материаловедение №3 вариант №4

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева

Кафедра “Материаловедение и технологии новых материалов”

Домашняя работа №3

«Проектирование структуры и свойств композиционных материалов с дискретными волокнами»

Вариант № 4

Выполнил: студент группы

Принял:

Нижний Новгород

2013 год

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.

Для варианта № 4:

дано одноосное растяжение стержня длиной L=0,45 (м), сечением

S=10^-4(м²), массой m=0,23 (кг), силой N=110 (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.

-Определяем расчетную плотность проектируемого композиционного материала (КМ):

-Определяем нижнее значение расчетной плотности проектируемого КМ для пористости 9%:

-Определим расчетное напряжение растяжения в стержне:

- Определим верхнее и нижнее значение удельной прочности проектируемого КМ:

Плотность проектируемого КМ должна находиться в диапазоне от 4651 кг/м³ до 5111 кг/м³, а удельная прочность – в диапазоне (0,215÷0,237) МДж/кг.

-Выбираем из таблицы два наиболее близких по плотности материала:

СП90-3(Fe-C) =7800 кг/м³ и ХН70Ю=7800 кг/м³ .

-Рассчитываем их удельную прочность:

-Выбираем армирующего материала КМ.

Из таблицы 2 выбираем для матрицы ХН70Ю стальные волокна Ст-35 диаметром 400мкм, так как они обладают небольшими энергетическими затратами на их изготовление. Для матрицы из СП90-3(Fe-C) – органические волокна ОВ диаметром 10 мкм.

- Проверяем выполнение условия удельной прочности:

Условие удельной прочности выполняется!

- Определяем критическую длину волокна по формуле:

А)

;

Б)

-Рассчитываем объемную концентрацию волокон:

по формуле:

А)

Б)

- Проводим уточнение выбора компонентов и рецептуры проектируемых КМ по удельным энергетическим затратам на изготовление материалов их образующих.

Рассчитываем общие энергетические затраты:

По формуле:

А)

Б)

- Рассчитываем плотность спроектированного КМ:

По формуле:

А)

Б)

- 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.

Используем формулу:

1)

2)

Видно, что общие удельные энергетические затраты на изготовление КМ с полимерной матрицей ниже, чем у металлического КМ.

-Рассчитываем удельные прочности двух вариантов КМ:

1)

2)

- Проводим проверку:

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 0,47 доли.