Термины, связанные с цементом. Пластическое разрушение

Главная --> Справочник терминов

Пластическое разрушение Даже при таких малых деформациях кажущийся модуль Юнга Е зависит от скорости деформирования. Это указывает, что Е неоднозначно определяется энергией упругого деформирования угловых связей в цепях, длиной связей и межмолекулярными расстояниями, но, кроме этого, характеризуется чувствительностью ко времени смещений атомов и небольших атомных групп. В следующей области деформации (1—5%) напряжение и деформация уже не пропорциональны друг другу. Здесь происходят структурные и конформационные перестройки, которые обратимы механически, но не термодинамически. В этом случае говорят о неупругом (вязкоупругом в узком смысле), или параупругом, поведении. За пределом вынужденной эластичности начинается сильная переориентация цепей и ламеллярных кристаллов, а сам процесс обычно носит название «пластическое деформирование». Под чисто пластическим деформированием можно понимать переход от одного равновесного состояния к другому без внутренних напряжений. Последнее особенно важно в связи с тем, что следующая после предела вынужденной эластичности деформация связана главным образом с механически обратимыми неупругими конфор-мационными изменениями молекул, а не с их перемещением друг за другом. До тех пор пока не достигнуто состояние равновесия с помощью соответствующей термообработки, сильно вытянутые образцы могут в значительной степени возвращаться в исходное состояние после снятия напряжения. Исходя из содержания настоящей книги, основное внимание следует уделять не процессам, вызывающим или сопровождающим молекулярную переориентацию (которая в основном понимается как эффект упрочнения), а процессам повреждения, т. е. разрыва цепи, образования пустот и течения. Последние процессы постепенно нарастают в области деформаций сразу же за пределом вынужденной эластичности вплоть до окончательного разрушения. К. числу процессов, вызывающих повреждения, следует также отнести явление вынужденной эластичности при растяжении или образование трещины серебра в стеклообразных полимерах, которые будут рассмотрены в гл. 9.

Неупругое и пластическое деформирование можно рассматривать как следствие последовательного движения дислокаций и смещения связывающих областей. Поворотная модель дает полное молекулярное описание структуры полимера. И на этот раз имеется лишь слабое различие между упорядоченными и неупорядоченными областями. Печхолд указывает, что совершенный кристалл ПЭ может содержать до 4 поворотов на 1000 групп СН2, в то время как в структуре типа расплава их число достигает 200 на 1000. Хотя эта концентрация столь велика, что исключает и ближний, и дальний порядок, какая-то логика в организации пространства, заполненного цепными молекулами, должна сохраниться. Печхолд предложил подходящие модели — сотовую и меандровую (рис. 2.1, в). Он полагает, что последняя модель более вероятна и может существовать в частично кристаллических волокнах (рис. 2.18,6) и в каучуках [11, 14f]. Упомянутые ранее а-, р- и у-релакса-ционные переходы объясняются в рамках данной модели движением поворотных блоков, замораживанием вращения сегмента из-за отсутствия свободного объема и существованием поворотных ступеней и скачков соответственно в аморфной и кристаллической областях [11]. Хотя эксперименты по рассеянию нейтронов [100—104] в значительной степени опровергают наличие четкого меандрового упорядочения цепей, предложение Печхолда было в высшей степени плодотворным для изучения структуры аморфных областей.

бодных радикалов. Неориентированные образцы каучука (замороженные в релаксационном состоянии) подвергаются такому же хрупкому разрушению, как и в температурной области III (90—130 К). Однако образцы, предварительно ориентированные путем растяжения на 100—200 %, очевидно, обладают свойством локального деформационного упрочнения. О природе этого эффекта можно лишь выдвигать гипотезы, и, вероятно, она связана с образованием в предварительно ориентированных эластомерах частично-ориентированных микрофибрилл. В результате локального деформационного упрочнения микротрещины и оставшиеся дефекты образуют систему взаимосвязанных микропустот, а вытянутые фибриллы формируют большие отчетливо видимые полосы. Окружающие газы поглощаются вновь образованными поверхностями пустот. Поскольку микрофибриллы достаточно прочны, чтобы выдержать нагрузку, передаваемую на них, то деформированный образец не будет разрушаться, а все больше и больше дефектов будет превращаться в трещины серебра и полосы. Наибольшее число полос образуется при средних скоростях растяжения (0,01 с~' для полихлоропрена). Большая локальная деформация (более 100%) во всем объеме образца и сильное межмолекулярное притяжение между различными сегментами цепей вызывают сильное возбуждение вдоль оси цепи и разрыв тех ее сегментов, которые играют роль проходных молекул. Согласно упомянутым результатам, концентрация спинов при разрушении эластомеров в температурной области III сопоставима с их концентрацией, полученной для ПА-6. При сильной предварительной ориентации до 300 % (в полихлоропрене) наблюдается пластическое деформирование материала и образование в нем свободных радикалов [31]. Деформация макроскопически однородна. Не обнаружено ни полос, ни трещин серебра, указывающих, что данное деформационное упрочнение более эффективно, чем при меньшей степени предварительной ориентации. Очевидно, рост микропустот прекращается, затем они схлопываются с образованием трещин серебра. Отсутствие сильного поглощения газа и ценообразования при последующем нагреве, а также различия полученных ЭПР-спектров подтверждают данную точку зрения [31].

