Модельные представления процесса хрупкого разрушения полимеров в механических и температурных полях (1090785), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Расчеты локальньк напряжений в окрестности круговой трещины в еекинетической атомно-молекулярноймодели в изотермических и неизотермическихусловиях.3. Исследование на основе указанных расчетов термокинетики роста трещиныразрушения в механических и температурных полях и определение предельныххарактеристик процесса хрупкого разрушения, соответствуюших с одной стороныустойчивому состоянию, с другой, - переходу от термофлуктуационного механизмаразрушения к атермическому.Расчет основных параметров процесса разрушепия, связывающих молекулярныеконстанты - характеристики структуры полимерных волокон с макроскопическимихарактеристиками прошюсти.4. Развитие теоретических представлений о полной кривой долговечностиполимерных волокоп в неоднородных стационарных температурных полях при чистотепловом нагружении (теория теплового разрушения).Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней методамиматематического моделирования дано объединение двух подходов к проблемеразрущения хрупких твердых тел (механического и кинетического), на основе чегоразвита обобщенная теория хрупкого разрущения нол^мерных волокон, находящаясвое естественное выражение в уравнении временной зависимости прочности (полнаяизотерма долговечности)и расчетныхсоотнощррий основных параметров ипредельных характеристик при воздействии мехшшческих и температурных полей.15Проведенные в диссертации теоретические исследования процесса разрушенияполимерньк волокон в простейших и усложненных условиях их испытаний позволилиописать количественно влияние структуры полимеров и осповных физическихфакторов,сонутствующихи определяющихуказанныйпроцессна общуюмакроскопическую кинетику трещины разрушения.Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, чторазвитые в ней модельные подходы дали возможность получить теоретическиобоснованные уравнения и методы расчета ряда важных параметров и критериевпроцесса хрупкого разрушения полимерных волокон, а также их прочностныххарактеристик, что позволяет эффективно прогнозироватьих долговечность икинетику процессов разрушения под действием механических и тепловых нагрузок бездлительных лабораторных испытаний.
Эти результаты могут бытьразработкииспользованы дляспособов локализации, интенсификации и управления кинетикойразрушения полимеров в соответствующих условиях испытаний. Достоверностьпредложепных физических (феноменологических) моделей подтверждалась хорошейкорреляцией полученных ранее экснериментальных данных и проведенных в работерасчетных оценок. В качестве материалов для численных расчетов использованыполимеры(органические): полиметилметакрилатполиэтилен,поликапроамид,длякоторых(моноволокно), полипропилен,полученобольшоеколичествоэкспериментальных результатов и прямыми методами доказана термоактивационнаяприрода процесса разрушения.результатоввработеПриведенный теоретический анализ основныхпозволилкачественноиколичественнообъяснитьэкспериментальные данные других исследователей.Диссертация состоит из введения, четьфех глав, заключения и списка литературы.Первая глава диссертации посвящена изложению современных представленийкинетическойконцепцииразрушения.Внейсистематизированобширный16экспериментальный материал по разрушению полимеров в простейших и усложненныхусловиях испытаний, с помощ;ью которого обосновываются предлагаемые в следующихглавах соответствующие модельные представления процесса разрушения полимерныхволокон.
На протяжении всей работы автор неоднократно обращается к материалупервойглавы,подчеркиваясвязьполученныхтеоретическихрезультатовссоответствующими экспериментальными данными.Вторая глава диссертации посвящена изучению механизма разрушения полимерныхволокон. На основе анализа экспериментальных данных ряда авторов о поведенииполимерных волокон при испытаниях в широком температурномдианазоне,содержащем температуру хрупкости для соответствующих материалов, автор делаетвывод о том, что разрушение полимерных волокон близко к хрупкому. Этот вывод даетвозможность применить методы меха1шки хрупкого разрушения при исследованииразрушения полимерных волокон.
Эти методы развиты в главе 3.Третья глава диссертации посвящена изложению результатов автора в рамкахмеханикихрупкого разрушения применительно к теории прочности полимерныхволокон. В этой главе рассчитаны локальные напряжения в окрестности круговойтрещины в изотермических и неизотермических условиях. Здесь также рещаетсяэнергетическая проблема Гриффита для твердых тел с внутренней дискообразнойтрещиной и построена диаграмма проч1юстных состояний для них, подтверждающаяфизический смысл классического критерия.Четвертая глава диссертации носвящена изложению результатов автора по кинетикероста трещин в полимерных волокнах с внутренней дискообразной трещиной. Здесьпредложены: теория полной изотермы долговечности полимерпых волокон примеханическом растяжении, рассчитаны предельные характеристики и основныепараметры указанного процесса разрущения; развита теория теплового разрушения вотсутствие механических нагрузок.17Таким образом, как следует из краткого изложения структуры и содержания работыпо главам, можно сделать следующее заключение.
