Главная --> Справочник терминов


Деформационного упрочнения скорости деформирования или увеличение температуры в общем случае приводит к возрастанию податливости и переходу от типа деформационного поведения, представленного кривой /, к типам, представленным кривыми 3 или 4. При малых деформациях (от 0 до ~ 1 %) одноосное напряжение о и деформация 8 связаны линейно (закон Гука):

С учетом подобных исходных данных полученная информация осмысливается с точки зрения деформационного поведения цепных молекул, их разрыва и роли в процессе возникновения разрушения.

С учетом всех перечисленных выше фактов предлагается следующая модель деформационного поведения эластомеров ниже их температуры перехода в стеклообразное состояние. В области I межмолекулярное притяжение достаточно сильное и сегменты цепей подвергаются энергоэластическому деформированию. Вначале постепенно и затем за пределом вынужденной эластичности более активно происходит проскальзывание и переориентация сегментов цепей. Разрыв цепей незначителен, поскольку цепи проскальзывают, а не разрываются. В температурной области II, где происходит хрупкое разрушение независимо от предварительной ориентации, межмолекулярное притяжение, по-видимому, достаточно велико, так что осевое нагружение сегментов цепей сравнимо с их напряжением разрушения. При отсутствии локального деформационного упрочнения наибольшая трещина, возникающая в образце в процессе его деформации до значения 5%, будет быстро расширяться, вследствие чего прекратится рост любых других зародышей трещин. На примере термопластов было показано, что образования, по существу, одной плоскости разрушения едва достаточно для получения регистрируемого количества сво-

Данные для натурального каучука, приведенные на рис. II. 13, подтверждают, что механическое стеклование наблюдается в структурно-жидком состоянии полимера, причем низкотемпературная область / соответствует твердому стеклообразному состоянию, а области // и III — структурно-жидкому, в котором реализуется как упруго-твердая (//), так и высокоэластическая реакция на воздействие (///). В зависимости от частоты механических воздействий ширина области твердого деформационного поведения изменяется и при некоторой частоте Vk = Ю~4 с"1 исчезает. Отсюда следует, что при очень медленных механических воздействиях е 0 ^ 104 с температура механического стеклования Ты. с полимера совпадает с температурой структурного стеклования Тс (при стандартной скорости охлаждения в несколько градусов в минуту),

Попытаемся в общих чертах разобрать возможные случаи деформационного поведения полимеров в условиях термомеханических испытаний. Напомним, что в этих условиях образец находится под действием нагрузки при возрастающей температуре. Чаще всего напряжение действует постоянно на протяжении всего опыта, а температура растет по линейному закону.

Таким образом, рассмотренные выше модельные представления, базирующиеся на концепции неравновесных границ зерен, позволяют достаточно реалистично в качественной форме и в некоторых случаях даже количественно описать основные структурные особенности наноструктурных ИПД материалов, связанные не только с наличием ультрамелкого зерна, но и с высокими внутренними напряжениями, их повышенной энергией и избыточным объемом, обусловленными специфической дефектной структурой. Можно полагать, что дальнейший прогресс в экспериментальных исследованиях ИПД материалов, направленный на прецизионное измерение плотностей дефектов границ зерен и кристаллической решетки, их типов и пространственных конфигураций позволит уточнить предложенную модель. Вместе с тем развиваемый подход к структуре ИПД материалов является основой для понимания их необычных свойств и будет использован ниже при анализе термического поведения, фундаментальных свойств и деформационного поведения наноструктурных материалов.

ческого течения.. Последнее, очевидно, обусловлено изменением механизма деформации в наноструктурных металлах, когда наряду с действием внутризеренного дислокационного скольжения развивается зернограничное проскальзывание (ЗГП) уже при относительно низких температурах [61, 327]. На рис. 5.15приведена диаграмма «напряжение-деформация» для такого же образца Си, подвергнутого дополнительному 3-минутному отжигу при 473 К. Такой короткий отжиг не приводит к заметному росту зерен, однако ведет к возврату дефектной структуры их границ, выраженному в резком уменьшении внутренних напряжений [327]. Видно, что несмотря на аналогичный размер зерен, имеется весьма существенная разница деформационного поведения в этих двух состояниях. После кратковременного отжига вид кривой становится похожим на вид кривой, соответствующей крупнокристаллической Си. Этот результат очень важен и показывает, что на прочностные свойства наноструктурных материалов может влиять не только средний размер зерна, но и дефектная структура границ зерен.

