|
|
|
Главная --> Справочник терминов Локальных напряжений Рис. 7.5. Модель микродеформирования и результирующие локальные напряжения в различных аморфных (о"0) и кристаллических (сгс) областях частично кристаллических волокон. Выше было показано, что при низкой температуре пластическое деформирование каучуков вызывает разрыв большого числа сегментов цепей. Это свидетельствует о том, что локальные осевые напряжения превышают прочность этих сегментов. Еще раньше было показано, что напряжения, требуемые для разрыва связи, более чем на два порядка превышают по величине напряжения, требуемые для макроскопической деформации каучукоподобных образцов. Поэтому образование свободных радикалов указывает на высокую неоднородность распределения локальных напряжений. Интенсивность образования радикалов соответствует числу N сегментов, напряжения в которых превышают значения их прочности; поэтому N будет зависеть от всех параметров, повышающих локальные напряжения, типа плотности сшивки или содержания упрочняющих наполнителей, которые снижают прочность связи, подобно присутствию гете-рогрупп в основной цепи, или влияют на число получаемых радикалов через реакции последних. Отсюда следует, что при ламинарном смешении решающим фактором является величина деформации, тогда как скорость деформирования и напряжение не играют никакой роли. Это справедливо в случае смешения материалов, не обладающих пределом текучести (и способных к образованию смесей) [1]. Величина напряжения сдвига при этом не имеет значения, поскольку речь идет о степени смешения (разумеется, потребляемая мощность зависит от напряжения сдвига). Если же смешиваются компоненты, которые можно размельчить, только приложив к ним усилия, превышающие их предел текучести, то в этом случае локальные напряжения играют главную роль. Примерами таких компонентов являются агломераты технического углерода и ассоциаты вязкоэластичного полимера. Кроме того, для некоторых систем (в частности вязкоэластич-ных) очень важными факторами могут быть скорость нагружения и локальные изменения напряжения. Для систем твердое вещество-жидкость такой вид смешения называют диспергирующим смешением [5], а для систем жидкость—жидкость—гомогенизацией. При описании диспергирующего смешения мы будем в дальнейшем использовать термин «предельная частица», т. е. наименьшая частица дисперсной фазы в смеси. Свойства сыпучих материалов сопротивляться сдвигу определяет их «сыпучесть». Этот термин позволяет изучать условия перемещения по критерию «течет — не течет». Когда происходит внутреннее скольжение частиц или обвал, то говорят, что локальные напряжения сдвига достигают значения предела сдвиговой прочности. Предел прочности при сдвиге является функцией нормальных напряжений. Достижение этого состояния называют предельным на-гружением (ПН). ориентационными вытяжками уже претерпевших кристаллизацию волокон или пленок. Так как до недавнего времени их получали из гибкоцепных полимеров, они неминуемо имели дефектную структуру, описываемую, скорее всего, моделью Хоземана — Бонара с поправками Петерлина (см. сноску на стр. 122), который подразделяет проходные цепи, сочленяющие соседние кристаллиты, на собственно проходные и держащие нагрузку, т. е. непосредственно работающие на прочность. Число последних имеет порядок одного или нескольких процентов (в расчете на число цепей, проходящих через сечение кристаллита в направлении оси волокна), что вызывает упоминавшийся уже дефицит прочности. При термических или иных вытяжках, в согласии с теорией Чевычелова, в первую очередь гибнут эти цепи, но так как именно они передают нагрузку, по мере вытяжки во все большей мере утрачивается возможность создать необходимые локальные напряжения, чтобы «развернуть* складки кристаллитов и получить структуру типа бахромчатых мицелл, где на прочность должны работать практически все цеПи. При чисто хрупком разрушении, согласно механике трещин [11.2; 11.5; 11.13], локальные напряжения в вершине пропорциональны корню квадратному из длины трещины. Сферический датчик диаметром 4—6 мм преобразует давление в системе в электрический сигнал. Нужно отметить, что датчик измеряет некоторое осредненное нормальное давление, которое возникает в месте установки датчика в процессе усадки системы под действием капиллярных сил. Это измеряемое давление равно средним внутренним нормальным напряжениям, возникающим в системе, хотя отдельные элементы системы каркаса твердой фазы имеют более высокие локальные напряжения вследствие их сжатия, изгиба, сдвига, кручения. Этот метод измерения 'Принципиально отличен от метода М. С. Острикова с сотрудниками [11]. Образцы вместе с датчиками на специальных подставках помещались в термогигростаты, в которых поддерживалась постоянной: относительная влажность (ф = 0,65) и температура (^ = 30° С) воздуха. Для перемешивания воздуха внутри термогигростатов были установлены вентиляторы. Имеется и другой механизм влияния адгезии на адгезионную прочность. Известно, что силовое поле твердой поверхности простирается в глубь соседней фазы на значительное расстояние. Вследствие этого на границе с субстратом возникает слой адгезива, отличающийся но структуре и физико-механическим свойствам от основной массы адгезива [19, 24]. Толщина этого модифицированного