В диссертации рассматриваютсяважные и пока недостаточно изученные аспекты физики и механики разрушенияполимерных волокон. Результаты, изложенные в работе представляют собой развитиенаушюгонаправления, связшшогос применением методовматематическогомоделирования при исследовании термокинетики нроцесса хрупкого разрушенияполимерных материалов в механических и температурных полях.1.2. Кинетика процессов разрушения.Разработка физических представлений о природе разрушения материалов (вчастности, полимеров) основьшается в настоящее время на подходе к разрушению каккинетическому термофлуктуационному нроцессу постепенного накопления нарушенийв теле с момента приложения нагрузки и вплоть до его разрыва па части.
С этой жеточки зрения принято рассматривать влияние на прочность таких фактов, как среда,темнература, структура материалов. В этом отгюшении прочность не отличается отряда других механических свойств, которые, как ноказано в последние годы, такжеопределяются кинетикой развития соответствующих процессов.В теоретическом плане наиболее полно исследовано главным образом хрупкоеразрушение и сделан переход к квазихрупкому разрушению полимеров, содержащихначальные микро- и субмикротрещины [16-30, 58, 76-81]. Последнее характерно длянизкопрочных и прочных массивных полимерных образцов или изделий из них.Трещины разрушения в таких материалах начинают расти после приложения нагрузки,превьппающей безопасную оо.
При этом микротрепщны раснределены по степени ихопасности, и рост одной из них приводит к разгрузке окружающего материала иприостанавливает рост остальных трепщп [23, 58]. Поэтому прочность и долговечностьматериала определяется ростом одной, реже нескольких, наиболее опасных микро- и18субмикротрещин до критической длины 4, после чего наступает атермическая стадияпроцесса разрушения.Исходя из этой концепции, разрушепие и прочностные свойства полимерногообразца характеризуются скоростью накопления нарушений (скоростью роста трещинразрушения) или обратной интегральной величиной - долговечностью нод нагрузкой[2]:T(a.T,Va,U,...)= Г,(1.1)где /- текущая длина трещины, /о - начальная длина трещины, Va - флуктуационныйобъем, <т- растягивающее напряжение, а - локальное напряжение в объеме Va, U энергия активации процесса разрыва связей в вершипе трещины, 4 - критическая длинатрещины, при которой термофлуктуационный механизм разрушения сменяется наатермический, когда скорость распространения трещины становится практическипостоянной, V - скорость продвижения трещины.Известны многочисленные попьшш систематизировать весь огромный ноток работи, по возможности, полно осветить все вопросы, связанные с изучением процессаразрушения полимерных материалов.
За последние 20-30 лет появились десяткимонографий [2, 82, 83, 84, 85], обзоров [86], учебников, диссертационных работ и др.,преследующихцельсистематизациииобобщенияогромногокомплексаэкспериментальных и теоретических работ. Среди этой литературы следует вьщелитьфундаментальную монографию [82], содержащую наиболее полный обзор и анализнакопленныхк началу 70-х годов экспериментальных результатов по проблемеразрушения твердых тел, монографию [2], в которой отражены принципиально новыеданные и представления о механизмах разрушения полимеров во всех релаксационных(«физических» в терминологии Каргина и Слонимского) состояниях на начало 80-хгодов XX века, а также монографию[83], в которой разработана структурно-19статистическая теория разрушения полимеров, объединившая все прежние концепции иподходы:механический,кинетический,термодинамический,статистический,дилатонный и т.
д,Термофлуктуационный подход к проблеме разрушения выдвигает на первое местовременной фактор, то есть кинетику разрушения. Рядом современных прямыхфизических методов удалось нолучить детальные сведения о накоплении нарушений внагруженных образцах и построить физическую картину разрушения [54]. Наиболееполные исследования проведены, нрежде всего, в простых случаях - для тел с«одномерным»молекулярнымодноосноориентированномстроением.Полимерныематериалывсостоянии отвечают этим требова1шям, так как имеютудобную для исследования структуру (длинные линейные или разветвленныемакромолекулы[87]), приводяпще к тому, что на микроуровне разрушение имеетодномерный характер.
Для таких тел одноосное растяжение вдоль оси их ориентацииявляется наиболее простым и удобным случаем пагружения. Методами рентгеновскойдифракции в малых и больших углах и электронной микроскопии установленамолекулярнаяинадмолекулярнаяструктураориентировшн1ыхаморфно-кристаллических полимеров, прослежено накопление в них разрушений нри действиина полимеры растягиваюших нагрузок. Исходя из фибриллярной структуры такихполимеров и чередования в фибриллах кристаллических и аморфных областей,объясненыобнаруженныеметодомИК-спектрометриивысокиелокальныеперенапряжения на макромолекулах в аморфных межкристаллитных прослойках.Экспериментально прослежено накопление термофлуктуационных разрывов этихперенапряженныхмолекулпохимическимсвязям,азатемобразованиесубмикроскопических трешин - нарушений уже надмолекулярного масштаба, этимдано объяснение нервого этапа локализации разрушения - перехода от нарушениймолекулярного масштаба к образованию субмикротрещин, для которых определены20размеры (продольные и поперечные), форма (эллиптическая, круговая, дискообразная,в форме разреза), положение в образце (поверхностная, внутренняя).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
