Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi

9.3.1.1. Sự phân bố và định hướng sợi

- Sợi phân bố song song với nhau theo một ph ương (hình 9.1a),độ bền theo phương dọc

sợi cao hơn phương vuông góc- sợi phân bố 1 chiều.

- Sợi đan vuông góc với nhau (hình 9.1b), theo 2 trục sợi độ bền cao hơn cả- kiểu dệt.

- Sợi phân bố nhiều phương (rối-hình 9.1c), compozit đẳng hướng theo tất cả các phương

trên mặt.

- Sợi được phân bố 3 phương vuông góc với nhau như ở hình (9.1d) thì compozit có tính

đẳng hướng.

9.3.1.2.Ảnh hưởng của chiều dài sợi

Điều quan trọng là kết cấu cốt sợi phải tập trung tải trọng vào sợi là pha có độ bền cao.

Có 2 loại cốt sợi: cốt sợi ngắn và cốt sợi dài.

Đối với loại cốt sợi ngắn: lực tác dụng sẽ gây biến dạng của nền n ơi liếp xúc giữa sợi và nền, một phần nền bị chảy (hình 9.2).

Cốt sợi dài: khi LS≥ lc mới làm tăng một cách có hiệu quả độ bền và độ cứng vững của

compozit. Chiều dài tới hạn lc này phụ thuộc đường kính d của sợi, giới hạn bền ( σb)S của sợi

và lực liên kết giữa sợi và nền (hay giới hạn chảy cắt của nền τm) theo biểu thức:

lc=  b S m d    , đặt S =  b S m   thì lc = S.d

Đối với compozit sợi thủy tinh hay sợi cacbon, lc ~ 1mm hay S= 20÷150

Người ta quy ước:

- Khi l > 15lc, compozit là là loại cốt liên tục hay cốt sợi dài,

Hình 9.2. Sơ đồ liên kết giữa nền và cốt

- Khi l < 15lc, compozit là loại cốt sợi không liên tục hay ngắn;

- Khi l < lc sợi không đủ dài để lực bám không gây biến dạng nền bao quanh sợi do đó không đủ truyền tải và được coi như compozit hạt.

Trên hình 9.3 trình bày sơ đồ cấu trúc của loại compozit cốt sợi trong đó loại cốt sợi liên tục thẳng hàng (thường chỉ gọi ngắn gọn là liên tục) như ở hình (a) là loại quan trọng hơn cả

sẽ được khảo sát dưới đây.

Hình 9.3. Sơ đồ phân bố sợi:

a. liên tục song song b. gián đoạn thẳng hàng

c. hỗn độn

9.3.2. Compozit cốt sợi liên tục song song 9.3.2.1. Khi kéo dọc

Gọi tỷ lệ thể tích sợi là VS của nền là Vn = 1-VS. Khi chịu kéo theo phương dọc trục sợi và coi liên kết nền - cốt là hoàn hảo: εC = εS = εn. Tải trọng tác dụng lên compozit PC=PS+Pn,

trong đó PS, Pn lần lượt là tải trọng lên sợi và lên nền. Do đó:

σC.AC =σS. AS +σn. An

Trong đó: (AC, AS, An) là tiết diện ngang của compzit, sợi và nền.Chia cả cho AC ta có:

S n C S n S S n n C C A A . . .V .V A A     

vì sợi bằng nhau và phân bố đều nên AS/AC=VS và An/AC=Vn, VS và Vn là tỷ lệ thể tích, do đó:

σC = σSVS + σnVn = σSVS + σn(1-VS), thay σ=Eε

= + = ESVS + En(1-VS) vì (εC=εS=εn=ε)

9.3.2.2. Khi kéo ngang

Lực kéo vuông góc với trục sợi (sợi không chịu đ ược lực ngang) thìứng suất tác dụng lên

các pha là như nhau và bằng ứng suất tác dụng lên compozit là:

σc = σS = σn = σ

nên độ biến dạng của compozit bằng tổng biến dạng của cốt và nền: εC= εS.VS + εn.Vn vì E    nên S n c S n .V + .V E E E    

Chia cả hai vế cho σ, ta có: S n S n S n c c S n n S S n S S S n V V E .E E E 1 = + E = E E E  V .E +V .E (1 V ).E V .E   (9.13)

biểu thức này giống (9.2), đó là giới hạn dưới của môđun đàn hồi của compozit hạt thô.