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.

Крупномасштабное «пластическое» деформирование, связанное с вынужденной эластичностью, вполне естественно вызывает деформацию сдвига и растяжения молекулярных клубков. Свойства молекулярных цепей в растворе при сдвиге или растяжении этих цепей, были рассмотрены в разд. 5.2.5 (гл. 5). Там утверждалось, что разрывы цепей происходят в том случае, если скорости деформации достаточно велики (обычно выше 600 С"1).

Пластическое деформирование особенно проявляется в полимерных материалах. Электронные микрофотографии, представленные в гл. 8, достаточно убедительно свидетельствуют об этом факте. Поэтому необходимо исследовать, можно ли применить метод механики разрушения, разработанный для упругих материалов, для упругопластических твердых тел и как это сделать. Хорошо известно [3—7] влияние пластического деформирования на распределение напряжения при вершине трещины. Например, при квазиупругих условиях деформирования упруго-пластический материал начинает пластически деформироваться, как только состояние напряжения удовлетворяет критерию вынужденной эластичности или течения. Пластическое деформирование начинается в области наибольших напряжений, т. е. вблизи вершины трещины; оно ограничивает составляющие напряжения пределом вынужденной эластичности aF. Для поддержания механического равновесия должны увеличиться напряжения в более отдаленных областях (до значения предела вынужденной эластичности). Таким образом, пластическое деформирование характеризуется увеличением эффективной длины трещины [3—7]. Существуют два общих метода расчета эффективного расширения трещины при пластической деформации, которые основаны соответственно на критерии вынужденной эластичности Мизеса [6] и рассмотрении aF в качестве дополнительного напряжения сжатия [7].

В связи с изучением зависимости энергии поверхности разрушения от скорости нагружения следует напомнить о первых широких применениях испытания на раздир (метод III) (например, [5, 23—28]). При таком виде разрушения материал в области вершины трещины испытывает сложное в значительной степени пластическое деформирование. Не вдаваясь в подробности, "можно отметить, что скорость влияет на степень пластического деформирования (а следовательно, и на поверхность разрушения или энергию раздира) [23—29]. Это влияние связано с максимумами 3- и у-релаксации [5, 23—26]. Как правило, энергии раздира термопластов и каучуков довольно велики, например, для ПС энергия раздира 1 кДж/м2, для ПЭ 20—200 кДж/м2, а для различных сополимеров бутадиена 0,1—500 кДж/м2 [24—26]. Относительно эластомеров Томас [27], а также Ахагон и Джент [28] сообщают, что после введения поправки, учитывающей изменение эффективной площади разрушения, для различных условий эксперимента можно получить общее пороговое значение энергии разрушения То, равное 40—80 Дж/м2. Показано, что данная энергия не зависит от температуры и степени набухания в различных жидкостях. Пороговая энергия незначительно убывала с увеличением степени сшивки (образцов полибутадиена). В агрессивной среде (кислород, озон) Т0 существенно уменьшается.

Измерения тепловых характеристик представляют интерес не только с точки зрения энергетического баланса процесса образования трещины серебра, но также потому, что они позволяют рассчитать рост локальной температуры АГ0, вызванный раскрытием и разрывом такой трещины в ПММА. Дёлль [30] предположил, что вначале тепло Qo было сосредоточено в области материала, содержащего трещины серебра. Для значений плотности 0,6 г/см3, удельной теплоемкости 1,46 Дж/(г-К), раскрытия трещины серебра 1,65 мкм и Qo = 335 Дж/м2 он получил ДТ0 = 230 К. Это значение для ПММА соответствует теоретическим оценкам Вейхерта и Шёнерта [185] и данным ПК-измерений Фюллера и др. [184]. Последние определили в интервале значений а от 200 до 600 м/с постоянную величину AT, равную 500 К. Одновременно регистрируемое увеличение Q(d) означает, что пластическое деформирование у вершины трещины охватывает более обширную область при более высоких скоростях роста трещины. В предварительных экспериментах с ПС получено АГ = 400 К и более низкое количество тепла [184]. Эти значения температур, конечно, велики, хотя и возможны. Они означают, что при таких условиях должно происходить не только плавление, но и термическое разложение материала. В то же время они согласуются с более высокими приращениями температуры (в несколько тысяч граду-