слоя и степень отличия его свойств от свойств основной массы адгезива зависят во многом от характера взаимодействия адгезива с субстратом. Наличие этого слоя не может не сказаться на механике работы адгезионного соединения и на адгезионной прочности [24]. Так, молекулярные силы в зоне контакта, т. е. адгезия, предопределяют прочность адгезионного соединения, причем в данном случае характер разрушения не имеет принципиального значения: разрушение может иметь когезионный характер, но если оно происходит по модифицированному слою адгезива, адгезионная прочность зависит от свойств этого слоя и от молекулярных сил, т. е. от адгезии. На прочность адгезионного соединения, несомненно, оказывает влияние также характер распределения напряжений, а локальные напряжения в зоне контакта адгезив — субстрат, очевидно, зависят от характера молекулярного взаимодействия компонентов. Разумеется, адгезионная прочность подчиняется тем же общим закономерностям, что и прочность твердых тел. Однако наличие адгезии — моле- На рис. IV. 45 приведена схема, поясняющая, каким образом адгезионная связь с подложкой изменяет механизм деформации полимера. Предположим, что в точках А и В макромолекула оказалась фиксированной на поверхности субстрата достаточно прочными адгезионными силами. При незначительном общем растяжении системы участок макромолекулы между группами А и В может испытывать значительные локальные напряжения (рис. IV. 45, б). В результате в микрообласти, ограниченной группами А и 5, достигается предел ВВЭД и возникает ЛВВЭД. Поскольку адсорбированная макромолекула в свою очередь связана с другими макромолекулами сеткой физических и химических связей, эффект ЛВВЭД охватывает определенный объем полимерной пленки. В результате пленка после отделения от подложки обнаруживает «задержанную» усадку. Предложенная схема, разумеется, весьма условна, но она, на наш взгляд, отражает существо явления, многие детали которого можно конкретизировать. Так, учитывая особенности деформации металлов, Ограничения, накладываемые на значение Р, и наличие радиальных потоков делают пленку однородной, т. е. локальные напряжения в системе невелики и не сохраняются длительное время вследствие практически мгновенной релаксации. Разрыв может начинаться либо в самой пленке, либо на поверхности раздела, но развитие процесса вследствие кавитации и растяжения происходит в пленке. Выше речь шла ради наглядности о деформации образца. В действительности же и функция крипа, и функция релаксации являются локальными характеристиками среды, и чтобы придать им точный физический смысл, следует под образцом понимать физически бесконечно малый объем среды, связанный вязко-упругими силами с окружением, а под напряжениями — локальные напряжения в точке, где находится этот объем. Эти напряжения могут быть либо касательными, либо нормальными, в зависимости от того, о каких деформациях идет речь. Случай Пб (см. табл. VI.2). Этот случай относится к дефло-кулированным, деформируемым частицам в полностью летучей среде со стерической стабилизацией. Очевидно, что ранние стадии пленкообразования в таких системах в основном аналогичны рассмотренному выше случаю Па. Однако, когда — как результат возрастающего капиллярного сжатия — начинается деформация частиц, нагрузки приходятся на точки контакта между соседними частицами и возникают очень сильные локальные напряжения. Далее деформация приводит к умеренному увеличению поверхности частиц. Одновременно возрастающая концентрация растворимого компонента полимера-стабилизатора в небольшом количестве остающейся непрерывной фазы снижает равновесное расстояние между цепями стабилизатора на поверхности частиц, Если природа разрушенных элементов не изменяется в процессе обработки образца или его испытания на разрушение, то (3 можно полагать постоянным. Концентрация локальных напряжений YO/CTO, которая в данном случае равна отношению модулей Е/Е),, оказывает наибольшее влияние на у- Поэтому из данной теории следует, что увеличение прочности эквивалентно возрастанию жесткости. Это следствие основано на предположении, что элементы действительно разрушаются при критической локальной деформации (кинетический вариант критерия Сен-Венана — максимума деформации). Иное объяснение 10: 1 и вероятность разрушения элемента по уравнению (3.23). Распределение локальных напряжений определялось численным методом итераций. Хорошо видно, что при малых нагрузках Выше было показано, что при низкой температуре пластическое деформирование каучуков вызывает разрыв большого числа сегментов цепей. Это свидетельствует о том, что локальные осевые напряжения превышают прочность этих сегментов. Еще раньше было показано, что напряжения, требуемые для разрыва связи, более чем на два порядка превышают по величине напряжения, требуемые для макроскопической деформации каучукоподобных образцов. Поэтому образование свободных радикалов указывает на высокую неоднородность распределения локальных напряжений. Интенсивность образования радикалов соответствует числу N сегментов, напряжения в которых превышают значения их прочности; поэтому N будет зависеть от всех параметров, повышающих локальные напряжения, типа плотности сшивки или содержания упрочняющих наполнителей, которые снижают прочность связи, подобно