материаловедение №3вариант 7
.docПроектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами.
(вариант № 7)
Цель работы: изучить метод выбора материала компонентов, рецептуры, расчетные зависимости композиционного материала на примере композита с хаотично ориентированными дискретными волокнами.
Задание:
Выбрать материалы матрицы и волокон двухкомпонентного композита с хаотичной дискретной армирующей фазой, дать оценку энергоемкости изготовления возможных вариантов проектируемого материала.
Для спроектированного материала рассчитать плотность, прочность, удельную прочность и энергоемкость изготовления.
Дано: одноосное растяжение стержня длиной L=0,45 (м), сечением S=10-4(м2), массой m=0,15(кг), силой N=100 (кH) в нейтральной среде при температуре T=293 К.
Факторы срока службы в расчете не учитываются. Плотность проектируемого композита может быть на 10% ниже требуемой величины.
1. Определим расчетную плотность проектируемого композиционного материала (КМ):
2. Определим нижнее значение расчетной плотности проектируемого КМ для пористости 9%:
3. Определим расчетное напряжение растяжения в стержне:
4. Определим верхнее и нижнее значение удельной прочности проектируемого КМ:
Плотность проектируемого КМ должна находиться в диапазоне от (3033÷3333) кг/м3, а удельная прочность – в диапазоне (0,3÷0,33) МДж/кг.
5. Выбираем из таблицы два наиболее близких по плотности материала: СП90-3(Fe-C) =7800 кг/м3 и НП-2(Ni)=8900 кг/м3 .
Энергетические затраты на изготовление примерно одинаковы. Рассчитаем их удельную прочность:
Из таблицы выбираем для матрицы НП-2(Ni) керамические волокна из Al2O3 диаметром 127 мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из СП90-3(Fe-C) –органические волокна ОВ диаметром 10 мкм.
6) Проверим выполнение условия удельной прочности:
(условие удельной прочности выполняется)
7. Определим критическую длину волокна по формуле:
1)
;
2)
8. Рассчитываем объемную концентрацию волокон:
1)
2)
9. Проводим уточнение выбора компонентов и рецептуры проектируемых КМ по удельным энергетическим затратам на изготовление материалов их образующих.
Рассчитываем общие энергетические затраты:
А)
Б)
10. Рассчитываем плотность спроектированного КМ:
1)
2)
11. Проводим расчеты удельных энергетических затрат на изготовление стержня по двум вариантам проектируемого КМ, учитывая, что энергетические затраты при экструдировании КМ с металлическими матрицами в 1,5 раза больше, чем для полимерных КМ.
Применяем формулу:
Видно, что общие удельные энергетические затраты на изготовление КМ с полимерной матрицей ниже, чем у металлического КМ.
12. Рассчитываем удельные прочности двух вариантов КМ:
Проверка:
Вывод:
Расчет удельной прочности показывает, что для изготовления стержня необходимо выбрать матрицу из СП90-3(Fe-C), арматуру из органических волокон, диаметром 10 мкм и длиной 25 мкм концентрации 0,73 доли.