Модельные представления процесса хрупкого разрушения полимеров в механических и температурных полях (1090785), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Методом БРД, атакже фрактографически прослежены дальнейшее развитие нарушения и еголокализация; с помощью микрокиносьемки изучен рост трещины разрушения,ускоряющей перед своей вершиной перечисленные процессы и, в конечном счете,разрьшающей образец [2,42,53].Среди многообразия обширных физических исследований элементарных актовпроцесса разрушепия и кинетики этого процесса на макроскопическом уровне следуетвыделить основные результаты, представляющие интерес для соответствующихтеоретических исследований в свете кинетической термофлуктуационной теориипрочности.Силовое возмущение и разрывы связей в иагружеиных иолимерах [88, 89].Согласно кинетическим представлениям, в полимерах в процессе разрушениясхематически можно вьщелить стадии:1) возбуждение межатомных связей приложенным механическим нанряжением;2) разрыв возбужденных связей в полимерных ценях тепловыми флуктуациями;3) группирование«элементарных»разрьшов-образованиепервичныхсубмикроскопических трещин;4) возникновение трещины разрушения из начальной микротрещины, ее рост иразрыв образца.Проявление возбуждения межатомных связей под действием механическойнагрузки зафиксировано при изменении спектра поглощения в инфракрасной области,где лежат частоты, отвечающие колебаниям связей[88, 89].
Для ряда полоспоглощения установлено смещение и искажение контуров под нагрузкой, чтоподтвердилосправедливостьпредставлений о том, что напряжение снижаетпотенциальный барьер U = UQ-/(r.21Эксперименты по ИК - спектрометрии показали, что примерно 80% от общегочисла связей практически не несут перегрузок, а около 20% оказываются в той илииной степени перегруженными. В эти 20% входят все перегруженные связи, и лишьпримерно 0,001% от их общего числа соответствует максимально нагруженным (рис.1.1, таблица 1.1).Таблица 1.1Величины максимальных нагрузок на связях [90], [91,92].МаксимальноеВнешнее напряжениеПолимернапряжение на связяхМПаМПа8-10'1,2-10'Капрон (ориентир.)8,4-10'2-10'Полиакрилонитрил (ориентир.)1,2-10'7-10'8-10'2-10'Полипропилен (ориентир.)Полиэтилентерефталат(ориентир.)22,% на МПа0,20-МПац10,15 •0,10 •0,05-0а112ii!iV18 16113211t48164.,,л8096100, МПа200300400X, мкмРис.
1.1а - распределепие относительной доли межатомных связей в нагруженномполипропилене по напряжениям при растягивающем напряжении а = 800 МПа [53];б - величины локальных напряжений на различных расстояниях от верщины трещиныразрушения в полипронилепе при сг = 120 МПа и Т = 20°С [93].Была выяспена [93] роль истинных напряжений на межатомных связях вблизиверщины трещины в описании механизма ее роста. На рис 2.1распределепиесредпих,среднихлокальныхимаксимальныхпредставленонапряженийокрестности вершины трещины в нагруженном образце полипропилена [93].в23aо50100X, MKMРис.
2.1a-распределениенапряженийвблизивершинытрещиныразрушениявполипропилене; 1 - максимальное напряжение на отдельных молекулах вблизивершины трещины;2 - среднее (локальное) напряжение вблизи вершинытрещины; 3 - среднее напряжение но образцу;б- распределение концентрации разрывов молекул вблизи вершины трещины вполипропилене.Зависимость среднего локального напряжения близка по характеру распределениянанряжений в окрестности вершины трещины, рассчитшпюго методами континуальнойтеории упругости. Из приведенньк данных следует, что но мере приближения ккончику трещины на максимальнонанряженных связях нагрузка увеличиваетсявплоть до некоторого расстояния, после чего остается примерно постоянной.Приблизительно с этого же расстояния от вершины трещины наблюдается появлениеразорванных химических связей. После разрьша образца в тонком приповерхностномслое у поверхности разрыва обнаружено число разорванных молекул порядка24Это примерно равно числу химических связей, проходящих через данное сечение.Таким способом показано, что разрыв полимера произошел с разрывом макромолекулпо химическим связям.Таким образом, особенность распада напряженных макромолекул состоит в том,что акт разрыва сосредотачивается на одной связи, тогда как силовому воздействиюподвергается фрагмент молекулы, состоящей из десятков или сотен связей.
Послеразрыва перенапряжение переносится на следующую, соседнюю связь, и такпоследовательно разрьш распространяется в твердом теле при сравнительно низкомсреднем (разрывном) напряжении. При этом быстрый последовательный распаднанряженныхполимерныхмолекулвысвобождаетбольщоеколичествососредоточенной в них упругой энергии, которая, вьщеляясь в виде тепла, нагреваетокружающие молекулы. Последнее может приводить к локальным перегревам вдесятки и сотни градусов [94], в то время как весь образец нагревается за счет этого нанесколько градусов.
Эти локальные перегревы еще более ускоряют и интенсифицируютпроцессы распада напряженных молекул в зоне прослойки.Проявление возбуждения межатомныхнагрузки,раснределениемежатомныхсвязей под действием механическойсвязейвнагруженномполимерепонапряжениям, в том числе вблизи вершины трещины разрущения, измерение истинных(локальных) напряжений и установление их высоких значений показали,чтотермофлуктуационные элементарные акты разрушения идут в мадых обьемах прибольших (локальных) перенапряжениях, практически постоянных в пределах этогообьема.