Другим интересным примером деформационного поведения на-номатериалов является механическое поведение Ti, подвергнутого ИПД кручением [58]. Поскольку образцы имели размеры около 10мм в диаметре, для их исследования были использованы испытания на изгиб. Полученные результаты позволили определить пределы текучести стт, предел прочности аъ и максимальную величину прогиба Д [58].

Рассмотренные выше экспериментальные данные о механических свойствах наноструктурных материалов демонстрируют ряд особенностей их деформационного поведения при комнатной температуре. Это, во-первых, высокое значение предела текучести и,

Следует еще раз подчеркнуть, что линейные соотношения в законах Гука и Ньютона приближенно справедливы лишь при малых деформациях или скоростях деформаций соответственно. Кроме того, реальные реологические среды, и прежде всего эластомеры, обладают и вязкими, и упругими свойствами в различных сочетаниях. Поэтому для описания деформационного поведения эластомеров необходимо рассмотреть основные положения линейной и нелинейной теории вязкоупругости.

Специфика деформационного поведения полимеров непосредственно связана с их механической прочностью. Этот вопрос будет специально рассмотрен «иже.

ние поперечного сечения деформируемого образца. Если кривая напряжение—деформация простирается значительно дальше этого предела, то говорят, что полимер пластичен. Форма кривой зависит от деформационного упрочнения полимера и от его тенденции к образованию шейки. Кривая 4 характеризует эластопластичные полимеры (например, в случае термопластов при температурах, близких к температуре

С учетом всех перечисленных выше фактов предлагается следующая модель деформационного поведения эластомеров ниже их температуры перехода в стеклообразное состояние. В области I межмолекулярное притяжение достаточно сильное и сегменты цепей подвергаются энергоэластическому деформированию. Вначале постепенно и затем за пределом вынужденной эластичности более активно происходит проскальзывание и переориентация сегментов цепей. Разрыв цепей незначителен, поскольку цепи проскальзывают, а не разрываются. В температурной области II, где происходит хрупкое разрушение независимо от предварительной ориентации, межмолекулярное притяжение, по-видимому, достаточно велико, так что осевое нагружение сегментов цепей сравнимо с их напряжением разрушения. При отсутствии локального деформационного упрочнения наибольшая трещина, возникающая в образце в процессе его деформации до значения 5%, будет быстро расширяться, вследствие чего прекратится рост любых других зародышей трещин. На примере термопластов было показано, что образования, по существу, одной плоскости разрушения едва достаточно для получения регистрируемого количества сво-

бодных радикалов. Неориентированные образцы каучука (замороженные в релаксационном состоянии) подвергаются такому же хрупкому разрушению, как и в температурной области III (90—130 К). Однако образцы, предварительно ориентированные путем растяжения на 100—200 %, очевидно, обладают свойством локального деформационного упрочнения. О природе этого эффекта можно лишь выдвигать гипотезы, и, вероятно, она связана с образованием в предварительно ориентированных эластомерах частично-ориентированных микрофибрилл. В результате локального деформационного упрочнения микротрещины и оставшиеся дефекты образуют систему взаимосвязанных микропустот, а вытянутые фибриллы формируют большие отчетливо видимые полосы. Окружающие газы поглощаются вновь образованными поверхностями пустот. Поскольку микрофибриллы достаточно прочны, чтобы выдержать нагрузку, передаваемую на них, то деформированный образец не будет разрушаться, а все больше и больше дефектов будет превращаться в трещины серебра и полосы. Наибольшее число полос образуется при средних скоростях растяжения (0,01 с~' для полихлоропрена). Большая локальная деформация (более 100%) во всем объеме образца и сильное межмолекулярное притяжение между различными сегментами цепей вызывают сильное возбуждение вдоль оси цепи и разрыв тех ее сегментов, которые играют роль проходных молекул. Согласно упомянутым результатам, концентрация спинов при разрушении эластомеров в температурной области III сопоставима с их концентрацией, полученной для ПА-6. При сильной предварительной ориентации до 300 % (в полихлоропрене) наблюдается пластическое деформирование материала и образование в нем свободных радикалов [31]. Деформация макроскопически однородна. Не обнаружено ни полос, ни трещин серебра, указывающих, что данное деформационное упрочнение более эффективно, чем при меньшей степени предварительной ориентации. Очевидно, рост микропустот прекращается, затем они схлопываются с образованием трещин серебра. Отсутствие сильного поглощения газа и ценообразования при последующем нагреве, а также различия полученных ЭПР-спектров подтверждают данную точку зрения [31].

