Главная --> Справочник терминов


Концентрации напряжения В отличие от результатов, полученных при исследовании ферритных сталей, удлинение при разрыве и сужение аустенитных сталей вполне соответствуют их ударной вязкости. Установлено, что аустенитные стали (типа 1Х18Н9Т) обладают значительной способностью сопротивляться хрупкому разрушению в местах концентрации напряжений даже при температуре жидкого водорода. Основными недостатками таких сталей являются высокое содержание никеля (до 11%) и, следовательно, дефицитность и недостаточно высокие прочностные свойства (06 = 55 кГ/мм2 и ат = 20 кГ/мм2), поэтому в последнее время проведены большие работы по изысканию заменителей стали типа 18-9 в направлении уменьшения содержания никеля за счет увеличения содержания марганца и легирования азотом. К таким заменителям относится, например, сталь марки Х14Г14НЗТ. Она прочнее стали типа 18-9 (0& = 75 кГ/мм2 и сгт = = 30 кГ/мм2) и обладает высокой ударной вязкостью при низких температурах [119]. Важнейшие механические свойства некоторых сталей отечественного производства представлены в табл. 19.

Ни в одной из рассмотренных ранее молекулярных теорий разрушения (разд. 3.4.1—3.4.5) не предполагалось концентрации напряжений по соседству с разрушенным элементом. Конечно, первые разрывы большого ансамбля первоначально равномерно напряженных молекул будут происходить случайно. Разрушение и восстановление конкретного элемента должно, однако, преимущественно приводить к росту осевых напряжений тех элементов, с которыми он связан непосредственно (с помощью вторичных силовых взаимодействий). Поэтому плотность вероятности разрыва подобных элементов будет несколько выше, чем остальных. Еще более высокая плотность вероятности разрыва присуща небольшому числу элементов, расположенных вблизи уже имеющихся очагов разрушения. Так что (суммарная) вероятность разрыва одного такого элемента, до этого момента не затронутого разорванным элементом, вначале меньше вероятности разрыва одной цепи из большого ансамбля. Поэтому акты разрыва будут происходить некоторое время случайным образом [67]. С ростом их числа возрастает вероятность разрывов в непосредственной близости от уже имеющихся, благодаря чему формируются зародыши трещины и повышается вероятность разрушения соседних элементов.

Согласно теории Буше — Халпина [69] , разрушение эластомеров определяется ограниченной вязкоупругой растяжимостью каучукоподобных нитей. Авторы данной концепции предполагают, что большая часть волокон на вершине растущей трещины натянута до своего критического удлинения Яс. Образец разрушается при большей деформации Кь, когда q волокон разорвутся за время h = qt'. Величины Кь и Кс связаны через ползучесть материала и коэффициент концентрации напряжений. Предложенная теория позволяет рассчитать удлинение при разрыве Кь, если известна ползучесть. При этом не учитывается зависимость концентрации напряжения от длины растущей трещины или уменьшения долговечности f одного волокна в процессе ползучести образца. Предполагается, что все волокна придется вытянуть от практически нулевого удлинения до Кс. В первую очередь это удлинение будет влиять на численные значения q, которые можно рассчитать путем построения экспериментальных поверхностей ослабления материала. Группа из q волокон при статистическом развитии событий, когда разрушение одного из них может повлечь за собой полное разрушение последующего, определяется средней долговечностью , равной qt', и распределением Пуассона для 1ъ'.

Сопротивление полимера удару снижается под действием всех факторов, вызывающих общее или локальное увеличение накопленной энергии упругой деформации при данном виде деформации, но не сопровождается непропорциональным ростом прочности. Таким образом, эффект концентрации напряжений с помощью надрезов, дефектов или включений в остальном неизменного полимера значительно снижает его сопротивление удару. Увеличение степени сшивки выше такого ее значения, при котором обеспечивается распределение нагрузки по всем цепям, лишь вызывает образование коротких, хорошо закрепленных сегментов цепей. Подобные сегменты в первую очередь должны перегружаться и разрываться при деформировании. Невысокое сопротивление удару полностью отвержденных ре-актопластов подтверждает сказанное. Усиление термопластов короткими волокнами, имеющими случайное распределение по длинам, более эффективно увеличивает их твердость, чем прочность, что приводит в итоге к уменьшению сопротивления удару.

