Chương 9: Compozit

Chia sẻ: Nguyễn Văn Ngọ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

142
lượt xem 58
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn tới các nhu cầu to lớn về loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 9: Compozit

329 compozit Ch¬ng 9 Sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghiÖp hiÖn ®¹i dÉn tíi c¸c nhu cÇu to lín vÒ lo¹i vËt liÖu ®ång thêi cã nhiÒu tÝnh chÊt mµ c¸c vËt liÖu võa häc (kim lo¹i, ceramic, polyme) khi ®øng riªng rÏ kh«ng cã ®îc mµ næi bËt lµ lo¹i võa bÒn l¹i võa nhÑ, rÎ l¹i cã tÝnh chèng ¨n mßn cao. Compozit (hay cßn gäi lµ vËt liÖu kÕt hîp) ra ®êi trong mÊy chôc n¨m gÇn ®©y ®¸p øng ®îc c¸c yªu cÇu ®ã, ®∙ øng dông vµ ph¸t triÓn tíi tr×nh ®é cao quy luËt kÕt hîp - mét quy luËt phæ biÕn trong tù nhiªn. Ngµnh khoa häc vµ c«ng nghÖ vÒ compozit ®∙ cã nhiÒu s¶n phÈm dïng trong mäi lÜnh vùc: tõ «t«, m¸y bay cho ®Õn vËt liÖu chØnh h×nh vµ hiÖn ph¸t triÓn m¹nh ®Õn møc nhiÒu ngêi cho r»ng thÕ kû 21 sÏ lµ v¨n minh cña compozit. 9.1. Kh¸i niÖm vÒ compozit 9.1.1. Quy luËt kÕt hîp Tõ l©u ngêi ta ®∙ biÕt sù kÕt hîp tÝnh chÊt cña c¸c pha trong vËt liÖu ®a pha. VÝ dô, ®é bÒn cao cïng víi ®é dÎo t¬ng ®èi tèt cña thÐp cïng tÝch lµ sù kÕt hîp cña ®é dÎo, ®é dai cao cña nÒn ferit víi tÝnh cøng v÷ng cña c¸c tÊm (h¹t) xªmentit n»m xen trong ®ã. Gç, tre kh¸ cøng v÷ng, bÒn, dai chÝnh lµ nhê c¸c tÝnh chÊt t¬ng øng cña sîi xenlul« (bÒn, dai) ®îc ph©n bè theo híng x¸c ®Þnh víi lignin (cøng v÷ng) bao quanh. §ã lµ b»ng c¸c con ®êng kÕt hîp tù nhiªn. B»ng con ®êng kÕt hîp nh©n t¹o c¸c pha cã b¶n chÊt kh¸c nhau theo mét kiÕn tróc ®Þnh tríc sÏ b¶o ®¶m t¹o nªn mét tæ hîp c¸c tÝnh chÊt phï hîp víi c¸c yªu cÇu sö dông ®Ò ra. VËy compozit lµ lo¹i vËt liÖu nhiÒu pha kh¸c nhau vÒ mÆt hãa häc, hÇu nh kh«ng tan vµo nhau, ph©n c¸ch nhau b»ng ranh giíi pha, kÕt hîp l¹i nhê sù can thiÖp kü thuËt cña con ngêi theo nh÷ng s¬ ®å thiÕt kÕ tríc, nh»m tËn dông vµ ph¸t triÓn nh÷ng tÝnh chÊt u viÖt cña tõng pha trong compozit cÇn chÕ t¹o. 9.1.2. §Æc ®iÓm vµ ph©n lo¹i a. §Æc ®iÓm Compozit cã nh÷ng ®Æc ®iÓm chÝnh sau. - Lµ vËt liÖu nhiÒu pha mµ chóng thêng rÊt kh¸c nhau vÒ b¶n chÊt, kh«ng hßa tan lÉn nhau vµ ph©n c¸ch nhau b»ng ranh giíi pha. Trong thùc tÕ, phÇn lín compozit lµ lo¹i hai pha gåm nÒn lµ pha liªn tôc trong toµn khèi, cèt lµ pha ph©n bè gi¸n ®o¹n. - NÒn vµ cèt cã tû lÖ, h×nh d¸ng, kÝch thíc vµ sù ph©n bè theo thiÕt kÕ ®∙ ®Þnh tríc. - TÝnh chÊt cña c¸c pha thµnh phÇn ®îc kÕt hîp l¹i ®Ó t¹o nªn tÝnh chÊt chung cña compozit. Tuy nhiªn ®ã kh«ng ph¶i lµ sù céng ®¬n thuÇn tÊt c¶ c¸c tÝnh chÊt cña c¸c pha thµnh phÇn khi chóng ®øng riªng rÏ mµ chØ lùa chän trong ®ã nh÷ng tÝnh chÊt tèt vµ ph¸t huy thªm.
330 b. Ph©n lo¹i Th«ng thêng dïng c¸ch ph©n lo¹i theo c¸c ®Æc trng cña nÒn vµ cèt, tøc c¸c pha c¬ b¶n. Theo b¶n chÊt cña nÒn cã: - compozit nÒn chÊt dÎo (polyme), - compozit nÒn kim lo¹i, - compozit nÒn ceramic, - compozit nÒn hçn hîp nhiÒu pha. Theo ®Æc ®iÓm cÊu tróc cña cèt cã thÓ ph©n lo¹i compozit thµnh ba nhãm: compozit cèt h¹t, compozit cèt sîi vµ compozit cÊu tróc nh tr×nh bµy ë h×nh 9.1. Lo¹i cèt h¹t vµ lo¹i cèt sîi kh¸c nhau ë kÝch thíc h×nh häc cña cèt: cèt sîi cã tû lÖ chiÒu dµi trªn ®êng kÝnh kh¸ lín, cßn cèt h¹t lµ c¸c phÇn tö ®¼ng trôc. Kh¸i niÖm vÒ compozit cÊu tróc lµ ®Ó chØ c¸c b¸n thµnh phÈm d¹ng tÊm, líp lµ vËt liÖu ®ång nhÊt vµ compozit kh¸c. Trong tõng lo¹i cèt: h¹t, sîi nÒn víi kÝch thíc kh¸c nhau cßn ®îc chia tiÕp thµnh c¸c nhãm nhá h¬n: h¹t th« vµ h¹t mÞn, sîi liªn tôc vµ sîi gi¸n ®o¹n... COMPOZIT ↓ ↓ ↓ Cèt h¹t Cèt sîi Compozit cÊu tróc ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ H¹t th« H¹t mÞn Liªn tôc Gi¸n ®o¹n Líp TÊm ba líp Tæ ong ↓ ↓ ↓ Cã híng NgÉu nhiªn H×nh 9.1. S¬ ®å ph©n lo¹i compozit 9.1.3. Liªn kÕt nÒn - cèt Compozit chØ thùc sù kÕt hîp tèt c¸c tÝnh chÊt cña nÒn vµ cèt khi liªn kÕt gi÷a chóng lµ hoµn h¶o. TiÕp theo tr×nh bµy c¸c ®Æc ®iÓm cña nÒn, cèt vµ t¬ng t¸c gi÷a chóng cho compozit kÕt cÊu (chÞu t¶i). a. Cèt Nh ®∙ biÕt cèt lµ pha kh«ng liªn tôc, ®ãng vai trß t¹o nªn ®é bÒn cao, m«®un ®µn håi (®é cøng v÷ng) cao cho compozit, do vËy cèt ph¶i lµ lo¹i cã c¸c ®Æc tÝnh ®ã, ®ång thêi ph¶i nhÑ ®Ó t¹o nªn ®é bÒn riªng cao. Cèt cã thÓ ®îc lµm b»ng tÊt c¶ c¸c lo¹i vËt liÖu ®∙ häc: kim lo¹i, ceramic vµ polyme. TØ mØ h¬n vÒ chóng ®îc tr×nh bµy trong tõng lo¹i compozit tiÕp theo. Nh sÏ thÊy râ sau nµy, h×nh d¹ng, kÝch thíc, mËt ®é vµ sù ph©n bè cña sîi lµ nh÷ng yÕu tè cã ¶nh hëng m¹nh ®Õn c¬ tÝnh cña compozit. b. NÒn NÒn lµ pha liªn tôc, ®ãng vai trß chñ yÕu ë c¸c mÆt sau. - Liªn kÕt toµn bé c¸c phÇn tö cèt thµnh mét khèi compozit thèng nhÊt. - T¹o kh¶ n¨ng ®Ó tiÕn hµnh c¸c ph¬ng ph¸p gia c«ng compozit thµnh c¸c
