|
|
|
Главная --> Справочник терминов Критическом напряжении зей и выход частиц на поверхность трещины. При этом истинное напряжение о', рассчитанное на площадь поперечного сечения за вычетом трещины, увеличивается с ростом трещины до тех пор, пока не станет равным критическому напряжению окр. После этого начинается вторая, быстрая стадия разрушения ориентированного полимера. Характерны изменения внешнего вида струи полимера, выходящего из канала. При приближении к критическому напряжению' сдвига на поверхности струи появляются матовость, затем шероховатость, а потом и неровности разного вида, потому что струя при движении в канале то отрывается от его стенок, то прилипает вновь. При достижении критического напряжения неровности могут быть настолько значительными, что форма струи совершенно искажается и даже происходит ее частичное разрушение с образованием отдельных кусков полимера неправильной формы. РЗОО — нагрузка в кгс при удлинении, равном 300%; F0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца в см*. Предел прочности при растяжении равен критическому напряжению, соответствующему разрывному удлинению, а модули характеризуют напряжения, соответствующие промежуточной величине удлинения. стг и е2 являются координатами конечной точки на кривой растяжения, тогда как модули растяжения характеризуют промежуточные точки на S-образной кривой растяжения (рис. 20). Из формулы (I. 9) следует, что в средах, снижающих свободную поверхностную энергию, прочность уменьшается. Это было подтверждено опытами Обреимова19. Пользуясь формулой Гриффита, Берденников20 по критическому напряжению ак определил свободную поверхностную энергию стекла в вакууме и в воде. Влияние ширины молеку-лярновесового распределения (МБР) на величину критического напряжения исследовано недостаточно. В упомянутой выше работе Хоуэллс приводит данные о том, что изменение МВР образцов полиметилметакрилата не сказалось на величине критического напряжения сдвига. Аналогичные опыты проводились и с полиэтиленом НД; при этом критическое напряжение для смеси полиэтиленов, индексы течения которых отличались более чем в 100 раз, оказалось равным критическому напряжению для расплава с такими же реологическими свойствами, что и их смесь115. полиэтиленом высокой плотности; при этом критическое напряжение для смеси полиэтиленов, индексы течения которых отличались более чем в 100 раз, оказалось равным критическому напряжению для расплава с такими же реологическими свойствами, что и их смесь [202]. Потери третьего вида были рассмотрены автором и Разумовской [4.70], исходя из молекулярной модели микротрещины и микропроцесса разрушения. Потери этого вида возникают вследствие разрыва химических связей. В момент разрыва связей абсолютное значение квазиупругой силы F (см. рис. 1.2) достигает максимального значения Fm, отвечающего критическому напряжению ак* в вершине микротрещины. После разрыва связей вершина трещины в этом месте передвигается на расстояние, равное одному межчастичному расстоянию. До точки максимума М возможен квазистатический процесс растяжения связей, но после точки М происходит самопроизвольный процесс разрыва связей и сброс энергии, так как концевые атомы, вышедшие на свободную поверхность при колебаниях, быстро рассеивают избыточную энергию. Этот процесс не связан с обычными механическими потерями в объеме материала, а является «поверхностным» эффектом. Полная изотерма долговечности, соответствующая зависимости ]gT от напряжения растяжения <т во всем интервале а от 0 до оо (при 71 = const), может быть получена из уравнения (6.15). Уже было выяснено, что теория в области малых о дает следующие результаты. Полимер в условиях отсутствия воздействия химически и физически активных сред и в условиях стабильности структуры при значениях >а от 0 до безопасного напряжения РО характеризуется долговечностью т=оо. При Более детально рассмотрим диаграмму с — /о для неориентированного ПММА в хрупком состоянии, к которому относится теория Гриффита. Для ПММА а = 3,9-10~2 Дж/м2, по данным Долля, ? = 4,9 ГПа, А,т = 0,9-10-7 мм, Ол = 14,4-10~20 мм3, ?