В.Н. Кулезнёв, В.А. Шершнев - Химия и физика полимеров (1156197), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Мы знаем, что в процессе релаксации напряжений деформация остается постоянной, а напряжение снижается. Из рис. 11.12 видно, что при утомлении снижается как о,р, так и амплитудное значейие напряжения оо. Одновременно развивается и процесс утомления, основным признаком которого является снижение прочности. Когда прочность окажется равной суммарному напряжению (о,р + оо), произойдет разрушение. Сопротивление полимера утомлению, или усталостную выносливость, удобно характеризовать не временем до разрушения, а числом циклов деформации до разрушения Фр.
Для второго основного режйма испытаний на утомление схема рабочего узла (также работающего в режиме растяжения) приведена на рис. 11.13. Этот режим аналогичен испытанию на ползу- честь, когда задано напряжение в образце и измеряется увеличение его длины. В данном случае на нижний зажим также действует заданное среднее напряжение о,р, а верхний зажим колеблется с заданной частотой и с заданной амплитудой напряжения оо.
Из рис. 11.13 видно, что со временем происходит увеличение как е,р, так и амплитудного значения деформации ео. Как и в первом режиме испытания, со временем кроме релаксационных процессов происходит утомление, т. е. снижение прочности полимера. Когда прочносп достигает величины заданного суммарного напряжения, происходит разрушение.
Число циклов деформации до разрушения является мерой динамической вынослиеосюии. Помимо этих двух методов испьгганий на усталость существует множество других. В них может осуществляться частичная комбинация первых двух, может отличаться форма кривой напряжения или деформации в каждом цикле. Так, например„циклы могут быть несинусоидальными, «острыми» и чередоваться с определенными промежутками времени без нагружения (цикл — отдых, цикл — отдых и т.д.).
Распространен симметричный цикл ~"гоь(ления, когда растяжение образца чередуется с его сжатием. Разнообразие циклов обусловлено тем, что лабораторные испытайия на утомление дают тем более достоверные результаты, чем ближе характер нагружения в лабораторных условиях к характеру нагружения в условиях эксплуатации. Рассмотрим поведение двух материалов, например мягкой резины и жесткой резины или пластмассы, в разных режимах утомления. Пусть пластмасса испытывается в режиме 1 (см. рис. 11.12). Поскольку испытания должны проводиться в разумно короткий срок, то зададим достаточно большое значение амплитуды деформации. Пластмасса или высоконаполненная резина — жесткий материал, ее модуль велик, поэтому при заданной деформации в образце возникает значительное напряжение.
Механическая энергия, которая накапливается в образце, или, иначе говоря, работа деформации, равна площади под кривой напряжение — деформация. Работа деформации поэтому тем больше, чем больше Произведение оееа. Приближенно можно считать работу деформации А = оеге/2. Значительная амплитуда деформации и значительное напряжение оа обусловливают большую работу А. Чем больше подводимая в каждом цикле работа, тем быстрее происходят изменения в структуре полимера, быстрее развивается процесс утомления.
Очевидно, что при этом число циклов до разрушения Фр будет невелико, т. е. образец разрушится быстро. Пусть пластмасса испытывается теперь в режиме П, т. е. при оа = сопзг (см. рис. 11.13). Задаем достаточно большое значение ое, чтобы испытание завершилось в разумно короткие сроки. Поскольку у пластмассы или жесткой резины модуль упругости высок, даже при значительном ое величина ее окажется небольшой (образец мало деформируется).
Работа деформации в каждом цикле окажется поэтому также небольшой, и число циклов до разрушения окажется большим. Сказанное позволяет сформулировать и определенное правило для эксплуатации пластмассовых изделий при циклических нагрузках: они лучше работают в режиме ое = сопзг и хуже работают, быстрее разрушаются в режиме ее = сопзп Таперь перейдем к анализу динамической выносливости мягкой резины в режимах 1 и 11.
При испытании по режиму 1 зададим большую ВВ. Учитывая, что модуль резины существенно меньше, чем модуль пластмассы, делаем вывод, что в резине разовьются малые напряжения. В целом это означает, что в каждом цикле деформации по режиму 1 к образцу подводится небольшая работа (А малб) и поэтому образец дгиго не разрушится (Фр велико).
Обратная картина имеет место при испытании мягкой резины по режиму П. Задаем большое ое при малом значении модуля резины, получим, однако, большое значение ее, а следовательно, и большую работу А„подводимую в каждом цикле. Зто приведет к быстрому разрушению, т. е. малому уУр. Резиновый (низкомодульный) образец более долговечен при испьггании в режиме постоянной деформации. Снижение прочности в процессе утомления обусловлено различными факторами, относительная роль которых зависит от типа полимера и условий испытания. 1.