331 chi tiÕt theo thiÕt kÕ. - Che phñ, b¶o vÖ cèt tr¸nh c¸c h háng do c¸c t¸c ®éng hãa häc, c¬ häc vµ cña m«i trêng. Yªu cÇu chñ yÕu ®èi víi nÒn lµ ph¶i nhÑ vµ cã ®é dÎo cao. Phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña compozit cÇn chÕ t¹o, ngêi ta chän lo¹i nÒn phï hîp trong bèn nhãm: kim lo¹i, ceramic, polyme vµ hçn hîp. c. Liªn kÕt nÒn - cèt Liªn kÕt tèt gi÷a nÒn vµ cèt t¹i vïng ranh giíi pha lµ yÕu tè quan träng nhÊt b¶o ®¶m cho sù kÕt hîp c¸c ®Æc tÝnh tèt cña hai pha trªn. §Ó t¨ng cêng ®é g¾n ch¾c nÒn - cèt, ngêi ta cã thÓ ¸p dông c¸c biÖn ph¸p sau. - Liªn kÕt c¬ häc, ®îc thùc hiÖn nhê khíp nèi th«ng qua ®é mÊp m« trªn bÒ mÆt do lùc ma s¸t nh kiÓu bªt«ng cèt thÐp cã g©n (®èt). - Liªn kÕt nhê thÊm ít do n¨ng lîng søc c¨ng bÒ mÆt v× pha nÒn bÞ nung ch¶y vµ dÝnh ít víi cèt nªn cã sù khuÕch t¸n tuy rÊt nhá, t¹o nªn søc c¨ng bÒ mÆt. - Liªn kÕt ph¶n øng, xuÊt hiÖn khi trªn ranh giíi pha x¶y ra ph¶n øng t¹o hîp chÊt hãa häc, nã nh líp keo dÝnh chÆt cèt víi nÒn. §©y lµ lo¹i liªn kÕt tèt nhÊt. - Liªn kÕt «xyt, lo¹i liªn kÕt ph¶n øng ®Æc trng cho nÒn kim lo¹i víi cèt lµ «xyt cña chÝnh kim lo¹i ®ã. Sau ®©y tr×nh bµy ®Æc tÝnh cña tõng lo¹i compozit h¹t, sîi vµ cÊu tróc. 9.2. Compozit h¹t Compozit h¹t lµ lo¹i cã cèt lµ c¸c h¹t ®¼ng trôc, cøng, bÒn («xyt, nitrit, cacbit, borit) (®«i khi lµ c¸c h¹t mÒm nh grafit, mica thuéc lo¹i chèng ma s¸t, kh«ng thuéc lo¹i (compozit) kÕt cÊu, träng t©m cña ch¬ng nµy). Trong lo¹i nµy nh ®∙ ph©n lo¹i (h×nh 9.1) l¹i cã h¹t th« vµ h¹t mÞn. 9.2.1. Compozit h¹t th« Compozit h¹t th« rÊt ®a d¹ng vµ ®îc sö dông phæ biÕn trong c¸c lÜnh vùc c«ng nghiÖp, x©y dùng. a. §Æc ®iÓm Kh¸i niÖm "th«" ®îc dïng ®Ó chØ t¬ng t¸c gi÷a nÒn vµ cèt kh«ng x¶y ra ë møc ®é nguyªn tö, ph©n tö, lóc nµy sù hãa bÒn cã ®îc lµ nhê sù c¶n trë biÕn d¹ng cña nÒn ë vïng l©n cËn víi h¹t cèt do sù chÌn Ðp theo quan ®iÓm cña c¬ häc m«i trêng liªn tôc. Tïy theo ®Æc tÝnh ph©n bè cña h¹t trong nÒn mµ quy t¾c kÕt hîp (hçn hîp) cho m«®un ®µn håi Ec cña compozit phô thuéc vµo tû lÖ thÓ tÝch, m«®un ®µn håi cña nÒn (matrice): Vm, Em vµ cña cèt h¹t (particle): Vp, Ep n»m trong ph¹m vi gi÷a hai ®êng biÓu thÞ ë h×nh 9.2 bëi hai biÓu thøc to¸n häc sau: E c = E m .Vm + E p .Vp (®êng th¼ng trªn) (9.1) E m .E p Ec = (®êng cong díi) (9.2) Vm .E p + Vp .E m
332 H×nh 9.2. Sù phô thuéc cña m«®un ®µn håi vµo hµm lîng cèt trong compozit nÒn Cu cèt h¹t W Sù hãa bÒn tèt nhÊt (giíi h¹n trªn) thÓ hiÖn ë ph¬ng h¹t bè trÝ dµy ®Æc h¬n, cßn kÐm nhÊt (giíi h¹n díi) ë ph¬ng h¹t s¾p xÕp tha h¬n c¶. VËy compozit lo¹i nµy cã tÝnh chÊt phô thuéc thµnh phÇn (hµm lîng cèt) n»m trong kho¶ng gi÷a hai ®êng giíi h¹n trªn vµ díi nµy. b. C¸c compozit h¹t th« th«ng dông. Hîp kim cøng ®∙ tr×nh bµy ë ch¬ng 6 (môc 6.4.2a) t¹o ra b»ng ph¬ng ph¸p luyÖn kim bét còng cã thÓ coi lµ compozit h¹t th«, trong ®ã c¸c phÇn tö cøng lµ cacbit: WC, TiC, TaC ®îc liªn kÕt b»ng Co (nÒn). Hîp kim cøng lµ vËt liÖu c¾t rÊt th«ng dông víi hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. C¸c hîp kim lµm tiÕp ®iÓm cã sù kÕt hîp tèt cña c¸c kim lo¹i khã ch¶y (W, Mo) víi c¸c kim lo¹i cã tÝnh dÉn nhiÖt cao (Cu, Ag) còng lµ lo¹i compozit h¹t th« nÒn kim lo¹i, trong ®ã mét tÝnh chÊt (E) cña lo¹i nÒn Cu cèt W ®∙ ®îc tr×nh bµy ë h×nh 9.2. Bªt«ng lµ compozit h¹t th« nÒn ceramic ®îc dïng réng r∙i nhÊt. Trong bªt«ng, cèt chÝnh lµ c¸c h¹t r¾n kh¸ lín (®¸, sái) hay nhá (c¸t vµng) ®îc liªn kÕt víi nhau bëi nÒn cøng lµ xim¨ng. TÝnh chÊt cña bªt«ng ®∙ ®îc tr×nh bµy ë ch¬ng 7 (môc 7.4.3). Ngêi ta cã thÓ ®a c¸c h¹t víi vai trß chÊt ®én vµo polyme ®Ó c¶i thiÖn ®é bÒn, tÝnh chèng mµi mßn, æn ®Þnh kÝch thíc, chÞu nhiÖt, lóc ®ã s¶n phÈm polyme thu ®îc nh lµ compozit h¹t th« nÒn polyme [hay chÊt dÎo t¨ng cêng (®é bÒn)]. C¸c h¹t ®én thêng lµ th¹ch anh, thñy tinh, «xyt nh«m, ®Êt sÐt, ®¸ v«i. 9.2.2. Compozit h¹t mÞn (hãa bÒn ph©n t¸n) Compozit h¹t mÞn lµ lo¹i cã tÝnh n¨ng ®Æc biÖt: bÒn nãng vµ æn ®Þnh nãng. a. §Æc ®iÓm NÒn c¸c compozit nµy thêng lµ kim lo¹i vµ hîp kim. C¸c phÇn tö cèt cã kÝch thíc nhá ®Õn møc díi 0,1µm, thêng lµ lo¹i bÒn, cøng vµ cã tÝnh æn ®Þnh nhiÖt cao: «xyt, cacbit, borit, nitrit. T¬ng t¸c nÒn - cèt ë ®©y x¶y ra ë møc ®é vi m« øng víi kÝch thíc nguyªn tö, ph©n tö. C¬ chÕ hãa bÒn t¬ng tù nh c¬ chÕ tiÕt
