ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Внутреннее трение и гистерезис из "Разрушение эластомеров в условиях, характерных для эксплуатации" Гистерезисные потери определяют интенсивность по крайней мере трех процессов, протекающих при циклическом нагружении теплообразования [1, с. 5—65, 25 100, 101], механического активирования химических реакций [61] и разрастания дефектов [102—107 108, с. 104—390 109 110]. [c.171] Различные сочетания этих процессов формируют более сложное, чем при статическом нагружении, влияние гистерезиса на механизм усталостного разрушения при циклическом нагружении. Закономерности такого влияния в значительной мере определяются интенсивностью теплоотвода и характеристиками механического воздействия. [c.171] Утомление в режимах жесткого механического воздействия. При утомлении в таких режимах с интенсивным теплоотводом, т. е. в условиях, способствующих формированию ориентированных структур, усталостная выносливость резин главным образом определяется закономерностями усталостного разрастания дефекта. При разрастании дефекта упругая энергия деформирования переходит в основном в тепло, необходимое для молекулярного движения цепей при сокращении образца, а также в энергию вновь образовавшейся поверхности и кинетическую энергию движения краев трещины. [c.171] Здесь k — параметр, зависящий от степени растяжения [105], обычно принимается k = 2 W — максимальная удельная энергия деформации в массиве образца, вычисляемая по площади под кривой напряжение— деформация с — длина надреза в нерастянутом образце Н — пороговая Н1 или критическая Н величины характеристической энергии раздира. [c.172] Показано [102], что критическая величина характеристической энергии раздира в ненаполненных резинах на основе аморфных каучуков пропорциональна мнимой части комплексного модуля, т. е. определяется гистере-зисньши свойствами материала. [c.172] Необходимо подчеркнуть, что концепция критических показателей теоретически недостаточно обоснована. Строго говоря, следует рассматривать некоторый диапазон таких деформаций, внутри которого происходит изменение соотношения вклада отдельных факторов, определяющих механизм усталостного процесса. Однако с практической точки зрения такая интерпретация зависимости усталостная выносливость — максимальное механическое воздействие представляется достаточно оправданной. Фактически за предел механической усталости принимают деформацию соответствующую некоторой малой вероятности усталостного разрушения. [c.172] При статическом нагружении резин на основе кристаллизующихся каучуков и наполненных резин на основе некристаллизующихся каучуков, если величина Я не превосходит Як, рост дефекта незначителен и слабо зависит от времени [91, 94]. При подобных условиях в ненаполненных резинах на основе некристаллизующихся каучуков дефект равномерно растет пропорционально времени [91, 102, 105, 106]. [c.173] Наблюдаемый эффект торможения связан с возрастанием механического гистерезиса вследствие кристаллизации или ориентации перед вершиной растущего дефекта [91, 97, 102, 106, 111]. Больший механический гистерезис наполненных резин на основе некристаллизующихся каучуков и резин на основе кристаллизующихся каучуков приводит к большей релаксации напряжения, увеличению диаметра вершины растущего дефекта, снижению скорости его роста. Однако если такая нагрузка прикладывается при циклическом нагружении, в каждом цикле которого образец частично или полностью ре-лаксирует, рост дефекта происходит и в резинах на основе каучуков обоих типов. При этом скорость роста надреза для ненаполненной резины на основе БСК примерно в 7 раз выше [107]. [c.173] Подобная закономерность в значительной мере обусловлена различием в гистерезисных свойствах резин на основе аморфных и кристаллизующихся каучуков и способностью последних к кристаллизационному упрочнению. Что касается резин на основе аморфных каучуков, то скорость разрастания дефекта в значительной мере зависит от их способности к молекулярной ориентации при деформировании. Увеличение полярности, длины и разветвленности макромолекул понижает их способность к ориентационному упрочнению. Выявлена [112, с. 57—66] симбатность изменения усталостной выносливости и коэффициента Ь, характеризующего способность макромолекул к ориентации при деформировании [112, с. 15—18]. Установлено, что с увеличением условно-равновесного модуля Еас наблюдается уменьшение коэффициента Ь, т. е. уменьшение способности эластомера к ориентации. При уменьшении , и возрастании вязкости коэффициент Ь увеличивается. [c.174] При Я=Як происходит катастрофическое разрастание, в результате которого образец разделяется на части. [c.175] Параметры Вн и Рн зависят от природы резины и реализуемых условий утомления. Установлено, что при проведении утомления в вакууме скорость роста надреза у ненаполненных резин уменьшается. В условиях жестких режимов утомления при етах ео повышение концентрации кислорода в испытательной среде практически не влияет на скорость роста надреза, но значительно уменьшает предел механической усталости Н , ео) [94, 107]. В частности, для ненаполненной резины на основе НК предел механической усталости в вакууме приблизительно в 2 раза выше, чем в воздухе. [c.175] При заданном режиме нагружения понижение концентрации кислорода в воздухе приводит к замедлению процесса усталости на всех его стадиях [99, ИЗ—115]. Возрастает число циклов до появления первого надрыва, от первого надрыва до разрушения и значения усталостной выносливости образцов с надрезом и без него. Наибольшее относительное увеличение наблюдается для числа циклов до появления первого надрыва и усталостной выносливости образцов без надреза. Это свидетельствует о том, что изменение концентрации кислорода в большей мере оказывается на образовании дефектов, чем на их разрастании [113—115]. [c.175] Если в процессе каждого цикла деформации релаксация не происходит, эффективная величина Но возрастает и скорость роста надреза при Н Н1 уменьшается. Этот эффект связан с возрастанием гистерезиса в результате частичного сохранения кристаллической или ориентационной структуры в вершине надреза. Значительно меньше он проявляется в резинах на основе некристаллизующихся каучуков [70, 94—98]. [c.176] Наиболее яркое проявление эффекта неполной релаксации— это влияние статической составляющей цикла деформации ест на скорость роста надреза [54, 116]. [c.176] Таким образом, в условиях утомления, способствующих развитию кристаллизации и молекулярной ориентации (большие амплитуды деформации, комнатная температура, частоты нагружения до 8—10 Гц), повышение внутреннего трения и гистерезиса приводит к замедлению роста дефекта и, следовательно, к возрастанию усталостной выносливости [117]. [c.176] На рис. 5.7 представлены графики, иллюстрирующие принципиальный характер изменения температуры образца в процессе его утомления. [c.176] При утомлении в реж-име а = onst падение модуля упругости с ростом температуры, с одной стороны, приводит к росту амплитуды деформации, с другой стороны, к повышению гистерезисных потерь (см. рис. 5.4). В результате вероятность стабилизации температуры в процессе утомления существенно уменьшается. Однако и в этом режиме интенсивность теплообразования при повышении температуры замедляется, по-видимому, вследствие повышения интенсивности теплоотвода. Уменьшение внутреннего трения резины на всех стадиях утомления обусловливает понижение температуры образца [74, 119] п возрастание усталостной выносливости. [c.177] Таким образом, в условиях, препятствующих молекулярной ориентации, возрастание гистерезиса приводит к уменьшению усталостной выносливости резин. [c.178] Рассмотренный выше механизм процесса утомления резин позволяет предположить, что зависимости усталостной выносливости от максимальных, приложенных в цикле величин деформации, напряжения и энергии деформирования в широком диапазоне их варьирования не монотонны. По-видимому, это связано с немонотонной зависимостью от условий нагружения как исходных вязкоупругих свойств резин, так и изменения их в процессе утомления. [c.178] Вернуться к основной статье