|
|
|
Главная --> Справочник терминов Пластическом состоянии Предыдущие утверждения относительно задач исследования разрушения хорошо иллюстрируются на примере твердого поливинилхлорида (ПВХ) (рис. 1.1 —1.3). Образцы труб для воды подвергаются хрупкому разрушению под действием внутреннего давления при высоком значении касательного напряжения, частично пластическому разрушению — при умеренных значениях напряжения, действующего в течение длительного времени, и разрушению, обусловленному ростом термических трещин (трещин серебра '>, образующихся при ползучести),— при низких значениях напряжения, действующего очень длительное время. Тремя процессами, вызывающими разрушение труб в данных трех примерах, являются соответственно быстрое вытягивание дефектов, течение материала и термоактивационный рост дефектов. Во всех трех процессах элемент объема, в котором вызывается разрушение, конечен; следовательно, неоднородные деформации должны быть локальными. Ниже мы рассмотрим природу подобной неоднородной деформации предположительно однородного материала и попытаемся объяснить ее. Рис. 40. Переход от высокоэластического к пластическому разрушению низкомодульной резины из натурального каучука: При преобладании процесса рекристаллизации основным объектом разрушения являются надмолекулярные кристаллические образования. Они несут главную ответственность за сопротивление полиэтилена пластическому разрушению. Роль отдельных макромолекул при этом становится несущественной. Поэтому длительная пластическая прочность чувствительна практически только к степени надмолекулярной упорядоченности. Напротив, Было установлено [413, с. 192, 414, с. 120], что функция длительной прочности в переходной области (от хрупкого к пластическому разрушению) претерпевает разрыв, свидетельствующий о принципиальном различии механизмов пластического и хрупкого разрушения. Эксперименты подтверждают кинетическую концепцию рекристаллизации и ее обратимость. Д. Ф. Каган и Л. А. Кантор [413, с. 192; 414, с. 120] обнаружили аномалию длительной хрупкой прочности полиэтилена — эффект инверсии (переход от одного механизма разрушения к другому) как следствие конкурирующего взаимодействия обоих процессов разрушения. Представление о переходе от хрупкого к пластическому разрушению является весьма существенным при обсуждении механических свойств металлов. Совершенно очевидно, что для полимеров положение оказывается гораздо более сложным уже потому, что здесь существует четыре, а не две области, в которых механическое поведение материала различно. Тем не менее представляет значительный интерес обсудить факторы, влияющие на переход от хрупкого к пластичному разрушению полимеров, а затем рассмотреть другие факторы, обусловливающие возникновение шейки и процесс холодной вытяжки. Многие аспекты перехода от хрупкого к пластическому разрушению, включая влияние на этот переход надреза, которое будет рассмотрено отдельно, основаны на представлении о том, что хрупкое разрушение происходит тогда, когда напряжение перехода в шейку превышает некоторое критическое значение [1]. Влияние химической и физической структуры полимера на переход от хрупкого к пластическому разрушению может быть проанализирован, исходя из указанного простого соображения, а также из рассмотрения того, как указанные факторы влияют соответственно на хрупкую прочность и предел текучести материала. до 20 °С). Указанные соображения хорошо иллюстрируются конкретными данными для полиметилметакрилата, показанными на рис. 12.3, а. Переход от хрупкого к пластическому разрушению, как можно ожидать, перемещается в сторону более высоких температур с ростом скорости деформации (12.3, б). Этот эффект хорошо известен для полимеров и может быть продемонстрирован примером влияния изменения скорости деформации на величину предела прочности найлона при комнатной температуре: при малых скоростях деформации образец пластичен и при растяжении в нем образуется шейка, тогда как при высокой скорости деформации он разрушается хрупко. Раныпе полагали, что переход от хрупкого к пластическому разрушению связан с особенностью механической релаксации и, в частности, с достижением условий стеклования. Это действительно справедливо для натурального каучука, полиизобутилеиа и полистирола, но не оправдывается для большинства термопластов. Поэтому было высказано предположение [3] о том, что . при наличии в полимере более одной области механической релаксации переход хрупкость — пластичность связан с низкотемпературным релаксационным переходом. Хотя известно много случаев, когда указанное предположение верно, было показано, что оно не может считаться универсально справедливым. Действительно, переход от хрупкого к пластическому разрушению проис- Рис. 12.3. Влияние температуры (а) на хрупкую прочность и предел теку-лести при растяжении полиметилметакрилата (по Винсенту, 1961 г.) и влияние скорости деформации (б) на переход от хрупкого к пластическому разрушению (сплошная кривая — низкая скорость деформации, пунктир — высокая скорость деформации): 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. 