333 pha ph©n t¸n, biÕn cøng khi ph©n hãa dung dÞch r¾n qu¸ b∙o hßa. Khi lùc t¸c dông lªn compozit, nÒn sÏ høng chÞu hÇu nh toµn bé t¶i, c¸c phÇn tö cèt nhá mÞn ph©n t¸n ®ãng vai trß h∙m lÖch, lµm t¨ng ®é bÒn ®é cøng cña vËt liÖu. b. C¸c compozit h¹t mÞn SAP, SAAP (CAΠ, CAC) ®∙ nghiªn cøu ë ch¬ng 6 (môc 6.4.3a), víi c¸c tû lÖ 5 - 20%Al2O3 trªn nÒn nh«m, hîp kim nh«m (gi÷a nÒn - cèt cã liªn kÕt «xyt kh¸ bÒn) ®∙ ®îc s¶n xuÊt ë quy m« c«ng nghiÖp, cung cÊp díi d¹ng b¸n thµnh phÈm tÊm, èng, d©y... ®Ó lµm c¸c chi tiÕt cã ®é bÒn riªng lín, lµm viÖc ë 300 ÷ 500oC vµ chÞu t¸c dông cña m«i trêng ¨n mßn. T - D Nickel (Thoria Dispersed Nickel) lµ lo¹i compozit nÒn lµ niken (Ni), cèt lµ c¸c phÇn tö «xyt t«ri ThO2. ChØ víi 2%ThO2 song ë d¹ng rÊt nhá mÞn, n»m ph©n t¸n vµ æn ®Þnh nhiÖt, cã ®é bÒn vµ kh¶ n¨ng lµm viÖc l©u dµi ë 1000 ÷ 1100oC, kh«ng bÞ ¨n mßn tinh giíi nh thÐp kh«ng gØ nªn lµ vËt liÖu quý trong hµng kh«ng, vò trô, chÕ t¹o tuabin, èng dÉn, b×nh ¸p lùc lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao díi t¸c dông cña m«i trêng ¨n mßn. 9.3. Compozit cèt sîi Compozit cèt sîi lµ lo¹i compozit kÕt cÊu quan träng nhÊt v× nã cã ®é bÒn riªng vµ m«®un ®µn håi riªng cao. ChÝnh v× ®Ó ®¹t ®îc yªu cÇu nµy mµ c¶ nÒn lÉn cèt sîi ®Òu ph¶i cã khèi lîng riªng nhá. TÝnh chÊt cña compozit cèt sîi phô thuéc vµo b¶n chÊt vËt liÖu cèt vµ nÒn, ®é bÒn liªn kÕt trªn ranh giíi pha, sù ph©n bè vµ ®Þnh híng sîi còng nh kÝch thíc vµ h×nh d¹ng cña nã... ë ®©y víi quy íc r»ng liªn kÕt trªn ranh giíi pha nÒn - cèt ®îc coi lµ hoµn h¶o nªn sÏ lÇn lît kh¶o s¸t c¸c yÕu tè cßn l¹i. 9.3.1. ¶nh hëng cña yÕu tè h×nh häc sîi a. Sù ph©n bè vµ ®Þnh híng sîi H×nh 9.3. S¬ ®å ph©n bè vµ ®Þnh híng cèt sîi: a. mét chiÒu, b. dÖt hai chiÒu vu«ng gãc trong mét mÆt, c. rèi ngÉu nhiªn trong mét mÆt, d. ®an quÊn ba chiÒu vu«ng gãc.
334 Cã nhiÒu kiÓu ph©n bè vµ ®Þnh híng sîi nh biÓu thÞ ë h×nh 9.3. ë ®©y sîi ®îc coi nh thí trong kim lo¹i, lµm cho vËt liÖu cã tÝnh dÞ híng râ rÖt. Do vËt liÖu lµm cèt bao giê còng bÒn, cøng h¬n nÒn, nªn theo ph¬ng cèt sîi compozit thÓ hiÖn ®é bÒn cao h¬n c¸c ph¬ng kh¸c. - Khi c¸c sîi ph©n bè song song víi nhau theo mét ph¬ng nµo ®ã nh biÓu thÞ ë h×nh a, ®é bÒn theo ph¬ng däc sîi sÏ cao h¬n h¼n ph¬ng vu«ng gãc víi nã. KiÓu nµy ®îc gäi lµ mét chiÒu. - Khi còng ph©n bè trªn mét mÆt song theo hai ph¬ng vu«ng gãc víi nhau nh v¶i (c¸c sîi ®an vu«ng gãc víi nhau) biÓu thÞ ë h×nh b, th× khi thö theo hai ph¬ng däc theo trôc sîi ®é bÒn nhËn ®îc lµ cao h¬n c¶. KiÓu nµy ®îc gäi lµ kiÓu dÖt. - Khi sîi ph©n bè tr¶i trªn mét mÆt nhng kh«ng ®Þnh híng, nhiÒu ph¬ng (rèi), cã tÝnh ngÉu nhiªn nh ë h×nh c sÏ lµm cho compozit cã tÝnh ®¼ng híng (theo tÊt c¶ c¸c ph¬ng trªn mÆt c¸c tÝnh chÊt ®Òu nh nhau). KiÓu nµy ®îc gäi lµ rèi ngÉu nhiªn trong mét mÆt (nh cÊu tróc cña d¹, nØ). - Cuèi cïng khi sîi ®îc ph©n bè (®an, quÊn) vµ ®Þnh híng theo ba ph¬ng vu«ng gãc víi nhau nh ë h×nh d th× compozit cã ®é bÒn lín nhÊt theo c¶ ba ph¬ng t¬ng øng. Tuy nhiªn ®iÒu ®îc ngêi ta quan t©m h¬n c¶ cã ¶nh hëng ®Õn c¬ tÝnh cña compozit cèt sîi lµ yÕu tè h×nh häc cña sîi: chiÒu dµi vµ ®êng kÝnh hay tû lÖ gi÷a chóng. b. ¶nh hëng cña chiÒu dµi sîi §iÒu quan träng nhÊt ®èi víi compozit kÕt cÊu cèt sîi ph¶i cã cÊu tróc sao cho t¶i träng ®Æt vµo ph¶i ®îc dån vµo sîi lµ pha cã ®é bÒn cao, nÕu chØ tËp trung vµo nÒn lµ pha kÐm bÒn h¬n sÏ dÉn ®Õn ph¸ hñy pha nµy mét c¸ch nhanh chãng, nãi kh¸c ®i c¬ tÝnh phô thuéc vµo møc ®é truyÒn t¶i träng tõ nÒn vµo sîi. H×nh 9.4. S¬ ®å biÕn d¹ng nÒn khi ®Æt t¶i vµo compozit cèt sîi ng¾n, biÕn d¹ng ë phÇn nÒn bao quanh sîi chÞu kÐo. §èi víi lo¹i cèt sîi ng¾n, díi t¸c dông cña øng suÊt ®Æt vµo sù biÕn d¹ng cña nÒn dõng l¹i ë (®Çu) mót sîi, mét phÇn nÒn bÞ ch¶y nh thÊy râ ë h×nh 9.4. Nh vËy kh«ng cã sù truyÒn t¶i tõ nÒn vµo mót sîi. Tuy nhiªn t×nh h×nh sÏ ®îc c¶i thiÖn mét khi chiÒu dµi sîi t¨ng lªn. Ngêi ta ®∙ tÝnh ®îc r»ng khi sîi dµi b»ng hay dµi h¬n mét chiÒu dµi tíi h¹n lc míi lµm t¨ng mét c¸ch cã hiÖu qu¶ ®é bÒn vµ ®é cøng v÷ng cña compozit. ChiÒu dµi tíi h¹n lc nµy phô thuéc ®êng kÝnh d cña sîi, giíi h¹n bÒn (σb)f cña sîi (fiber) vµ søc bÒn liªn kÕt gi÷a sîi vµ nÒn (hay giíi h¹n ch¶y c¾t cña nÒn τm) theo biÓu thøc:
335 (σ b )f lc = .d τm (σ b )f nÕu ®Æt S = l c = S.d th× τm §èi víi compozit sîi thñy tinh hay sîi cacbon, chiÒu dµi tíi h¹n nµy kho¶ng 1mm vµ gÊp 20 ®Õn 150 lÇn ®êng kÝnh sîi. B©y giê xÐt trêng hîp øng suÊt kÐo t¸c dông lªn compozit b»ng giíi h¹n bÒn kÐo cña sîi cho c¸c trêng hîp chiÒu dµi sîi kh¸c nhau (h×nh 9.5). Khi chiÒu dµi sîi võa ®óng lc, biÓu ®å ph©n bè øng suÊt trªn chiÒu dµi dµi sîi cã d¹ng nh ë h×nh a: t¶i träng lín nhÊt trªn sîi ®¹t gi¸ trÞ (σb)f ë chÝnh gi÷a trôc sîi. Khi chiÒu dµi sîi t¨ng lªn, t¸c dông gia cêng cña sîi trë nªn hiÖu qu¶ h¬n nh biÓu thÞ ë h×nh b, tøc trªn phÇn lín chiÒu dµi sîi chÞu t¸c dông cña møc øng suÊt ®Æt vµo (σb)f. Cßn khi l < lc t¸c dông gia cêng kh«ng cã nh biÓu thÞ ë h×nh c, øng suÊt lín nhÊt t¸c dông trªn sîi kh«ng ®¹t ®Õn øng suÊt ®Æt vµo (σb)f. Ngêi ta quy íc: - khi l > 15lc, compozit lµ lµ lo¹i cèt liªn tôc hay dµi, - khi l < 15lc, compozit lµ lo¹i cèt sîi kh«ng liªn tôc hay ng¾n; trong ®ã khi l < lc nÒn bao quanh sîi bÞ biÕn d¹ng ®Õn møc kh«ng cã sù truyÒn t¶i, t¸c dông gia cêng cña sîi kh«ng cã, ®îc coi nh compozit h¹t. H×nh 9.5. BiÓu ®å ph©n bè øng suÊt trªn chiÒu dµi sîi khi: a. l = lc, b. l >>lc, c. l < lc (víi compozit cèt sîi chÞu øng suÊt kÐo b»ng giíi h¹n bÒn kÐo cña sîi).
