ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Термодинамическая концепция разрушения полимеров из "Физика и механика полимеров" Механические потери з полимерах, наблюдаемые в процессах деформации и разрушения, очень существенны для пенимапия разрушения. В эластомерах и пластмассах, например, механические потери при разрыве образца превышают свободную поверхпостную энергию поверхностей разрыва на несколько порядков. Любой процесс разрушения твердых тел сопровождается механическими потерями, учитываемыми в конечном счете рассеянной теплотой Q [5 6 11.9 11.11]. [c.290] Отправной точкой для развития термодинамического подхода к исследованию разрущения хрупких твердых тел послужили теория прочности Гриффита [11.12] и ряд ее модификаций на основе механики разрушения, подробный анализ которых содержится в монографиях [11.2 11.5 11.11 11.13]. [c.290] В идеально упругом теле нет деформационных потерь брь но потери второго 6 2 и третьего SQз видов остаются. В идеально хрупком теле отсутствуют только необратимые (пластические) макро- и микродеформации, в том числе и локальные, но в отличне от идеально упругого тела остаются релаксационные потери (внутреннее трение). Следовательно, в идеально хрупком теле возможны практически все виды потерь, за исключением потерь, связанных с локальными или общими остаточными деформациями. [c.291] Считается, что так называемое контролируемое медленное разрушение очень близко к равновесному процессу, когда механические потери исчезают. Однако результаты экспериментального исследования показали, что часть энергии разрушения даже в этом случае идет на механические потери, что выражается в том, что энергия разрушения превышает свободную энергию исследуемого материала, определенную независимым способом. [c.291] Механические потери первого бр1 и второго вида бРг зависят от скорости роста микротрещины. При скорости, равной нулю, они исчезают. Потери третьего вида брз не исчезают и при бесконечно малой скорости роста микротрещины. [c.291] Разрыв макромолекул в напряженном ориентированном полимере приводит к рассеиванию упругой энергии концевых участков макромолекул, которые могут содержать до десятков несущих связей. Следует отметить также, что образованная при разрыве связей поверхность полимера включает в себя появившиеся свободные радикалы, обладающие дополнительной энергией. Высказывается предположение об активирующем влиянии свободных радикалов на процесс роста трещины за счет их химической активности [61]. [c.292] В этом случае закон сохранения энергии допускает возможность образования новых поверхностей, однако при условии, что скорость роста трещины будет бесконечно мала. Поэтому, строго гово-воря, под безопасным напряжением с точки зрения термодинамического подхода следует понимать такое напряжение при котором трещина с учетом потерь бСз начинает расти с бесконечно малой скоростью. Начиная с Гриффита под понимали порог напряжения, при достижении которого разрушение принимает сразу катастрофический характер (трещина начинает расти с предельной скоростью). Термодинамический подход дает принципиально новую трактовку порогового напряжения, так как при напряжении 0 = сго разрушение вообще не может наступить из-за того, что (следует иметь в виду, что напряжения и близки). [c.292] При скорости распространения микротрещииы у 0 возникают потери 1-го и 2-го рода и соотношенпе (11.4) не выполняется. Это означает, что процесс роста микротрещины со скоростью и 0 может поддерживаться лишь напряжением, большим и тем более ао. Иначе говоря, при возрастании приложенной нагрузки в момент равенства ее безопасному напряжению скорость микротрещииы из-за механических потерь не может возрасти сразу от нулю до конечной величины, как это считал Гриффит. По мере возрастания напряжения совершается некоторый переходный процесс, соответствующий быстрому увеличению скорости до предельного ее значения Ооо. [c.292] Из этого уравнения и формулы (11.6) может быть рассчитана температурная зависимость характеристической энергии ао , которая оказывается падающей с возрастанием температуры, тогда как механические потери в полимерах с увеличением температуры растут. Это противоречие объясняется тем, что в хрупком состоянии полимера, кроме очень низких температур, механизм разрушения термофлуктуационный, а не атермический. [c.293] Наряду с изложенным подходом некоторыми исследователями применяется формально термодинамический подход к разрушению, основанный на реологических моделях Кельвина, Максвелла и др. [c.293] Наряду с подходом, использующим механику разрушения, интенсивно развивается теория прочности на основе кинетических представлений [5 9 22 61 11.10]. Отличительной особенностью кинетического подхода является учет термофлуктуационного характера разрыва и восстановления напряженных химических связей. Напряжение увеличивает вероятность разрыва связей и уменьшает вероятность их восстановления. [c.293] Термофлуктуационный механизм является наиболее общим механизмом разрушения твердых тел, так как связан с фундаментальным явлением природы — тепловым