 and 100 nm).
2.1.2. Compozit cốt sợi - fiber-reinforced composites
Nguyên tắc hoá bền compozit sợi không dựa trên hãm lệch, cản trở
biến dạng dẻo, ngược lại, trong trường hợp này biến dạng của nền
được sử dụng để truyền tải lên cốt; cốt được phân bố, định hướng theo
thiết kế tối ưu, do vậy tận dụng được độ bền, độ cứng vững cao của sợi
• Technologically, the most important composites are those in which
the dispersed phase is in the form of a fiber. Design goals of fiber-
reinforced composites often include high strength and/or stiffness
on a weight basis. These characteristics are expressed in terms of
specific strength and specific modulus parameters, which
correspond, respectively, to the ratios of tensile strength to specific
gravity and modulus of elasticity to specific gravity.
• Fiber-reinforced composites with exceptionally high specific
strengths and moduli have been produced that utilize low-density
fiber and matrix materials
2.1.2. Compozit cốt sợi - fiber-reinforced composites
Ảnh hưởng của chiều dài cốt sợi
INFLUENCE OF FIBER LENGTH
Figure 3.24. Variation of
the tensile stress, σ, in
the fibre and the shear
stress, τ, at the interface
along the length of a
short fibre embedded in
a matrix.
Chiều dài tới hạn, lth phụ thuộc: đường kính ds, giới hạn bền (b)s của
sợi và độ bền liên kết nền – cốt hoặc giới hạn bền cắt của nền τn.
Quan sát mẫu compozit chịu tác dụng của ứng suất ngoài σ, thấy rằng,
sự truyền tải trọng sang cốt bằng biến dạng nền phụ thuộc rất nhiều
vào chất lượng liên kết nền – cốt. Theo sơ đồ này, ứng suất truyền
sang cốt sợi tăng dần từ đầu mút và đạt cực đại tại giữa sợi. Phụ thuộc
vào chiều dài sợi cốt, giá trị ứng suất cực đại tại trung điểm sợi cốt có
thể khác nhau.
9 10
11 12

❑ Chiều dài sợi cốt ≤lth, ứng suất cực đại tại trung tâm sợi sẽ ≤ giới hạn
bền kéo của sợi (b)s. (a&c)
❑ Khi tăng chiều dài sợi cốt lớn hơn lth, ứng suất đạt giá trị cực đại
bằng giới hạn bền kéo của sợi (b)s không chỉ tại một điểm mà kéo
dài thành một đoạn AB. (b)
Giới hạn bền
kéo của sợi
f = (b)s
In the case l=lc, the tensile breaking stress in the middle of the fibre can just
be reached, and the fibre can therefore be broken, but the load-bearing
ability of the whole composite must be less than that of a continuous-fibre
composite containing an identical type of fibre. If the fibre strength is σfu,
ignoring statistical aspects of the problem, the average stress in each fibre of
length lc will be only ½σfu (middle sketch in Figure 4.21). Thus, in a longer
fibre, such as that in the right-hand sketch of this figure, there will be two
inefficiently loaded end sections of total length lc in which the average stress
is ½σfu and a central section of length (l – lc) in which the stress is σfu.
Ảnh hưởng của chiều dài cốt sợi - INFLUENCE OF FIBER LENGTH
khoảng cách x
0 l
F
d
F
x
s n
dF d dx
 
=
Lực truyền từ nền sang cốt tại vị trí
x, trên đoạn vi phân dx:
0
x
x s n s n
F d dx d x
   
= =

Tại khoảng cách x, tính từ đầu mút
sợi, lực được truyền sang cốt :
2
( )
4
s
th b s
d
F


=
Lực cần thiết để kéo đứt sợi:
2
( )
4
s
s n c b s
d
d x

  
=
2
( )
4
s
s n c b s
d
d x

  
=
( )
2
b s s
th
n
d
l


=
Trong thực tế đa số trường hợp, sợi cốt không liên tục, mà là các đoạn với chiều dài
xác định được sắp xếp, định hướng bằng công nghệ, theo thiết kế. Nếu khảo sát ứng
suất trên các sợi khác nhau tại một thiết diện nào đó trên mẫu compozit sẽ thấy chúng
có các trị số rất khác nhau, biến đổi trong chặng từ 0 đến σmax. Trong trường hợp này,
một cách hợp lý, người ta dùng giá trị ứng suất trung bình trên cốt, (b)s, để tính toán
độ bền của compozit
max max
( )
1
( ) (1 )
2 2
th th
tb s s s
l l l l
l l
  