336 Trªn h×nh 9.6 tr×nh bµy s¬ ®å cÊu tróc cña lo¹i compozit cèt sîi trong ®ã lo¹i cèt sîi liªn tôc th¼ng hµng (thêng chØ gäi ng¾n gän lµ liªn tôc) nh ë h×nh a lµ lo¹i quan träng h¬n c¶ sÏ ®îc kh¶o s¸t díi ®©y. H×nh 9.6. S¬ ®å cÊu tróc cña compozit cèt sîi: a. liªn tôc (liªn tôc th¼ng hµng), b. gi¸n ®o¹n th¼ng hµng, c. gi¸n ®o¹n hçn ®én 9.3.2. Compozit cèt sîi liªn tôc th¼ng hµng a. Khi kÐo däc ë ®©y sîi dµi s¾p xÕp song song, th¼ng hµng lµ lo¹i cã ®é bÒn cao nhng gißn, cã tû lÖ thÓ tÝch Vf ®îc ph©n bè trong nÒn cã tû lÖ thÓ tÝch lµ Vm = 1 - Vf. Mét compozit bÞ kÐo theo ph¬ng däc trôc sîi nh biÓu thÞ ë h×nh 9.7, do liªn kÕt nÒn - cèt hoµn h¶o, sù truyÒn t¶i tèt nªn ®é biÕn d¹ng cña nÒn vµ cèt nh nhau: H×nh 9.7. S¬ ®å kÐo mÉu compozit cèt sîi liªn tôc th¼ng hµng theo ph¬ng däc trôc sîi εc = εf = εm (9.3) Trong c¸c ®iÒu kiÖn nµy t¶i träng tæng t¸c dông lªn compozit Fc b»ng tæng c¸c t¶i träng t¸c dông lªn nÒn Fm vµ sîi Ff: F c = Ff + Fm (9.4) Tõ ®iÒu kiÖn F = σ. A (trong ®ã A lµ tiÕt diÖn ngang), biÓu thøc (9.4) cã thÓ ®îc viÕt thµnh σc. Ac = σf. Af + σm. Am (9.5) nÕu chia c¶ hai vÕ cho Ac cã: A A σc = σf . f + σ m . m (9.6) Ac Ac trong ®ã Af/Ac vµ Am/Ac lµ tû lÖ tiÕt diÖn cña pha sîi vµ pha nÒn. V× chiÒu dµi cña c¸c pha nµy nh nhau (do sîi lµ dµi vµ liªn tôc) nªn Af/Ac = Vf vµ Am/Ac = Vm, biÓu thøc (9.6) trë thµnh
337 σc = Vf. σf + (1 - Vf) σm (9.7) Nh ®∙ nãi ë trªn compozit bÞ ph¸ hñy lµ do t¶i träng tËp trung vµo cèt, øng suÊt t¸c dông lªn cèt ®¹t ®Õn giíi h¹n bÒn (σb)f cña nã nªn giíi h¹n bÒn (σb)c cña compozit ®îc tÝnh theo biÓu thøc (σb)c = Vf.( σb)f + (1 - Vf) σm (9.8) trong ®ã σm lµ øng suÊt trong nÒn t¹i thêi ®iÓm cèt sîi bÞ ®øt (cã thÓ thÊy gi¸ trÞ t¬ng ®èi víi nhau cña ba øng suÊt trªn ë h×nh 9.9). Nh vËy giíi h¹n bÒn cña compozit tû lÖ bËc nhÊt víi thÓ tÝch cèt sîi Vf ®îc biÓu diÔn b»ng ®êng th¼ng dèc lªn trªn h×nh 9.8. H×nh 9.8. Sù phô thuéc cña ®é bÒn compozit cèt sîi liªn tôc vµo hµm lîng cèt Nh trªn ®∙ nãi, compozit bÞ ph¸ hñy do øng suÊt trªn cèt sîi ®¹t ®Õn gi¸ trÞ (σb)f øng víi ®é biÕn d¹ng δf khi ®øt cña sîi, t¹i ®ã ta cã εc = εf = εm = δf §∙ biÕt ε = σ / E, cèt lµ vËt lÖu bÒn nhng gißn, hÇu nh kh«ng cã biÕn d¹ng dÎo nªn bÞ ®øt trong vïng ®µn håi (h×nh 9.9 vµ 9.10) nªn (σ ) δf = b f Ef (σ ) Thay ε m = δ f = b f vµo biÓu thøc σm = εm. Em ta cã Ef (σ ) σ m = b f .E m = δ f .E m (9.9) Ef T¬ng tù, ta cã biÓu thøc vÒ ®é cøng v÷ng hay m«®un ®µn håi cña compozit Ec khi biÕt m«®un ®µn håi Ef cña sîi lµ dσ E c = Vf .E f + (1 − Vf ) m (9.10) dε m trong ®ã dσm / dεm lµ ®é dèc cña ®êng cong trªn biÓu ®å kÐo cña nÒn t¹i gi¸ trÞ øng suÊt σm t¸c dông lªn nÒn; riªng khi gi¸ trÞ cña øng suÊt nµy ë trong vïng ®µn håi, tû sè dσm / dεm chÝnh lµ Em - m«®un ®µn håi cña nÒn. VËy trong vïng thuÇn tóy ®µn håi cña nÒn biÓu thøc (9.10) trªn cã d¹ng E c = Vf .E f + Vm .E m (9.11)
338 BiÓu thøc nµy chÝnh lµ biÓu thøc (9.1), ®ã chÝnh lµ giíi h¹n trªn cña m«®un ®µn håi cña c¸c compozit h¹t mÞn. Nh vËy trong compozit cèt sîi liªn tôc (th¼ng hµng) lùc t¸c dông trªn nÒn vµ cèt sîi nh sau: V Ff = A f .(σ b )f = f .E f .ε c Vc V Fm = A m .σ m = m .E m .ε c Vc Ff V .E =ff nªn (9.12) Fm Vm .E m b. Khi kÐo ngang Khi compozit bÞ kÐo ngang tøc theo ph¬ng vu«ng gãc víi trôc sîi th× øng suÊt t¸c dông lªn c¸c pha lµ nh nhau vµ b»ng øng suÊt t¸c dông lªn compozit σc = σf = σm = σ nªn ®é biÕn d¹ng cña toµn thÓ thanh compozit b»ng tæng biÕn d¹ng cña c¸c pha εc = εf. Vf + εm. Vm σ v× ε = nªn E σ σ σ = .Vf + .Vm Ec Ef Em Chia c¶ hai vÕ cho σ, cã V V 1 = f+ m Ec Ef Em hay E m .E f E m .E f Ec = = (9.13) Vm .E f + Vf .E m (1 − Vf ).E f + Vf .E m biÓu thøc nµy gièng (9.2), ®ã lµ giíi h¹n díi cña m«®un ®µn håi cña compozit h¹t th«. c. ¶nh hëng cña hµm lîng sîi Trong thùc tÕ nÕu tû lÖ thÓ tÝch Vf (hay cßn gäi lµ hµm lîng) cña sîi qu¸ nhá, sîi kh«ng cã t¸c dông gia cêng cho compozit. §èi víi compozit th«ng thêng víi nÒn dÎo h¬n cèt bao giê còng tån t¹i mét gi¸ trÞ Vfmin mµ øng víi c¸c gi¸ trÞ Vf < Vfmin sù ph¸ hñy c¸c sîi cèt cha dÉn tíi sù ph¸ hñy tøc kh¾c compozit. Khi cèt qu¸ Ýt nh vËy, toµn bé t¶i sÏ t¸c dông lªn nÒn vµ lµm mÉu biÕn d¹ng. Qu¸ tr×nh biÕn d¹ng ®ång thêi cña cèt sîi vµ nÒn x¶y ra cho tËn ®Õn khi ®é gi∙n dµi cña mÉu b»ng ®é gi∙n dµi khi ph¸ hñy δf cña sîi. Lóc nµy nÕu lùc vÉn tiÕp tôc t¸c dông th× toµn bé sè cèt sîi Ýt ái sÏ bÞ ®øt hÕt. Ngay c¶ ®Õn lóc nµy mÉu vÉn tiÕp tôc biÕn
