Transcript 4.4 Đặc tính nén - Đại học Thái Nguyên

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
4.2. Nguyên lý chung
Tổng quan về thí nghiệm cơ học

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
4.2. Nguyên lý chung
Các đặc điểm của thí nghiệm VLC

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.
1
 E1 1  2
b

 G1 2 
4.3. Đặc tính kéo
Mẫu thí nghiệm kéo (1969)
(a)
(b)
(c)
Mẫu ASTM D 638
Mẫu cạnh thẳng (Dastin);
Mẫu cổ dài (long-neck), dạng nơ (bow-tie) (Dastin);
5
4.3. Đặc tính kéo
Mẫu thí nghiệm kéo (1969)
(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);
6
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 CRAG
300 (0°) và 301 (90°) 7
Các mẫu kéo VLC lệch trục hiện tại
ASTM D 3039
ISO 527
CRAG method 302
8
Sơ đồ thí nghiệm
9
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
10
Thiết bị thí nghiệm
Đo biến dạng
11
Thiết bị thí nghiệm
Đo biến dạng
12
13
Xử lý dữ liệu
Quan hệ giữa biến dạng thực và quy đổi


y = ax+b
Biến dạng mẫu = a  biến dạng đo qua chuyển dịch đầu kẹp + b
14
Xử lý dữ liệu
Quan hệ giữa ứng suất - biến dạng
15
Xử lý dữ liệu
Xác định độ bền kéo và biến dạng phá hỏng
16
Xử lý dữ liệu
Xác định modul đàn hồi kéo
17
Xử lý dữ liệu
Xác định hệ số Poisson
18
Quy đổi dữ liệu
Đường cong ứng suất – biến dạng
19
Đặc trưng phá hỏng ở các lớp đơn hướng
Ứng suất kéo (10.000 psi)
Đường cong ứng suất – biến dạng
Biến dạng kéo (%)
20
Đặc trưng phá hỏng ở các lớp đơn hướng
Đường cong ứng suất – biến dạng
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
21
4.4 Đặc tính nén
Giới thiệu


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.
22
4.4 Đặc tính nén
Phương pháp Celanese

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
23
4.4 Đặc tính nén
Phương pháp Celanese
Đồ gá thí nghiệm nén Celanese
24
4.4 Đặc tính nén
Phương pháp IITRI

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.
25
4.4 Đặc tính nén
Phương pháp IITRI
Chiều dài chuẩn của mẫu là140 mm
 Có thể dùng mẫu có hoặc không có đầu kẹp.

26
4.4 Đặc tính nén
Phương pháp nén cạnh Sandwich

Ứng suất nén trung
bình trong lớp vật
liệu được tính toán
với giả thiết phần lõi
không chịu lực.
27
4.4 Đặc tính nén
Xử lý dữ liệu
Bảng thực nghiệm theo phương pháp thứ 3 các đặc tính
nén của vật liệu composite cốt sợi Carbon và Boron
28
4.4 Đặc tính nén
Xử lý dữ liệu
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.
29
4.5 Đặc tính uốn
Giới thiệu

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.
30
4.5 Đặc tính uốn
Giới thiệu
 UF 
3 Pm ax L
2 bh
2
3
EF 
mL
4 bh
3

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
31
4.5 Đặc tính uốn
Giới thiệu
32
4.5 Đặc tính uốn
Biểu đồ lực-độ võng của các lớp đơn hướng đúng trục
chịu uốn ba điểm
33
4.5 Đặc tính uốn
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
34
4.6 Các đặc tính trượt
Giới thiệu


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.
35
4.6 Các đặc tính trượt
Thí nghiệm cắt ±45
xx ,xx and yy, represent tensile stress,
longitudinal strain, and transverse
strain, respectively, in the [±45]nS
tensile specimen.
36
4.6 Các đặc tính trượt
Thí nghiệm cắt ±45
A typical tensile stress–tensile strain response of a [±45]nS
boron–epoxy laminate and the corresponding shear stress shear
strain diagram
37
4.6 Các đặc tính trượt
Thí nghiệm lệch trục 100
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
38
4.6 Các đặc tính trượt
Thí nghiệm cắt Iosipescu

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
39
4.6 Các đặc tính trượt
Thí nghiệm cắt Iosipescu
40
4.6 Các đặc tính trượt
Thí nghiệm cắt Iosipescu
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:
P

 12 
wh
41
4.6 Các đặc tính trượt
Thí nghiệm cắt Iosipescu


Biến dạng cắt được đo bằng cặp sensor dán chéo
±450 giữa các rãnh cắt chữ V.
Biến dạng cắt:
 

12
45
0
45
0
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.

42
4.6 Các đặc tính trượt
Thí nghiệm cắt Iosipescu
43
4.6 Các đặc tính trượt
Thí nghiệm cắt Iosipescu
Các đặc tính trượt của các lớp [0] và [± 45]S
So sánh:
Với thép: 75.8 GPa (11 Msi) và nhôm: 26.9 GPa (3.9 Msi).
Nhận xét
1. 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
44