Термины, связанные с цементом. Квазихрупком состоянии

Главная --> Справочник терминов

Квазихрупком состоянии Область нехрупкого разрушения полимеров ф Теория перехода от хрупкого в нехрупкое состояние ф Два подхода к квазихрупкому состоянию полимеров ф Применение термофлуктуационной теории к квазихрупкому разрушению полимеров

Область нехрупкого разрушения полимеров ф Теория перехода от хрупкого в нехрупкое состояние ф Два подхода к квазихрупкому состоянию полимеров ф Применение термофлук-туационной теории к квазихрупкому разрушению полимеров

11.11.4. Применение термофлуктуационной теории к квазихрупкому разрушению полимеров

Теперь рассмотрим применение термофлуктуационной теории к квазихрупкому разрушению. Как и в хрупком состоянии, кинетика роста трещин определяется здесь термофлуктуационным механизмом, но в условиях проявления релаксационных свойств. Так, при

переходе через температуру хрупкости в областях перенапряжений происходит локальная вынужденн-овысокоэластическая деформация, которая, аналогично пластической деформации в металлах, снижает коэффициент концентрации напряжения. Одновременно с этим приобретают подвижность отдельные полимерные цепи, как это характерно для высокоэластической деформации полимера, и становится возможным независимый разрыв отдельных цепей вместо группового разрыва в хрупком состоянии. Поэтому энергия активации при переходе к квазихрупкому разрушению снижается.

Трудно сказать определенно, можно ли отнести разрыв волокон к хрупкому или квазихрупкому разрушению, так как специфика их структуры (анизотропия) не приводит к столь четкому различию различных видов разрушения, как у неориентированных полимеров в твердом состоянии.

Схема Иоффе с уточнениями может быть применена к высокопрочному состоянию. При нагружении образца происходит конкуренция двух процессов: течения (высокоэластической деформации) и зарождения микротрещин. При достаточно низких температурах процессы пластической и высокоэластической деформации исключены вследствие очень высокого значения ат или ав. Возможен только термофлуктуационный процесс зарождения и распространения микротрещин. При увеличении температуры успевает произойти релаксация напряжений в слабых местах структуры, приводящая к микропластической деформации, которая может инициировать образование зародышевых микротрещин. Так как перенапряжения, связанные с микротрещинами, значительны, то процесс роста микротрещин опережает процесс развития деформации, и образец разрывается квазихрупко. Именно температуру перехода от хрупкого к квазихрупкому разрушению и следует назвать температурой хрупкости. При дальнейшем повышении температуры плактические или высокоэластические процессы успевают развиться во всем объеме образца. При некоторой температуре наступает потеря деформационной устойчивости. Назовем эту температуру температурой квазихрупкости Ткхр.

ции равна ?/о=134 кДж/моль и у — 1,08- 10~18 мм3. Последние данные относятся к квазихрупкому разрушению с энергией активации, соответствующей разрыву одной полимерной цепи по слабой химической связи С — С. Раньше считалось, что эти данные относятся к хрупкому разрушению. Следует указать, что большинство данных по долговечности относится к квазихрупкому, а выше Гкхр — к нехрупкому, или «пластическому» разрушению с образованием и ростом квазихрупких микротрещин и крейзов. Регель [5.21] делает вывод в отношении пластмасс, что ;Временная зависимость прочности <в основном связана с закономерностями роста трещин, а не возникновением новых зародышей трещин. К такому же выводу пришли Журков и То-машевский [2.6] при исследовании процесса роста хрупкой трещины в пластмассах. В отношении волокон дело обстоит сложнее, так как существенным этапом разрушения является зарождение под нагрузкой субмикротрещин.

Идеи о роли тепловых флуктуации в разрушении твердых тел выдвигались Смекалем [6.2], Александровым [6.3], Коксом [6.4], Понселе [6.5], а также автором монографии. Журковым с сотр. на основе фундаментальных исследований кинетики разрушения твердых тел предложена концепция о термофлук-туационной природе прочности и сформулирован кинетический подход к процессу разрушения. Степановым с сотр. эта концепция развита и уточнена для хрупкого состояния и перехода к квазихрупкому разрушению, выяснено принципиальное отличие процесса деформации от разрушения твердых тел. Теория разрушения полимерных цепей и полимеров в высокопрочном состоянии на основе этой концепции развита Губановым и Чевычеловьш, Разумовской, Савиным, Мелькером, Веттегре-нем и другими исследователями.