339 d¹ng vµ sù ph¸ hñy cuèi cïng x¶y ra khi ®é biÕn d¹ng mÉu ®¹t ®Õn ®é gi∙n dµi khi ph¸ hñy δm cña nÒn. Nh vËy giíi h¹n bÒn cña compozit øng víi Vf < Vfmin b»ng giíi h¹n bÒn kÐo (σb)m cña nÒn nh©n víi tû lÖ thÓ tÝch Vm cña nã chiÕm, tøc lµ (σb)c = Vm. (σb)m = (1 - Vf) (σb)m (9.14) biÓu thøc nµy ®îc biÓu diÔn b»ng ®êng th¼ng dèc xuèng trªn h×nh 9.8. X¸c ®Þnh gi¸ trÞ vña Vfmin øng víi giao ®iÓm cña hai ®êng th¼ng biÓu diÔn b»ng c¸c biÓu thøc (9.8) vµ (9.14), nªn ta cã Vf. (σb)f + (1 - Vf). σm = (1 - Vf) (σb)m gi¸ trÞ Vf t×m ®îc chÝnh Vfmin, sau khi biÕn ®æi ta cã (σ b )m − σ m Vfmin = (σ b )f + (σ b )m − σ m H×nh 9.9. §êng cong biÕn d¹ng H×nh 9.10. §êng cong biÕn d¹ng kÐo cña compozit cèt sîi liªn tôc nÒn kÐo cña compozit cèt sîi liªn tôc nÒn dÎo víi Vf > Vf*. gißn víi Vf > Vf*. NÕu hiÖu sè (σb)m - σm qu¸ nhá so víi (σb)f (trêng hîp nÒn lµ polyme cã ®é bÒn thÊp) th× (σ b )m − σ m Vfmin = (σ b )f Song ngay c¶ víi hµm lîng cèt cã gi¸ trÞ Vfmin nh vËy giíi h¹n bÒn cña compozit vÉn thÊp h¬n giíi h¹n bÒn cña pha thÊp nhÊt lµ pha nÒn. T¸c dông gia cêng cña cèt chØ thùc sù b¾t ®Çu khi Vf ≥ Vf* v× lóc ®ã giíi h¹n bÒn cña compozit míi cao h¬n giíi h¹n bÒn cña nÒn. Cã thÓ dÔ dµng tÝnh ®îc gi¸ trÞ Vf* khi (σb)c = (σb)m nªn Vf. (σb)f + (1 - Vf). σm = (σb)m gi¸ trÞ Vf t×m ®îc chÝnh lµ Vf*, sau khi biÕn ®æi ta cã (σ ) − σ m Vf* = b m (σ b )f − σ m
340 Trªn h×nh 9.8 ®êng gÉy khóc ®îc t« ®Ëm chÝnh lµ ®êng biÓu diÔn sù phô thuéc cña giíi h¹n bÒn cña compozit vµo hµm lîng thÓ tÝch cèt sîi liªn tôc th¼ng hµng nÒn dÎo. Nh vËy compozit cèt sîi liªn tôc ph¶i tháa m∙n hai ®iÒu kiÖn: sîi dµi l > 15lc vµ lîng sîi ph¶i ®ñ lín Vf > Vf*. Sù phô thuéc vµo hµm lîng thÓ tÝch sîi cña giíi h¹n bÒn kÐo cña compozit cèt sîi liªn tôc khi nÒn lµ vËt liÖu dÎo ®îc tr×nh bµy ë h×nh 9.9; cßn khi nÒn lµ vËt liÖu gißn (chØ bÞ biÕn d¹ng ®µn håi) ®îc tr×nh bµy ë h×nh 9.10. 9.3.3. Compozit cèt sîi gi¸n ®o¹n th¼ng hµng S¬ ®å cÊu tróc cña compozit cèt sîi gi¸n ®o¹n th¼ng hµng ®îc tr×nh bµy ë h×nh 9.6b. TÊt nhiªn lµ do chiÒu dµi sîi ng¾n (l < 15lc) hiÖu qu¶ gia cêng cña sîi compozit kh«ng thÓ cao nh lo¹i cèt sîi liªn tôc th¼ng hµng. Víi lo¹i sîi ng¾n nh vËy m«®un ®µn håi vµ giíi h¹n bÒn chØ t¬ng øng b»ng kho¶ng 90 vµ 50% so víi lo¹i cèt sîi liªn tôc (dµi). Tuy nhiªn lo¹i compozit gi¸n ®o¹n th¼ng hµng nµy còng ngµy cµng cã vÞ trÝ quan träng h¬n trªn thÞ trêng. C¬ tÝnh cña lo¹i nµy, ngoµi hµm lîng thÓ tÝch cña sîi ra cßn phô thuéc vµo chiÒu dµi hay yÕu tè h×nh häc cña sîi S = l / d, ®îc tÝnh to¸n riªng rÏ cho hai trêng hîp sau. - Khi l > lc (nhng nhá h¬n 15lc), giíi h¹n bÒn kÐo (σb)c theo ph¬ng däc sîi cña compozit ®îc tÝnh b»ng biÓu thøc (σ b )c = (σ b )f .Vf 1 − l c  + σ m (1 − Vf )    2l  - Khi l < lc (σ b )c = 1 τ c .Vf + σ m (1 − Vm ) d trong ®ã: ¬m - øng suÊt t¸c dông vµo nÒn khi compozit bÞ ph¸ háng, τc - giíi h¹n ch¶y c¾t cña nÒn, l, d - chiÒu dµi, ®êng kÝnh sîi. 9.3.4. Compozit cèt sîi gi¸n ®o¹n hçn ®én B¶ng 9.1. Gi¸ trÞ cña th«ng sè k øng víi ®Þnh híng kh¸c nhau gi÷a sîi vµ øng suÊt §Þnh híng sîi Ph¬ng øng suÊt k TÊt c¶ c¸c sîi song song däc theo trôc sîi 1 ngang víi trôc sîi 0 3 Ph©n bè sîi ngÉu nhiªn, ®ång nhÊt theo ph¬ng bÊt kú trong mÆt trong mÆt chøa sîi 8 1 Ph©n bè sîi ngÉu nhiªn, ®ång nhÊt theo ph¬ng bÊt kú theo ba chiÒu kh«ng gian 8
341 S¬ ®å cÊu tróc cña compozit cèt sîi gi¸n ®o¹n hçn ®én ®îc tr×nh bµy ë h×nh 9.6c. Lóc nµy biÓu thøc cña quy t¾c kÕt hîp ®èi víi m«®un ®µn håi ®îc biÓu thÞ nh sau Ec = k. Ef. Vf + Em. Vm trong ®ã k - th«ng sè biÓu thÞ hiÖu qu¶ hãa bÒn mµ ®é lín phô thuéc vµo hµm lîng thÓ tÝch Vf cña sîi vµ tû lÖ Ef/Em, k dao ®éng trong kho¶ng 0,1 ÷ 0,6. B¶ng 9.1 tr×nh bµy gi¸ trÞ cña th«ng sè k cña compozit sîi gi¸n ®o¹n cho c¸c trêng hîp ®Þnh híng kh¸c nhau gi÷a sîi vµ øng suÊt. 9.3.5. KÝch thíc vµ vËt liÖu lµm cèt sîi a. KÝch thíc sîi B¶ng 9.2. TÝnh chÊt cña mét sè lo¹i cèt sîi VËt liÖu Khèi lîng Giíi h¹n bÒn, M«®un ®µn NhiÖt ®é riªng, g/cm3 lµm viÖc, MPa håi, GPa max, 0C R©u ®¬n tinh thÓ Grafit 2,20 20000 690 2500 SiC 3,20 20000 480 1600 Si3Ni4 3,20 14000 380 - Al2O3 3,90 14000-18000 415-550 - Sîi Kelva 49 1,40 3500 124 200 Kelva 29 1,40 3700 60 200 Thñy tinh E 2,54 3500 72 550 Thñy tinh R 2,50 4400 80 650 Thñy tinh S 2,48 4800 84 650 Cacbon 1,80 1500-5500 150-500 2000-2500 Al2O3 3,20 2100 170 800 SiC 3,00 3900 425 900 B (bo) 2,65 3700 300-420 500-700 D©y (kim lo¹i) ThÐp cacbon cao 7,80 4100 210 - Mo 10,2 1400 360 - W 19,3 4300 400 -
