В.Н. Кулезнев, В.А. Шершнев - Химия и физика полимеров (1113697), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Одновременно в тонких образцах расширяется кривая распределения (разброса) значений прочности (см. рис. 11.2). Зто обусловлено тем, что даже малый дефект на тонком образце может оказаться опаснее, чем на толстом, и заметно снизить прочность. Если наблюдается зависимость прочности от площади поперечного сечения образца или от его формы„мы говорим, что в таком случае проявляется масштабный фактор. 11.2. МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ Деформируя образец, мы подводим к нему механическую энергию, которая накапливается в образце в виде энергии упругости.
Если этой энергии достаточно для разрушения образца, то на наиболее опасном микродефекте начинает зарождаться трещина, которая затем разрастается, разделяя образец на части. Зто основная, или, как говорят, магистральная трещина. В процессе роста трещины энергия, запасенная в образце, тратится в двух направлениях. Во-первых, она идет на образование новой поверхности. Зта энергия численно равна удельной поверхностной энергии полимера, помноженной на площадь поверхности разрушения. Во-вторых, энергия затрачивается на всевозможные процессы перемещения структурных элементов на пути дви- 226 жения трещины. Движение структурных элементов приводит к рассеянию энергии за счет внутреннего трения и переходу ее в теплоту.
Наиболее простым случаем является разрушение при полном отсутствии рассеяния энергии, когда вся запасенная энергия образца идет на образование новой поверхности. Разрушение твердых (стеклообразных) полимеров. Теория разрушения материалов, в которых энергия разрушения идет только на образование новой поверхности, была предложена Гриффитом. Известно (см. главу 8), что наименьшие возможные деформации, приводящие к разрушению, наблюдаются у полимера тогда, когда он переходит из стеклообразного в хрупкое состояние.
В этом состоянии перемешения структурных элементов оказываются минимальными, а следовательно, минимально и рассеяние энергии в виде теплоты. Поэтому теорию Гриффити часто называют теорией хрупкого разрушения. В соответствии с теорией хрупкого разрушения прочность (11.1) где а — удельная (прихсдяшаяся на единипу плошади) знергия той поверхности, которая возникла прн разрыве; Е-модуль упругости (модуль Юнга); ге — длина микролефекта. Эта формула правильно описывает ряд закономерностей, в частности влияние глубины дефекта (или специально сделанного надреза) на прочность.
Расчет удельной поверхностной энергии из экспериментальных данных по прочности в соответствии с формулой (11.1) приводит к сильно завышенным значениям а. Пусть энергия С вЂ” С- связи составляет 420 Дж/моль, а плошадь, приходящаяся на одну связь, — 0,2 нмз. Тогда на 1 смз вновь образованной поверхности затрачено энергии на разрыв химических связей суммарно около 1,5 10 4Дж. Это примерно в 100 раз меньше экспериментально найденного значения для полиметилметакрилата (5.
10 г Дж). Различие объясняется тем, что даже при хрупком разрушении полимеров относительно велика доля энергии, затрачиваемой на перемещение структурных элементов вблизи поверхности разрушения, т. е. на некоторое деформирование полимера растущей трешиной. Часто в вершине трещины, растушей в хрупком полимере, развивается вынужденно-эластическая деформация. Несмотря на то что полимер в целом не обнаруживает признаков вынужденной эластичности, в микрообъеме может наблюдаться перемешение, ориентация сегментов и их последующее разрушение. Так, при нагревании до температуры Т> Тхр, когда шейка в образце еше не образуется, в микрообъеме в вершине трещины может развиваться значительная вынужденно-эластическая деформация, как это по- 227 15' Рпс.
11.3. Строение мнкротрешаиы, заполненной орнеатировааиымв малромолекулами полимера. Паказапо начало роста магистРазваой гремины, разрывавшей ориентированные молекулы (тамп) ва)чрн мщчютревшиы казано на рис. 11.3. В этом случае в вершине возникшей трешины находятся ориентированные тяжи (волокна) полимера. Трешина, в основном заполненная ориентированными тяжами полимера, называется микротрещинойе. Это не означает, что мы имеем дело просто с маленькой трешиной. Если микротрешина (крэйз) не разрослась и не превратилась в магистральною трещину, в отличие от последней при нагревании она может релаксировать.
Когда вынужденно-эластическая деформация сегментов исчезнет, микротрешина «залечивается». Обычная же трещина при нагревании не залечивается и при повторной деформации начинает расти вновь. Ориентированный полимер, заполняющий микротрешину, имеет гораздо больший показатель преломления, чем окружающий полимер; он сильно рассеивает свет„и в том месте, где образовалось много микротрещин, возникает блеск, похожий на металлический.