При многократных деформациях происходят механохимические реакции деструкции макромолекул. В полимере всегда существуют микронеоднородности структуры как в виде трещин и механических включений, так и в виде захлестов, переплетений макромолекул, которые испытывают фактически более высокое надряжение, чем среднее в образце. Зто облегчает механодеструкцию.
2. Ц твердых стеклообразных и кристаллических полимерах снижение прочности в процессе утомления может быть результатом накопления и разрастания микродефектов. Такими микродефектами могут быть мелкие трещины или пустоты, а также микротрапщны (крэйзы). С увеличением их числа и размеров ослабляется поперечное сечение образца и происходит его разрушение. 3. Происходят процессы перегруппировки надмолекулярных структур, рекристаллизации, ориентации и т. п., что в совокупности с механохимическими процессами приводит не только к снижению прочности, но и к необратимому изменению размеров образца, его «разнашиванию» в процессе утомления (см.
например, рис. 11.13). 4. В процессе утомления в каждом цикле деформации выделяется некоторое количество теплоты, и если теплоотвод затруднен, а подвод теплоты за счет механической энергии велик, то разогрев может быть весьма ощутимым.
Так, температура в автопокрышке летом при быстром движении автомобиля может достигать 100 'С. Тепловыделение особенно велико, когда время релаксации полимера близко к продолжительности цикла, т. е. критерий Р = т/г близок к единице. Сильный разогрев в процессе динамического нагружения пластмассы может приблизить температуру образца к !6 В. Н Кулеунев, В.Л Шсрнснсв 241 !в Фь !в оо ое Рас.
11.14. Заазмамесзь числе авз- леа нз разунвеваа 0в Щ ет амилв- ттдм иаиуамемеа оз дла амсекомо- лтльаоза материала (власзмассм) Рас. 11Л5. Заамммость чвсле юплов де уачвизеввв 0Л Щ от амилатудм аааремива 0а ое! дзи вииюмедульвозо метервала (резваы). Куиаме 1 в 2 мамзмвм е тексте 242 той области, где существует максимум механических потерь, т. е, к области 1) = 1. Тогда тепловыделение катастрофически возрастает ипроисходиттепловое разрушение образца. 5.
Наконец, при утомлении в результате подвода механической энергии и в результате саморазогрева могут интенсивно протекать процессы окисления (старения). Указанные выше факторы являются причиной снижения прочности полимеров в процессе утомления. Для прогнозирования работоспособности полимеров в режиме многократных деформаций необходимо знать, как число циклов до разрушения зависит от амплитуды напряжения оо. Обобщая многочисленные экспериментальные данные, удалось показать, что характер этих зависимостей аналогичен соответствующим закономерностям для долговечности под постоянной нагрузкой !уравнения (11.2) и (!1.4)1. На рис.
11.14 показана зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды напряжения для жеспсого малодеформируемого материала. Мы видим полную аналогию с рис. 11.10, где приведена зависимость 1я т от о. При определенном малом значении о = о число циклов до разрушения )тр становится очень большим. Мы говорим, что о является амплитудой напряжения, допустимой в эксплуатации полимера. Это безоласная амилитуда напряжения. Обычно можно считать, что о„= (0,2+ 0,3)ар, где ор — прочность полимера при однократном растяжении на дннамометре. Кривую на рис.
1!.14 называют иногда кривой Веллера. Часто ее приводят в обратных координатах оо — 1я )тр, когда по оси ординат откладывают ор. На рнс. 1!.15 показана зависимость )я )тр — )й оо для эластичного полимера. Снова видна аналогия кривых йа рис. 11.15 с кривыми на рис. 11.11, соответствующими долговечности резин при разных напряжениях. Представленную на рис. 11.15 зависимость можно выразить в виде эмпирической формулы Резниковского: (К )т' = Щ-Е, (11.б) оо тле ор-прочность полимера; р — так называемый козехрияиелт вылосллвости, показываюший темп снижения прочности при упзмлении.
Чем больше 1), тем лучше сопротивляется полимер развитию усталостных процессов в нем. Приведенные на рис. 11.15 графики для двух полимеров показывают, что менее прочный полимер, но имеющий большее значение р, может быть более динамически выносливым. Резина, поведение которой характеризуется кривой 2, при малых амплитудах напряжения может выдерживать больше циклов до разрушения, чем более прочная резина (кривая )), но обладающая меньшим коэффициентом выносливости р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