движением. В наиболее чистом виде он реализуется при хрупком разрушении, а при других видах разрушения ему сопутствуют релаксационные процессы, которые по мере увеличения температуры играют все большую роль. При хрупком разрушении (ниже температуры хрупкости Тхр) очагами разрушения обычно являются микротрещииы, причем долговечность определяется ростом наиболее опасной микротрещины, которая в своем развитии переходит в магистральную трещину, приводящую к разрыву образца. Разрыв напряженных химических связей происходит под действием флуктуаций, возникающих при неупругом рассеянии фононов относительно высокой энергии. Растягивающее напряжение увеличивает вероятность разрыва связей. [c.294] Этот закон подтвержден на всех классах твердых тел и в координатах lgтд, а в широком интервале долговечностей от 10 до 10 с выражается практически линейной зависимостью (участок АВ на рис. 11.5). [c.294] Гриффита и Ребиндера. На границе перехода от сплошности к свободной поверхности (штриховая линия) происходит разрыв между атомами (у полимеров рвутся связи С—С или же другие химические связи цепей). В момент, зафиксированный на рис. 11.6, атомы 1—6 находятся еще в объеме тела, а 7—11 и далее — на свободных поверхностях следовательно, последующий акт разрыва связи сводится в основном к переходу 6—7. [c.295] В ненагруженном твердом теле л =Ло, что соответствует равновесному межатомному расстоянию в объеме, и л =Хо, что соответствует равновесному межатомному расстоянию в поверхностном слое по нормали. Следовательно, левый минимум (рис. 11.7) соответствует равновесному положению частиц в объеме вдали от трещины правый — равновесному положению частиц на свободных поверхностях трещины. Максимум на потенциальной кривой возникает вследствие того, что на процесс разрыва связей влияют ближайшие соседи, находящиеся в следующих атомных слоях. Их взаимодействие с атомами, выходящими после разрыва связей на поверхность микротрещины, характеризуется межатомным расстоянием х, причем у вершины трещины это расстояние максимально. В разгруженном материале вероятность нахождения частиц в левом максимуме кривой потенциальной энергии больше, чем в правом. Если нет осложняющих обстоятельств (коррозионных процессов и поверхностно-активной среды, проникшей в устье микро-трещины), то микротрещина после разгрузки будет смыкаться. [c.296] В нагруженном материале растягивающее напряжение способствует разрыву связей и препятствует их восстановлению, следовательно, для разрыва связей требуется меньшая, а для восстановления их соответственно большая кинетическая энергия, чем в ненагруженном состоянии. При увеличении растягивающего напрялсения вероятность разрыва связей возрастает, а их восстановление — уменьшается, более вероятным становится разрыв связей и микротрещина растет. Напряжение сго, при котором вероятности разрыва и восстановления связей равны, есть безопасное напряжение образца. [c.296] Вследствие медленного роста микротрещииы (первая стадия) на поверхности разрыва образуется гладкая или зеркальная зона разрушения на второй же стадии, протекающей с большой скоростью, близкой к скорости распространения поперечных упругих волн в твердом теле, возникает шероховатая зона разрушения. Разрушение на второй стадии происходит по механизму, который Гриффит считал единственным и характерным для хрупких тел. Этот механизм разрушения Смекаль назвал атермическим. [c.296] Проследим за движением малого участка периметра микротрещины длиной Л.Л (или фронта). При каждой достаточно большой флуктуации происходит разрыв одной или нескольких цепей и участок периметра микротрещины внедряется на глубину, равную к. [c.297] В модели трещины в нагруженном состоянии разрыву связей соответствует переход атомов С—С или других атомов, образую-ш,их химические связи, из одного потенциального минимума в другой через барьер V—шо, а процессу восстановления — переход в обратном направлении через барьер и + аа, где 11, I) — потенциальные барьеры при ст = 0 — флуктуационный объем а — напряжение, действующее на связи в вершине трещины. Флуктуационный объем рассчитывается в [5 9 11.14] (о = ХХя%м, где Хя — протяженность элементарного отрезка фронта трещины, состоящего из одной или нескольких связей, охваченных флуктуацией Ям — расстояние между минимумом и максимумом потенциальной кривой, описывающей процессы разрыва и восстановления связей (рис. 11.7) Я —длина, на которую продвигается участок трещины при одной флуктуации, приводящей к разрыву связей. [c.297] Величины X, могут быть рассчитаны на основе предположений о строении полимера. Если Яо —среднее межмолекулярное расстояние в полимере (расстояние между соседними цепями), то согласно [5 9 11.14], для неориентированного полимера Я 31о и Я 2Яо. Для карбоцепных полимеров показано, что Ям порядка длины связи С—С, т. е. Я1ц== 0,15 нм. Таким образом, для полимерных стекол, образованных линейными полимерами (Яо 0,4 нм), м=1,4-10- м , если при каждой флуктуации рвется одна полимерная цепь, и ш = 1,4-10-28 е ли рвется группа из п цепей (Яя=2яЯо). [c.297] Вернуться к основной статье