Постоянной нагрузкой. Кинетическая теория прочности

Разрушение полимеров длительно действующей

В соответствии с теорией Гриффита рост трещин в полимере начинается тогда, когда напряжение достигнет критического значения. Наличие перенапряжений в вершине трещины принципиально картины не меняет. Опыт показывает, что для разрушения не всегда необходимо достигнуть критического значения напряжения. Полимерный материал можно охарактеризовать не только прочностью в МПа, но и долговечностью – временем, в течение которого он не разрушается под действием заданного напряжения.

Почему происходит разрушение полимера под действием напряжения заведомо меньшего, чем критическое? Ведь долговечность под нагрузкой много меньше, чем время, необходимое для разрушения полимера только за счет процессов старения. Причины разрушения наглядно можно представить с помощью модели. Пусть имеется система шаров (рис. 13.8), соединенных пружинами, причем каждый шар совершает беспорядочные колебания.

Приложим внешнее напряжение σ и растянем пружины, соединяющие шары. Напряжение σ меньше, чем прочность пружин, поэтому система остается неразрушенной. Период колебаний шаров и направление движения каждого шара неупорядочены, поэтому колебания шаров долгое время не нарушают целостности системы. Однако между какой-либо парой шаров может возникнуть ситуация, когда они случайно будут двигаться точно в разные стороны и с максимальным ускорением. Это вызовет дополнительное напряжение соединяющей их пружины и вместе с внешним, постоянно действующим напряжением оно может превысить прочность пружины. Произойдет разрушение системы. Аналогичная картина наблюдается и в полимере. Тепловая энергия распределяется между макромолекулами неравномерно, поэтому случайные флуктуации энергии, ее сосредоточение в определенный момент на более напряженной цепи приводят к разрыву цепи. Со временем число разрывов накапливается и образующийся дефект разрастается настолько, что происходит зарождение магистральной трещины, приводящей к разрушению всего образца.

Постепенное разрушение под действием флуктуации тепловой энергии могут претерпевать не только химические связи, но и связи межмолекулярные (раздвижка сегментов). В результате также может образоваться дефект, дающий начало роста трещины.

Такой механизм разрушения объясняет смысл термина кинетическая теория прочности: разрушения в напряженном полимере как результат постепенной термомеханодеструкции макромолекул накапливаются до тех пор, пока не создадутся условия, обеспечивающие разрушение всего образца.

Чем больше напряжение, действующее на образец, тем больше вероятность разрыва химической связи при данной температуре. С другой стороны, при одинаковом напряжении вероятность разрыва химической связи тем больше, чем выше температура, т. е. чем значительнее флуктуации тепловой энергии. Эти закономерности количественно отражаются в формуле Журкова:

Увеличение напряжения облегчает преодоление энергетического барьера механодеструкции. Произведение γσ как раз и есть величина энергии, на которую снижается энергетический барьер разрыва связи под действием напряжения σ, где γ – структурный коэффициент, характерный для данного полимера и зависящий от химического строения макромолекул и от надмолекулярной структуры полимера. Чем больше микронеоднородностей в полимере, играющих роль концентраторов напряжения, тем больше γ.

Понижая напряжение, можно достичь такого его значения, при котором практически не будет ускоряться разрушение полимера. При таком напряжении долговечность напряженного и ненапряженного полимеров почти одинаковы: в них обоих процессы естественного старения развиваются с одинаковой скоростью. Это напряжение называется безопасным. Таким образом в кинетической теории прочности нет понятия критического напряжения: всякое напряжение за тот или иной промежуток времени производит разрушение. Однако ниже некоторого значения напряжения, называемого безопасным, разрушение не ускоряется под действием напряжения, а происходит в соответствии с тем, как быстро протекают процессы старения в полимере. Изложенные выше основы кинетической теории прочности относятся к полимерам, которые мало деформируются перед разрушением. Это полимеры, надмолекулярная структура которых в момент разрушения сохраняется такой же, как в исходном образце, а не меняется кардинально в результате ориентации, как в эластомерах. Изменение надмолекулярной структуры в эластомерах, сильно деформирующихся к моменту разрушения, приводит к тому, что зависимость долговечности от напряжения в них подчиняется закономерностям, отличающимся от тех, что описываются уравнением Журкова.

ся вне исследованного интервала напряжений и температур. Здесь, однако, есть ряд осложняющих обстоятельств. Во-первых, константы уравнений 13.3 и 13.4 различны не только для разных полимеров, но и для полимеров с разной предысторией. Ориентация, термообработка, пластификация и т. п. влияют на величину константы γ, и поэтому в каждом случае требуется отдельное исследование данного полимерного материала. Во-вторых, не во всем интервале напряжений кривые долговечности сохраняют линейность. Практически чаще всего представляет интерес определение долговечности как раз при малых напряжениях (соответствующих напряжениям при эксплуатации) или же определение безопасного напряжения, а это требует долговременных испытаний, поскольку экстраполяция здесь особенно ненадежна. Наконец, в-третьих, оказывается, что для многих полимеров единая точка полюса либо отсутствует, либо меняет положение в зависимости от ряда факторов, например при изменении условий испытаний.

Несмотря на указанные осложнения в прогнозировании работоспособности полимерных материалов и их устойчивости в условиях эксплуатации, рассмотренные теории прочности служат основой многих расчетов, позволяющих оценить оптимальные условия эксплуатации или рассчитать оптимальные конструкции изделий из полимеров.

Дата добавления: 2014-01-14