Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь  


Механика и механизм разрушения полимеров




 

На вопрос, как и почему разрушаются твердые тела, впервые ответил Гриффит еще в конце XIX в. Его теория, которую можно отнести к механике разрушения, по праву считается классической.

Согласно Гриффиту, разрушение твердого тела под действием механического напряжения связано, в первую очередь, с существованием и развитием трещин. Модель трещины можно представить в виде отверстия в форме эллипса с полуосями а и b в плоском образце единичной толщины (рис. 4.16). Если приложить растягивающее напряжение σ на расстоянии, бесконечном от трещины, то в вершине последней напряжение будет концентрироваться в соответствии с уравнением:

 

 

где ρ = Ь2/а - радиус кривизны у полюса эллипса. Это напряжение спадает по удалении от трещины в соответствии с зависимостью, приведенной на рис. 4.16. Величина σmax/σ характеризует концентрацию напряжений, она приближенно равна:

 

 

Модель острой трещины задается уменьшением радиуса кривизны. При ρ → 0 напряжение в районе вершины трещины неограниченно возрастает. При малых х справедливо приближенное соотношение:

 

 

при ρ ≤ x ≤ a, откуда видно, что напряжение в окрестностях вершины трещины прямо пропорционально квадратному корню от ее длины.



 

 

Деформирование приводит к накоплению в теле упругой энергии, равной, согласно теории упругости, σ2/2Е. Если в плоском деформируемом теле с единичной толщиной образовалась трещина, то упругая энергия такого тела уменьшается на величину, равную

 

 

т.е. на величину энергии, локализованной в объеме, ограничивающем трещину. Поскольку мы имеем дело с листом ограниченной толщины, то в данном случае вместо объема рассматривается площадь окружности, огибающей трещину, которая приближенно равна a2. Эта часть энергии WE расходуется на образование двух новых поверхностей при раскрытии трещины, концентрированная на них поверхностная энергия равна Ws = 4αүS, где үS - удельная поверхностная энергия. Условие разрушения Гриффита можно записать следующим образом:

 

 

Трещина может самопроизвольно расти лишь при достижении некоторого критического размера αкр:

 

 

Таким образом, согласно Гриффиту, общая картина разрушения складывается следующим образом. Твердые тела имеют трещины, которые являются следствием дефектов структуры и связанных с ними внутренних напряжений, однако, в обычных условиях эти трещины не раскрываются, поскольку их размер меньше критического. При действии внешнего напряжения оно может сконцентрироваться в вершинах микротрещин до величины, достаточной для ее раскрытия. После того, как размер трещины превысит αкр, она развивается необратимо с ускорением (что следует из (4.25)) до разрушения образца. В том случае, когда воздействие на образец материала не носит ударного характера, т.е. скорость деформации невысока, в вершине трещины может развиться пластическая деформация, если напряжение достигнет предела текучести σт. Это приводит к релаксации напряжения и остановке роста трещины.

При Т < Тхр, а также при Т > Тхр, но больших скоростях деформации (ударные нагрузки), пластическая деформация и, следовательно, релаксация напряжений не успевают развиться, поэтому в обоих случаях имеет место хрупкое разрушение материала. Механизм хрупкого разрушения полимеров в наибольшей степени отвечает теории Гриффита и практически не отличается от механизма разрушения низкомолекулярных твердых тел. По достижении критического размера трещины начинают расти с ускорением до тех пор, пока скорость их роста не достигнет скорости распространения упругих колебаний (звука) в данном материале. По достижении этого трещины растут с постоянной скоростью до разрушения образца. Трещины, вызывающие разделение образца на части, называются магистральными.

При Т > Тхр и умеренных скоростях нагружения, когда, наряду с упругой, развивается также пластическая деформация, механизм разрушения полимеров, соответствующий этим условиям, называется релаксационным. Релаксационные явления оказывают большое влияние на процессы зарождения и развития трещин. К первому из этих процессов теория Гриффита может быть применена лишь с большими поправками и допущениями. В рассматриваемом случае упругая энергия полимера, запасенная при деформации Wσ, расходуется не только и не столько на увеличение поверхностной энергии WS но также в значительной степени рассеивается вследствие механических потерь:

 

 

Величина δQ учитывает механические потери, она определяется, главным образом, рассеиванием энергии в форме теплоты, выделяемой за счет внутреннего трения в релаксационных процессах, связанных с перемещением сегментов цепей, элементов надмолекулярной структуры. Механические потери для полимеров очень значимы, они могут превышать на несколько порядков изменение поверхностной энергии, связанное с ростом трещины. Поэтому при наличии релаксационных явлений в основном уравнении теории Гриффита используется некая эффективная величина, включающая как свободную поверхностную энергию, так и механические потери.

Пластическая деформация, характерная для релаксационного механизма, приводит также к специфичному и присущему только полимерам явлению возникновения трещин серебра или крейзобразования. Внешне трещины серебра выглядят, как серебряная паутина на поверхности и в объеме прозрачного полимерного образца. При их значительной концентрации полимер теряет прозрачность. Трещины серебра обычно образуются при напряжениях, существенно меньших по сравнению с пределом текучести σт, и при деформации порядка 1 % они могут также образовываться при хранении полимерного материала как результат внутренних напряжений. В отличие от обычных трещин трещины серебра представляют собой систему микропор, разделенных тяжами или перегородками, состоящими из микрофибрилл полимера, ориентированных в направлении вытяжки.

Считается, что образование трещин серебра является следствием неравномерного распределения напряжений и деформаций в объеме и на поверхности деформируемого образца. Разрыв химических связей в перенапряженных областях и пластическая деформация полимера (течение) в менее напряженных областях приводят к одновременному возникновению микропор и разделяющих их тяжей из ориентированных микрофибрилл.

Образование трещин серебра не приводит к разрушению полимерного материала, поскольку тяжи, соединяющие стенки трещины, не дают им раскрыться. Разрушение образца происходит в течение определенного времени, зависящего от величины приложенного напряжения путем последовательного разрыва тяжей, соединяющих стенки трещины. В этом случае магистральные трещины или трещины разрушения распространяются вслед за трещиной серебра. Образованию трещин серебра сильно способствуют многие органические растворители и некоторые газы. Этот эффект обусловлен тем, что трещины серебра содержат сообщающиеся между собой поры, доступ в которые органическим растворителям облегчен за счет капиллярных явлений. Активизирующее действие многих веществ на образование трещин серебра объясняется пластификацией полимера и снижением его поверхностной энергии; среды, содержащие такие вещества, называются адсорбционно-активными.

 




Читайте также:
Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной...
Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение...
Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней...



©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (709)

Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.008 сек.)