Трещины серебра начинают расти на поверхности материала или на границе концентрации напряжений, где при локализованном пластическом течении вследствие сильно неоднородного в молекулярном масштабе пластического сдвига образуются микрополости

Из того факта, что значительная локальная пластическая деформация имеет место даже при быстром деформировании полимера, находящегося в стеклообразном состоянии в условиях концентрации напряжений, непосредственно следует, что молекулярные свойства, которые влияют на вынужденную эластичность и текучесть материала, также оказывают влияние и на Gc, а следовательно, на ударную вязкость. Данные, собранные в табл. 9.1, демонстрируют эту зависимость Gc от температуры, скорости деформации и молекулярных свойств. Во многих упомянутых работах (например, [14, 19, 22, 24, 25, 54, 63, 64, 212—214]) указывается на возможность существования связи между процессами молекулярной релаксации и энергии разрушения поверхности полимеров.

Разрыв связей происходит главным образом в местах концентрации напряжений, которые являются как бы очагами разрушений. Разрушение полимеров носит всегда локальный характер: разрушения накапливаются в перегруженных микрообъемах, распространяясь оттуда в виде трещин на соседние объемы.

Коэффициент сор = у, ю — элементарный флуктуационный объем, в котором происходит разрыв и восстановление связей при тепловых флуктуациях, ар — коэффициент концентрации напряжений в вершине трещины; коэффициент А представляет собой не период колебаний атомов TO, а сложную величину следующего вида

Прочность при одновременном разрыве всех химических связей вдоль поверхности разрыва относится к теоретической прочности 0Т (при О К) или к предельной прочности сгп при температурах, отличных от абсолютного нуля. Причина низкой прочности реальных материалов (техническая прочность) заключается в наличии в них микротрещин и других слабых мест (дефектов) структуры. Под действием внешних или внутренних напряжений (I рода) возникают локальные концентрации напряжений, которые при относительно небольших нагрузках могут достигать теоретической прочности структуры.

Термофлуктуационный механизм осложняется тем, что релаксационные процессы проявляются в полимерах тем отчетливее, чем выше температура. Так, по мере перехода к высоким температурам в микрообъемах перенапряжения проявляется вынужденная эластическая деформация. Вначале этот релаксационный процесс приводит к высокоэластическим деформациям в местах концентрации напряжений, главным образом у вершины микротрещин (термо-флуктуационно-релаксационный механизм), а затем при более высоких температурах — к образованию трещин «серебра», стенки которых связаны между собой микротяжами (релаксационный локальный механизм разрушения). Выше температуры стеклования в высокоэластическом состоянии господствующими являются релаксационные процессы и механизмы разрушения приобретают резко отличительные черты (в табл. 11.2 — вязкоупругий механизм разрушения). Здесь в местах концентраций развивается локальное вязкое течение, которое приводит к образованию так называемых «надрывов», являющихся аналогами трещин в хрупком состоянии. На схеме прочностных состояний (рис. 11.4) указаны области действия различных механизмов разрушения некристаллических полимеров, а также область «пластического» состояния между температурой пластичности Тп и температурой текучести Гт. Разрушение в

Кроме того, р(/) = 1 + 1,121/7/(2Т) и р(/0) = 1 + 1,12}/ коэффициенты концентрации напряжений в вершине растущей и начальной микротрещин. В зависимости (11.24) предэкспоненциаль-ный коэффициент С слабо по сравнению с экспонентой зависит от своих аргументов. Зависимость времени роста трещины от ее длины выделена в отдельный множитель /, быстро стремящийся к единице при возрастании /.

Согласно теории Буше — Халпина [69] , разрушение эластомеров определяется ограниченной вязкоупругой растяжимостью каучукоподобных нитей. Авторы данной концепции предполагают, что большая часть волокон на вершине растущей трещины натянута до своего критического удлинения Яс. Образец разрушается при большей деформации Кь, когда q волокон разорвутся за время h = qt'. Величины Кь и Кс связаны через ползучесть материала и коэффициент концентрации напряжений. Предложенная теория позволяет рассчитать удлинение при разрыве Кь, если известна ползучесть. При этом не учитывается зависимость концентрации напряжения от длины растущей трещины или уменьшения долговечности f одного волокна в процессе ползучести образца. Предполагается, что все волокна придется вытянуть от практически нулевого удлинения до Кс. В первую очередь это удлинение будет влиять на численные значения q, которые можно рассчитать путем построения экспериментальных поверхностей ослабления материала. Группа из q волокон при статистическом развитии событий, когда разрушение одного из них может повлечь за собой полное разрушение последующего, определяется средней долговечностью , равной qt', и распределением Пуассона для 1ъ'.