9.3.2.3.Ảnh hưởng của hàm lượng sợi

Ta thấy nếu tỷ lệ thể tích VS (hay còn gọi là hàm lượng) của sợi quá nhỏ thì sợi không đủ

tác dụng gia cường cho compozit. Chỉ khi min

S S

V V thì mới có tác dụng hoá bền. Giá trị

min S V có thể xác định theo công thức:    b n min n S b S V     

Trong đó:  b n,  b S lần lượt là giới hạn bền của nền và của sợi.

Như vậy compozit cốt sợi liên tục phải thỏa mãn hai điều kiện: sợi dài l > 15lc và lượng

sợi phải đủ lớn VS > VSmin.

9.3.3. Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng

Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng được trình bày ở hình 9.6b. Chiều dài sợi ngắn

(l<15lc) hiệu quả gia cường của sợi compozit không thể cao nh ư loại cốt sợi liên tục thẳng hàng. Môđun đàn hồi và giới hạn bền chỉ bằng khoảng 50-90% loại cốt sợi dài liên tục.

Cơ tính phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích của sợi và chiều dài hay yếu tố hình học của sợi S=l/d, được tính toán riêng rẽ cho 2 trường hợp sau:

- Khi lc < l < 15lc thì:     c   b c b S S n S l .V 1 1 V 2l          - Khi l < lc thì:  b c c S n n 1 .V 1 V d     

trong đó: σn-ứng suất tác dụng vào nền khi compozit bị phá hỏng τc- giới hạn bền cắt của nền

l, d - chiều dài, đường kính sợi.

Môđun đàn hồi được biểu thị như sau: Ec = k. ES.VS + En.Vn

Trong đó k - thông số biểu thị hiệu quả hóa bền mà độ lớn phụ thuộc vào hàm lượng thể

9.3.4. Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn

Bảng 9.1. Giá trị của thông số k ứng với định hướng khác nhau giữa sợi vàứng suất

Định hướng sợi Phương ứng suất k

dọc theo trục sợi 1

Tất cả các sợi song song

ngang với trục sợi 0

Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng nhất

trong mặt

theo phương bất kỳ trong mặt chứa

sợi

3 8 Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng nhất

theo ba chiều không gian theo phương bất kỳ

1 8

Dựa vào đường kính và đặc tính người ta phân cốt sợi thành ba loại: râu, sợi và dây nhỏ.

-Râu (râu đơn tinh thể): (whiskers) đường kính rất nhỏ (cỡ 1 ÷ 2μm), l/d > 1000, tạo bằng

kỹ thuật nuôi đơn tinh thể. Các đơn tinh thể (râu) này có mức độ hoàn thiện tinh thể rất cao

(hầu như chỉ có một lệch xoắn) và không có nứt, rỗng nên có độ bền rất cao (gần bằng độ bền

lý thuyết). Tuy nhiên râu vẫn chữa được dùng rộng rãi vì quáđắt và rất khó gắn kết vào nền.

Vật liệu để chế tạo râu có thể là grafit, SiC, Si3N, Al2O3.

-Sợi: tạo bằng công nghệ kéo, chuốt, d khoảng vài chục đến vài trăm μm, l/d rất khác

nhau. Vật liệu làm sợi có thể là polyme như polyamit, sợi thủy tinh, sợi cacbon,..

-Dây: là loại có đường kính nhỏ, thường là bằng kim loại: thép cacbon cao, vonfram, môlipđen, berili, titan. Loại cốt này được dùng để giabền lốp ôtô, khung tên lửa, ống dẫn cao

CHƯƠNG 10

LỰA CHỌN VÀ SỬ DỤNG HỢP LÝ VẬT LIỆU 1.1 NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU.

1.2.1 Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu

Vật liệu nói chung và vật liệu dùng trong cơ khí nói riêng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, các dụng cụ, các kết cấu công trình và tạo nên các sản phẩm cho cuộc sống v.v.

Tuy nhiên khi chế tạo và sử dụng, chúng ta cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa

chọn vật liệu thích hợp, bảo đảm chất l ượng và tính kinh tế của sản phẩm.

Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu như sau:

 Thứ nhất là yêu cầu về tính sử dụng.

Ðể bảo đảm một sản phẩm cơ khí có thể sử dụng được (tức làm việc được trong thực tế)

thì vật liệu chế tạo ra nó phải có cơ tính, lý tính, hóa tính v.v sao cho sản phẩm sử dụng được

bền lâu với độ tin cậy trong thời gian dự kiến.