Теперь можно перейти к квазихрупкому разрушению ПММА, считая по-прежнему, что характерной длиной поверхностной трещины у ПММА является /0 = 9,5-10~3 мм. Выше Тхр наблюдаются квазинезависимые разрывы отдельных цепей (п=1), поэтому 1>л = 4,8-10~~20 мм3 (см. табл. 2.4). В области квазихрупкости (244—325 К) Y= 1>08-10~18 мм3, что приводит к значению р="у/ид = 22,5. Как и следовало ожидать, в результате появления пластичности в вершине микротрещины значение р уменьшилось в три раза по сравнению с хрупким состоянием ПММА. По-прежнему ^=1,26-10~6 мм и о» 100 МПа. Подстановка указанных значений в формулу (6.18) при средней температуре Г = 285 К дает Л = 7-10"12 с, тогда как из данных [5.13] следует Л = 2,5-Ю-12 с.

На температурной зависимости сгр полистирола (ПС) [6.47] (рис. 6.22) можно определить четыре температурных интервала. Интервал / соответствует квазихрупкому разрушению, причем температура квазихрупкости ГКхр находится при 50—60°С (температура хрупкости Tkp у ПС, как и у ПММА, находится ниже 0°С). В этом интервале ар = 30 МПа, а [разрывная деформация ер мала и составляет 2%. Интервал // соответствует переходу к пластическому разрушению с образованием шейки (ар»3 МПа и ер = 20%). В интервале /// полимер разрушается при большой вытяжке ниже температуры стеклования (вынужденная высокоэластическая деформация). При этом ориентация велика, и образец перед разрушением полностью переходит в шейку. В интервале IV разрывная деформация уменьшается и разрушение происходит при меньшей вытяжке вплоть до ТС=1000С. Прочность в интервале /// (рассчитанная на начальное сечение) равна 2—6 МПа, а в интервале IV снижается до 0,2—0,6 МПа.

Определим из (11.49) значение температурного коэффициента энергии активации в квазихрупком состоянии полимера, по-прежнему [61] считая, что Л = 1(Н3 с, v0 = 3-10-'-3 с-',а = 50МН/м2, Т = = 300 К, Я= 1,2 нм, но уже ш== 1,4- 10~28 м3 (одна полимерная цепь), и что коэффициент концентраций напряжения для начальных микротрещин полимерных стекол р0=10, а типичная ширина образца-полоски L—1 см. Расчет дает значение g=100 Дж/(моль-К), что близко к значению 110 Дж/(моль-К), приведенному в [9]. Увеличение q для квазихрупкого состояния в четыре раза по сравнению со значением q = 25 Дж/(моль-К) для хрупкого состояния может быть объяснено увеличением коэффициента объемного теплового расширения полимера в три раза при переходе из стеклообразного в высокоэластическое состояние. Так как при переходе через Гхр в местах концентрации напряжения наблюдается высокоэластическая деформация, то тепловое расширение в этих микрообъемах возрастает в три раза. Следовательно, с увеличением объема при тепловом расширении возрастает подрастянутость химических связей полимерных цепей.

Идея второго пути [11.15] заключается в том, чтобы использовать формулу (11.19), предложенную для расчета концентрации напряжения в вершине микротрещины в упругой среде для материала, находящегося в квазихрупком состоянии: под К в этом случае понимают размеры Х*-области микропластической деформации впереди трещины. Размеры этой микрообласти часто связывают с линейными размерами элементов микроструктуры (у металлов —

в квазихрупком состоянии 78

в квазихрупком состоянии 208

4.7. Модели трещин и критерии разрушения в квазихрупком состоянии

Регелем [5.5] методом скоростной киносъемки был исследован процесс разрушения в ПММА выше 293 К, т. е. в квазихрупком состоянии. И в этом случае сделан вывод, что временная зависимость прочности органического стекла в основном определяется закономерностями роста трещин, а не закономерностями возникновения зародышевых трещин. Процесс роста трещин можно разделить на три стадии (рис. 5.6): медленный рост, начинающийся со стартовой скоростью vs, ускоренный рост и, наконец, быстрый рост трещины с постоянной скоростью УК (кривая 2). Для хрупкого разрушения (кривая /) участка, подобного участку BD на кривой 2, связанного с локальным повышением температуры в пластической микрообласти в вершине трещины, не наблюдается.

