Kenapa kekuatan tegangan tetulang gentian kaca lebih tinggi daripada tetulang keluli, tetapi modulus elastik lebih rendah? Apakah mekanisme mekanikalnya?

Kekuatan tegangan tetulang gentian kaca jauh lebih tinggi daripada tetulang keluli, tetapi modulus elastiknya lebih rendah, yang disebabkan oleh perbezaan penting dalam komposisi material, mikrostruktur, dan mekanisme mekanikal. Berikut adalah analisis terperinci dari perspektif prinsip saintifik:

1 、 Mekanisme teras perbezaan kekuatan tegangan

Pengukuhan Fiberglass: ikatan kovalen dan mekanisme tetulang gentian

Asas Bahan: Penguatkuasaan gentian kaca diperbuat daripada serat kaca sebagai fasa pengukuhan (menyumbang 60% -70% mengikut jumlah), dan komponen terasnya adalah struktur rangkaian silika (SIO ₂), yang membentuk kekisi kekuatan tinggi melalui ikatan kovalen.

Sumber Kekuatan:

Tenaga patah serat kaca: Tenaga patah serat kaca adalah setinggi 7.0-9.5 kJ/m ², jauh melebihi tenaga patah ikatan logam dalam bar keluli (kira-kira 2.5-4.0 kJ/m ²).

Pengoptimuman Pengaturan Serat: Serat diatur dengan cara yang teratur di sepanjang arah paksi, dan bebannya dihantar dengan cekap ke gentian melalui matriks resin, mencapai tekanan tertumpu di sepanjang arah serat.

Perbandingan data: Kekuatan tegangan tetulang gentian kaca boleh mencapai 500-900 MPa, manakala tetulang keluli biasa (HRB400) adalah 400-600 MPa, dan tetulang keluli kekuatan tinggi (HRB600) hanya 600-750 MPa.

Pengukuhan: ikatan logam dan mekanisme pengukuhan dislokasi

Yayasan Bahan: Bar keluli diperbuat daripada aloi karbon besi, yang terbentuk menjadi struktur pearlite ferit melalui proses rolling panas atau sejuk. Sifat ikatan logam yang tidak berarah memberikan mereka dengan kapasiti galas beban tiga dimensi seragam.

Sumber Kekuatan:

Rintangan gerakan dislokasi: Pengukuhan larutan pepejal atom karbon dan struktur lamellar pearlite menghalang slip dislokasi, tetapi tenaga patah ikatan logam mengehadkan batas atas kekuatan teoritis mereka.

Sumbangan Deformasi Plastik: Pemanjangan pada Break of Steel Bar boleh mencapai 15% -25%. Semasa peringkat ubah bentuk plastik, tenaga diserap melalui penyebaran dislokasi, tetapi beberapa kekuatan teoritis dikorbankan.

2 、 Mekanisme teras perbezaan modulus elastik

Pengukuhan Fiberglass: Matriks Resin dan Kesan Antara Muka

Batasan Modulus Matriks: Modulus elastik matriks resin (seperti resin epoksi) hanya 3-5 GPa, jauh lebih rendah daripada 200 GPa tetulang keluli.

Kelemahan ikatan antara muka: Kekuatan ikatan antara muka antara serat kaca dan resin (biasanya <10 MPa) jauh lebih rendah daripada kekuatan ikatan antara ferit dan mutiara dalam bar keluli, dan ia terdedah kepada antara muka debonding atau matriks retak di bawah tekanan.

Ciri-ciri rapuh: Kurva tegasan strain tetulang gentian kaca menunjukkan patah linear, kekurangan platform hasil untuk bar keluli, mengakibatkan modulus elastik yang jelas (40-60 GPa) yang hanya 1/3-2/5 dari bar keluli.

Pengukuhan: ikatan logam dan mekanisme slip kristal

Essence ketegaran yang tinggi: Sifat tidak arah ikatan logam membolehkan sistem slip kristal disebarkan secara seragam dalam ruang tiga dimensi, mengakibatkan rintangan yang tinggi terhadap gerakan kehelan dan bar keluli yang menganugerahkan dengan modulus elastik yang tinggi (200 GPa).

Peraturan ubah bentuk plastik: Tahap ubah bentuk plastik bar keluli melepaskan kepekatan tekanan tempatan melalui penyusunan semula dislokasi, mengekalkan kestabilan modulus elastik.

3 、 Kepentingan kejuruteraan perbezaan prestasi

Bar Serat Kaca Berkuatik Kaca Bertetulang

Kekuatan tegangan 500-900 MPa (kelebihan penting) 400-750 MPa

Modulus elastik 40-60 GPa (1/3-2/5 bar keluli) 200 GPa

Mod Kegagalan Fraktur Rapuh (Tidak Peringatan) Kegagalan Recking Necking (Amaran)

Senario yang berkenaan: Keperluan yang tinggi untuk rintangan kakisan, ringan, rintangan keletihan, ubah bentuk plastik, dan rintangan seismik

4 、 Kesimpulan

Kekuatan tegangan yang tinggi dari tetulang gentian kaca adalah disebabkan oleh struktur ikatan kovalen dan susunan serat serat kaca yang dioptimumkan, manakala modulus elastik yang rendah dibatasi oleh modulus matriks resin, kekuatan ikatan antara muka gentian yang tidak mencukupi, dan kekejaman bahan. Gabungan ciri -ciri ini memberikan kelebihan yang unik dalam rintangan kakisan, ringan, dan senario rintangan keletihan, tetapi ia masih bergantung kepada tetulang keluli dalam struktur yang memerlukan ketegaran tinggi atau ubah bentuk plastik. Pada masa akan datang, melalui teknologi rawatan resin yang diubah suai atau serat permukaan, ia dijangka akan meningkatkan modulus elastik tetulang gentian kaca dan mengembangkan julat aplikasinya.