342 Tríc khi nãi vÒ vÊn ®Ò nµy cÇn nhÊn m¹nh r»ng ®é bÒn cña sîi cèt kh«ng nh÷ng chØ phô thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt liÖu lµm sîi mµ cßn phô thuéc rÊt m¹nh vµo kÝch thíc h×nh häc mµ cô thÓ lµ ®êng kÝnh cña nã. Víi cïng vËt liÖu, do x¸c suÊt cã mÆt c¸c khuyÕt tËt (vÝ dô c¸c vÕt nøt nhá) trªn bÒ mÆt sîi nhá sÏ thÊp h¬n ë sîi to, v× vËy sîi cµng nhá cã ®é bÒn cµng cao. §©y lµ ®Æc ®iÓm rÊt quan träng ®Ó c¸c nhµ c«ng nghÖ quan t©m tríc hÕt khi lùa chän sîi cèt. Dùa vµo ®êng kÝnh vµ ®Æc tÝnh ngêi ta ph©n cèt sîi thµnh ba lo¹i: r©u, sîi vµ d©y nhá. R©u (r©u ®¬n tinh thÓ) R©u (whiskers) lµ s¶n phÈm cã ®êng kÝnh rÊt nhá (cì 1 ÷ 2µm), tû lÖ chiÒu dµi trªn ®êng kÝnh rÊt lín (kho¶ng trªn ngh×n lÇn), nhËn ®îc b»ng kü thuËt nu«i ®¬n tinh thÓ. Do kÝch thíc nhá, c¸c ®¬n tinh thÓ (r©u) nµy cã møc ®é hoµn thiÖn tinh thÓ rÊt cao (hÇu nh chØ cã mét lÖch xo¾n) vµ kh«ng cã nøt, rçng nªn cã ®é bÒn rÊt cao (gÇn b»ng ®é bÒn lý thuyÕt). Tuy nhiªn r©u vÉn cha ®îc dïng réng r∙i v× qu¸ ®¾t vµ rÊt khã g¾n kÕt vµo nÒn. VËt liÖu ®Ó chÕ t¹o r©u cã thÓ lµ grafit, SiC, Si3N, Al2O3.. (b¶ng 9.2) Sîi Sîi ®îc s¶n xuÊt b»ng c«ng nghÖ kÐo, chuèt. Chóng cã thÓ lµ ®a tinh thÓ hoÆc v« ®Þnh h×nh víi ®êng kÝnh t¬ng ®èi nhá (kho¶ng vµi chôc ®Õn vµi tr¨m µm) vµ tû lÖ chiÒu dµi/®êng kÝnh rÊt kh¸c nhau. VËt liÖu chÕ t¹o cèt sîi cã thÓ lµ polyme nh polyamit, lµ ceramic nh thñy tinh, «xyt nh«m, cacbit silic hoÆc bo, cacbon (b¶ng 9.2). D©y D©y lµ lo¹i cã ®êng kÝnh nhá, thêng lµ b»ng kim lo¹i: thÐp cacbon cao, vonfram, m«lip®en, berili, titan. Lo¹i cèt nµy ®îc dïng ®Ó gia bÒn lèp «t«, khung tªn löa, èng dÉn cao ¸p... b. VËt liÖu lµm sîi Trong lo¹i kÝch thíc kÓ trªn lo¹i ®îc dïng phæ biÕn nhÊt lµ sîi, nªn ë ®©y chØ kh¶o s¸t lo¹i nµy, kh«ng ®Ò cËp ®Õn d¹ng nhá h¬n (r©u) vµ lín h¬n (d©y). Cã c¸c nhãm vËt liÖu ®Ó lµm sîi cho compozit lµ thñy tinh, cacbon, polyme, bo vµ ceramic. Thñy tinh Thµnh phÇn hãa häc cña thñy tinh ®∙ ®îc nghiªn cøu ë ch¬ng 7 (môc 7.3.2 vµ 7.3.3), chóng gåm c¸c «xyt SiO2, Al2O3, BO3. CaO, MgO... Së dÜ sîi thñy tinh ®îc sö dông réng r∙i lµm cèt v× dÔ chÕ t¹o nã tõ tr¹ng th¸i mÒm láng vµ cã ®é bÒn cao. Trong qu¸ tr×nh kÐo, bÒ mÆt sîi bÞ cä s¸t víi bÒ mÆt cøng kh¸c nhê ®ã lµm mÊt ®i c¸c vÕt nøt vµ nh lµ ®îc bäc bëi líp ¸o míi, b¸m dÝnh tèt víi nÒn. Cacbon CÊu tróc c¬ b¶n cña sîi cacbon ®∙ ®îc tr×nh bµy ë h×nh 1.12c. ChÝnh nhê sù ®Þnh híng chñ yÕu cña c¸c mÆt ®¸y lôc gi¸c (chØ víi liªn kÕt ®ång hãa trÞ) song song víi trôc sîi nªn cã ®é bÒn rÊt cao. Trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o sîi cacbon (®∙ ®îc tr×nh bµy ë môc 7.5.1), sù grafit hãa cã thÓ x¶y ra kh«ng hoµn toµn nªn vÉn cßn c¸c vïng v« ®Þnh h×nh (chØ trong r©u grafit míi ®¹t møc ®é tinh thÓ hoµn toµn) nªn ®é bÒn cã thÓ thay ®æi trong giíi h¹n (b¶ng 9.2) tïy thuéc vµo tû kÖ nµy.
343 NÕu nh sîi thñy tinh chØ sö dông ®îc tíi 500 ÷ 700oC th× sîi cacbon tíi trªn 2000oC. Polyme Nãi chung c¸c polyme cã m«®un ®µn håi nhá. HiÖn chØ dïng lo¹i polyamit th¬m cã c«ng thøc tæng qu¸t nh sau O O   C  ]n [ N N C        H H ë d¹ng th¬ng phÈm vËt liÖu nµy cã hai lo¹i kelva 49 vµ kelva 29. Nhîc ®iÓm cña chÊt nµy lµ nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp (< 200oC). B, SiC, Al2O3 B¶n chÊt vµ c¸ch chÕ t¹o c¸c sîi nµy ®∙ ®îc tr×nh bµy ë môc 7.5.2. 9.3.6. VËt liÖu lµm nÒn VËt liÖu lµm nÒn cho compozit cèt sîi thêng lµ polyme vµ kim lo¹i v× chóng cã tÝnh dÎo tèt. Kim lo¹i dïng lµm pha nÒn thêng lµ nh«m vµ ®ång. Tuy nhiªn polyme lµ pha nÒn ®îc dïng phæ biÕn h¬n víi ®ñ chñng lo¹i c¶ nhiÖt r¾n lÉn nhiÖt dÎo: polyeste, nylon, epoxy, nhùa fenol, polyamit, melamin. HiÖn cßn Ýt dïng nÒn lµ ceramic trõ bªt«ng cèt thÐp lµ lo¹i phæ biÕn nhÊt hiÖn nay. 9.3.7. C¸c lo¹i compozit cèt sîi phæ biÕn a. Compozit polyme - sîi thñy tinh Lµ lo¹i ®îc s¶n xuÊt víi khèi lîng nhiÒu nhÊt v× chóng kh¸ rÎ, nhÑ, cã ®é bÒn riªng cao vµ sù g¾n kÕt tèt gi÷a hai pha nÒn - cèt, víi c¶ hai lo¹i cèt sîi liªn tôc còng nh gi¸n ®o¹n. Lo¹i phæ biÕn nhÊt lµ polyeste - sîi thñy tinh, tiÕp ®Õn lµ nylon - sîi thñy tinh. Tuy nhiªn lo¹i nµy cã nhîc ®iÓm lµ kh«ng ®ñ ®é cøng v÷ng trong mét sè trêng hîp yªu cÇu (nh khi lµm kÕt cÊu