+ −
= = −
Khi l = 15 lth
( ) max max max
( ) 1 0,03 0,97
tb s s s s
   
= − = 
Quy ước, compozit với chiều dài sợi cốt thoả mãn
điều kiện l  15 lth là compozit sợi dài liên tục
Ảnh hưởng của chiều dài cốt sợi - INFLUENCE OF FIBER LENGTH
13 14
15 16

Ảnh hưởng của chiều dài sợi: Chiều dài tới hạn
• Giới hạn bền , đường kính sợi, giới hạn chảy cắt của nền (sức bền liên kết
nền – sợi)
- l > 15lc: Cốt sợi liên tục (dài)
- l < 15lc : Cốt sợi không liên tục (ngắn)
- l < lc : Không có tác dụng gia cường
Sợi ngắn và dày
c
f d


2
15
l 
Sợi dài nhỏ:
Hiệu quả thấp
c
f d


2
15
l 
Hiệu quả cao

(x) 
(x)
c
f
c
d
l


2
=
2.1.2. Hóa bền compozit cốt sợi
Ảnh hưởng của chiều dài sợi: Chiều dài tới hạn
Ảnh hưởng của chiều dài, định hướng cốt sợi Ảnh hưởng của chiều dài cốt sợi - INFLUENCE OF FIBER LENGTH
Ví dụ 1. Xét mẫu compozit nền epoxy cốt sợi thủy tinh, đường kính ds bằng 10 μm,
phân bố song song; giả sử độ bền kéo của nền (σb)n = 60 MPa, của sợi thủy tinh, (σb)s
= 3,5.103 MPa. Độ bền liên kết nền – cốt là 30 Mpa.
1) Tính chiều dài tới hạn lth của cốt đối với trường hợp mẫu compozit đang xét.
2) Xác định kích thước sợi để mẫu compozit thỏa mãn điều kiện là compozit sợi dài
liên tục
Giải:
3
3,5.10 [MPa] 10[μm]
580μm
2 30[MPa]

= =

th
l
l > 15  580 µm = 8700 µm
1) Chiều dài tới hạn lth của cốt
2) compozit sợi dài liên tục khi
17 18
19 20

2.1.2. Hoá bền compozit sợi dài liên tục
Cốt sợi liên tục khi chịu kéo dọc:
• Khi tác dụng tải lên compozit Fc bằng tổng tải lên nền Fm và sợi Ff :
f
m
c F
F
F +
=
f
m
c 

 =
=
f
f
m
m
c
f
f
c
m
m
c V
V
A
A
A
A




 +
=
+
=




f
f
f
m
f
f
m
m
cl V
E
V
E
V
E
V
E
E +
−
=
+
= )
1
(
m
m
f
f
m
f
V
E
V
E
F
F
=
f
f
b
f
m
c
b V
V )
(
)
1
(
)
( 

 +
−
=
Cốt sợi liên tục khi chịu kéo ngang:
• Ứng suất tác dụng các pha là như nhau



 =
=
= f
m
c
f
f
m
m
c V
V 

 +
=




f
f
m
m
ct E
V
E
V
E
+
=
1
m
f
f
f
f
m
m
f
f
m
f
m
ct
E
V
E
V
E
E
E
V
E
V
E
E
E
+
−
=
+
=
)
1
(
21 22
23 24

Ảnh hưởng thể tích sợi (hàm lượng):
m
f
f
f
f
m
ct
E
V
E
V
E
E
E
+
−
=
)
1
(
f
f
f
m
cl V
E
V
E
E +
−
= )
1
(
)
1
(
)
(
)
(
)
( f
m
b
m
b
m
c
b V
V −
=
= 


f
f
b
f
m
c
b V
V )
(
)
1
(
)
( 

 +
−
=
f
f
b
f
m
f
m
b V
V
V )
(
)
1
(
)
1
(
)
( 

 +
−
=
−
f
b
m
m
b
m
m
b
f
b
m
m
b
f
V
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
min







