Cơ chế phá hủy và tính dai của composite

Độ dai của vật liệu2 • Khi nhiệt độ hạ xuống thấp vật liệu có thể chuyển từ trạng thái ”dai” sang trạng thái ”dòn” • Như trong trường hợp của tàu “Schenectady” thép thân tàu trở nên dòn

CƠ CHẾ PHÁ HỦY VÀ TÍNH DAI CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE

Fracture and toughness of composite

TS Phạm Ngọc Tùng

Độ dai của vật liệu (1)

WW II Liberty ship

“Schenectady”

Độ dai của vật liệu(2)

• Khi nhiệt độ hạ xuống thấp vật liệu có thể chuyển từ trạng thái ”dai” sang trạng thái ”dòn”

• Như trong trường hợp của tàu “Schenectady” thép thân tàu trở

nên dòn trong nước biển lạnh

”dòn” như sợi thủy tinh và nhựa kết hợp với nhau có thể đem lại tính ”dai” cho composite

Những đặc tính của vết nứt

Các mô hình mở rộng vết nứt

Các khuyết tật, vết nứt trong vật liệu

• Tất cả các vật liệu đều ẩn chứa các khuyết tật hoặc vết nứt ở một cấp độ nào đó

• Có thể ở dưới dạng các vết nứt hoặc khuyết tật lớn như là các lỗ hoặc sự thay đổi đột ngột ở của tiết diện của vật liệu

• Hoặc ở dưới dạng các vết nứt tế vi

• Sự tồn tại của vết nứt hoặc khuyết tật (sự không đồng

nhất ở tiết diện ngang hoặc tính chất của vật liệu) sẽ đóng vai trò chính trong việc khởi đầu và phát triển của vết nứt

• Ví dụ tàu “Schenectady”: Vết nứt bắt đầu tại góc của cửa khoang

xuống hầm tàu và phát triển dọc theo mối hàn suốt thân tàu

→ khi bán kính của đầu vết nứt càng

nhỏ thì ứng suất tập trung tại đầu vết

nứt (crack-tip) càng lớn

• Do vậy nếu một vật liệu có khả năng hấp thụ năng lượng hoặc có khả năng giải phóng ứng suất tập trung cục bộ bằng sự xếp đặt của vật liệu thì vật liệu đấy được coi là dai

Cách đánh giá độ dai của vật liệu

• Dựa và kết quả kiểm tra

độ độ bền va đập Charpy

hoặc Izod

• Độ bền va đập là năng

lượng mẫu hấp thụ trên 1

đơn vị diện tích tại vị trí

phá hủy

Độ dai của một số loại vật liệu

• Tại sao composite lại có độ dai lớn trong khi các thành phần hợp thành của

nó lại dòn (có độ dai nhỏ) ??

Sự hấp thụ năng lượng ở vật liệu composite

• Composite thường hấp thụ năng lượng từ 4 cơ chế chính:

• Sự biến dạng và phá hủy vật liệu nền

• Sự phá hủy sợi

• Sự phá vỡ của liên kết tại bề mặt phân chia pha

• Sự trượt và bị ”nhổ” ra của sợi (Frictional sliding and fiber pull-out)

• Tùy thuộc vào tính chất của từng pha và kết cấu của hệ composite mà sự đóng góp của 4 cơ chế này cho độ dai của composite sẽ thay đổi

Sự biến dạng và phá hủy của vật liệu nền

• Với nhựa nhiệt rắn có tính dòn

→ khả năng hấp thụ năng lượng (fracture energy) thấp (thường ở khoảng 0.1 kJ.m -2)

→ Đóng góp ít cho tính dai của composite

• Nhựa nhiệt dẻo thường có fracture energy cao hơn

→ đóng góp nhiều hơn cho tính dai của composite

Sự phá hủy của sợi

• Các sợi nhân tạo (như sợi thủy tinh, carbon) thường dòn

do vậy khả năng đóng góp cho độ dai của vật liệu composite sẽ nhỏ

• Sợi gỗ (celluose) cho thấy khả năng chống gãy cao (high fracture energy)

• Do các cấu trúc phân tầng của lớp S2

• Chuyển thành phá hủy kéo trượt

tại bề mặt phân chia pha

Sự phá vỡ của liên kết tại bề mặt phân

chia pha

• Năng lượng liên kết tại bề mặt phân chia pha của composite thường bé (khoảng 0.01 kj.m-2) do vậy mức

độ đóng góp cho độ dai chung nhỏ

• Nếu độ bền liên kết tại bề mặt phân chia pha quá lớn →

??

Sự trượt và bị ”nhổ” ra của sợi

(Frictional sliding and fiber pull-out)

• Sau khi bị phá hủy sợi sẽ bị kéo trượt và nhổ ra khỏi vật liệu nền

• Năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng lực chống lại lực ma sát giữa sợi và nhựa

• Quá trình trên hấp thụ nhiều năng lượng (có thể đến khoảng hàng trăm kJ/m2 nếu lực ma sát và độ dài của sợi

bị nhỏ ra lớn)

• Năng lượng được giải phóng trong qua trình kéo trượt và nhổ ra của sợi phụ thuộc vào độ nhám của bề mặt, khoảng cách trượt