cña m¸y bay, cÇu...), nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp, díi 200oC (trªn ®ã polyme bÞ ch¶y vµ hñy ho¹i). HiÖn compozit polyme - sîi thñy tinh ®îc dïng ngµy cµng nhiÒu trong c¸c ph¬ng tiÖn vËn t¶i ®Æc biÖt lµ vá (th©n) xe h¬i, tµu biÓn, èng dÉn, container chøa hµng, tÊm l¸t sµn c«ng nghiÖp. §Æc biÖt trong c«ng nghiÖp «t« nã cã søc c¹nh tranh cao nhê gi¶m ®îc khèi lîng vµ do ®ã lµ tiªu hao nhiªn liÖu. b. Compozit polyme - sîi kh¸c Compozit polyme - sîi cacbon cã m«®un ®µn håi riªng cao h¬n, tÝnh chÞu nhiÖt ®é vµ bÒn hãa häc cao h¬n nhng ®¾t h¬n vµ chØ cã lo¹i sîi gi¸n ®o¹n. Lo¹i compozit nµy cã søc c¹nh tranh lín trong m¸y bay do gi¶m nhÑ ®îc khèi lîng (gi¶m 20 ÷ 30% so víi dïng kim lo¹i). Compozit epoxy - sîi bo ®îc dïng trong m¸y bay lªn th¼ng (lµm c¸nh r«to), cßn lo¹i polyme - sîi aramit b¾t ®Çu ®îc dïng trong hµng kh«ng, tµu biÓn vµ ®å dïng thÓ thao. c. Compozit kim lo¹i - sîi Trong lo¹i nµy nÒn kim lo¹i cã thÓ lµ: nh«m, ®ång (phæ biÕn nhÊt), magiª, titan víi cèt sîi: cacbon, bo, cacbit silic, d©y kim lo¹i. Tû lÖ thÓ tÝch sîi kho¶ng 20
344 ÷ 50%. Mét trong c¸c compozit cã triÓn väng nhÊt lµ lo¹i nÒn nh«m - sîi bo cã phñ cacbit silic ®Ó lµm chËm ph¶n øng kh«ng mong muèn gi÷a nh«m vµ bo. Compozit nÒn kim lo¹i cã nhiÖt ®é lµm viÖc cao h¬n nÒn polyme. ChÞu nhiÖt ®é cao h¬n c¶ lµ lo¹i nÒn hîp kim trªn c¬ së Ni hoÆc Co víi cèt sîi lµ d©y vonfram dïng trong tuabin. d. Compozit cacbon - cacbon Trong lo¹i nµy tÊt c¶ ®Òu b»ng cacbon: cèt lµ sîi cacbon cßn nÒn bao quanh lµ c¸c h¹t (tinh thÓ) cacbon nhiÖt ph©n ®îc ph©n hãa vµ t¹o thµnh ë tr¹ng th¸i nãng trªn sîi cacbon. NÒn cacbon ®îc t¹o thµnh còng trªn nguyªn lý nh dïng ®Ó chÕ t¹o sîi cacbon: cacbon hãa mét chÊt h÷u c¬ ë nhiÖt ®é cao (trong chÊt láng ë ¸p suÊt trung b×nh vµ cao, cßn trong chÊt khÝ ë ¸p suÊt nhá h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn), trong c¸c ®iÒu kiÖn nh thÕ c¸c tinh thÓ grafit sÏ h×nh thµnh vµ ph¸t triÓn. e. Compozit cèt sîi pha §©y lµ lo¹i compozit trong ®ã ngêi ta dïng hai (hay nhiÒu h¬n) lo¹i sîi trong cïng mét nÒn, cã sù kÕt hîp c¸c tÝnh chÊt tèt h¬n lo¹i chØ cã mét lo¹i cèt sîi. Trong lo¹i nµy hiÖn nay phæ biÕn h¬n c¶ lµ dïng hai lo¹i cèt sîi cacbon vµ thñy tinh trong nÒn polyme (trong ®ã sîi cacbon bÒn, cøng v÷ng, nhÑ h¬n song ®¾t h¬n sîi thñy tinh). Khi compozit sîi pha bÞ øng suÊt kÐo, sù ph¸ hñy x¶y ra kh«ng tøc thêi: sîi cacbon bÞ ®øt tríc sau ®ã t¶i träng ®îc truyÒn sang sîi thñy tinh, råi cuèi cïng compozit bÞ ph¸ hñy hoµn toµn khi nÒn bÞ háng do t¶i träng t¸c dông vµo. 9.4. Compozit cÊu tróc Compozit cÊu tróc lµ lo¹i b¸n thµnh phÈm d¹ng tÊm nhiÒu (≥ 3) líp ®îc t¹o thµnh b»ng c¸ch kÕt hîp c¸c vËt liÖu ®ång nhÊt víi compozit theo nh÷ng ph¬ng ¸n cÊu tróc kh¸c nhau. Do ®ã tÝnh chÊt kh«ng nh÷ng phô thuéc vµo tÝnh chÊt c¸c vËt liÖu thµnh phÇn mµ cßn c¶ vµo thiÕt kÕ h×nh häc cña chóng trong kÕt cÊu. Thêng dïng hai lo¹i: d¹ng líp vµ panel sandwich. 9.4.1. Compozit cÊu tróc d¹ng líp H×nh 9.11. S¬ ®å t¹o compozit cÊu tróc d¹ng líp
345 Cã thÓ dÔ dµng h×nh dung d¹ng compozit nµy qua gç d¸n, cãt Ðp. Chóng gåm bëi c¸c líp (tÊm) cã ®é bÒn dÞ híng cao (nh gç, compozit cèt sîi liªn tôc th¼ng hµng), ®îc s¾p xÕp sao cho c¸c ph¬ng ®é bÒn cao nhÊt cña c¸c líp, tÊm kÒ nhau ®îc ®æi híng liªn tôc (trªn h×nh 9.11 lµ tÊm gåm n¨m líp vu«ng gãc víi nhau) vµ ®îc Ðp kÕt dÝnh víi nhau. Nhê ®ã lo¹i nµy cã ®é bÒn cao theo c¸c ph¬ng song song víi mÆt tÊm, nhng rÊt kÐm theo ph¬ng vu«ng gãc víi tÊm. 9.4.2. Panel sandwich H×nh 9.12. S¬ ®å cña panel sandwich Lo¹i nµy gåm ba líp (h×nh 9.12) trong ®ã hai líp mÆt ®îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã ®é bÒn hay ®é cøng v÷ng cao (nh hîp kim nh«m, titan, thÐp vµ compozit d¹ng líp) cã chøc n¨ng chÞu toµn bé t¶i träng t¸c dông theo c¸c ph¬ng song song víi mÆt tÊm. Líp gi÷a (lâi) cã hai chøc n¨ng: ng¨n c¸ch hai líp trªn, chèng biÕn d¹ng theo ph¬ng vu«ng gãc vµ t¹o ®é cøng v÷ng tr¸nh cong vªnh. VËt liÖu lµm lâi cã thÓ lµ polyme xèp, caosu nh©n t¹o, chÊt dÝnh v« c¬, gç nhÑ hoÆc cã cÊu tróc tæ ong, trong ®ã v¸ch máng liªn kÕt ®Þnh híng c¸c « lôc gi¸c vu«ng gãc víi mÆt nh biÓu diÔn ë h×nh vÏ (v¸ch nµy thêng ®îc lµm b»ng cïng vËt liÖu nh hai líp mÆt). CÊu tróc nµy hao hao gièng sandwich - b¸nh mú kÑp (thÞt, d¨mb«ng...), kh¸c víi lo¹i trªn ë gi÷a kh«ng ph¶i lµ tÊm song song.
