|
|
|
Главная --> Справочник терминов Растягивающего напряжения Выражения (2.27) — (2.28) должны аппроксимировать экспериментальные кривые, которые получаются следующим образом. К образцу в момент времени t = 0 мгновенно прикладывается растягивающее напряжение 0ц — о = о0 = const, которое при t > 0 остается постоянным. Из зависимости (2.25) для этого случая находим, что Если используется эксперимент на ползучесть при чистом растяжении, то здесь при t = 0 мгновенно задается деформация еа = е = е0 = const, которая при ? >0 остается постоянной, и измеряется растягивающее напряжение Сц = о(?); из соотношения (2.24) для этого случая имеем где р — давление внешней среды; Р = ps0 — внешняя сила; р — условное растягивающее напряжение; L — длина образца резины. В этой главе была представлена классическая версия термодинамики каучукоподобной эластичности, не претерпевшая существенных изменений за последние 20 лет. Подобная «стабильность» теории обусловлена тем, что на опыте относительно легко реализовать описанные выше условия «идеальности» резины. По существу, каучукоподобная эластичность в своем энтропийном варианте (а это и есть идеальный вариант) вполне аналогична упругости газов. Некоторые геометрические трансформации — замена всестороннего сжатия растяжением, с соответствующей заменой давления на растягивающее напряжение, при соблюдении условий аффинности деформации, позволяют в полной мере использовать и математический формализм, следующий из. указанной * Напомним (см. [12]), что в распределении Гиббса может фигурировать любая свободная энергия — и Гельмгольца F и Гиббса G (термодинамический потенциал). Выбор энергий Гельмгольца или Гиббса обусловлен лишь заданием «естественных» внешних параметров. Если последние суть Т и V, то используют F; G используют при Т и р. В нашем случае длина эквивалентна объему, а растягивающее напряжение давлению. — Прим. ред. тепловое движение не может преодолеть это взаимодействие и незакрепленный образец не сокращается, а в закрепленном не возникают внутренние напряжения. При повышении температуры тепловое движение уже способно преодолеть тормозящее вандер-ваальсово взаимодействие и образец стремится сократиться. Для поддержания постоянного удлинения требуется приложить растягивающее напряжение, что в методе изометрического нагрева делается автоматически; это внешнее напряжение, естественно, в точности равно развивающемуся внутреннему. Величина его будет расти с дальнейшим повышением температуры. На этой стадии распад самой сетки идет медленно и практически не сказывается ' на величине растущего напряжения. Наконец, при достаточно высокой температуре отчетливо проявляется и второй процесс, приводящий уже к релаксации напряжения и проявлению на диаграммах изометрического нагрева a = f(T) максимума. При дальнейшем повышении температуры преобладает процесс распада сетки и напряжение релаксирует до нуля, что, как уже отмечалось, эквивалентно течению. Аналогично можно истолковать термокинетические переходы расплавов или растворов, иллюстрируемые G — 7-диаграммами и рассмотренные выше. По аналогии с тем, как при растяжении каучука мы попросту временно (до тех пор, пока приложено растягивающее напряжение) повышаем его температуру плавления настолько, что он вынужден кристаллизоваться, так и при растяжении расплава или концентрированного раствора мы повышаем их температуру плавления по сравнению со статической и, соответственно, провоцируем кристаллизацию — в идеале, с развернутыми цепями. Однако статическая температура плавления достаточно высока, и ориентированное кристаллическое состояние легко фиксируется после снятия нагрузки. где р — давление внешней среды; /;=«о/ — внешняя сила; / — условное растягивающее напряжение; L — длина образца резины в процессе деформации. Термофлуктуационный 'механизм является наиболее общим механизмом разрушения твердых тел, так как связан с фундаментальным явлением природы — тепловым движением. В наиболее чистом виде он реализуется при хрупком разрушении, а при других видах разрушения ему сопутствуют релаксационные процессы, которые по мере увеличения температуры играют все большую роль. При хрупком разрушении (ниже температуры хрупкости Т'хр) очагами разрушения обычно являются микротрещины, причем долговечность определяется ростом наиболее опасной микротрещины, которая в своем развитии переходит в магистральную трещину, приводящую к разрыву образца. Разрыв напряженных химических связей происходит под действием флуктуации, возникающих при неупругом рассеянии фононов относительно высокой энергии. Растягивающее напряжение увеличивает вероятность разрыва связей. В нагруженном материале растягивающее напряжение способствует разрыву связей и препятствует их восстановлению, следовательно, для разрыва связей требуется меньшая, а для восстановления их соответственно большая кинетическая энергия, чем в ненагруженном состоянии. При увеличении растягивающего напряжения вероятность разрыва связей возрастает, а их восстановление — уменьшается, более вероятным становится разрыв связей и микротрещина растет. Напряжение ог0, при котором вероятности разрыва и восстановления связей равны, есть безопасное напряжение образца. 11.7.2. Две стадии разрушения Имеется несколько работ по анализу напряжений вблизи надреза. В одной из них [12.7] автор показал, что максимальное растягивающее напряжение в вершине надреза о* = Рост', где а' — напряжение, рассчитанное на сечение образца без надреза, а ро=Ю- Это соотношение аналогично приведенному раньше (11.12) и не согласуется с теорией Гриффита. 12.1.3. Механизм прочности и разрушения эластомеров экспериментальные методы, как. и указанные выше. Сдвиг ИК.