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. придает полимеру высокую полярность; при этом сохраняется его способность к кристаллизации. Температура плавления такого полимера, названного пептоном, достигает 180°. При нагревании вплоть до 285° полимер размягчается без деструкции. В пластическом состоянии пентон легко формуется, образует пленки, волокна, легко подвергается ориентации*. Исходным мономером для синтеза пентона служит пентаэритрит, подвергнутый хлорированию и дегидратации. В результате горения газа в вертикалах развивается температура до 1300—1400° С, при этом температура внутренних стенок камер коксования доходит до 1000—1200 С. Прогрев загруженного в камеру угля 'Происходит от раскаленных стенок внутрь толщи угля. При этом сначала из шихты испаряется влага, затем -при температуре 350—450° С уголь переходит в пластическое состояние сначала у стенок, и постепенно пластический слой передвигается от стенок к середине камеры. Слой, находящийся в (пластическом состоянии, постепенно проходит 286 При периодическом процессе чаще всего полимер отливают со скоростью до 30—40 м/мин в виде ленты шириной до 450 мм, которую охлаждают на вращающемся барабане (рис. 6.1) или на движущейся металлической ленто. Такой способ обеспечивает выгрузку 1 т продукта в течение 20—30 мин. По пути ленту полиэфира охлаждают водой и еще в пластическом состоянии нарезают по длине на полоски, которые рубят на квадратную крошку заданного размера — обычно 4x4x3 мм. Непрорезанные полоски отделяют с помощью вибрационного ситового классификатора. Схема гранулятора для ленты приведена на рис. 6.12. а общий вид — на рис. 6.13. Грануляторы способны перерабатывать ленту полимера шириной до 900 мм при толщине 2) вспенивание композиции полимера, мономера, газообразователя и инициатора, которые смешиваются на вальцах или в смесителе с последующей полимеризацией полимера, нагревом полученного блока до температуры разложения газообразователя. Этот способ полимер-мономерных паст применяется в основном для получения пенополистирола, пенополивинилхлорида и вспененных материалов на основе термореактивных полимеров или их смесей с термопластичными полимерами (порошкообразный поливинилхлорид, смешанный на горячих вальцах с фенилизоцианатом). Композиция вспенивается в пластическом состоянии при обработке паром. Вспенивающим агентом в данном случае является СО2, который выделяется при Пленки на каландре можно формовать из полимера как в высокоэластическом, так и в пластическом состоянии. Поэтому наиболее распространены два способа получения жестких ПВХ пленок: низкотемпературный ("лувитерм") и высокотемпературный. Хлоропрен полимеризуется гораздо быстрее, чем изопрен, точно так же как винилхлорид (стр. 477) полимеризуется быстрее, чем этилен. При стоянии в течение десяти дней полимеризация завершается, приводя к образованию прозрачного упругого вещества, напоминающего мягкий вулканизированный каучук, так же как и последний, не обладающий пластичностью и не поддающийся обработке на вальцах. Но если полимеризацию провести лишь частично и изолировать полимер от неизмененного хлоропрена, то получается упругая масса, которая может быть обработана на вальцах так же, как и природный каучук, и при нагревании переходит в непластичный нерастворимый полимер. Этот полимер можно сохранять в течение нескольких лет в пластическом состоянии при комнатной температуре, если добавить к нему небольшое количество фенил-(3-нафтиламина. Для вулканизации * нео-прена (под таким названием известен этот полимер), таким образом, не требуется сера, так как процесс полимеризации завершается просто при нагревании. Механические свойства продукта На стадии калибровки нить еще находится в пластическом состоянии. веществ необходим как минимум процесс простого распределения, перемешивания или протекающие почти одновременно процессы распределения, измельчения и смачивания —диспергирование. Кроме того, в большинстве случаев необходима пластикация исходного полимерного сырья. При крашении пластмасс чаще всего применяется предварительно диспергированная смесь, окончательное диспергирование которой происходит в пластическом состоянии в процессе крашения; другой вариант предусматривает окрашивание мономеров перед полимеризацией. При этом окончательное диспергирование происходит в пластическом состоянии непосредственно в перерабатывающем агрегате, оснащенном специальными перемешивающими устройствами. Очевидно, контакт адгезива с субстратом во многих системах не может быть абсолютным. На границе между адгезивом и субстратом всегда остаются незаполненные адгезивом полости, раковины и другие дефекты. Высокая вязкость адгезива, особенности топографии поверхности, недостаточно продолжительное время пребывания адгезива в пластическом состоянии или в виде низковязкого расплава — каждая из этих причин может привести к тому, что в готовом адгезионном соединении на границе раздела останутся поры и пустоты. В результате не только уменьшится фактическая площадь контакта, но и возникнут потенциальные Таким образом, если Журков с сотр. [3.1, 3.2] считает, что кинетика разрушения твердых полимеров в основном определяется разрывом химических связей, то Шишкин [3.30] полагает ответственными за кинетику разрушения и прочность полимеров межмолекулярные силы. Для высокопрочного состояния полимеров это физически обоснованно, так как высокие значения прочности могут превышать значения пределов пластичности этих материалов, как это имеет место в неорганических стеклах в квазихрупком и тем более в пластическом состоянии. Отличие заключается лишь в том, что в неорганических стеклах ответственными за прочность и пластичность являются одни и те же химические связи (в силикатных стеклах вязкое течение является химическим течением материала), а в линейных полимерах ответственными за пластичность (вынужденную высо-коэластичность) являются силы межмолекулярного взаимодействия, а за прочность могут быть ответственными (могут яв- Согласно [4.9], в каждой точке материала существует противодействие сдвигу TS и противодействие отрыву R0. Характер разрушения полимера зависит от соотношения между т., и R а Например, разрушение путем отрыва реализуется, когда ттах<С Таким образом, для материала в пластическом состоянии с ограниченной ползучестью, наблюдаемой в реальности, оказалась правомерной постановка вопроса об устойчивости на бесконечном интервале времени. Критическое напряжение (длительное критическое напряжение) оказалось меньше классического крити-  Продуктов щелочного Пиридинового основания Продуктов циклизации Продуктов деструкции Продуктов глубокого Пирилиевых соединений Прекратите нагревание Продуктов неполного Продуктов образующихся |
- |
Навигация