те же авторы пришли к выводу, что микрофибриллы не разгружаются путем проскальзывания и что боковая твердость кристаллических блоков в сэндвич-структуре микрофибрилл должна быть достаточно большой, чтобы допустить большие концентрации напряжения. Если бы боковая твердость кристаллических блоков была недостаточной, то фибриллы разрушались бы с образованием микрофибрилл. Этот случай показан на рис. 7.5. Центральная диаграмма относится к случаю ненапряженной микрофибриллы. Если в процессе деформирования разрушаются кристаллические блоки, то напряжения растяжения в каждой части структуры будут уравновешивать внешнее напряжение и окажутся равными ему (правая диаграмма). Внешние напряжения, как показано в гл. 1 и 5, всегда значительно меньше прочности цепи. Однако если слоевая структура

Все предшествующее рассмотрение касалось однородности распределения разрывов цепей в макромасштабе. До сих пор не учитывались эффекты ускорения концентрации напряжения при наличии микроструктурной неоднородности и кооперативного взаимодействия мест разрыва цепей. Подобные эффекты, по-видимому, не наблюдались при исследованиях разрыва цепей методами ИКС и ЭПР. Во всяком случае, они не влияют на огромную концентрацию мест разрыва цепей, накапливаемых перед окончательным разрушением материала. Данный факт, конечно, может свидетельствовать о том, что при длительном деформировании разрывы цепей остаются изолированными «дефектами» и не вызывают нестабильного роста трещин.

— На основании своих результатов Ким пришла к выводу, что в начальной фазе деградации материала в атмосфере кислорода, не содержащей озона, напряжение и деформация не оказывают влияния на скорость расщепления цепей. Однако, после того как химическая деградация переходит в стадию, на которой под действием напряжения раскрываются трещины, деформирование образца ускоряет процесс его ослабления путем концентрации напряжения и изменения сшивки [210].

Трещины серебра напоминают пену с открытыми ячейками, диаметр полостей и участков полимера которой в среднем равен ~20 нм. При дальнейшем растяжении продолжается процесс образования трещин серебра. Уменьшение модуля упругости и предела вынужденной эластичности с увеличением деформации объясняется уменьшением плотности, вызванного этой деформацией, и последующего увеличения коэффициента концентрации напряжения на микроскопических элементах полимера, содержащего трещины серебра. Высокие скорости восстановления материала с трещинами серебра после ползучести определяются в основном его поверхностным натяжением и большой внутренней удельной площадью поверхности таких трещин

челова, состоит в том, что разрушение ориентированных аморфно-кристаллических полимеров происходит по аморфным прослойкам. Эти прослойки являются концентраторами напряжения: средняя нагрузка, приходящаяся на одну цепь в аморфной области, больше, чем в кристаллите. Аморфные прослойки отличаются друг от друга количеством проходных цепей и, как следствие этого, различной концентрацией напряжения. Можно ввести коэффициент концентрации напряжения р — отношение средней нагрузки на одну цепь в аморфной области fa к нагрузке на одну цепь в кристаллите fK

Рассмотрим рост краевой поперечной трещины длиной I в тонкой полоске шириной L под действием растягивающего напряжения о. Если коэффициент концентрации напряжения в вершине трещины Ро практически не зависит от длины трещины, что имеет место в некоторых случаях, напряжение в вершине трещины определяется следующим образом:

Если считать, что при каждой флуктуации рвется одна цепь, то тогда (0 = 1,4- 10-28 мз (коэффициент концентрации напряжения р(/о) при /0=10-5 м и Я, = 1,2 нм согласно уравнению (11.19) равен 70).

При очень низких температурах вблизи О К тепловое движение практически отсутствует (область / на рис. 11.4). Поэтому отсут-азует и кинетическая энергия, необходимая для того, чтобы происходил переход из одного минимума потенциальной энергии в другой. В этих/условиях микротрещины практически не растут при любых напряжениях, меньших некоторого критического '0К, которому соответствует критическое перенапряжение в вершине микротрещины '(Тк*, причем их отношение равно коэффициенту концентрации напряжения у вершины микротрещины.

Процесс разрушения выше Гхр происходит путем роста трещин разрушения, но в их вершинах в области перенапряжения наблюдаются деформации, снижающие коэффициент перенапряжения. Причина такого снижения концентрации напряжения заключается в том, что в местах концентрации напряжений происходит локальная вынужденноэластическая деформация (трещина типа III на рис. 11.4). Одновременно с этим приобретают подвижность отдельные полимерные цепи, как это наблюдается в процессах высокоэластической деформации, и возрастают тепловые флуктуации.

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.




Концентрации последнего Концентрации растворителя Концентрации различных Концентрации соответственно Концентрации сульфирующего Концентрации загрязнений Концентрационную зависимость Концентрацию радикалов Концепция ароматичности

-
Яндекс.Метрика