ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Влияние окружающей среды на деформацию и разрушение твердых Влияние жидких сред на микрорастрескивание полимеров из "Высокодисперсное ориентированное состояние полимеров" В настоящее время вопрос о влиянии различного рода агрессивных сред на деформацию и разрущение твердых тел является предметом систематического исследования. Интерес к этой проблеме обусловлен ее актуальностью в плане практического использования различных материалов, поскольку их эксплуатация всегда происходит в окружении различных газообразных и (или) жидких сред. Ниже рассмотрены основные закономерности влияния физических агрессивных сред, т. е. сред, не вступающих в химическую реакцию с контактирующим с ними при деформации материалом, на механическое поведение твердых тел. [c.101] Впервые представления о роли поверхностной энергии при разрушении твердого тела были сформулированы в теории прочности идеальных упруго-хрупких тел Гриффитом [171]. Согласно его теории, вся механическая энергия, необходимая для разрушения твердого тела, расходуется на образование при разрушении новых поверхностей раздела. Хотя эти представления являются весьма идеализированными и не учитывают разного рода потерь механической энергии, сопровождающих разрушение твердых тел [172], сами представления о разрушении как о поверхностном явлении оказались весьма плодотворными. Развитие этих представлений, связанное с именем Ребиндера и его школы, привело к появлению новой самостоятельной области науки — физикохимической механики. В настощее время влияние изменения межфазной поверхностной энергии на механические свойства и прочность твердых низкомолекулярных тел изучено достаточно детально [168—170]. [c.101] Очевидно, что изучение эффекта Ребиндера имеет огромное прикладное и научное значение, поскольку влияние адсорбцион-ио-активных сред на механические и прочностные свойства материалов может быть весьма разнообразным. Например, ад-сорбционно-активные среды могут вызывать охрупчивание материала или прямо противоположный эффект — снижение сопротивления кристаллического материала пластическому течению, т. е. пластифицирование. Оно проявляется в снижении предела текучести и коэффициента упрочнения пластичного твердого тела. Причиной пластифицирующего действия жидкой среды считают в случае монокристаллов снижение потенциального барьера, который преодолевается дислокациями при перемещении точек их выхода на поверхность кристалла [174]. Поликристаллические металлы в контакте с некоторыми металлическими расплавами также обнаруживают способность к пластическим деформациям при нагрузках на порядок меньших, чем предел текучести чистых металлов [175]. Столь сильное действие среды связано с диффузией адсорбционно-активного расплава по границам зерен и облегчением скольжения зерен друг относительно друга. [c.102] Полимерные материалы, так же как и низкомолекулярные, в процессе эксплуатации подвергаются агрессивному воздействию окружающей среды и, в частности, действию адсорбционноактивных сред. В чем же состоят особенности действия жидких сред на механические свойства полимеров Эти особенности, прежде всего, связаны с цепным строением полимерных молекул, их гибкостью, обусловливающей целый ряд характерных физико-механических свойств полимеров. [c.102] Во-первых, необходимо отметить способность полимеров набухать в жидких средах с образованием истинного раствора. Этот процесс лежит в основе пластификации полимеров, т. е. направленного повышения их пластичности и эластичности. Пластификация полимеров принципиально отличается от описанного выше эффекта пластифицирования, происходящего в деформируемых низкомолекулярных твердых телах под действием адсорбционно-активных сред. Это различие состоит, в первую очередь, в том, что пластификация полимера протекает в объеме (в однофазной системе), а пластифицирование пластических низкомолекулярных твердых тел —на поверхности (тодько на фазовых границах). [c.102] Таким образом, цепное строение полимерных молекул вносит существенные особенности в эффект Ребиидера при деформации полимеров в адсорбционно-активных средах. Одной из главных задач в этой области является устаиовлеиие механизма действия жидких сред на деформацию полимеров. [c.103] 1 было рассмотрено влияние жидких сред на процесс микрорастрескивания полимеров при их холодной вытяжке. В присутствии жидких сред такая деформация осуществляется путем перехода полимера в ориентированное состояние внутри микротрещии специфического строения. Присутствие жидкой среды оказывает также заметное влияние и на механические характеристики полимера, например на предел текучести, разрывное удлинение, прочность. [c.103] В настоящее время имеются две гипотезы относительно механизма влияния жидких сред на процесс микрорастрескивания полимера. Одна из них объясняет возникновение микротрещин и связанное с ним облегчение деформации локальной пластификацией полимера, другая — понижением поверхностной энергии полимера, приводящим к облегчению развития микропустот, характерных для структуры микротрещин. [c.103] Для определения Ъс пластину полимера изгибали в специальном устройстве, после чего погружали в жидкую среду. Выпуклая сторона пластины подвергалась деформации растяжения и на ней возникали микротрещины, хорошо различимые невооруженным глазом. Устройство изгибало пластину так, чтобы в каждой ее точке поверхностная деформация была различной и могла быть легко рассчитана. Граница зоны, занятой микротрещинами, служит областью, в которой деформация считается предельной для инициирования микротрещин. [c.104] Для установления взаимосвязи процессов микрорастрескивания и пластификации в работе [177] сопоставлялись значения Ес для поли-2,6-диметил-1,4-фениленоксида в ряде жидких сред, в зависимости от значения равновесного набухания в этих же средах (рис. 5.2). Квадратиками отмечены среды, в которых из-за слишком хорошего сродства полимера и растворителя происходило макроскопическое