Модельные представления процесса хрупкого разрушения полимеров в механических и температурных полях (1090785), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Журкова.0Полиметилметакрилатт, с10-28м^-231,45+181,4+501,36+70Р/о,см10,3Средние значениякДжмоль13413126159,8130151,329,212617Таблица 3.2. Обработкаданных рис. 3.2.1,4102,3-10-5/9=9,8мольо0Поливинилформаль/о, см-196-1654,876,96,710-5Средние значениякДжмоль81579812моль68v^p=m-j''uu^-1000,9-860,85-700,83-500,86,461,45,910-517635168401644116044мольо5,74 = 40^Таблица 4.2. Обработка данных рис. 4.2.Г,ОС. . .0/о, см10 27^31,611,418912-1231,218,618719-1001,28,618919-701,117222-50100Поливини лэтилг-196005Средние значениякДжмоль16822-250,9718929У^Р = \,ПЛОмм2-10-51,4моль069Таблица 5.2.Обработкаданных рис.
5.2с/.,т °с27 3л/о, см10-28м^кДжоA,,Aмоль-1961,28,612612-1651,17,915114-12317,214716CL,юF ^ ^ = 0,96.10-18MM3р-11,4-10-^1,4-1000,84612824-700,85,812626-500,85,812626«!SСредние значенияСмольо/Ц-18Л70Результаты проведенной обработки экспериментальных данных по длительнойпрочности для ПММА и поливинилацеталей при растяжении в широком темнературноминтервале испытаний от -196 до +50°С показали наличие скачков величинUr, и V впри переходе через температуру хрупкости, что отражепо на рис.
6.2 и 7.2.укДж° ' МОЛЬ800 _' 2200100-220-120ГС-20Рис.6.2 Температурная зависимость энергии активации L'o , полученная ноэкснериментальным данным для ПММА (1) и поливинилформаля (2)./1102i5 —10—-2201-120i-20180rc>Рис.7.2 Температурная зависимость структурно-чувствительного коэффициентау- ^аР»полученная по экспериментальным данным для ПММА (1) иполивинилформаля (2).71Указанные эффекты, проявляющиеся в резком уменьшении энергии активации U^,флуктуационного объема V^, и коэффициента концентрации напряжений fi нри переходечерез температуры хрункости Гхр наглядно представлены в таблице 6.2.Таблица 6.2. Изменение параметров уравнения долговечности при переходе черезтемпературу хрункости Гхр (растяжение).ПолиметшшетакрилатПоливинилформаль(Гхр=-29°С)(Гхр=-108'С)ПостоянныеГ<ГхрГ>ГхрГ<ГхрГ>Гхр7541348041678,4-10-281,4-10-2^7-10-281,4-10-281187612Я = Л,=2412UQ , Дж/мольр0Х,АЭти эффекты свидетельствуют о том, что нри переходе из хрупкого состояния вквазихрункое у полимеров происходит переход от группового термофлуктуационногомеханизма разрушения химических связей к индивидуальному.2.2.Экспериментальныеданныеновременнойзавнснмостннрочностинолнмерных волокон.Наша цель построить теорию нолной кривой долговечности для полимерныхволокон.При этом мы нреднолагаемиснользоватьметодымеханикихрупкого72разрушения.
Для этого нужно предварительпоисследоватьхарактермеханизмаразрушения полимерных волокон.С этой целью проанализируемэкспериментальные данные по долговечностиполимерных волокон. На рис. 8.2 -10.2 представлены зависимости для lgr(o; Т),построепные по данным [137, 138]. Для исследования бьши иснользованы семействалиний долговечности для капрона, полиэтилена, триацетатпого волокна, гидратцеллюлозы(вискозное волокно), полистирола (волокно).-2-6-10оРис.
8.2.80160Температурно-временная зависимость нроч1юсти капронового волокна приразличных температурах:1--110"С;2--60''С;3--18''С;4-+80"С;5-+130°С.7343I\0\40\\-41810Рис. 9.2. Температурно-временная зависимость нрочности нолиэтилена (волокно) приразличных температурах: 1 - -70 ° С; 2 - -40 ° С; 3 - +18 ° С; 4 - +50 ** С.74180200о-,МПАРис. 10.2. Темнературно-временная зависимость нрочиости триацетатного волокна нриразличных темнературах: 1 - -120 ° С; 2 - - 60 ° С; 3 - 18 ° С.2.3. Темнературная стабильность термофлуктуацнонного механизма разрушениянолимерных волокон.Согласно данным Журкова, в волокнах в нроцессе роста микротрещины при каждойфлуктуации рвется одна нолимерная цепь.Следует учесть, что расстояние между соседними ценями равно межмолекулярномуорасстоянию ~4А.В волокне практически все цени ориентированы вдоль его оси. Такимобразом, еслиЛ^- среднее межмолекулярное расстояние в нолимере, то в волокнахоA = AQ=4A,о1^=AQ=4A,оЛ^=\,5А.Тогда для ориентированных нолимеров (волокна)Va~ Л^ • Л„= 2,4-10'^' м .
Как было указано, главным в механизме разрушениянеориентированных и ориентированных нолимеров является разрьш химических связеймакромолекул.Это подтверждаетсянезависимостьюэнергии активацииUQ ОТ75ориентации нолимера, в то время как коэффициент у от ориентации нолимера зависит.Очевидно, это может быть обусловлено двумя факторами: изменением fi и изменениемПо данным [2] ;' = 1,83-10"^^ м-' для ориентированного капрона и 7 = 1,3-10"^^ м^ длянеориентированного.