-спектра (случайно незначительный) выявляется путем вычитания спектров ИКФР с помощью ЭВМ (рис. 8.43). Соответствие колебательных мод изменениям полос поглощения обобщено в табл. 8.5. В некоторых случаях отмечается вклад в процесс усталости растяжения некоторых основных цепей. Методом дифракции рентгеновских лучей снова выявляется изменение среднего межцепного расстояния. Для растягивающего напряжения, составляющего 83 % от напряжения вынужденной эластичности материала ау, уменьшение среднего 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- Влияние вытяжки на структурообразование коротко уже рассматривалось в разд. 3.6. Следует отметить здесь работу Диса и Спруилла [6], исследовавших кристаллизацию ПЭВП. Авторы следующим образом объяснили изменение степени ориентации кристаллической фазы в зависимости от скорости приемки (см. рис. 3.19) в процессе вытяжки волокна из расплава. Из предложенной ими структурной модели (рис. 15.4) следует, что при низких значениях растягивающего напряжения или при малых скоростях приемки формируется сферолитная структура. Увеличение скорости вытяжки приводит к образованию структур типа «шиш-кебаб» с изогнутыми ламелями, а при более высоких скоростях — с выпрямленными ламелями. Эта модель кристаллизации предсказывает образование жесткоэластичных структур (описанных в разд. 3.6), получаемых при формовании волокон или пленок под действием высоких напряжений. Обратимся к рис. 13.25 и определим отношение толщины заготовки hp (z) к радиусу Rp (z) и к объемному расходу. Если угол входа в экструзионную головку для формования заготовки 8 равен нулю, то в принципе можно оценить толщину заготовки по данным, полученным в экспериментах по разбуханию расплава, выдавливаемого через капилляр при том же напряжении сдвига на стенке. Но в таком случае нужно принимать во внимание следующие соображения. Первое — скорость течения (а следовательно, напряжение сдвига) изменяется во времени. И второе — только самый начальный участок заготовки характеризуется полной величиной разбухания экструдата; остальная часть заготовки под влиянием силы тяжести подвергается действию постоянного растягивающего напряжения, которое препятствует разбуханию и вызывает продольную деформацию. В первое время эта деформация носит чисто высокоэластический характер. Упомянутые идеализированные варианты были использованы применительно к полимерам, которые в покое были скорее в стеклообразном, нежели структурно-жидком деформационном состоянии. В принципе, определенные удобства для разделения вязких и высокоэластических составляющих деформаций и соответственно «зондирования» релаксационного спектра представляют невулканизованные или «недовулканизованные» каучуки. (Конечно, при этом приближение к вязкому течению осуществляется со стороны высокоэластического состояния). В этом случае при достаточно широком диапазоне изменения Р (или растягивающего напряжения) удается довольно существенно менять и \, не попадая в экстремальные условия, когда начинают работать термокинетические эффекты; структура сетки меняется при этом не слишком сильно, а механизмы прекращения течения не связаны с фазовыми превращениями. Особенно удобны опыты такого рода (течение каучуков через патрубки) для наблюдения высокоэластической турбулентности. Однако указанные системы не находятся в типичном вязко-текучем состоянии и потому здесь не рассматриваются. Рис. VI. 24. Зависимость температуры фазового перехода Т* (плавления, растворения или перехода второго рода) от растягивающего напряжения: Теория Гриффита и большинство последующих рассматривают разрушение реальных материалов, имеющих до нагружения начальные микротрещины. Под действием приложенного растягивающего напряжения сг на краях микротрещин возникает локальное перенапряжение о*, во много раз превышающее среднее напряжение, рассчитанное на все сечение образца. Гриффит рассматривал условие роста начальной поперечной трещины длиной /0 с точки зрения баланса упругой и свободной поверхностной энергии образца: В нагруженном материале растягивающее напряжение способствует разрыву связей и препятствует их восстановлению, следовательно, для разрыва связей требуется меньшая, а для восстановления их соответственно большая кинетическая энергия, чем в ненагруженном состоянии. При увеличении растягивающего напряжения вероятность разрыва связей возрастает, а их восстановление — уменьшается, более вероятным становится разрыв связей и микротрещина растет. Напряжение ог0, при котором вероятности разрыва и восстановления связей равны, есть безопасное напряжение образца. 11.7.2. Две стадии разрушения При термофлуктуационном механизме разрушения средняя скорость роста микротрещины v = v\ — v2, где v\ и v2 — флуктуаци-онные скорости соответственно роста и смыкания микротрещины, зависящие от вероятности процессов разрыва и восстановления связей, которые, в свою очередь, зависят от температуры Т и растягивающего напряжения ю, которое снижает энергию активации разрыва связи (О' — соа*) и увеличивает энергию активации восстановления связи (?/' + ю0*). В результате для средней скорости роста трещины получается уравнение 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: Для определения напряжения в вершине микротрещины а* воспользуемся результатами механики хрупкого разрушения. При рассмотрении идеально упругого образца, с поперечным боковым разрезом длины / (при отсутствии внешнего растягивающего напряжения оба берега разреза совпадают, т. е. разрез при этом имеет нулевую толщину) • получим следующее выражение для поперечного компонента напряжения в плоскости разреза х=0 при  Растворения охлаждают Растворения прибавляют Растворение происходит Растворенным веществом Растворенном состоянии Растворимых комплексов Растворимое состояние Радикальных процессов Растворимость органических |
- |
Навигация