Cơ chế phá hủy và tính dai của composite

CƠ CHẾ PHÁ HỦY VÀ TÍNH DAI CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE Fracture and toughness of composite TS Phạm Ngọc Tùng Lực nén vs Lực căng • Trong thực tế cấu trúc phải chịu lực nén lực căng lúc • Vật liệu dòn chịu lực nén tốt (do vết nứt không bị mở rộng) Độ dai vật liệu (1) “Schenectady” WW II Liberty ship Độ dai vật liệu(2) • Khi nhiệt độ hạ xuống thấp vật liệu chuyển từ trạng thái ”dai” sang trạng thái ”dòn” • Như trường hợp tàu “Schenectady” thép thân tàu trở nên dòn nước biển lạnh • Trong trường hợp vật liệu composite vật liệu ”dòn” sợi thủy tinh nhựa kết hợp với đem lại tính ”dai” cho composite Những đặc tính vết nứt Các mơ hình mở rộng vết nứt Các khuyết tật, vết nứt vật liệu • Tất vật liệu ẩn chứa khuyết tật vết nứt cấp độ • Có thể dạng vết nứt khuyết tật lớn lỗ thay đổi đột ngột tiết diện vật liệu • Hoặc dạng vết nứt tế vi • Sự tồn vết nứt khuyết tật (sự khơng đồng tiết diện ngang tính chất vật liệu) đóng vai trò việc khởi đầu phát triển vết nứt • Ví dụ tàu “Schenectady”: Vết nứt bắt đầu góc cửa khoang xuống hầm tàu phát triển dọc theo mối hàn suốt thân tàu Ảnh hưởng vết nứt • Các vết nứt lòng vật liệu tạo nên điểm tập trung ứng suất cục • Độ lớn ứng suất cục phụ thuộc vào kích thước hình dáng vết nứt • Vết nứt mơ hình hóa dạng elipse → bán kính đầu vết nứt nhỏ ứng suất tập trung đầu vết nứt (crack-tip) lớn Sự tập trung ứng suất • Độ dai coi khả chống lại phát triển vết nứt vật liệu • Sự phát triển vết nứt bắt đầu vùng tập trung ứng suất cục lớn • Để vết nứt phát triển cần có lượng cung cấp Năng lượng giải phóng lượng nội hoặc/cùng với ứng suất tác động từ bên ngồi • Do vật liệu có khả hấp thụ lượng có khả giải phóng ứng suất tập trung cục xếp đặt vật liệu vật liệu coi dai Cách đánh giá độ dai vật liệu • Dựa kết kiểm tra độ độ bền va đập Charpy Izod • Độ bền va đập lượng mẫu hấp thụ đơn vị diện tích vị trí phá hủy Độ dai số loại vật liệu • Tại composite lại có độ dai lớn thành phần hợp thành lại dòn (có độ dai nhỏ) ?? Sự hấp thụ lượng vật liệu composite • Composite thường hấp thụ lượng từ chế chính: • Sự biến dạng phá hủy vật liệu • Sự phá hủy sợi • Sự phá vỡ liên kết bề mặt phân chia pha • Sự trượt bị ”nhổ” sợi (Frictional sliding and fiber pull-out) • Tùy thuộc vào tính chất pha kết cấu hệ composite mà đóng góp chế cho độ dai composite thay đổi Sự biến dạng phá hủy vật liệu • Với nhựa nhiệt rắn có tính dòn → khả hấp thụ lượng (fracture energy) thấp (thường khoảng 0.1 kJ.m-2) → Đóng góp cho tính dai composite • Nhựa nhiệt dẻo thường có fracture energy cao → đóng góp nhiều cho tính dai composite Sự phá hủy sợi • Các sợi nhân tạo (như sợi thủy tinh, carbon) thường dòn khả đóng góp cho độ dai vật liệu composite nhỏ • Sợi gỗ (celluose) cho thấy khả chống gãy cao (high fracture energy) • Do cấu trúc phân tầng lớp S2 • Chuyển thành phá hủy kéo trượt bề mặt phân chia pha Sự phá vỡ liên kết bề mặt phân chia pha • Năng lượng liên kết bề mặt phân chia pha composite thường bé (khoảng 0.01 kj.m-2) mức độ đóng góp cho độ dai chung nhỏ • Nếu độ bền liên kết bề mặt phân chia pha lớn → ?? Sự trượt bị ”nhổ” sợi (Frictional sliding and fiber pull-out) • Sau bị phá hủy sợi bị kéo trượt nhổ khỏi vật liệu • Năng lượng giải phóng dạng lực chống lại lực ma sát sợi nhựa • Q trình hấp thụ nhiều lượng (có thể đến khoảng hàng trăm kJ/m2 lực ma sát độ dài sợi bị nhỏ lớn) • Năng lượng giải phóng qua trình kéo trượt nhổ sợi phụ thuộc vào độ nhám bề mặt, khoảng cách trượt ... có độ dai lớn thành phần hợp thành lại dòn (có độ dai nhỏ) ?? Sự hấp thụ lượng vật liệu composite • Composite thường hấp thụ lượng từ chế chính: • Sự biến dạng phá hủy vật liệu • Sự phá hủy sợi... fracture energy cao → đóng góp nhiều cho tính dai composite Sự phá hủy sợi • Các sợi nhân tạo (như sợi thủy tinh, carbon) thường dòn khả đóng góp cho độ dai vật liệu composite nhỏ • Sợi gỗ (celluose)... sợi • Sự phá vỡ liên kết bề mặt phân chia pha • Sự trượt bị ”nhổ” sợi (Frictional sliding and fiber pull-out) • Tùy thuộc vào tính chất pha kết cấu hệ composite mà đóng góp chế cho độ dai composite