/о = 750 кДж/моль; коэффициент 3 вычисляли по формуле (6.12) для образца-полоски ПММА с краевой трещиной при L=10 мм. Расчет щ, ак и аа вели по формулам (6.36), (6.40) и (4.30). Полученные результаты (рис. 6.19) очень показательны. Во-первых, пороговое напряжение Гриффита оо практически совпадает с безопасным напряжением «о. Во-вторых, >аа не имеет никакого отношения к критическому напряжению стк, ко- Сопоставление термодинамического и кинетического подходов к процессам разрушения полимеров показало, что для ПММА и капронового волокна критерий Гриффита OG соответствует <7о, а не (7К. Отсюда следует, что GG и теория Гриффита не имеют отношения к критерию разрушения и к критическому напряжению ктк. Критерий Гриффита скорее является критерием безопасности (как и безопасное напряжение о0 в термо-флуктуационной теории прочности). Таким образом?, кинетический подход дает термофлуктуационный вклад Тф в долговечность и определяет его границы (GO, щ) • При Т—ИЗ напряжение 0ф'—Нсгк. Термодинамический подход дает оценку безопасного напряжения в виде порогового напряжения Гриффита ас, которое характеризует равновесное состояние (когда процессы разрыва и рекомбинации химических связей равновероятны). Механический подход дает атермический вклад тк в долговечность т=^ф+Тк и методы расчета концентрации напряжения (или локальных напряжений) в вершинах микротрещин, ответственных за разрушение. При переходе к бездефектным (высокопрочным) материалам, имеющим микронеоднородную Структуру и перенапряженные цепи, уравнение долговечности переходит в известное уравнение Журкова. В результате скольжения полимера в канале и сопутствующего падения сопротивления перепад давления, отвечающий критическому напряжению сдвига, сосредоточивается во входной зоне канала, где резко возрастает скорость движения полимера. Это приводит к разрыву сплошности среды как любого упругонапряженного тела. Поэтому участок кривой EF описывает движение разорванного на куски высокоэластичного тела. Отсюда следует, что ветвь EF только внешне напоминает верхнюю ветвь полной кривой течения, т. е. ту ее часть, которая описывает течение полимерных систем с наименьшей ньютоновской вязкостью. В действительности ветвь EF характеризует режимы движения полимеров, которые не имеют ничего общего с ньютоновским течением. При малых напряжениях в высокоэластическом состоянии проявляется процесс, напоминающий явление вынужденной эластичности, так как при некотором критическом напряжении происходит разрушение вторичных узлов пространственной сетки и изменяется сопротивление эластомера деформированию. Этот релаксационный процесс объясняется существованием микрообластей, образующих со свободными цепями пространственной сетки дополнительные вторичные узлы нехимического происхождения, которые распадаются при достижении критического напряжения. При некотором критическом напряжении ia*K = t//cD эффективная энергия активации обращается в нуль (U — шсг* = 0) и проис- Таким образом, теория хрупкого разрушения приводит к понятиям о безопасном и критическом напряжении и к уравнению долговечности, учитывающему вклад первой и второй стадий разрушения: При экструзии для монодисперных полимеров характерно ньютоновское поведение (тангенс наклона логарифмических кривых течения к оси скоростей близок к единице) вплоть до напряжений сдвига порядка 105 Па. В этой области (при критическом напряжении т* равна 0,3—0,4 МПа для монодисперсных полибутадиенов и 0,1—0,2 МПа для монодисперсных полиизопренов (рис. 1.22) наблюдается резкий излом кривых и скорость деформации перестает Зависеть от напряжения. При этом может быть получена любая ной линией на рис. 25. Это объясняется тем, что при очень малых временах разрушения время жизни образца становится сравнимым со временем приложения нагрузки (ударные испытания) и зависит от скорости распространения упругих волн. В этой области статическое нагружение s=const осуществить не удается и прочность в значительной степени зависит от скорости нагружения. При ударных испытаниях процесс разрушения приобретает принципиально иной характер и понятие о критическом напряжении ак теряет смысл. Эта проблема выходит за рамки данной монографии. Изложенную теорию временной зависимости прочности. следует рассматривать как весьма приближенную. Так, например, формулы (I. 21)—(I. 23) содержат эмпирические постоянные а, (3, U0 и др. Кроме того, коэффициент концентрации напряжений в вершине трещины, строго говоря, не может считаться постоянной величиной, так как он по мере роста трещины