 Thứ hai là tính công nghệ của vật liệu.

Tính công nghệ của vật liệu được hiểu là khả năng có thể gia công vật liệu bằng các phương pháp khác nhau như đúc, hàn, rèn, nhi ệt luyện v.v để tạo ra sản phẩm có chất lượng

phù hợp với yêu cầu sử dụng.

 Thứ ba là tính kinh tế.

Tính kinh tế là yêu cầu tất yếu của sản phẩm, nó đòi hỏi vật liệu chế tạo ra nó phải cho giá

thành thấp nhất trong khi các yêu cầu về công nghệ và sử dụng được thỏa mãn.

1.2.2 Những tính chất cơ bản của vật liệu

Trong khuôn khổ của môn học, cuốn sách này chỉ đề cập đến hai yêu cầu cơ bản ban đầu

với những tính chất cơ học, tính chất vật lý, tính chất hóa học, tính công nghệ đồng thời s ơ lược về độ tin cậy và tuổi thọ của vật liệu.

1.2.2.1 Tính chất cơ học.

Tính chất cơ học (hay cònđược gọi là cơ tính) của vật liệu là những đặc trưng cơ học biểu

thị khả năng của vật liệu chịu tác dụng của các loại tải trọng.

Các đặc trưng quan trọng của cơ tính là độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai và đập, độ bền

mỏi và tính chống mài mòn.

a. Ðộ bền.

Ðộ bền là khả năng cơ học của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủyvà

được ký hiệu bằng (xích ma). Ðơn vị đo độ bền được tính bằng N/mm2

, kN/m2, hay MPa.

Nhóm các đặc trưng cho độ bền bao gồm:

Giới hạn đàn hồidh(cònđược ký hiệu là Re).

Giới hạn đàn hồi làứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu đo mà sau khi bỏ nó đi mẫu không

bị biến dạng dẻo hoặc chỉ bị biến dạng dẻo rất nhỏ ù (độ biến dạng dư vào khoảng 0,001 –

Giới hạn đàn hồi được tính theo công thức: 0 F Pp dh   , (N/mm2 hay MPa).

Trong đó: F0(mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu.

Pp (N) là lực tác dụng.

Trong giai đoạn đàn hồi, nếu là đàn hồi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất  và biến dạng tuân theo định luật Hook, và nó có thể biểu diễn dưới dạng công thức đơn giản.

 = E., (MPa).

Với E (N/m2) là mô đun đàn hồi khi kéo, nén.

Người ta qui định gọi0,002 là giới hạn đàn hồi qui ước.

 Giới hạn chảyc(cònđược ký hiệu là R0,2).

Giới hạn chảy làứng suất tại đó vật liệu bị "chảy", tức tiếp tục bị biến dạng với ứng suất không đổi.

0

F Pc c 

 , (N/mm2 hay MPa).

Với Pc(N) là lực tác dụng bắt đầu biến dạng dẻo.

F0(mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu.

Thực tế rất khó xác định giá trị Pcứng với lúc vật liệu bắt đầu chảy, cho nên khi vật liệu

có tính dẻo kém, không có thềm chảy rõ, người ta thường qui ước tải trọng ứng với khi mẫu bị

biến dạng 0,2% là tải trọng chảy, vì thế giá trị

0 2 , 0 2 , 0 F P 

 được gọi là giới hạn chảy qui ước.

Giới hạn bềnb(cònđược ký hiệu là Rm).

Giới hạn bền làứng suất ứng với tải trọng tác dụng lớn nhất Pb hay Pmax làm cho thanh vật

liệu bị đứt. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 197-85 giới hạn bền cònđược gọi là giá trị độ bền tức thời.

Giới hạn bền được tính theo công thức:

0

F Pb b 

 , (N/mm2 hay MPa).

Với F0(mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu.

Pb(N) là lực tác dụng lớn nhất.

Trong hệ SI giới hạn bền được đo bằng N/mm2

. Giới hạn bền càng lớn, khả năng chịu tải

mà không gây phá hủy của kết cấu càng lớn.

Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực m à ta có các độ bền như độ bền kéo k, độ bền

uốnu và độ bền nén n v.v.

b. Ðộ dẻo:

Ðộ dẻo là khả năng biến dạng của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị

phá hủy.Ðộ dẻo được xác định bằng độ giãn dài tương đối (%) và độ thắt tỉ đối (%). Ðộ giãn dài tương đối (%)

Ðộ giãn dài tương đối là tỉ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài tuyệt đối của mẫu sau khi đứt với chiều dài ban đầu.