Поэтому иногда крэйзы (микротрешины) в отличие от обычных магистральных трещин называют трещинами серебра. Мы видим, что при разрушении даже хрупкого полимера, где перемешение сегментов под действием перенапряжений в вершине растущей трешины относительно невелико и внешне вынужденно-эластическая деформация не проявляется, наибольшие затраты энергии при разрушении идут на деформацию и связанное с этим рассеяние механической энергии в виде теплоты. Особенно сильно поглощается механическая энергия при образовании микротрещин.
Чем больше образуется микротрещин (например, при ударе), тем выше стойкость полимера к ударным нагрузкам. Образование микротрещин (крэйзов) часто проявляется в виде побеления («серебрения») образца в месте удара. Разрушение эластичных полимеров. Полимеры в высокоэластическом состоянии к моменту разрушения достигают значительной деформации. Это оказывает сильное влияние на механизм разрыва. На рис. 11.4 показано схематически, как в эластомере первоначальная трещина с острой вершиной (рис.
11.4, а) при деформации постепенно расширяется (раскрывается), но не растет (рис. 11.4, 6). Причина этого заключается в низком модуле эластомера по сравнению с модулем хрупкого полимера: при достаточно ' Часто такие трешины называют «крайзами» от англ. стасе — волосяная трешина на глазуРи (фарфоре). 22о Рис. 11.4. Постепенное расширение устья травины в о зластомере н снруглевие ее оерптивы (а, а); образова- а о вие тмкей иа поздней стадии расппкеавя перел разрывом (в) большой деформации, когда хрупкий по- лимер мог бы уже разрушиться, в эластомере накопленная механическая энергия еше невелика.
Перенапряжение в вершине трещины обусловливает возникновение там дополнительной деформации. о о о Перенапряжения при этом частично ре- и 6 в лаксируют, а полимер в вершине трещины дополнительно ориентируется и, значит, упрочняется. Возникает множество тяжей (рис. 11.4, в), состоящих из ориентированного полимера, которые рвутся постепенно по мере накопления энергии в процессе растяжения. Постепенное разрушение ориентированных тяжей эластомера в вершине трещины продолжается до тех пор, пока в уменьшающемся поперечном сечении напряжение не достигнет критического значения, достаточного для быстрого прорастания магистральной трещины, разрушающей образец. При изучении механизма разрушения эластомеров важно всегда помнить, что разрушение их происходит в ориентированном состоянии, когда удлинение при разрыве достигает сотен процентов. К моменту разрыва это уже не тот полимер, который мы взяли в исходном состоянии, поскольку надмолекулярная структура его изменилась в процессе деформации.
Изменение скорости деформации или температуры заметно влияет не только на напряжение, при котором происходит разрушение, но и на деформацию (рис. 11.5). Из рисунка видно, что с ростом скорости растяжения (или при понижении температуры) темп нарастания прочности резко замедляется из-за снижения способности эластомера к развитию больших деформаций, т.е. из-за снижения способности к ориентации. При достижении скорости деформации более 1000% в секунду прочность даже понижается вследствие неспособности полимера к ориентации и релаксации перенапряжений в вершине трешины.
е Рис. 11.5. Диаграмма (ногнбавщая разрывов»), яоказыванякая зависимость хала кривой о-е от температуры нлв скорости деформапни. Кривая АЛС соетвтпяет точка, в которых кривые о — а окаичиеамтса разрывом. Стрелкой повазаио направление увелячевна скорости деформапив кзя умевыиення температуры Удлинение 229 Разрушение пластичных полимеров (пластический разрыв). Увеличение температуры выше Ут переводит полимер в вязкотекучее состояние.
При этом в условиях растяжения исходная надмолекулярная структура деформируется до момента ее разрушения, когда начинается интенсивный процесс пластического (вязкого) течения. Кривая напряжение — деформация пластического материала приведена на рис. 11.6. Из рисунка видно, что напряжение растет, достигая максимума, когда происходит разрушение исходной надмолекулярной структуры и в образце возникает шейка. В отличие от вынужденно-эластической деформации эффект ориентации в шейке невелик, поскольку происходящая вязкая (необратимая) деформация приводит к релаксации упругих напряжений и частичному свертыванию макромолекул в исходные клубки. Поэтому образование шейки в образце с минимальной ориентацией макро- молекул приводит не к упрочнению, а к резкому падению напряжения и постепенному разделению образца на части.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
