Модельные представления процесса хрупкого разрушения полимеров в механических и температурных полях (1090785), страница 2
Текст из файла (страница 2)
И. Мусхелешвили, Л. И. Седова, С. А. Христиановича, А. Ю.Иншинского, В. В. Панасюка, В. 3. Партона, Г. И. Баренблатта, Р. Л. Салганика, В. П.Тамужа, М. П. Саврука, Г. Нейбера, Дж. Си, И. Снедцона, Г. Либовица, А. Коттрела иДр.Важный щаг в развитии физических представлений о прочности был сделан в 50-хгодах, когда была сформулирована кинетическая концепция прочности. В этой теориитепловому движению атомов отводилась роль одного из основных факторов,унравляющих процессом разрушения.Предпосылкойдля формирования представлений кинетической конценцииразрушения послужили, помимо общетеоретических соображений, также работы поизучепию деформационных свойств твердых тел (ползучести, релаксационныхявлений) и оньггаые данные о временной и темнературной зависимостях прочноститвердых тел. Зависимость нрочности от времени при статической нагрузке, получившаяназвание статической усталости материала, наблюдалась многими исследователями всиликатных стеклах, нолимерах, металлах, ионных кристаллах и т.
д. [2].Отдельныевысказыванияонеобходимостиотходаотклассического(механического) рассмотрения проблемы прочности и необходимости учета ролитеплового движения в развитии разрушения публиковались, начиная с 20-х годовпрошлого века [2]. Однако, ни этим высказываниям, ни разрозненным наблюдениямтемпературпо-временной зависимости нрочности не придавалось должного значениядо появлепия систематических исследований акад.
С. Н. Журкова и его сотрудников,начатых в 1952 году в лаборатории физики прочности физико-технического институтаим. А. Ф. Иоффе АН СССР. Уже в первой публикации па эту тему [10] С. Н. Журковым9наиболее четко была отмечена противоречивость между механическим подходом кпроблеме прочности и фактом температурпо-временной зависимости прочности иуказана необходимость перехода от общепринятой механической копцепции прочностик новой, кинетической. В дальнейшем, в результате проведения многочисленныхэкспериментов было показано, что временная и температурная зависимости прочностине уникальное, а широко распространенное явление, характерное для разрушенияразличных по природе и физико-химическим свойствам твердых тел.
Именно этотэксперимептальныйрезультатпослужилосновойдляформулировкиновогокинетического подхода к разрушению твердых тел [11-14].Изложенное показывает, что к настоящему времени исследование проблемыхрупкого разрушения материалов развивается в двух основных направлениях. Первоенаправление связшю с расчетом прочности дефектных тел методамимеханикиразрушения; оно основьшается па разнице между теоретической и реальнойвеличинами прочности, которая трактуется в терминах классической упругой моделиГриффита.
Механический подход использует в качестве критерия разрушения понятиепредельного состояния, при достижении которого наступает разрушение. Второенаправление связано сразвитием кинетической термофлукгуационной концепции,основанной на представлениях Я. И. Френкеля [15] о тепловом движении в твердыхтелах. В кинетическом подходе основное внимание обращается на атомномолекулярный процесс разрушепия, а разрьш рассматриваетсякак результатпостепенного развития и накопления микроразрушений, или как процесс развитиямикротрешины.
Основным фактором в этом подходе является тепловое движениекинетических единиц (атомов или сегментов молекул), вызываюшее межатомные илимежмолекулярные перегруппировки и активизируюшеевлияние механическихнапряжений, изменяюших вероятности этих перегруппировок. Разрьш напряженныхсвязей происходит под действием флуктуации энергии, возникающей на одной или10групне связей.
Растягивающее напряжение увеличивает вероятность разрьша связей иуменьшает вероятность их восстшювления. В этой концепции долговеч1юсть тела поднагрузкой принимается в качестве фундаментальной величины, онределяющейпрочзюсть, и кладется в основу кинетической термофлуктуационнойтеорииразрушения, находящей свое выражение в уравнениях временной зависимостипрочности т = т{(т,Т).Длительное время оба эти подхода развивались независимо, и на этом пути былиполучены важные результаты, которые отражали те или иные характерные чертыразрушения, но не объяснили всей совокунпости экснериментальных данных.Теория разрушения принадлежит к числу феноменологических теорий, являетсяодним из разделов механики сшюшной среды и неносредственно не связана сфизическим механизмом образования трешин.
Эта теория исходит из предположений,что в исходном образце всегда имеются «готовые» трещины разных размеров, нопроцесс разрушения состоит в прорастании только одной, самой опасной из всехтрешин, через все сечение образца. Рост этой трещины начинается только в том случае,когда перенапряжения на ее конце достигают значения теоретической прочности.Развитие такой трещины происходит согласно этой теории с большой скоростью,близкой к скорости распространения упругих волн.Подобная теория хрункогоразрушенияобъясниланесоответствиемеждувеличинами теоретической и практической проч1юсти, но не смогла объяснить ряддругих закономерностей процесса разрущения, в частности таких временных эффектовразрушения, как явления статической усталости (временную зависимость прочности),явление постепенного, а пе мгновенного роста трещин (явление растрескиваниянластмасс).
Закономерное изменение прошюсти во времени заставило рассматриватьразрушение материала как ненрерывный процесс, происходящий в механическинанряженном теле со скоростью, зависящей от величины нанряжения и температуры.11Пределы упругости, текучести, прочности с этой точки зрения должны былитрактоваться как некоторые условные характеристики твердого тела.Изучение процесса разрушения твердых тел требует одновременного рассмотренияразных факторов [2, 16-18].