Ðộ giãn dài tương đối được tính theo công thức: % 100 . 0 0 1 l l l    , (%).

Với: l0 (mm) và l1 (mm) là độ dài của mẫu trước và sau khi kéo. Ðộ thắt tương đối hay độ thắt tỉ đối (%).

Ðộ thắt tỉ đối cũng là tỉ số tính theo phần trăm giữa độ thắt tuyệt đối của mẫu sau khi đứt

với diện tích mặt cắt ngang ban đầu. Ðộ thắt tỉ đối được tính theo công thức:

% 100 . 0 F F    , (%).

Trong đó F = F0– F1với F0và F1là tiết điện của

mẫu trước và sau khi kéo tính cùng đơn vị đo (mm2

). Vật liệu có độ giãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối càng lớn thì càng dẻo và ngược lại.

Có nhiều phương pháp thử để xác định độ bền và

độ dẻo của vật liệu nhưng thông dụng nhất là thử kéo.

 Thử kéo

Nội dung của phương pháp này là dùng máy kéo

nén vạn năng (hình 1.2)để kéo mẫu thử được làm theo tiêu chuẩn đến khi mẫu bị đứt.

Quá trình tăng tải sẽ gây ra biến dạng mẫu một lượngl.

Mối quan hệ giữa lực P và lượng biến dạng tuyệt đối l hoặc ứng suất  và biến dạng

tương đối được ghi lại trên giản đồ kéo.

Mẫu thử kéo được chọn theo những qui định riêng và có hình dạng, kích thước theo tiêu chuẩn.

Thử kéo là phương pháp tác động từ từ lên mẫu một tải trọng kéo cho đến khi mẫu đứt rời.

Hình 1.2 giới thiệu một loại máy thử kéo, nén vạn năng.

c. Ðộ cứng

Ðộ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng

thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén, lõm biến dạng trên mẫu càng lớn, càng sâu thìđộ cứng của mẫu đo càng kém. Ðođộ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng

để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hủy chi tiết.

Ðộ cứng có thể đo bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng đều dùng tải trọng ấnviên bi bằng thép nhiệt luyện cứng hoặcmũi côn kim cương hoặcmũi chóp kim cương lên bề mặt của

vật liệu cần thử, rồi xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu đo. Thường dùng các loại độ cứngBrinen (HB), độ cứngRockwell (HRC, HRB và HRA), và độ cứngVícke (HV).

d. Ðộ dai và chạm

Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (hay tải trọng và đập). Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đột ngột hay v à đập đó mà không bị phá hủy được gọi là độ dai và đập (hayđộ dai và chạm). Muốn thử và đập cần phải có mẫu

thử được lựa chọn theo những qui định ri êng như ngang hay dọc thớ, vị trí nào trên sản phẩm

và có hình dạng kích thước theo tiêu chuẩn.

Nhìn chung các nước đều qui định mẫu thử là thanh có tiết diện hình vuông 10 x 10 (mm) và có chiều dài 55 mm hoặc 75 mm. Chúng khác nhau chủ yếu ở hình dạng và kích thước của

vết khía trên mẫu, nơi tập trung ứng suất để phá hủy dòn.

Hiện nay, người ta sử dụng phổ biến hai phương pháp thử và đập và kèm theo đó là hai

dạng mẩu thử:

 Loại Charpy (có chiều dài 55 mm).

 Loại Izod (có chiều dài 75 mm).

TCVN 312 - 69 qui định một mẫu chính và bốn mẫu phụ. Sơ đồ thử và đập được mô tả

trên hình 1.6.

Búa với khối lượng P được thả rơi tự do từ độ cao h, đập vào mẫu rồi làm vỡ nó, vì thế

chỉ trở về tới độ cao h' < h. Năng lượng và đập dùng để phá hủy mẫu được ký hiệu là AK và

được xác định theo công thức:

AK= P.h - P.h' = P.(h - h').

Năng lượng (phá hủy do) và đập AK được tính theo đơn vị công, trước đây theo kG.m,

theo hệ quốc tế SI được đo bằng Jun(J) với 1J = 1N.m.

Trong các qui định của TCVN và một số nước độ dai và đập được ký hiệu là ak. Nó là

công cần thiết để phá hủy một đơn vị diện tích, mặt cắt ngang của mẫu ở chỗ có rãnh vàđược xác định theo công thức: