ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU cOMPOsITe LỚP

ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU COMPOSITE LỚP

CHƯƠNG 4

4.1. Giới thiệu

Là các tính chất và ứng xử của nó khi chịu kéo, nén, cắt ở dạng tĩnh/ động theo môi trường thực hay phòng thí nghiệm

Là thông tin cơ bản để lựa chọn vật liệu khi thiết kế Được xác định bằng cách tiến hành các thử nghiệm vật lý

và cơ học trong các điều kiện của phòng thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm khác với các phương pháp thí

nghiệm đối với vật liệu đẳng hướng. Đối tượng chính: Composite nền nhựa nhiệt cứng cốt sợi

liên tục

Tổng quan về thí nghiệm cơ học4.2. Nguyên lý chung

Các đối tượng của thí nghiệm cơ học: Kiểm soát chất lượng Đảm bảo chất lượng So sánh giữa các vật liệu và lựa chọn Tính toán thiết kế Dự báo đặc tính dưới các điều kiện làm việc khác

với điều kiện thí nghiệm Chỉ thị các chương trình phát triển vật liệu Xuất phát điểm cho các lý thuyết mô hình hóa

Các đặc điểm của thí nghiệm VLC4.2. Nguyên lý chung

Những đặc điểm phát sinh từ lý thuyết đàn hồi dị hướng Tạo ra trường ứng suất không đổi trong vật mẫu Tránh hiệu ứng biên Đảm bảo mức đặt tải thích hợp mà không gây hư hại hay gần

phá hỏng tại các điểm đặt tải Kích thước mẫu phù hợp trong tương quan tỷ lệ với kết cấu

không đồng nhất Tương tác kéo - cắt.

12

11

12

EbG

5

Mẫu thí nghiệm kéo (1969)4.3. Đặc tính kéo

(a) Mẫu ASTM D 638 (b) Mẫu cạnh thẳng (Dastin); (c) Mẫu cổ dài (long-neck), dạng nơ (bow-tie) (Dastin);

6

Mẫu thí nghiệm kéo (1969)4.3. Đặc tính kéo

(d) Mẫu dạng vai, có đầu kẹp cho lớp 90° (Hoggart); (e) Mẫu cạnh thẳng, có đầu kẹp cho lớp 00; (f) Mẫu cạnh thẳng, có đầu kẹp (Elkin);

7

Các mẫu kéo VLC đúng trục (0° và 90°) hiện tại

ASTM D 30393 (00)

ASTM D 30393 (900)

ISO 5276 (0°);

Các phương pháp CRAG300 (0°) và 301 (90°)

8

Các mẫu kéo VLC lệch trục hiện tại

ASTM D 3039

ISO 527

CRAG method 302

9

Sơ đồ thí nghiệm

10

Sơ đồ thí nghiệm

Mục đích thí nghiệm Xác định modul Young modulus (E), hệ số Poisson (), ứng suất và

biến dạng phá hủy (σu , εu)

Xây dựng biểu đồ ứng suất – biến dạng.

Máy thí nghiệm Instron 4505 có cơ cấu kẹp thủy lực, load cell

loại 100 kN; tốc độ kéo thiết lập 1 mm/phút đối với kéo dọc

phương sợi và 3 mm/phút với thí nghiệm kéo lệch trục.

Để ghi chuyển vị theo cả hai phương dọc và ngang trong quá

trình thí nghiệm, sử dụng các thiết bị đo độ giãn

(extensometer) với khoảng đo 50mm và 25mm.

Kích thước mẫu 25 x 250 mm

11

Đo biến dạngThiết bị thí nghiệm

12

Đo biến dạngThiết bị thí nghiệm

13

14

Quan hệ giữa biến dạng thực và quy đổi

Xử lý dữ liệu

y = ax+b Biến dạng mẫu = a biến dạng đo qua chuyển dịch đầu kẹp + b

15

Quan hệ giữa ứng suất - biến dạng


16

Xác định độ bền kéo và biến dạng phá hỏng


17

Xác định modul đàn hồi kéo


18

Xác định hệ số Poisson


19

Đường cong ứng suất – biến dạngQuy đổi dữ liệu

20

Đường cong ứng suất – biến dạngĐặc trưng phá hỏng ở các lớp đơn hướng

Biến dạng kéo (%)

Ứng

suấ

t kéo

(10.

000

psi)

21

Đường cong ứng suất – biến dạngĐặc trưng phá hỏng ở các lớp đơn hướng

Phá hỏng do đứt sợi, kèm theo đó là sự tách dọc (sự bong dán dọc theo tiếp giáp sợi – nhựa) theo phương sợi. Dạng phá hỏng này tạo

thành hình chổi đặc trưng ở vùng bị phá hủy của mẫu 00

Với các mẫu 900, hư hỏng chủ yếu là do sự đứt gãy của nền hay tiếp giáp sợi – nhựa

Ở các góc trung gian, hư hỏng có thể xuất hiện ở nhiều dạng, bao gồm tiếp giáp sợi – nhựa bị hỏng do trượt, nền bị hỏng do trượt và đứt gãy của nhựa

Mô hình phá hỏng các lớp đơn hướng:

(a) = 00, (b) = 900, (c) 0 < < 900

22

Giới thiệu4.4 Đặc tính nén

Các đặc tính nén của tấm composite mỏng rất khó đo bởi vì có hiện tượng mất ổn định ngang ở mẫu nén. Các phương pháp thí nghiệm và mẫu thí nghiệm phải đảm bảo yêu cầu khắc phục vấn đề ổn định

Có ba phương pháp thí nghiệm Phương pháp Celanese: Đây là thí nghiệm chuẩn ASTM đầu

tiên được phát triển để thử nén mẫu composite cốt sợi; tuy nhiên, ở phương pháp này còn một số hạn chế nên không còn được dùng như một phương pháp thử chuẩn.

Phương pháp IITRI: Do viện nghiên cứu công nghệ Illinois phát triển, sau đó được chấp nhận như phương pháp thí nghiệm nén chuẩn cho VLC (ASTM D3410).

Phương pháp nén cạnh Sandwich.

23

Phương pháp Celanese4.4 Đặc tính nén

Strain gages are mounted in the gage section to measure longitudinal and transverse strain data from which compressive modulus and Poisson’s ratio are determined

24

Phương pháp Celanese4.4 Đặc tính nén

Đồ gá thí nghiệm nén Celanese

25

Phương pháp IITRI 4.4 Đặc tính nén

Tương tự như phương pháp Celanese. Nhưng đầu kẹp hình nêm dạng côn được thay bằng dạng phẳng Tiếp xúc giữa mặt nêm và

ống kẹp tốt hơn vằ nâng cao khả năng định tâm

Phù hợp với nhiều mẫu có chiều dầy khác nhau.

26

Phương pháp IITRI 4.4 Đặc tính nén

Chiều dài chuẩn của mẫu là140 mm Có thể dùng mẫu có hoặc không có đầu kẹp.

27

Phương pháp nén cạnh Sandwich4.4 Đặc tính nén

Ứng suất nén trung bình trong lớp vật liệu được tính toán với giả thiết phần lõi không chịu lực.

28


4.4 Đặc tính nén

Bảng thực nghiệm theo phương pháp thứ 3 các đặc tính nén của vật liệu composite cốt sợi Carbon và Boron

29


4.4 Đặc tính nén

Các đặc tính nén phụ thuộc vào loại sợi và cấu hình lớp. Dữ liệu thí nghiệm nén đối với VLC cốt sợi khá hạn chế. Một số

nhận xét từ dữ liệu nén các lớp composite 00:1. Không như các kim loại dẻo, VLC có modul nén nhỏ hơn nhiều so với

modul kéo.2. Không như các đường cong ứng suất - biến dạng kéo, các đường cong

ứng suất – biến dạng nén của các lớp 00 có thể là phi tuyến.3. Độ bền nén dọc của các lớp 00 phụ thuộc vào loại sợi, tỷ lệ sợi/nhựa, độ

bền uốn của vật liệu nền, tỷ lệ đường kính/chiều dài sợi, độ song song của sợi, cũng như độ bền cắt của tương tác sợi- nhựa.

4. Trong số các loại sợi thương mại, độ bền và modul nén của composite sợi kevlar 49 thấp hơn nhiều so với độ bền và modul kéo của nó. Độ bền và modul nén của composite sợi carbon và thủy tinh thấp hơn 1 chút và composite sợi boron hầu như không có sự khác biệt về các đặc tính kéo-nén.

30

Giới thiệu

4.5 Đặc tính uốn

Các đặc tính uốn, như độ bền và các modul uốn được xác định bằng phương pháp thí nghiệm ASTM D790.

Mẫu thí nghiệm là 1 dầm vật liệu composite tiết diện hình chữ nhật được đặt tải theo chế độ uốn 3 điểm hoặc uốn 4 điểm.

Ứng suất sợi lớn nhất khi bị phá hủy ở mặt (thớ) chịu kéo của mẫu được gọi là độ bền uốn của vật liệu.

Độ bền uốn trong thí nghiệm uốn 3 điểm được xác định dựa trên lý thuyết dầm của vật liệu đồng nhất.

Các modul uốn được tính toán từ hệ số góc của đường cong tải trọng – độ võng.

31

Giới thiệu


Pmax - tải trọng lớn nhất khi mẫu bị phá hỏng b - chiều rộng; h = chiều cao và L – chiều dài mẫu m là độ dốc (hệ số góc) của đường cong tải trọng – độ võng

maxUF 2

32P Lbh

3

F 3E4mLbh

32

Giới thiệu


33

Biểu đồ lực-độ võng của các lớp đơn hướng đúng trục chịu uốn ba điểm


34

Đặc tính kéo và uốn của các lớp Quasi-Isotropic


a- thí nghiệm uốn 4 điểm với L/h = 32 và L/b = 4.8. b-vật liệu : AS carbon fiber–epoxy composite, vf = 0.6

35

Giới thiệu4.6 Các đặc tính trượt

Các đặc tính trượt gồm modul G12 và độ bền trượt 12U của composite cốt sợi đơn hướng.

Ba phương pháp thí nghiệm để xác định các đặc trưng trượt: Thí nghiệm cắt ±45: Thí nghiệm (ASTM D3518) bao gồm thí

nghiệm kéo đơn, lớp composite đối xứng [+45/-45]nS. Thí nghiệm lệch trục 100: Bao gồm thí nghiệm kéo đơn, lớp

đơn hướng với phương sợi 100 so với phương lực kéo. Thí nghiệm cắt Iosipescu: (ASTM D5379) do Nicolai Iosipescu

phát triển để thí nghiệm cho các vật liệu đẳng hướng sau đó được Walrath và Adams chấp nhận để xác định độ bền và modul trượt cho vật liệu composite.

36

Thí nghiệm cắt ±454.6 Các đặc tính trượt

xx ,xx and yy, represent tensile stress, longitudinal strain, and transverse strain, respectively, in the [±45]nS tensile specimen.

37

Thí nghiệm cắt ±454.6 Các đặc tính trượt

A typical tensile stress–tensile strain response of a [±45]nS boron–epoxy laminate and the corresponding shear stress shear strain diagram

38

Thí nghiệm lệch trục 100

4.6 Các đặc tính trượt

Biến dạng trượt 12 được xác định bằng cách đo các giá trị biến dạng theo 3 phương khác nhau bằng các dụng cụ đo biến dạng gắn trên mẫu

39

Thí nghiệm cắt Iosipescu4.6 Các đặc tính trượt

It uses a double V-notched test specimen, which is tested in a four-point bending fixture

A uniform transverse shear force is created in the gage section of the specimen, while the bending moment at the notch plane is zero. Various analyses have shown that except at the close vicinity of the notch roots, a state of pure hear exist s at the notch plane. The presence of notch creates a shear stress concentration at the notch root, which reduces with increasing notch angle and notch root radius , but increases with increasing orthotropy, that is, increasing (E 11 = E22 ). Typical Iosipescu specimens use a 90 8 notch angle, notch depth equal to 20% of the specimen width, and notch root radius of 1.3 mm

40


41


Sử dụng mẫu thử với rãnh cắt chữ V kép, sơ đồ đặt lực tương tự như thí nghiệm uốn 4 điểm với trạng thái trượt thuần túy tại mặt phẳng rãnh cắt.

Ứng suất cắt tập trung tại mặt cắt ngang qua đáy rãnh. Ứng suất tập trung giảm nếu tăng góc chữ V và bán kính đáy rãnh nhưng tăng với tính chất trực hướng của vật liệu (E1=E2).

Mẫu thí nghiệm Iosipescu thường sử dụng góc chữ V 900, độ sâu rãnh bằng 20% chiều rộng mẫu và bán kính đáy rãnh 1.3 mm

Ứng suất cắt:12 w

Ph

42


Biến dạng cắt được đo bằng cặp sensor dán chéo ±450 giữa các rãnh cắt chữ V.

Biến dạng cắt:

Các mẫu 00 được sử dụng để đo độ bền cắt và modul cắt của VLC cốt sợi liên tục

Các mẫu 900 chỉ ra sự phá hỏng do các ứng suất kéo và cắt xuất hiện bên ngoài mặt phẳng rãnh.

Sơ đồ các dạng phá hỏng chấp nhận được và không chấp nhận được ở các mẫu 00 và 900 như sau.

0 012 45 45

43


44


So sánh: Với thép: 75.8 GPa (11 Msi) và nhôm: 26.9 GPa (3.9 Msi).

Nhận xét1. Quan hệ ứng suất – biến dạng trượt của VLC là phi tuyến.2. Các lớp 00 có độ bền kéo và modul kéo dọc rất cao, nhưng các đặc tính cắt của

chúng lại thấp

Các đặc tính trượt của các lớp [0] và [± 45]S

Documents

ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU cOMPOsITe LỚP