Обобщая приведенные выше результаты, можно прийти к выводу, что при воздействии на высокоориентированные волокна циклической нагрузки, которая всегда остается положительной по знаку, единственным механизмом усталости является гистерезисное выделение тепла. Однако если в цепях и фибриллах возможна релаксация напряжения, деградация вместо эффекта деформационного упрочнения и переориентация цепей и фибрилл, то преимущественным фактором будет начало роста и распространение трещин. Таким образом, усталостный механизм, описанный Банселлом и Хирлем [77, 79], проявляется в усилении межфибриллярного проскальзывания и росте трещин почти параллельно направлению нагружения. Данный вопрос будет рассмотрен в следующем разделе. Характерные усталостные механизмы также четко проявляются в неориентированных полимерах. Они будут рассмотрены в разд. 8.2.3 данной главы и в следующей главе.

Рис. 9.4. Схематическое представление стабильности трещины в пластичном материале после его деформационного упрочнения:

Очевидно, избыточная энергия и увеличение объема нанострук-турных материалов могут быть связаны с другими дефектами, не производящими дальнодействующих напряжений. Это прежде всего неравновесные вакансии, поры, микротрещины и свободные объемы, связанные с границами зерен. Например, концентрация неравновесных вакансий порядка 3 х 10~4 наблюдалась в Си на стадии V деформационного упрочнения [217]. Тем не менее скорость релаксации неравновесных вакансий очень высока и наиболее вероятно, что вклад вакансий во время дилатометрических исследований не удается зафиксировать [143]. К сожалению, в литературе отсутствуют данные о влиянии пор и микротрещин, однако можно предположить, что их роль незначительна в материалах, деформированных под высоким давлением. Следовательно, есть все основания полагать, что избыточная энергия границ зерен и изменение объема в наноструктурных материалах, полученных методами ИПД, в основном обусловлена наличием высоких внутренних напряжений неупорядоченных ансамблей дислокаций и дисклинаций.

Эволюция структуры исследовалось также под влиянием холодной пластической деформации сжатием в наноструктурной Си, полученной РКУ-прессованием [61]. В материале с исходным размером зерен 0, 21 мкм сжатие при комнатной температуре характеризовалось длинной стадией устойчивого пластического течения без заметного деформационного упрочнения. Во время этого про-

Следует отметить, что Си после РКУ-прессования может показывать и относительно низкую пластичность при растяжении (10%) [326]. По-видимому, это связано с высокой долей малоугловых границ зерен присутствующих в образцах после определенных режимов РКУ-прессования. В работе [61] испытывали Си со средним размером зерен 210нм при сжатии. Испытание проводилось при комнатной температуре с начальной скоростью деформации 1,4 х 10~3с~1. Было также обнаружено, что деформационные кривые для Си с различным размером зерен различаются по форме. Типичными особенностями кривой деформации сжатием в случае наноструктурной Си являются: высокое напряжение течения, равное 390 МПа, значительное начальное деформационное упрочнение в узком интервале степеней деформации (примерно 5%) на начальной стадии деформации, практически полное отсутствие деформационного упрочнения на последующей стадии деформации. Напряжение течения на второй стадии составило около 500 МПа. В то же время пластичность наноструктурной Си была высока. Образцы при сжатии не разрушались даже после максимальной деформации, которая в данном эксперименте равнялось 83%.

Стадия установившейся деформации. Следуя [61], на данной стадии имеет место равновесие между процессами деформационного упрочнения и возврата в границах зерен. Возврат включает в себя поглощение дислокаций границами зерен, ЗГП и миграцию границ зерен. Напряжение течения на этой стадии контролируется зарождением новых дислокаций.

Полученные результаты важны для понимания природы деформационного упрочнения при больших деформациях (стадия IV), обнаруженных для многих материалов. Так, некоторые одинаковые черты наблюдаются в деформационном поведении нанострук-турной Си и обычной Си на стадии IV. Среди них высокое напряжение течения, отсутствие деформационного упрочнения и низкая скоростная чувствительность [217]. Кроме того, в работах [11, 217] при больших деформациях крупнокристаллических материалов также сообщалось о формировании отдельных болынеугловых границ зерен. На стадии IV интенсивно исследовалось механическое поведение многих металлических материалов, однако изучению структуры формирующихся границ уделялось мало внимания.

Одновременно с указанными выше особенностями было обнаружено, что при динамическом нагружении и/или испытаниях при 77 К наблюдаются более высокие напряжения течения и возросшие скорости деформационного упрочнения.




Диэлектрическую постоянную Диацетильного производного Диагональной конструкции Диаграммы растяжения Диаграмма растяжения Диамагнитного кольцевого Диапазоне концентраций Диастереомерных переходных Диазотирование протекает

-