Таким образом, при теоретическом исследовапии кинетики роста трещинынеобходимо иметь сведения о напряжении ав ее вершине, которое являетсяфункцией средних напряжений, структурной гетерогенности нолимера, размеров,формы и положения трещиныматериала.в образце, упругих и релаксационных свойств25Высказанные выше соображения о снецифике силового возмущения связей внагруженных нолимерах будут иснользованы в главе 3 при расчете величинылокального нанряжения а в окрестности круговой трещины.Субмикроскопические трещины и их характеристики [95, 96]. В реальныхнолимерныхматериалахвсегдасубмикротренщны, характеризуемыеимеются«готовые»начальныемикро- ираснределением но стенени их онасности.Трещина разрушения в таких материалах растет из наиболее онасной микротрещиныначальной длины /о, размер которой обусловлен структурой нолимера, условиямивнешней среды и, как оказалось [97, 98], уровнем внешней нагрузки.
Регистрациясубмикросконических трещин дифракционными методами нозволила установить ихразмеры, форму, ориентацию (нернендикулярно оси нагружения), концентрацию.Тиничные размеры тренщн: десятки ангстрем в нонеречном направлении (вдоль осинагружения), сотни - в продольном. Для дискообразных трещин диаметр составляет100-1000^.Форма и расположение микро- и субмикротрещин в нолимерном образцеопределяютсядискретпостьюструктурыполимеров[99]. Так, вволокнахориентированные цени образуют нервичные надмолекулярные структуры в видемикрофибрилл с ноперечными размерами 10-20 нм. Полимерные цепи вдоль осимикрофибриллы проходят через ряд чередующихся кристаллических и аморфныхобластей.Кристаллические области в больщом периоде занимают 50-80% длипы.Аморфпые участки, являющиеся слабыми участками структуры, имеют длину 3-8 нм.Другими слабыми участками являются концевые области микрофибрилл и фибрилл.Исследованиямикромеханикиразрушенияструктурнымидифракционнымиметодами показали [100-102], что под нагрузкой в слабых местах структуры возникаютсубмикротрещины, наибольшее их число имеет длину /о-10-20 нм, что совпадает споперечньм размером микрофибрилл.
Опасность представляют не самые малые (даже26при большой концентрации 1О'^-1О'^ см "•') [102], а самые большие микротрещины.Самая опасная микротрещипа в образце приводит к его разрьшу.Таким образом, в полимерных волокнах присутствуют главным образомвнутренние круговые дискообразные трещины, изучению кинетики роста которых иносвящена собственно диссертация.Фрактографические исследования поверхности разрыва [24, 103, 104]. Этиисследования отражают существование двух стадий нроцесса разрушения: образованиеи рост первич1юй трещины и быстрое разрушение. Непосредственное наблюдение засостояниемобразцовпоказало,что во всехслучаяхплоскостьтрещиныперпендикулярна направлению действия внешней силы, что весьма важно нритеоретических расчетах локального напряжения св (1.1).
Лишь на второй стадии,когда возникают вторичные очаги разрушения, происходит ветвление трещипыразрушения. Скорость роста трещины на второй стадии близка к скоростираспространения упругих волн в данном твердом теле. То есть на второй стадиинроцесс разрущения безбарьерный.Таким образом, долговешюсть образца под действием задшпюго напряжения а внолноминтервале напряжений(оо ,с7к) от квазибезопасного до критическогоскладывается из времен процессов разрыва на первой (флуктуационной) и второй(атермической) стадиях [16,58]:г = Тф+т, = \— +1^ v{l,G ,Т)=-,(2.1)V,где L - характерный поперечный размер образца;- критическая скорость роста трещины (Е -модуль Юнга, р - нлотность материала); /* критическая длина трещины.27Важным для теоретических нредставлений явился экснериментальный результат[103] о независимости зеркальной зоны на поверхности разрыва ряда полимеров отвеличины поперечного сечения образца, отсюда следует, что критическая длинатрещины не зависит от ширины образца L.
Другим экспериментальным результатомявляются весьма малые размеры микротрещин при ширине (или диаметре) образца L воонесколько мм: для ПММА /о =1700^; для поливинилбутираля /о =3000^4; дляополиэтиленаоо/о =170Л; для полипропилена k=320A;для ноливинилхлоридао/о = 3000^; для капрона /о = 90 Л.Эти данные обосновывают математическую модель образца в работах [20-25, 67,97, 105, 106]: пластина в виде упругой плоскости или полуплоскости соответственно свнутренней или краевой трещиной (рис. 3.1 а, б). В нашем случае образеццилиндрической формы моделируется в виде унругого пространства с внутреннейкруговой (дискообразной) трещиной (рис.
3.1 в).28оРнс. 3.1. Расположение микротрещин в упругой области: а - внутренняя трещинадлиной 2/о в упругой области; б - краевая трещина длиной /о в упругойполуобластн; в - дискообразная трещина диаметром 2го в упругом пространстве.Кинетика роста магистральных трещии [2, 53, 54]. Непосредственноенаблюдение за состоянием нагруженных образцов показало, что к разрьшу, какправило, приводят одиночные трещины. При этом увеличение скорости роста трещиныпо мере увеличения ее длины / связано с повьнпением локальных нанряжений в еевершине <т . Таким образом, длину трещины следует рассматривать как параметр,определяющий локальные напряжения в ее вершине: сг =^(/,сг,...) В приннипе,величина <т определяется рядом параметров: геометрией образца, длиной трещины,приложенньм внещним напряжением, структурой полимера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