присутствию гете-рогрупп в основной цепи, или влияют на число получаемых радикалов через реакции последних. Особенности макроскопической картины поверхности разрушения, показанной на рис. 9.16, могут быть обусловлены распространением трещины, вызывающей расщепление материала, с высокой скоростью перпендикулярно направлению действия локального растягивающего напряжения. Поле локальных напряжений испытывает сильное влияние упругих волн, возбуждаемых на более ранних стадиях развития трещины, и процесса возникновения вторичных трещин. Поверхность разрушения получена путем изгиба надрезанного образца ПЭ при температуре жидкого азота [130]. Поверхность локально гладкая, но в то же время содержит ступеньки и складки. Пересечение волновых фронтов и плоскостей трещин под различными (например, прямыми) углами вызывает образование любопытных кар- Предыдущие рассмотрения применимы к однородным изотропным материалам, т. е. к аморфным [61, 198, 200] и частично кристаллическим полимерам со слабо развитой микроструктурой [130]. В этих материалах направленность разрушения более или менее определяется полем локальных напряжений. Во всяком случае, судя по морфологии поверхности разрушения, ничего нельзя сказать о ее микроструктуре. Это не исключает существования определенной глобулярной микроструктуры (гл. 2, разд. 2.1.3), которую можно выявить путем ионного травления [132, 208]. Однако для полимеров с явно выраженной микроструктурой, обусловленной присутствием кристаллитов с вытянутыми цепями и сферолитов, отчетливо выявляются особенности поверхности разрушения. В таких полимерах сопротивление материала распространению трещины сильно зависит от ориентации плоскости разрушения относительно элемента структуры. Вычисление поправок к оценкам (3.58) — (3.59) на основании более точных предположений о характере распределения истинных (локальных) напряжений п деформаций представляет собой трудную задачу, решения которой для различных типов упругой симметрии (в среднем) собраны в многочисленных книгах [20, 21, 17] и здесь рассмотрены не будут, поскольку главная цель настоящей книги (в отношении методов решения) — изложение численных методов. Отметим здесь только, что эффективные модули определяют также приравниванием энергий истинной и Рассмотрим конкретный практический пример ламинарного смешения. Жидкий компонент вводят в смеситель, содержащий расплав полимера в форме «капель» микроскопических размеров. Мы утверждаем, что то, что произойдет с «каплями» в потоке жидкости в начальной стадии смешения, не зависит от смешиваемости компонентов. Это объясняется тем, что при быстром растворении образуется тонкий (в лучшем случае) пограничный слой. Постепенно капли деформируются, подвергаясь воздействию локальных напряжений. Поле напряжений неоднородно, поскольку компоненты смеси имеют раз* личные реологические свойства (как вязкость, так и эластичность). Влияние поверхностного натяжения несущественно (соответственно несущественно и наличие или отсутствие четких границ раздела), Вязкие силы превышают поверхностное натяжение По мере деформации капель и увеличения площади поверхности раздела степень смешиваемости двух компонентов начинает играть все возрастающую роль. Для смешиваемых систем внутренняя диффузия способствует достижению смешения на молекулярном уровне, а в случае несмешиваемых систем — вводимый компонент дробится на мелкие домены. Эти домены вследствие вязкого течения и под воздействием сил поверхностного натяжения достигают состояния, характеризуемого постоянной величиной деформации. Таким образом, для несмешиваемых систем смешение начинается по механизму экстенсивного смешения и постепенно переходит в гомогенизацию. Морфология доменов, образующихся как в смесях, так и в сополимерах, является предметом интенсивных исследований [19], 1. Разрушению предшествуют значительные деформации — вынужденные высокоэластические (см рис. 5,3) под действием локальных напряжений и вызывающие сегментальную подвижность в микрообластял, прилегающих к вершине микротрещины. Рис. 11.12. Методы снятия локальных напряжений в прижимной подушке при штамповке металлов: При конструировании не следует забывать о необходимости устройств для снятия локальных напряжений в блоке. Это можно сделать двумя способами (рис. 11.12): а) создав небольшой зазор между подушкой и стенками контейнера, или б) с помощью небольшой полости в центре дна последнего. И в том, и в другом случае связей является основной причиной зависимости характеристики прочности от времени действия внешней силы. Полагают, что в этом случае после нагружения образца «на связи устанавливается некое постоянное напряжение, а спустя время тсв под действием тепловой флуктуации напряжение резко поднимается и связь распадается». Ко второй относят исследования [28, с. 716; 126, с. 51; 127, с. 912; 128, с. 527, 129, с. 31; 130, с. 177; 131, с. 1231; 132, с. 1139; 133, с. 157; 134, с. 26; 135, с. 156], в которых температурно-временная зависимость характеристик прочности обусловлена деформационными и релаксационными процессами, приводящими к постепенному увеличению локальных напряжений до разрывного уровня.  Литературных источников Логарифмический декремент Логическим следствием Локальной деформации Лабораторной ректификационной |
- |
Навигация