Теория Гриффита

Механизм разрушения полимеров.

Направляющие.

Направляющие – вспомогательные линии, которые помогают правильно располагать объекты друг относительно друга. Направляющие отображаются в виде пунктирных линий. В любой момент можно изменить местоположение направляющей и угол ее наклона. Как и обычный объект, направляющую можно скопировать и удалить.

Если установить режим привязки к направляющим, то объекты, попадая в область действия направляющей, будут притягиваться к ней. Это значительно облегчает точное расположение объектов.

Сетка [R24]

Сетка состоит из множества узлов, организованных в виде строк и столбцов. Фактически сетка является аналогом миллиметровой бумаги и отображается на экране в виде точек или линий.

Сетка помогает отрегулировать размеры различных элементов рисунка и правильно расположить их. Расстояние между узлами сетки пользователь может задать по собственному желанию. Если установлен режим привязки к сетке, то объекты притягиваются к ближайшим узлам сетки.

Режим отображения документа. [R25]

КОРЭЛ ДРО имеет несколько режимов отображения иллюстраций.

Режим УАЭФРЭЙМ [R26] (Каркас) используется для увеличения скорости вывода объектов на экран. В этом режиме объекты выводятся только в виде контуров, т.е. без заливок.

В режиме ДРАФТ (Черновик)[R27] контуры объектов не сглаживаются, а цвета заливок выводятся лишь приблизительно. Это обеспечивает высокую скорость перерисовки иллюстрации даже при большом количестве объектов.

Режим НОРМАЛ (Нормальный) [R28] – обычный режим отображения документа, который представляет собой компромисс между качеством и скоростью вывода.

Режим ЭНЧАНСД (Улучшенный)[R29] обеспечивает наилучшее качество отображения, но при этом скорость перерисовки становится низкой.

[R1]лекйия

[R2]пункт

[R3]контур

[R4]заливки

[R5]окно

[R6]пункт

[R7]окно

[R8]палитры

[R9]каталоги

[R10]палитры

[R11]пункт

[R12]типы

[R13]рисунок

[R14]рисунок

[R15]рисунок

[R16]рисунок

[R17]рисунок

[R18]пункт

[R19]рисунок

[R20]пункт

[R21]рисунок

[R22]пункт

[R23]рисунок

[R24]пункт

[R25]пункт

[R26]режим

[R27]режи

[R28]режим

[R29]режим

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. Это 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. Эта энергия численно равна удельной поверхностной энергии полимера, помноженной на площадь поверхности разрушения. Во-вторых, энергия затрачивается на всевозможные процессы перемещения структурных элементов на пути движения 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.

Теория разрушения материалов, в которых энергия разрушения идет только на образование новой поверхности, носит название теории Гриффита. Известно, что наименьшие возможные деформации, приводящие к разрушению, наблюдаются у полимера тогда, когда он переходит из стеклообразного в хрупкое состояние. В этом состоянии перемещения структурных элементов оказываются минимальными, а, следовательно, минимально и рассеяние энергии в виде теплоты. Поэтому теорию Гриффита часто называют теорией хрупкого разрушения.

В соответствии с теорией хрупкого разрушения прочность

где α – удельная (приходящаяся на единицу площади) энергия той поверхности, которая возникла при разрыве; Е – модуль упругости (модуль Юнга); l₀ – длина микродефекта.

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 (13.1) приводит к сильно завышенным величинам α. Различие объясняется тем, что даже при разрушении хрупких полимеров относительно велика доля энергии, затрачиваемой на перемещение структурных элементов, т. е. на деформирование полимера растущей трещиной и процессе разрушения.

Одним из основных видов деформации в вершине трещины, растущей в хрупком полимере, является вынужденно-эластическая деформация. Так, при нагревании до температуры хрупкости (Т=Т_хр), когда шейка в образце еще не развивается, в микрообъеме в вершине трещины может развиваться значительная вынужденно-эластическая деформация, как это показано на рис. 13.3:

В этом случае в вершине возникшей трещины находятся ориентированные сегменты полимера. Трещина, в основном заполненная ориентированными сегментами полимера, в результате вынужденно-эластической деформации в микрообъеме полимера называется микротрещиной. Это не означает, что мы имеет дело просто с маленькой трещиной. Если микротрещина не разрослась и не превратилась в трещину, в отличие от последней при нагревании она может релаксировать. Когда вынужденно-эластическая деформация сегментов исчезнет, микротрещина «залечивается». Трещина же при нагревании не залечивается и при повторной деформации начинает расти вновь.

Ориентированный полимер, заполняющий микротрещину, 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.

Мы видим, что при разрушении даже хрупкого полимера, где перемещение сегментов под действием перенапряжений в вершине растущей трещины 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 труднее разрушить полимер, тем выше его стойкость к ударным нагрузкам. Образование микротрещин часто проявляется в виде побеления («серебрения») образца в месте удара.

Полимеры в высокоэластическом состоянии к моменту разрушения достигают значительной деформации. Это оказывает сильное влияние на механизм разрыва. На рис. 13.4 показано схематически, как в эластомере первоначальная трещина с острой вершиной затем при деформации постепенно расширяется (раскрывается), но не растет.

Причина этого в низком модуле эластомера по сравнению с модулем хрупкого полимера: при достаточно большой деформации, когда хрупкий полимер мог бы уже разрушиться, в эластомере накопленная механическая энергия еще невелика. Перенапряжение в вершине трещины обусловливает возникновение там дополнительной деформации. Перенапряжения при этом частично релаксируют, а полимер в вершине трещины дополнительно ориентируется и, значит, упрочняется. Возникает множество тяжей (рис. 13.4, 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 влияет заметным образом не только на напряжение, при котором происходит разрушение, но и на деформацию. 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. Увеличение температуры выше Т_т 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. 13.6.

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 свертыванию макромолекул в исходные клубки. Поэтому образование шейки приводит не к упрочнению, а к резкому падению напряжения и постепенному дальнейшему разделению образца на части. При пластическом разрушении величина предела текучести σ_т совпадает с прочностью σ_р. Определение предела текучести, или, как говорят, пластической прочности, имеет большое значение при получении заготовок изделий из невулканизованных резиновых смесей. Если пластическая прочность мала, то невулканизированная резина может разрушаться под собственной тяжестью в процессе получения заготовок и подготовки их к вулканизации.

Мы рассмотрели механизм хрупкого эластического и пластического разрыва. Если в стеклообразном или кристаллическом полимере в процессе растяжения образовалась шейка, то на конечной стадии растяжения разрушению подвергается высокоориентированный материал. Это накладывает отпечаток на механизм разрушения. Именно этот механизм реализуется также и при разрушении полимерных волокон, имеющих высокую степень ориентации.

В высокоориентированном полимере велико сопротивление разрастанию трещин поперек образца и очень мало сопротивление разрастанию продольных трещин. Напряжения, необходимые для разрастания трещин в продольном и поперечном направлении, могут различаться в десятки и сотни раз.

Дата добавления: 2014-01-14