Для полимеров в низкопрочном состоянии из схемы прочностных состояний (см. рис. 3.4) следует существование трех температурных областей: хрупкого (/), квазихрупкого (//) и пластического (///) состояний и температур хрупкости Гхр и квазихрупкости Ткхр, разделяющих эти области. На рис. 5.13 приведены температурные зависимости прочности и разрывной деформации полиэтилентерефталата, полученные на разрывной машине. В области /, лежащей ниже Гхр = —20°С (точка Л), материал находится в хрупком состоянии (разрывная деформация составляет несколько %). В области II (между точками А и В) материал находится в квазихрупком состоянии; прочность в этом состоянии (61 МПа) выше хрупкой прочности (50 МПа). В области ///, располагающейся выше температуры квазихрупкости ГКхр=45°С, образец сильно деформируется и упрочняется с возрастанием степени ориентации вплоть до точки разрыва D.

В главе 4 уже были рассмотрены вопросы связи процессов разрушения и деформации для высокопрочного состояния твердых тел. Есть достаточные основания считать, что прочность в квазихрупком состоянии совпадает с пределом текучести (для полимеров ап — с пределом вынужденной высокоэластичности ав). Ратнер и Брохин [5.31] рассматривали критическое время 6, необходимое для снижения 0В до величины приложенного напряжения, как деформационную (релаксационную) долговечность, аналогичную прочностной долговечности т. Величина 8 определяется по резкому подъему кривой ползучести полимера (рис. 5.17), после которого начинается высокоэластическая деформация. Было показано, что критическое время О подчиняется уравнению, аналогичному (5.9).

нии, всегда имеются начальные микротрещины и наиболее опасная из них определяет прочность и долговечность. В полимерах, находящихся в квазихрупком состоянии, например в полимерных стеклах, также имеются начальные микротрещины. В других случаях (полимерные волокна) микротрещины отсутствуют, но имеются слабые места (аморфные участки микрофибрилл). Уже при малых нагрузках в слабых местах образуются субмикротрещины, которые вследствие наличия прочных кристаллических участков микрофибрилл являются стабильными и непосредственно не приводят к разрушению. Разрыв полимерного волокна происходит от одной из микротрещин, возникшей из ряда субмикротрещин или на стыке микрофибрилл. При больших нагрузках к разрушению приводит одна из наиболее опасных микротрещин. Поэтому термофлуктуационная теория в первую очередь должна рассмотреть механизм и условия роста микротрещин в полимерах.

Согласно кинетической концепции разрушения, роль внешнего напряжения сводится к уменьшению кинетической энергии, необходимой для преодоления барьера, т. е. .к уменьшению энергии активации разрыва связей и тем самым к увеличению вероятности разрыва связей в твердом теле. Сам же акт разрыва представляет собой флуктуацию локальной кинетической энергии, возникающую в результате подхода к вершине микротрещины фонона достаточной энергии и завершающуюся разрывом химических связей. Отсюда следует, что флуктуационный механизм разрушения можно назвать разновидностью фонон-ного механизма разрушения. Тот факт, что в большинстве случаев для полимеров в квазихрупком состоянии энергия активации разрушения практически совпадает с энергией соответствующих химических связей, привел к заключению, что разрушение полимера выше Тхр происходит путем квазинезависимых разрывов отдельных полимерных цепей.

В квазихрупком состоянии полимера п—\, а в хрупком состоянии следует предположить, что п~>\. Это объясняется тем, что в квазихрупком состоянии в вершине трещины происходит вынужденная высокоэластическая деформация и полимерные цепи ведут себя как квазинезависимые. В хрупком состоянии полимерные цепи вследствие отсутствия молекулярной подвижности в вершине не могут разрываться квазинезависимо, без участия соседних. Если область перенапряжения и флуктуация охватывает несколько полимерных цепей, то происходит групповой разрыв связей. Групповой механизм разрыва связей в полимерной цепи обоснован теоретически [4.91], а также методом машинного моделирования (см. гл. 2).

Критической концентрацией Критическое напряжение Критического состояния Кротоновым альдегидом Кровососущих насекомых