ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физический смысл и методы определения прочностных параметров Uo, Термофлуктуационный характер разрушения. Природа разрывающихся связей из "Физико-химия полимеров 1978" В настояшее время установлено, что такое представление о характере процесса разрушения неверно, так как все материалы при длительном боздействии нагрузок разрушаются при напряжениях, значительно меньших, чем напряжения, возникающие при быстром приложении нагрузки. Это означает, что сопротивление разрыву зависит от продолжительности действия нагрузки. [c.192] Временная зависимость прочности при статической нагрузке называется статической усталостью материала, временная зависимость прочности при динамической нагрузке — динамической усталостью материала. Часто оба эти явления называют утомлением материала. Явления статической и динамической усталости наблюдаются при деформации металлов, силикатных стекол, пластических масс, волокон, резин и других материалов, в связи е чем было введено понятие долговечности. [c.192] Долговечность — это время от момента приложения нагрузки до момента разрыва материала. Это — фундаментальная характеристика прочностных свойств всех материалов. Она необходима для инженерных расчетов прочности конструкций и деталей. Изучение зависимости долговечности от условий испытания дает информацию о физической природе процесса разрушения. [c.192] Такой характер зависимости долговечности от напряжения наблюдается в очень широком интервале температур (рис. 7.14). Чем ниже температура, тем больше тангенс угла наклона прямой, т. е. тем больше величины Л и а. Из рис. 7.14 следует, что при достаточно низких температурах зависимость lgt=/(a) изображается очень крутой прямой, т. е. небольшое изменение а приводит к астрономическим значениям lgт — создается впечатление мгновенного разрыва, что и послужило причиной появления представлений о критическом разрушении и пределе прочности. [c.193] Уравнение (7.5) называется уравнением Журкова. Оно переходит в уравнение (7.4) при А — и а = у/йГ. [c.193] Очевидно, что активационные барьеры могут преодолевать не все атомы, а только те из них, у которых кТ ДС/, т. е. атомы, обладающие избыточной кинетической энергией, или энергией флуктуаций , вызванных неизбежной неравномерностью распределения тепловой энергии по атомам. [c.194] Для большинства твердых тел, в том числе для многих полимеров, То = с. Это не случайно, поскольку То — величина, обратная vo, т. е. это время тепловых колебаний атомов в твердых телах. Если все так, то величина i/o — уа = AU — эффективный потенциальный барьер, определяющий скорость разрушен ния твердого полимера, а сам процесс разрушения — типичный активационный процесс, происходящий во времени. [c.194] Таким образом, параметр у отражает структуру тела его значение меняется с изменением структуры материала, например при отжиге, ориентации, пластификации (см. стр. 45) и т. д. Поэтому параметр у называется структурно-чувствительным параметром. [c.196] Для резин (в отличие от твердых тел) напряжение практически не влияет на энергию активации [/о, но изменяет значение пред-экспоненциального члена. [c.196] Все изложенное свидетельствует о временном характере прочности полимерных материалов. Поэтому такие понятия, как предел прочности, разрушающее напряжение и т. п., становятся условными. Нельзя решить вопрос о том, какую нагрузку может выдержать тот или иной полимерный материал, не указывая времени, в течение которого образец не должен разрушаться. [c.196] Термофлуктуационный характер разрушения. [c.197] Систематическое изучение долговечности различных по структуре и свойствам материалов, определение прочностных параметров i/o, V и То позволили развить представления о кинетическом характере разрушения и термофлуктуационнз Ю теорию прочности. Из зависимости долговечности от напряжения совершенно очевидно, что разрушение — это процесс, происходящий во времени, т. е. идущий с определенной скоростью, и долговечность можно рассматривать как величину, обратно пропорциональную усредненной скорости V процесса разрушения. Кроме того, из уравнения (7.5) следует, что долговечность тела одинаковым образом зависит от приложенного напряжения и температуры — оба параметра входят в показатель степени. Это заставляет предположить, что в процессе разрушения большую роль играет тепловая энергия и именно ее флуктуации, т. е. в том месте материала, где тепловые флуктуации становятся больше энергии разрываемой связи, последняя разрывается, Приложенное напряжение создает возможность накопления этих флуктуаций в определенном направлении и снижает энергию активации разрыва. [c.197] Рассчитанные из данных по долговечности значения энергии активации разрыва Uo полимеров составляют 120—220 кДж/моль, т, е. близки к энергии активации химических реакций. Во многих случаях эти значения не зависят от структурных изменений в полимере, которые должны были бы сказаться на межмолекулярном взаимодействии. Это заставило предположить, что при нагружении полимера происходит разрыв химических связей, которые напрягаются под влиянием приложенного напряжения, и напряженные связи рвутся под действием тепловых флуктуаций. Эта гипотеза была доказана для одноосноориентированных полимеров, у которых химические связи располагаются вдоль одного направления [12—13]. [c.197] В спектрах нагруженных полимеров были обнаружены частоты, соответствующие окисленным группам, в частности альдегидным [20]. Появление этих групп объясняется большой реакционной способностью образующихся на концах разорванных цепей свободных радикалов, легко окисляющихся на воздухе. Эти результаты позволили рассмотреть процесс механического разрушения полимера как механохимическую реакцию [21]. [c.198] Но прочностные свойства полимеров определяются не только химическими связями между атомами в цепи, но и межцепным взаимодействием, прежде всего сказывающимся на величине структурно-чувствительного коэффициента у- Чем больше межцепное взаимодействие, тем меньше у и, согласно уравнению (7.11), выше прочность. Межцепное взаимодёиствие зависит от природы атомов, входящих в цепь и от расстояния между цепями, т. е. от плотности их упаковки. Последний фактор является решающим, так как энергия межмолекулярного взаимодействия резко убывает с увеличением расстояния (см. стр. 37). Поэтому для обеспечения высокой прочности необходимым условием является создание наиболее плотной упаковки макромолекул. [c.198] При деформировании неориентированных полимеров, в особенности полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии, могут происходить одновременно процессы деформирования и разрушения, приводящие в ряде случаев к выскальзыванию одной части образца из другой. При этом разрываются не только химические, но и межмолекулярные связи [15. [c.199] Вернуться к основной статье