Рассмотренные в разд. 9.1.3 составляющие критической удельной энергии разрушения GIC и данные табл. 9.1 и 9.2 позволили выяснить, что поверхность разрушения, очевидно, формируется не просто путем разрыва основных и (или) вторичных связей, расположенных поперек плоскости разрушения молекулярного масштаба. У конца трещины всегда происходит пластическое деформирование, благодаря которому образуется поверхность разрушения. Следует ожидать, что степень пластического деформирования тем меньше, чем меньше сегментальная подвижность, т. е. чем ниже температура. При температуре жидкого азота большинство полимеров напоминают стекло и разрушаются как хрупкий материал. При рассмотрении поверхностей разрушения, сфотографированных без увеличения (рис. 9.16), видна макроскопическая шероховатость, но поверхности кажутся локально гладкими, хотя и не блестящими. Это свидетельствует о том, что на поверхностях имеются структурные неоднородности, размеры которых больше длины световой волны. Это относится к ПЭ, ПП, ПВХ, ПС, а также ПММА, поверхность которого, однако, оказывается очень гладкой.

ся Если пластическое деформирование не допускается, то в форме в месте

Пластическое деформирование — необратимый процесс. Это означает, что в зависимости от истории нагружения одной и той же внешней нагрузке могут соответствовать различные деформированные состояния тела.

О20°С; П 40 °С; Д 60 "С; О П А хрупкое разрушение; + X V пластическое разрушение; *А образование трещины серебра при ползучести.

Рис. 1.6. Пластическое разрушение трубы для воды из ПЭВП в условиях, соответствующих точке А на рис. 1.5:

В цитированной литературе рассматриваются другие особенности процесса разрушения, которые могут быть получены с помощью фрактографического анализа. Это — влияние линий Валнера на положение ребер [61, 196, 200], «разрушение без образования трещин серебра» в ПС с низкой молекулярной массой [155], задержка разрыва трещин серебра при усталости материала (разд. 3.3), пластическое разрушение ПС при более низких скоростях нагружения и при температурах, близких к Тс, в результате роста одной или более каверн ромбической формы [169], выявление глобулярной структуры путем ионного травления вещества трещин серебра ПС [132] и поверхности ПВХ [208] и особенности поверхности разрушенных образцов фенолформальдегида, напоминающие трещины серебра [195].

— пластическое разрушение, но с распространением трещины ?'<1,5 ГПа

Пластическое разрушение полимеров 115

Пластическое разрушение полимеров

Разрушающее напряжение в случаях пластического и высокоэластического разрушения по-разному зависит от скорости деформации (рис. 11.51). При пластическом разрушении характеристикой прочности является предел текучести. Какой тип разрушения реализуется в линейном полимере, зависит от того, что меньше: ар или предел текучести. Если значение предела текучести меньше значения разрушающего напряжения, то реализуется пластическое разрушение; если ор меньше предела текучести, то

Следует заметить, что наибольшее практическое значение имеет изучение механизмов разрушения полимеров в стеклообразном и высокоэластическом состояниях. Пластическое разрушение в условиях эксплуатации изделий из полимеров, по-видимому, встречается реже.

испытании одного и того же материала часто наблюдают как хрупкое, так и пластическое разрушение. В этих случаях ударную вязкость определяют для хрупкого и для пластического разрушения. Для того чтобы образец разрушился хрупко, на него наносят надрезы по схеме, указанной на рис. XII. 2, г.

Испытание труб из различных материалов было описано Сенсоном10. Одним из таких материалов является немодифицированный поливинилхлорид—типичный аморфный полимер. При кратковременном действии высокого давления происходит хрупкое разрушение с небольшим относительным удлинением. С увеличением продолжительности испытания начинает проявляться пластический характер разрушения, которое в этом случае сопровождается значительным расширением трубы перед разрывом. Повышение температуры оказывает таксе же влияние, как и увеличение продолжительности испытаний: нагляднее проявляется пластическое разрушение. Такое влияние температуры позволяет оценивать срок службы трубы, поскольку изменение размеров с повышением температуры происходит подобно развитию ползучести в течение многих лет-эксплуатации. Вероятно, хрупкое разрушение поливинил-хлорида объясняется тем, что возникшие деформации приводят к разрыву химических связей до того, как начнут перемещаться отдельные сегменты полимерной цепи. При пластическом разрушении перемещение сегментов вызывает приложенная сила, поскольку продолжительность действия силы или температура достаточно велики. Задолго до того, как происходит пластическое разрушение немодифицированного поливинилхлорида, труба значительно расширяется (на 10—20%), что вызывает утечку в местах соединений. Поэтому практически срок службы труб в 2—3 раза меньше, чем экспериментально установленное время до разрушения.

При кратковременных нагрузках и низких температурах пластическое разрушение происходит за счет деформаций аморфных областей. При удлинении продолжительности нагружения или при повышении температуры происходит рост кристаллитов, поглощающих аморфные области, поэтому наблюдается хрупкое разрушение. Возможно также, что хрупкое разрушение происходит в результате растрескивания под влиянием действия воды и кислорода.

Продуктах окисления Продуктами деструкции Продуктами образуются Продуктами переработки Продуктами превращения Продуктами взаимодействия Прекращению выделения Продуктом гидролиза Продуктом нитрования