ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ Прочностные характеристики Кратковременная

ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ

Прочностные характеристики Кратковременная прочность р - величина разрушающего напряжения при растяжении, сжатии, изгибе, срезе при скорости деформирования V = 0, 001 – 0, 5 м/мин. Долговременная прочность - время от начала действия нагрузки до момента разрушения ( =const). Ударная вязкость (ударная прочность) ак – отношение работы разрушения к площади поперечного сечения: ак = А/So Сопротивление раздиру – характеризует прочность образцов, содержащих дефекты в виде разрезов или проколов. Характеризуется отношением разрушающей нагрузки к толщине образца (или удельной энергией раздира – работой образования единицы площади поверхности). Усталостная прочность – кратковременная прочность образца после действия на него N циклов напряжения или число циклов до разрушения.

Схемы методов Схема прибора с «улиткой» для поддержания постоянного напряжения при растяжении

Разрушение одноосно-ориентированного линейного полимера при растяжении и сдвиге

Теоретическая и реальная прочность Разрушение – нарушение сплошности материала, приводящее к образованию новых поверхностей. Простейшие виды деформаций при разрушения: растяжение и сдвиг вдоль и параллельно осей цепей. Прочность при растяжении вдоль и поперек осей различается на ~ 1 порядок. Это связано с различной энергией химических и физикохимических связей. Теоретическая прочность на растяжение одноосно ориентированного полимера т: т = NFm, где N - число цепей на единицу сечения, Fm- прочность химической связи

Влияние дефектности материала на прочность Теоретическая прочность хрупкого материала т 0, 1 Е (Е – модуль Юнга). Экспериментальная прочность, как правило, ниже теоретической в 10 -100 раз. Причина падения прочности связана с присутствием дефектов или трещин, действующих как концентраторы напряжения. Величина растягивающего напряжения в вершине трещины длиною L и радиусом при вершине r увеличивается в раз. Значение этого множителя достигает 10 – 100. Лотменцев: Вставить данные о реальной и теор. прочности Реальная прочность материалов значительно ниже теоретической, например, прочность капрона т= 30 ГПа кгс/мм 2 , оп = 0, 25 ГПа кгс/мм 2 (прочность кристаллов Na. Cl т = 150 кгс/мм 2 , оп = 0, 2 кгс/мм 2) . Основная причина различий величин теоретической и реальной прочности связана с дефектностью материала. В соответствии с одной из первых теорий разрушения (теория Гриффита), рост трещины , вплоть до макро разрушения, происходит в том случае, когда напряжение в вершине трещины достигает теоретической прочности.

Влияние микродефектности материала на прочность Распределение микротрещин по размеру

Термофлуктуационная теория прочности Разрушение – протекающий во времени процесс. Основным единичным актом разрушения является разрыв химических связей в молекуле полимера. Время разрушения (долговечность): Уравнение Журкова Физический смысл констант: Uo – энергия, требуемая на разрушение химических или межмолекулярных связей, - структурно-чувствительный параметр, о –период колебаний атомов. Зависимость долговечности от напряжения и температуры

Экспериментальные зависимости долговечности от напряжения и температуры

Термофлуктуационный разрыв химических связей Основной стадией разрушения полимеров под действием напряжения является разрыв химических связей, соединяющих атомы полимерной цепи. Деструкция химических связей возможна и при отсутствии внешних сил. Разрушение связей происходит в результате флуктуации тепловой энергии. Химическая связь разрушается, если величина флуктуации энергии превысит энергию химической связи. Время ожидания разрыва химической связи в результате тепловой флуктуации описывается уравнением:

Термофлуктуационный разрыв в присутствии механического напряжения В результате действия внешней силы происходит увеличение расстояния между атомами в полимерной цепи (деформация связей). Деформация сопровождается увеличением потенциальной энергии и возникновением упругой силы: Под действием внешней силы F расстояние между атомами увеличивается на величину Зависимость потенциальной энергии m, , это приводит к уменьшению взаимодействия от расстояния между потенциального барьера: атомами: 1 - при f =0, и увеличению скорости деструкции 2 – при f = const. результате флуктуаций энергии. в