увеличивается, достигает максимального значения, а затем уменьшается1110. Вывод уравнения долговечности с учетом изменения 3 представляет большие трудности. Некоторым оправданием применения в расчетах (3=const может служить то обстоятельство, что основной вклад в долговечность вносит лишь начальный период роста трещины, когда коэффициент 3 сильно измениться не успевает. В соответствии с уравнением-(5.34) энергия активации хрупкого разрыва линейно убывает с ростом напряжения, причем величина уа характеризует работу разрушения, выполняемую внешней силой, а разность (5.34) —энергию теплового движения. При критическом напряжении Для измельчения пигментных агломератов в перерабатывающих машинах необходимы усилия сдвига. Известно, что протекание и результат процесса измельчения зависят от переносимого через расплав на частицы напряжения сдвига и от времени пребывания их в поле напряжения сдвига: измельчение становится заметным лишь при определенном критическом напряжении сдвига, которое может быть различным для каждого пигмента или для каждого типа пигментов [4, 5]. Кроме того, необходимо определенное минимальное время пребывания агломератов в поле напряжения сдвига; если время наложения нагрузки меньше такого минимального значения, измельчение агломератов не происходит, даже при очень больших напряжениях сдвига. С увеличением напряжения сдвига и времени пребывания в поле напряжения сдвига измельчение усиливается (рис. 4.12) (А — число агломератов после наложения нагрузки; растущее значение 1/Л показывает лучшее измельчение). Одна из основных задач механики разрушения — дать методы расчета прочности изделий и деталей в сложнонапряженных состояниях, исходя из данных по прочности, полученных для одного из простых напряженных состояний (обычно это одноосное растяжение). Одни из методов основываются на представлении о некотором пороговом или критическом напряжении, по достижении которого одной из компонент тензора напряжений наступает разрушение (классические теории прочности). Другие методы связаны с учетом температурно-временного характера разрушения. Анализ температурно-временной зависимости привел в последнее время к ряду новых критериев и теорий прочности. Такое изменение скорости роста трещин позволяет ввести представление о двух стадиях разрыва, согласующееся с экспериментальными данными. Мюллер [4.10], по-видимому, первым обнаружил, что разрушение стекол происходит в две стадии. Первая стадия связана с медленным ростом начальной микротрещины, приводящим к образованию зеркальной поверхности разрыва, вторая — с прорастанием первичной и большого числа вторичных микротрещин со скоростью, близкой к скорости звука, приводящих к образованию шероховатой зоны. Скорость роста трещины на первой стадии зависит от растягивающего напряжения, температуры и длины трещины I. Чем больше напряжение, тем короче медленная стадия и тем меньше зеркальная зона. При критическом напряжении сг=<ак, приложенном с самого начала, она исчезает. При низких температурах зеркальная часть на поверхности разрыва также практически отсутствует, так как разрушение сразу принимает критический характер (идет по атермическому механизму). Таким образом, переход от малых деформаций к большим в ориентированном кристаллическом полимере связан с заменой конформационного механизма деформации на деструкци-онный. Если же полимер подвергать деформации при высоких температурах (в расплаве), то вплоть до больших деформаций действует в основном конформационный механизм. В работах [5.51—5.53] предложена модель дискретного механизма локальной деформации, учитывающая существование микронеод-нородностей структуры полимера в аморфном состоянии. Авторы считают, что в любом поперечном сечении образца, подвергнутого растяжению при <7 = const, только часть элементов объема (наиболее перенапряженных) растягивается скачком от начального к конечному значению, т. е. что при критическом напряжении цепи переходят скачком из свернутой в выпрямленную конформацию (конформационный гош-грдмс-переход звеньев или их последовательностей в цепи). При критическом напряжении  Кристаллизации растворителя Кристаллизации возрастает Кристаллов полиэтилена Кристаллов составляет Катализатора используют Критические замечания Критических замечаний Критической температуре Критического напряжения |
- |
Навигация