346 Tµi liÖu tham kh¶o 1. Lª c«ng Dìng (chñ biªn). VËt liÖu häc. Nhµ xb KH&KT, 1997 2. Nghiªm Hïng. Kim lo¹i häc vµ nhiÖt luyÖn. Nhµ xb §¹i häc & THCN, 1979 3. Nghiªm Hïng. S¸ch tra cøu thÐp, gang th«ng dông. Trêng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi, 1997 4. Nghiªm Hïng. NhiÖt luyÖn phô tïng «t« - m¸y kÐo. Nhµ xb KH&KT, 1985 5. William D. Callister, Jr. Materials Science and Engineering An Introduction. John Wiley & Sons, Inc (second edition) 6. William F Smith. Materials Science and Engineering (second edition) 7. Jean-Marie Dorlot, Jean-Paul Bailon, Jaques Masounave. Des MatÐiaux (deuxiÌme Ðdition revue et augmentÐe). Ðdition de L'Ðcole Polytechnique de MontrÐal 8. Wilfried Kurz, Jean P. Mercier, GÐrald Zambelli. Introduction µ la science des matÐriaux (deuxiÌme Ðdition revue et augmentÐe). Presses Polytechniques et universitaires romandes 9. Ю·М·Лахтин‚В·П·Леонтьева МАТЕРИАЛЛОВЕДЕНИЕ‚ Москва‚ Машиностроение . 1980 10. Sö Mü §êng (§¹i Häc C«ng NghiÖp Thîng H¶i) chñ biªn. VËt LiÖu Kim Lo¹i vµ NhiÖt LuyÖn. Nhµ xuÊt b¶n KH-KT Thîng H¶i (in lÇn thø 20 n¨m 1996) (b¶n tiÕng Trung Quèc) 11. Häc ViÖn C«ng NghiÖp §¹i Liªn. Kim Lo¹i Häc vµ NhiÖt LuyÖn. Nhµ xuÊt b¶n Khoa Häc, 1975 (b¶n tiÕng Trung Quèc)
347 Môc lôc B¶ng kª c¸c ký hiÖu viÕt t¾t ®îc dïng trong s¸ch Lêi nãi ®Çu Më §Çu 3 0.1. Kh¸i niÖm vÒ vËt liÖu 3 0.2. Vai trß cña vËt liÖu 4 0.3. §èi tîng cña VËt LiÖu Häc cho ngµnh C¬ khÝ 5 0.4. C¸c tiªu chuÈn vËt liÖu 6 8 cÊu tróc vµ c¬ tÝnh PhÇn I. CÊu tróc tinh thÓ vµ sù h×nh thµnh 8 Ch¬ng 1. 1.1. CÊu t¹o vµ liªn kÕt nguyªn tö 8 1.1.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ cÊu t¹o nguyªn tö 8 1.1.2. C¸c d¹ng liªn kÕt nguyªn tö trong chÊt r¾n 8 1.2. S¾p xÕp nguyªn tö trong vËt chÊt 11 1.2.1. ChÊt khÝ 12 1.2.2. ChÊt r¾n tinh thÓ 12 1.2.3. ChÊt láng, chÊt r¾n v« ®Þnh h×nh vµ vi tinh thÓ 12 1.3. Kh¸i niÖm vÒ m¹ng tinh thÓ 14 1.3.1. TÝnh ®èi xøng 14 1.3.2. « c¬ së- ký hiÖu ph¬ng, mÆt 14 1.3.3. MËt ®é nguyªn tö 18 1.4. CÊu tróc tinh thÓ ®iÓn h×nh cña chÊt r¾n 18 1.4.1. ChÊt r¾n cã liªn kÕt kim lo¹i (kim lo¹i nguyªn chÊt) 19 1.4.2. ChÊt r¾n cã liªn kÕt ®ång hãa trÞ 22 1.4.3. ChÊt r¾n cã liªn kÕt ion 24 1.4.4. CÊu tróc cña polyme 25 1.4.5. D¹ng thï h×nh 25 1.5. Sai lÖch m¹ng tinh thÓ 26 1.5.1. Sai lÖch ®iÓm 26 1.5.2. Sai lÖch ®êng - LÖch 27 1.5.3. Sai lÖch mÆt 29 1.6. §¬n tinh thÓ vµ ®a tinh thÓ 29 1.6.1. §¬n tinh thÓ 29 1.6.2. §a tinh thÓ 29 1.6.3. Textua 31 1.7. Sù kÕt tinh vµ h×nh thµnh tæ chøc cña kim lo¹i 32 1.7.1. §iÒu kiÖn x¶y ra kÕt tinh 32 1.7.2. Hai qu¸ tr×nh cña sù kÕt tinh 33 1.7.3. Sù h×nh thµnh h¹t 35 1.7.4. C¸c ph¬ng ph¸p t¹o h¹t nhá khi ®óc 36 1.7.5. CÊu t¹o tinh thÓ cña thái ®óc 38 BiÕn d¹ng dÎo vµ C¬ tÝnh 31 Ch¬ng 2. 2.1. BiÕn d¹ng dÎo vµ ph¸ hñy 31 2.1.1. Kh¸i niÖm 31 2.1.2. Trît ®¬n tinh thÓ 42 2.1.3. Trît ®a tinh thÓ 46 2.1.4. Ph¸ hñy 49 2.2. C¸c ®Æc trng c¬ tÝnh th«ng thêng vµ ý nghÜa 54 2.2.1. §é bÒn (tÜnh) 52 2.2.2. §é dÎo 55 2.2.3. §é dai va ®Ëp 58 2.2.4. §é dai ph¸ hñy biÕn d¹ng ph¼ng 61 2.2.5. §é cøng 63
348 2.3. Nung kim lo¹i ®∙ qua biÕn d¹ng dÎo - Th¶i bÒn - BiÕn d¹ng nãng 66 2.3.1. Tr¹ng th¸i kim lo¹i ®∙ qua biÕn d¹ng dÎo 66 2.3.2. C¸c giai ®o¹n chuyÓn biÕn khi nung nãng 67 2.3.3. BiÕn d¹ng nãng 68 71 PhÇn II. Hîp kim vµ biÕn ®æi tæ chøc Hîp kim vµ Gi¶n då pha 71 Ch¬ng 3 3.1. CÊu tróc tinh thÓ cña hîp kim 71 3.1.1. Kh¸i niÖm vÒ hîp kim 71 3.1.2. Dung dÞch r¾n 74 3.1.3. Pha trung gian 77 3.2. Gi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu tö 79 3.2.1. Quy t¾c pha vµ øng dông 79 3.2.2. Gi¶n ®å pha vµ c«ng dông 80 3.2.3. Gi¶n ®å lo¹i I 82 3.2.4. Gi¶n ®å lo¹i II 84 3.2.5. Gi¶n ®å lo¹i III 86 3.2.6. Gi¶n ®å lo¹i IV 88 3.2.7. C¸c gi¶n ®å pha víi c¸c ph¶n øng kh¸c 88 3.2.8. Quan hÖ gi÷a d¹ng gi¶n ®å pha vµ tÝnh chÊt cña hîp kim 89 3.3. Gi¶n ®å pha Fe - C (Fe - Fe3C) 92 3.3.1. T¬ng t¸c gi÷a Fe vµ C 92 3.3.2. Gi¶n ®å pha Fe -Fe3C vµ c¸c tæ chøc 93 3.3.3. Ph©n lo¹i 98 NhiÖt luyÖn thÐp 102 Ch¬ng 4 4.1. Kh¸i niÖm vÒ nhiÖt luyÖn thÐp 102 4.1.1. S¬ lîc vÒ nhiÖt luyÖn 102 4.1.2. T¸c dông cña nhiÖt luyÖn ®èi víi s¶n xuÊt c¬ khÝ 104 4.2. C¸c tæ chøc ®¹t ®îc khi nung nãng vµ lµm nguéi thÐp 105 4.2.1. C¸c chuyÓn biÕn x¶y ra khi nung nãng thÐp - Sù t¹o thµnh austenit 105 4.2.2. C¸c chuyÓn biÕn x¶y ra khi gi÷ nhiÖt 109 4.2.3. C¸c chuyÓn biÕn cña austenit khi lµm nguéi chËm 110 4.2.4. ChuyÓn biÕn cña austenit khi lµm nguéi nhanh - ChuyÓn biÕn mactenxit 115 4.2.5. ChuyÓn biÕn khi nung nãng thÐp ®∙ t«i 119 4.3. ñ vµ thêng hãa thÐp 121 4.3.1. ñ thÐp 121 4.3.2. Thêng hãa thÐp 124 4.4. T«i thÐp 125 4.4.1. §Þnh nghÜa vµ môc ®Ých 125 4.4.2. Chän nhiÖt ®é t«i thÐp 126 4.4.3. Tèc ®é t«i tíi h¹n vµ ®é thÊm t«i 128 4.4.4. C¸c ph¬ng ph¸p t«i thÓ tÝch vµ c«ng dông. C¸c m«i trêng t«i 131 4.4.5. C¬ - nhiÖt luyÖn thÐp 135 4.5. Ram thÐp 136 4.5.1. Môc ®Ých vµ ®Þnh nghÜa 136 4.5.2. C¸c ph¬ng ph¸p ram 137 4.6. C¸c khuyÕt tËt x¶y ra khi nhiÖt luyÖn thÐp 139 4.6.1. BiÕn d¹ng vµ nøt 139 4.6.2. «xy hãa vµ tho¸t cacbon 140 4.6.3. §é cøng kh«ng ®¹t 140 4.6.4. TÝnh gißn cao 141 4.6.5. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é vµ tÇm quan träng cña kiÓm nhiÖt 141 4.7. Hãa bÒn bÒ mÆt 141 4.7.1. T«i bÒ mÆt nhê nung nãng b»ng c¶m øng ®iÖn (t«i c¶m øng) 142 4.7.2. Hãa nhiÖt luyÖn 144