Основные стадии механизма термофлуктуационного разрушения полимеров 1. Растяжение межатомных связей под влиянием механической нагрузки, снижение потенциального барьера (U 0 - ). 2. Разрыв возбужденных связей под действием термических флуктуаций и образование свободных радикалов: СH 2 -CHR-СH 2 -CHR + СH 2 -CHR 3. Развитие цепных реакций в зоне разорвавшихся связей, приводящих к образованию низкомолекулярных летучих продуктов и появлению субмикротрещин (размер трещин 0, 01 – 0. 1 мкм, количество до 1016 - 1017 в см 3) 4. Накопление субмикротрещин, их рост в результате концентрации напряжения и слияние в магистральную трещину, разрушение материала. Такая последовательность стадий разрушения идеализирована: в реальных материалах существуют дефекты, процессы разрушения сопровождаются развитием эластических и пластических деформаций, изменением структуры полимера.

Отклонения от линейности Процессы разрушения могут сопровождаться ориентационными эффектами, приводящими к усилению межмолекулярного взаимодействия, вплоть до изменения надмолекулярной структуры и фазового состояния полимера. Поэтому уравнение Журкова выполняется не во всех случаях. При действии небольших напряжений возникает эффект «загиба» . В подобных случаях можно использовать уравнение Журкова с переменными параметрами, зависящими от напряжения и температуры:

Эффект смещения полюса Смещение полюса характерно для материалов с низкой термической стабильностью, например, для порохов и ТРТ.

Влияние температуры на прочность при различных механизмах разрушения: А- атермический, В – хрупкий, С – вынужденно-эластический, Е – высокоэластический, А – пластический, G – вязкотекучее состояние (Та, Тхр , Тс , Тп , Тт – температуры атермического разрушения, хрупкости, стеклования, пластичности, вязкого течения)

Особенности разрушения полимеров в различных физических состояниях 1. Атермическое разрушение при Т 0. Флуктуационный механизм не действует. Разрушение наступает при достижении кр. 2. Хрупкое разрушение. Действует флуктуационный механизм. Развиваются только упругие деформации. 3. Нехрупкое разрушение стеклообразного полимера (Тхр Т Тс). Разрушение происходит в две стадии: медленный рост начальных микротрещин и быстрое прорастание микротрещин с образованием вторичных микротрещин. Термофлуктуационный механизм действует на первой, медленной стадии разрушения. Разрушению предшествует развитие значительных деформаций (вынужденная эластичность), На этой стадии велика роль релаксационных процессов, в результате чего прочность и величина разрывной деформации сильно зависит от скорости деформирования.

4. Разрушение полимеров в высокоэластическом состоянии. Разрушение в первую очередь определяется релаксационными процессами, при этом вклад термофлуктуационого механизма невелик. Разрушению предшествуют значительные деформации. При Тп Т Тс действует «вязколокальный» механизм разрушения (при Тп появляются области локального течения). На первой стадии медленно образуется очаг разрушения – в зоне наиболее опасного дефекта начинает расти надрыв. По мере роста зоны надрыва образуются микротяжи, ориентированные в направлении действия силы. Тяжи постепенно разрываются в слабых местах. На второй стадии, когда практически весь полимер переходит в ориентированное состояние, начинается быстрое нагружение химических связей и их разрушение. Основной вклад в долговечность вносит первая медленная стадия. Долговечность описывается эмпирическим уравнением = С 1 -b, где С 1 = С exp (Uo/KT), b – структурно чувствительный коэффициент При действии больших напряжений (малые значения долговечности), когда разрушение в меньшей степени осложнено релаксационными процессами, используют уравнение Бартенева: =A exp (Uo- /KT)

Расчет долговременной прочности полимерных материалов (критерий Бейли) При действии на полимер напряжения в течение времени ti расходуется часть общей долговечности, равная . При каждом новом цикле нагружения расходуется долговечности, зависящая от напряжения и времени его действия. Полимер должен разрушиться, если : Критерий Бейли используется при расчетах долговременной прочности материалов, работающих в условиях переменных режимов нагружения.

Основные факторы, влияющие на прочность полимерных материалов -прочность химических связей между атомами основной цепи, -молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, -межмолекулярное взаимодействие, -надмолекулярная структура (размеры НМО, ориентация молекул и НМО), -присутствие наполнителей (усиливающие и инертные наполнители, армирование), -молекулярные параметры пространственных сеток, -наличие растворителей, пластификаторов в составе материала, - свойства среды, в которой эксплуатируется полимер.