Miks on klaaskiust armatuuri tõmbetugevus palju suurem kui terasarmatuuril, kuid elastsusmoodul on madalam? Mis on selle mehaaniline mehhanism?

Klaaskiudsarruse tõmbetugevus on palju suurem kui terasarmatuuril, kuid selle elastsusmoodul on madalam, mis on tingitud olulistest erinevustest materjali koostises, mikrostruktuuris ja mehaanilises mehhanismis. Allpool on üksikasjalik analüüs teaduslike põhimõtete vaatenurgast:

1、 Tõmbetugevuse erinevuse põhimehhanism

Klaaskiust tugevdamine: kovalentsed sidemed ja kiudude tugevdamise mehhanism

Materjali alus: Klaaskiudarmatuur on tugevdava faasina valmistatud klaaskiust (moodustab 60% -70% mahust) ja selle põhikomponendiks on ränidioksiidi (SiO ₂) võrkstruktuur, mis moodustab kovalentsete sidemete kaudu ülitugeva võre.

Tugevuse allikas:

Klaaskiu purunemisenergia: Klaaskiu purunemisenergia on 7,0-9,5 kJ/m², ületades tunduvalt terasvarraste metallsidemete purunemisenergiat (umbes 2,5-4,0 kJ/m²).

Kiudude paigutuse optimeerimine: kiud on paigutatud korrapäraselt piki aksiaalset suunda ja koormus kantakse kiududele tõhusalt üle vaigumaatriksi kaudu, saavutades kontsentreeritud pingekandumise piki kiu suunda.

Andmete võrdlus: Klaaskiust armatuuri tõmbetugevus võib ulatuda 500-900 MPa, samas kui tavalise terasarmatuuri (HRB400) tõmbetugevus on 400-600 MPa ja kõrgtugeva terasarmatuuri (HRB600) tõmbetugevus on vaid 600-750 MPa.

Tugevdus: metalli sideme ja dislokatsiooni tugevdamise mehhanism

Materjali vundament: Terasvardad on valmistatud rauasüsinikusulamist, millest kuumvaltsimise või külmtõmbe protsesside käigus moodustub ferriit-perliitkonstruktsioon. Metallsidemete mittesuunaline olemus annab neile ühtlase kolmemõõtmelise kandevõime.

Tugevuse allikas:

Dislokatsiooni liikumise takistus: süsinikuaatomi tahke lahuse tugevdamine ja perliidi lamellstruktuur takistavad dislokatsiooni libisemist, kuid metallisidemete purunemisenergia piirab nende teoreetilise tugevuse ülemist piiri.

Plastilise deformatsiooni panus: Terasvarraste purunemispikenemine võib ulatuda 15–25%. Plastilise deformatsiooni etapis neeldub energia dislokatsiooni levimise kaudu, kuid teatav teoreetiline tugevus läheb ohvriks.

2, elastsusmooduli erinevuse põhimehhanism

Klaaskiust tugevdamine: vaigumaatriks ja liidese efekt

Maatriksi mooduli piirang: vaigumaatriksi (nagu epoksüvaik) elastsusmoodul on vaid 3–5 GPa, mis on palju madalam kui terasarmatuuri 200 GPa.

Liidese sidumise nõrkus: Klaaskiu ja vaigu vahelise liidese tugevus (tavaliselt <10 MPa) on palju madalam kui terasvarraste ferriidi ja perliidi vahelise sideme tugevus ning see on pinge all liidese lahtiühendamiseks või maatriksi pragunemiseks.

Haprad omadused: Klaaskiudsarruse pinge-deformatsiooni kõver näitab lineaarset murdumist, millel puudub terasvarraste voolavusplatvorm, mille tulemuseks on näiv elastsusmoodul (40–60 GPa), mis on vaid 1/3–2/5 terasvarraste omast.

Tugevdus: metallist side ja kristallide libisemise mehhanism

Suure jäikuse olemus: Metallsidemete mittesuunaline olemus võimaldab kristallide libisemissüsteemi ühtlaselt jaotada kolmemõõtmelises ruumis, mille tulemuseks on kõrge vastupidavus nihestusliikumisele ja terasvarrastele kõrge elastsusmoodul (200 GPa).

Plastilise deformatsiooni reguleerimine: terasvarraste plastilise deformatsiooni staadium vabastab nihestuse ümberkorraldamise kaudu kohaliku pinge kontsentratsiooni, säilitades elastsusmooduli stabiilsuse.

3. Toimivuserinevuste tehniline tähtsus

Iseloomulikud klaaskiuga tugevdatud terasvardad

Tõmbetugevus 500-900 MPa (oluline eelis) 400-750 MPa

Elastsusmoodul 40-60 GPa (1/3-2/5 terasvarda) 200 GPa

Vearežiimis rabe murd (hoiatus puudub) kaelus plastiline rike (hoiatus)

Kohaldatavad stsenaariumid: kõrged nõuded korrosioonikindlusele, kergele kaalule, väsimuskindlusele, plastilisele deformatsioonile ja seismilisele vastupidavusele

4. Järeldus

Klaaskiudarmatuuri kõrge tõmbetugevus on tingitud kovalentse sideme struktuurist ja klaaskiudude optimeeritud kiudude paigutusest, samas kui madalat elastsusmoodulit piiravad vaigumaatriksi moodul, ebapiisav kiudmaatriksi liidese sidumistugevus ja materjali rabedus. See omaduste kombinatsioon annab sellele ainulaadsed eelised korrosioonikindluse, kergekaalu ja väsimuskindluse stsenaariumide puhul, kuid see tugineb siiski terasarmatuurile konstruktsioonides, mis nõuavad suurt jäikust või plastilist deformatsiooni. Tulevikus loodetakse nano-modifitseeritud vaigu või kiu pinnatöötlustehnoloogia abil veelgi suurendada klaaskiust tugevdamise elastsusmoodulit ja laiendada selle kasutusala.