Соответственно этому р=П,Ь и /?=9,3. Таким образом видно, чтопри переходе из ориентировашюго состояния в неориентированное коэффициентконцехгграции напряжений ^ меняется в ~1,2 раза. В соответствии с тем, что согласноэкснерименту [2] прочность меняется в 7 раз, легко видеть, что V^ меняется в 6 раз.Последнее объясняется тем, что на пути роста трещины в ориентированном волокнервется каждая цепь, то есть /I = Л^, что в три раза меньше, чем у неориентированногонолимера (Я = 3AQ), /1^.
=>^, что в два раза меньше, чем у неориентированного нолимера.При этом предразрывпая длина химической связи остается прежней Ля.Таким образом, можно предполагать, что в ориентированных волокнах реализуетсятермофлуктуационный механизм разрушения с грунповым разрывом цепей близкий нохарактеру к хрункому разрушению (в отличие от квазихрупкого разрушения споследовательным разрьшом отдельных полимерных ценей).Приисследованиипараметровуравнениядолговечностинриразрушенииполимерных волокон в широком температурном интервале иснытаннй была обнаруженаих устойчивость.На рис. 11.2 и 12.2 приведены температурпые зависимости энергии активации Uo иструктурно-чувствительного коэффициента ;' для указанных полимеров, полученные поэкспериментальным данным для \%т{а, Т).76кДж^моль3.4150 —130—nо21у100-15011i1-100-50О501100>.ГСРис.
11.2 Температурные зависимости энергии активации f/o , полученные поэкспериментальным данным для полимерных волокон: 1- полиэтилен, 2 - полипропилен,3 - капрон, 4-триацетатцеллюлоза.77юг hАоn4^^fr•»(3к2О-150-100-50О50100VРис. 12.2.Температурные зависимости структурно-чувствительного коэффициентаY^VQP,нолученные но экснериментальным данным для полимерных волокон: 1- полипропилен,2-полиэтилен, 3 - капрон, 4 - триацетатцеллюлоза.Как следует из данных рис.
11.2, 12.2величина Uo и y=VaPпостоянна в широком температурном интервалеиспытанийпрактически(-150" , +100°), чтосвидетельствует о неизменности термофлуктуационного механизма разрушения. Вотличие то неориентированных полимеров в твердом состоянии, для которых переходчерез Гхр означает смену механизма от хрупкого к квазихрункому, вопрос о том, можно лиотнести разрушение волокон к хрупкому или квазихрупкому типу, в литературе вдостаточно ясной форме не высказьшался. Некоторым объяснением этого является тообстоятельство, что специфика структуры волокна (анизотропия) не приводит к четкомуразличию видов разрушения, как, например, у неориентированных полимеров в твердомсостоянии.Однако на основшши проведенных исследований, можно предположить, чторазрушение полимерных волокон происходит по механизму, близкому к хрупкому.
Этообстоятельство позволяет применить методы механики хрупкого разрушения дляпостроения теории полной изотермы долговечности нолимерных волокон.78Выводы к главе 2.Как указьшалось во введении к Главе 1, целью диссертации является построениемоделей разрушения полимерных волокон под действием механических и темнературныхполей. В основу предлагаемых моделей кладётся ряд положений, которые требуюттеоретического обоснования. В частности, как указьталось, для расчета локальныхнапряжений ав области дефекта используется механика хрупкого разрушения в видесоответствующих задач математической теории трешин.В связи с этим в главе 2 изучен вопрос, можно ли считать, что разрушениеполимерных волокон является хрупким в эксплуатационном интервале температур.Проведен анализ обширных экспериментальных дшпгьк, имеюпщхся в литературедлязначений параметров, входящихдолговечности г = Гд ехр^ ^в эмпирическую формулуЖурковадля.
Анализ проводился для полимерных образцов типапленок и типа волокон из различных материалов.Численная обработка экспериментальных значений для образцов тина пленоквыявила наличие резких скачков в сторону уменьшения у энергии активации нроцессаразрушенияUo, структурно-чувствительногокоэффициента y = V^p,а такжекоэффициента концентрации напряжений р при повьппении температуры испытаний дозначений, превьш1ающих температуру хрупкости Гхр.Построенысемействалиний зависимости долговечностиlgr(o;Т). Притемнературах опыта, лежащих ниже и вьппе Гхр линии долговечности группируются вразличные семейства.Делается вывод, что при повьппении температуры вьщ1е Гхр у неориентированныхтвердых полимеров происходит смена термофлуктуационного механизма разрушения с79хрупкого па квазихрупкий. Таким образом, выявлена температурная нестабильностьтермофлуктуационного механизма разрушения неориентированных полимеров.Аналогичная обработка данных для образцов типа волокон показала, что в широкомтемпературном интервале параметры уравнения долговечности Uoм уостаютсяпрактически пеизменными, а семейства линий долговечности lgr(o; 7) характеризуютсяблизкими угловыми коэффициентами при различных температурах опыта.Тем самым подтверждена температурная стабильность термофлуктуационногомеханизма разрушения полимерных волокон.
То есть, обосновано предположение о том,что разрушение полимерных волокон происходит по механизму, близкому к хрупкому.Это позволяет в дальнейшем нриме1шть методы механики хрупкого разрушения дляпостроения теории долговечности полимерных волокон и моделей их разрушения вмеханических и температурпых полях.80Глава 3МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТРЕЩИН.3.1 Основные результаты математической теории трещии.Прямые физические методы позволяют изучать процесс разрушения твердого телана микроуровне.
При этомисследуется механизм его разрушения. Далее следуетизучение разрущения на макроуровне. Это позволяют сделать методы математическойтеории трещин. Применительно к теории проч1юсти полимеров основная задачаматематической теории трещин - определение связи разрущающих нагрузок сразмерами трещин, с параметрами тела, условиями нагружения и характеристикамиполимерного материала.Эти вопросы занимают основополагающее место в диссертации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