 −
=
−
+
−
=
min
f
V 
f
V
• Ứng với hàm lượng sợi
Vf < Vf
min: Sự phá hủy
các cốt sợi chưa dẫn tới
sự phá hủy tức khắc
compozit. Độ bền của
compozit tỷ lệ với giới
hạn bền kéo của nền.
f
f
b
f
m
m
b V
V )
(
)
1
(
)
( 

 +
−
=
m
f
b
m
m
b
f
V




−
−
=

)
(
)
(
min
f
V 
f
V
• Ứng với hàm lượng sợi V = Vf
min:
giới hạn bền của compozit thấp hơn
pha nền.
• V > Vf
*: giới hạn bền của compozit
cao hơn pha nền.
• Khi V = Vf
*:
m
b
c
b )
(
)
( 
 =
Compozit sợi liên tục:
- l > 15lc
- Vf > Vf
*
Khi Vf < V*
f sợi không làm tăng bền (so
với giới hạn bền của nền), ngược lại, hành
vi của chúng tương tự như của các khuyết
tật, gây ảnh hưởng xấu, làm giảm cơ tính
của nền
Cơ chế biến dạng và phá hủy:  // định hướng sợi
f
f
b
m
m
b
c
b V
V )
(
)
(
)
( 

 +
=
1. Giai đoạn 1:
- Biến dạng nhỏ, cả cốt và nền
biến dạng đàn hồi.
2. Giai đoạn 2:
- Không tương thích biến dạng
ngang giữa nền và sợi.
- Nền biến dạng dẻo, sợi biến
dạng đàn hồi.
3. Giai đoạn 3:
- Sợi bị phá hủy
25 26
27 28

• Vật liệu cốt thuộc loại giòn, đường ứng suất biến dạng không
có đoạn hoá bền biến dạng.
• Vật liệu nền thuộc loại dẻo, nên trên đường cong ứng ứng
suất biến dạng sau đoạn sàn chảy là giai đoạn hoá bền.
Trên hình 9.11, phương
trình này được biểu diễn bằng
đường thẳng, tăng đến cực đại
tại (σb)s
Hình 9.11. Đường cong ứng suất – biến dạng của
1 – compozit, 2 – sợi, 3 – nền
ứng suất cực đại tác dụng trong compozit
phụ thuộc tỷ phần thể tích cốt:
Cốt sợi gián đoạn thẳng hàng:
• Khi l > lc:
• Khi l < lc:
)
1
(
)
2
1
(
.
)
(
)
( f
m
c
f
f
b
c
b V
l
l
V −
+
−
= 


)
1
(
1
)
( f
m
f
c
c
b V
V
d
−
+
= 


Cốt sợi gián đoạn hỗn độn:
f
f
m
m
c V
kE
V
E
E +
=
Hệ số ảnh hưởng:
- Định hướng 1D: K = 1 (Dị hướng song song)
- Định hương 1D: K = 0 (Dị hướng vuông góc)
- Ngẫu nhiên 2D: K = 3/8 (2D đẳng hướng)
- random 3D: K = 1/5 (3D đẳng hướng)
Ảnh hưởng của định hướng tác dụng lực
E thấp
Mô đun đàn hồi dọc sợi, lớn gấp 5 lần mô đun đàn hồi theo phương
vuông góc. Tính dị hướng của compozit sợi là một đặc điểm quan
trọng. Khi thiết kế các kết cấu, chi tiết cần đặc biệt chú ý tận dụng ảnh
hưởng tốt và giảm thiểu ảnh hưởng xấu của tính dị hướng.
• Lực dọc sợi – đẳng biến dạng, môđun đàn hồi cực đại; nếu lực vuông góc
sợi – đẳng ứng suất, môđun đàn hồi thấp, cực tiểu
• Tấm 0 – 90o môđun đàn hồi theo các phương 0 – 90 – 180 – 270o đều cao
Ảnh hưởng của định hướng tác dụng lực
29 30
31 32

2.1.2. Hoá bền compozit sợi dài liên tục 2.1.2. Hoá bền compozit sợi dài liên tục
Tính cho trường hợp
tác dụng vuông góc
So sánh với trường hợp //, cho nhận xét!!!
33 34
35

cơ chế vật liệu.pdf

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Empfohlen

Empfohlen (20)

cơ chế vật liệu.pdf