ХФ ВМС; Учебное пособие. Химия и физика высокомолекулярных соединений
 Скачать 5.37 Mb.
|
|
175 нормированной и постоянной скорости деформации. Долговременная прочность, или долговечность − время с момента приложения заданной постоянной нагрузки до разрушения образца. 10.2.2. Теоретическая и техническая прочность полимерных материалов Разрушение полимерного материала – это процесс разрыва связей в макромолекулах и между ними. Теоретическая прочность – разрушающее напряжение, равное прочности всех химических связей, приходящихся на единицу поверхности разрыва. Но связи в плоскости разрушения имеют различную степень равновесности, а следовательно различные энергии активации разрушения. Поэтому, для полной объективности, под теоретической прочностью следует понимать прочность при идеальной структуре материала и температуре 0 К, однородной статической деформации растяжения или сдвига, обеспечивающей равномерное нагружение всех связей и одновременный их разрыв по поверхности разрушения. Известно, что практически определяемая – техническая прочность существенно, иногда на несколько порядков, ниже теоретической. Например, для NaCl практически измеряемая прочность 5,3 МПа, в то время как расчетная теоретическая – 1962 МПа. Расхождение между теоретической и технической прочностью хорошо согласуется с теорией прочности Гриффитса: прочность материала обусловлена наличием микродефектов на поверхности образца. В вершинах микротрещин концентрируются механические перенапряжения, превышающие теоретическую прочность материала. Трещина разрастается, а фактическое поперечное сечение – уменьшается, и когда отношение нагрузки к фактической площади поперечного сечения превысит σ р , произойдет хрупкое разрушение. Иоффе подтвердил справедливость теории Гриффитса для хрупких тел на примере кристалла NaCl, омывая его при испытании прочности теплой водой, и тем самым сглаживая микродефекты на поверхности. В результате была достигнута прочность, составляющая 80 % от расчетной теоретической. 10.2.3. Влияние различных факторов на прочность и долговечность полимеров 10.2.3.1. Механизмы разрушения полимеров Прочность полимеров зависит от многих факторов: физического и фазового состояний, молекулярной массы, ориентации макромолекул, среды, температуры, предыстории образца, характера нагрузки и пр. 176 Прочностные характеристики полимеров в различных физических состояниях связаны с особенностями механизмов процессов, проходящих при разрушении. При Т < Т кр разрушение полимера проходит в соответствии с механизмом хрупкого разрушения, предложенным Гриффитсом. Разрушение проходит в 2 стадии: первая стадия, называемая термической (т.к. зависит от температуры) – медленная. Разрастание микродефекта в трещину идёт со скоростью 10 −4 −10 −5 м/с. При этом за фронтом разрастания трещины образуется зеркальная поверхность. Вторая стадия – атермическая, быстрая. Проходит с образованием вторичных микротрещин, которые распространяются по всему сечению образца с околозвуковой скоростью и образованием шероховатой поверхности. В интервале Т кр < T < T c разрушению предшествует вынужденная эластическая деформация. Процесс разрушения стеклообразных нехрупких полимеров можно условно разделить на 2 стадии. На первой стадии образуются множественные микродефекты (этот вид дефектов на практике получил название «серебро»). Они возникают в результате локального расслоения материала с образованием тяжей в микротрещинах с участками ориентированных макромолекул. На второй стадии происходит разрушение предварительно ориентированных микротяжей в трещинах. Микротрещины разрастаются вплоть до разрушения всего образца. Таким образом, разрушение начинается по релаксационному −, а окончательный разрыв происходит по термофлуктуационному механизму. Суть термофлуктуационного механизма сводится у тому, что в макромолекуле тепловая энергия распределена между сегментами неравномерно, и, кроме того, между ними происходит постоянный обмен кинетической тепловой энергии – флуктуации тепловой энергии. При этом случайные флуктуации на отдельных участках напряженной макромолекулы могут привести к локальному возрастанию кинетической энергии до уровня, превышающего энергию активации разрыва связей. В интервале Тс < Т < Тт разрушению предшествует высокоэластическая деформация. После достижения максимально возможной ориентации макромолекул, и в отсутствие пластической деформации начинается разрушение химических связей. Процесс разрушения условно проходит в 2 стадии. На 1-й стадии возникает надрыв – аналог трещин, возникающих при деформации нехрупких стеклообразных полимеров. Он образуется на поверхности или внутренних микродефектах, а также структурных нарушениях. В вершине надрыва возникают микротяжи из ориентированных макромолекул в виде надмолекулярных структур мицелярного типа. После перехода всех макромолекул в зоне надрыва в ориентированное состояние процесс разрушения переходит во вторую стадию. На 2-й стадии, когда напряжение в образце превысит суммарную прочность внутримолекулярных и межмакромолекулярных связей в сечении |