С одной стороны это макроскопические эффекты,изучаемые механикой полимеров: напряженно - деформированное состояние вокругдефектов, где возникает разрушение; условия внешней среды и их влияние нанагружение полимерного образца. С другой стороны - это микроскопические явленияв тех местах, где развивается разрушение - элементарные акты процесса разрушения.Аппаратом, пригодным для изучения этих явлений служат физика нолимеров имолекулярная физика, методы которых позволяют онисатьэлементарные актынроцесса разрушения и скорость роста трешины разрушения как функцию ее длины иноля напряжений в области дефекта. Оба аснекта должны быть включены в полноеописание процесса разрушения полимеров для построения обобшенной теориипрочности, учитьшающей особенности структуры нолимерных материалов.
Первыерезультаты в этом нанравлении получены в работах [16,19-31].Развитие молекулярно-кинетической конценции разрушения соотносится, но всейвидимости, с работой Цвики [32] в 1923 г. впервые указавшего на вклад флуктуациитепловой энергии в элементарный акт разрыва связей. Цвики относил большоерасхождениетеоретическогоиэкснериментальногозначенийразрушающегонапряжений кристаллов новаренной соли за счет того, что в расчете не з^читьшалосьтепловое движение, нриближаюшее элементы структуры к тому состоянию, в которомони находятся носле разрыва.
В 1936 г. Смекал [33] внервые высказал соображения обучастии термоактивационныхпроцессов (поверхностной диффузии на створкахтрешин) в кинетике разрушения твердых тел. Понселе в 1944—46 гг. [34, 35], новидимому,впервыенредложилвтеоретическомпланекинетический12термофлуктуационный механизм распада напряженных связей в рамках представленийо межатомном взаимодействии.Дальнейшее развитие кинетических представлений о разрушении полимерныхматериалов (пластмассы, аморфные каучукоподобные полимеры, пленки, волокна,нити), включая теоретические представления, отражено в основополагающих работахБюссе [36], Говарда [37, 38], Тобольского и Эйринга [39], Ороваиа [40], Маргетройда[41], Александрова [42], Тейлора [43], Гиббса и Катлера [44], Регеля [45], Гуля [46],Стюарта и Андерсена [47], Журкова и Нарзуллаева [10], Бартенева [48], Колемана [49],Бюхе [50], Губанова и Чевычелова [51], Салганика [19], Тулинова [22], Карташова [16],Шевелева [31], Цоя [52] и др.Предложенные авторами теории построены на модельныхпредставленияхразличной общности.
Основное внимание в них обращается на действие механическихнагрузок на кинетику разрущения в простейших условиях испытаний: постоянноенапряжение растяжения, постоянная абсолютная температура (изотермические условиянагружения), неменяющаяся структура, инактивная среда.В более сложных условиях испытания полимеров проблема заключалась впроведении обобщающих теоретических исследований кинетики их разрушения сцельюразработкифизическиобоснованныханалитическихпредставлений,раскрывающих количественно механизм влия1шя дополнительных факторов науказанный процесс [16,31,53,54]. К факторам, существенно осложняющим разрущениенапряженныхполимерныхматериалов,относятсяповерхностно-адсорбционноевоздействие среды [55-58], локальные перегревы в верщинах трещин (при циклическихиспытаниях) [59-61], упругие колебания, распространяющиеся впереди растущихтрещин [62], структурные изменения [63-€6], наличие в образце неоднородного(стационарного или нестационарного) градиента температуры при неизотермическихиспытаниях,вызывающегоналожениетермоупругихполейнапряженийна13механические [67, 62, 68], интенсивные тепловые [69-72], радиационные [73, 74],электрические и магаитные воздействия [75] и т.
д.Таким образом, можно сказать, что к настоящему времени накоплено большоеколичествообобщающихтеоретическихисследованийкинетикиразрушенияполимеров при различных условиях испытаний. Однако для полимерных волоконметодики количественных расчетов соответствующих прочностных характеристик иметоды прогаозирования их поведепия под нагрузкой в более сложпых условияхэксплуатации без длительных лабораторных испытаний разработаны еще недостаточно.Указанная нроблема онределнла основную задачу днссертацнн: теоретическоеисследование термокинетики процессов разрушения полимерных волокон привоздействии на них механических и температурных полей с тем, чтобы описатьзависимость долговечхюсти и основных прочностных характеристик полимерныхволокон от условий испытаний, как для простейщих случаев,так и для случаевусложненного разрушения (тешювое разрущение).Целью диссертационной работы является построение моделей разрушениянолимерных волокон в механических и температурных полях на основе кинетическихпредставлений о процессе разрушения и результатов физики и механики полимеров,молекулярной физики, механики разрушения.
В работе используются также и другиенаправленияфизикии прикладнойматематики,а именно: термодинамика,аналитическая теория теплопроводпости, математическая теория термоупругости.В рамках теоретического исследовапия термокинетнки процесса разрушенияполимерных волокон автором получены самостоятельные результаты, развивающиетермофлуктуационную теорию прочности полимерных материалов в соответствующихусловиях их разрушения и объясняющее имеющиеся в литературе экспериментальныерезультаты, касающиеся нолимерньк волокон.14В соответствии с указанным вьппе научным нанравлением в работе решалисьследующие основные задачи (автор защищает):1. Анализ основных физических закономерностей процесса разрушения полимеров,обнаруженных экспериментально на основе современных представлений кинетическойконцепции разрушения.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