разрушение образца. Хорошо видно, что существует определенная корреляция между гс и равновесным набуханием, характеризующим пластификацию полимера низкомолекулярной жидкостью. [c.104] Корреляция между этими величинами была найдена для ряда полимеров в работах [180, 181]. Оказалось, что наиболее эффективно микрорастрескивание вызывают такие жидкости, у которых значение O наиболее близко к значению б полимера. Так как наибольшим сродством обладают жидкости с близкими значениями б, полученный результат позволяет сделать вывод о важном вкладе молекулярной пластификиции полимера в его микрорастрескивание. [c.105] Совместимость полимеров с низкомолекулярными жидкостями во многом зависит от температуры. Как правило, при повышении температуры растворимость полимера в низкомолекулярной жидкости увеличивается, в связи с чем должно в большей мере проявляться и ее пластифицирующее действие. [c.105] Определение гс часто осложняется кинетическими эффектами. Как было показано в работе [183], значение Ес заметно зависит от времени нахождения жидкости в контакте с полимером. На основании сопоставления данных по изучению кинетики сорбции паров соответствующих жидкостей в полимеры, авторы делают вывод о том, что инициирование микротрещии обусловливается диффузионным проникновением жидкости в полимер, а величина ес определяется равновесной степенью его набухания. [c.106] Таким образом, существует достаточно четкая взаимосвязь между величиной Вс и целым рядом параметров, характеризующих совместимость жидкости и полимера. Равновесное набухание жидкости в полимере и соответствующее снижение температуры его стеклования убедительно свидетельствуют о важной роли молекулярной пластификации в процессе зарождения и роста микротрещии. [c.106] Эндрюс и Бивэн [186] одними из первых применили метод механики разрушения для анализа роста микротрещии в ПММА при одновременном действии напряжения в алифатических спиртах, водно-спиртовых смесях, тетрахлориде углерода в широком интервале температур. Оказалось, что величина G,- (минимальная энергия, необходимая для начала роста микротрещины) весьма характерным образом зависит-от температуры для всех исследованных систем (рис. 5.5). Резкое падение Gi с повышением температуры авторы связывают с уменьшением предела текучести материала, который очень сильно зависит от температуры, тем более, что, как показали независимые эксперименты, используемые в работе растворители способны вызывать значительное набухание полимера. Поскольку межфазная поверхностная энергия полимера мало зависит от температуры, то это обстоятельство позволило авторам высказать предположение о преобладающей роли пластификации в процессах микрорастрескивания. [c.107] В работе [189] проведен анализ распространения микротрещии из вершины искусственного подреза при действии ряда жидких сред на ПММА. Обнаружена определенная корреляция между критическим напряжением ас, при котором появляется первая микротрещина, и параметром растворимости жидкости. Оказалось, что наибольшее снижение Ос наблюдается для тех сред, у которых б максимально близок б полимера. В этом случае также, по-видимому, жидкая среда пластифицирует деформируемую зону в вершине растущей микротрещины, в результате чего резко снижается сопротивление материала деформации. В поддержку пластификационной гипотезы возникновения микротрещин высказываются также авторы работы [190], обнаружившие прямую зависимость между фактором интенсивности напряжения инициирования микротрещин и параметром растворимости для ПММА, нагружаемого в среде алифатических спиртов и водно-спиртовых смесей. [c.108] Эффективность действия газообразных сред в области низких температур сильно зависит от парциального давления газа. Было показано [191], что при уменьшении парциального давления азота в его смесях с инертным гелием происходит подавление микрорастрескивания и постепенное исчезновение эффекта низкотемпературной пластичности. Явление низкотемпературной пластичности в присутствии газообразных сред имеет много общего с описанным выше микрорастрескиванием полимеров в присутствии ААС. По-видимому, существенную роль в проявлении низкотемпературной пластичности играют адсорбционные эффекты. [c.109] Полученная теория качественно описывает механическое поведение полимеров при криогенных температурах в окружении газов. Однако теория, построенная исключительно на представлениях об адсорбционном действии среды, содержит ряд противоречий. Она не учитывает процесс пластической, вынужденной эластической деформации полимера при криогенном микрорастрескивании. Действительно, как было показано выше, микрорастрескивание — это не только образование новых поверхностей раздела — микропустот внутри микротрещии, но и процесс ориентации полимера внутри фибрилл. [c.110] В наиболее общем виде механизм криогенного микрорастрескивания сформулирован в работе Петерлина и Олфа [194]. Согласно развиваемым ими представлениям, деформация полимера приводит в первую очередь к увеличению его удельного объема и доли свободного объема. Этот эффект во многом эквивалентен понижению температуры стеклования полимера до температуры, меньшей температуры эксперимента. Особенно сильное увеличение удельного объема и доли свободного объема происходит в местах концентрации напряжения в материале и, естественно, в вершинах трещин и микротрещин. Как следствие высокой локальной концентрации напряжения, полимер в этой области переходит в каучукоподобное состояние, в результате чего оказывается способным к большим деформациям при напряжениях, значительно ниже предела текучести материала, окружающего концентратор напряжения. В связи с этим, полимеры даже при очень низких, вплоть до 4 К [195], температурах разрушаются нехрупко. Об этом свидетельствует анализ поверхностей разрушения полимеров, из которого следует, что истинной трещине разрушения всегда предшествует зона пластической деформации, которую, как правило, отождествляют с микротрещиной. [c.110] Вернуться к основной статье