Механика разрушения полимеров

В механике разрушения часто используется понятие предела длительной прочности, под которым обычно понимается безопасное напряжение, не вызывающее разрушения изделия сколь угодно долго [14, 22, 175]. Строго говоря, подобная точка зрения не соответствует многочисленным экспериментальным и теоретическим результатам. На практике разрушение полимеров наблюдается и при отсутствии внешней нагрузки, т. е. в условиях старения. Поэтому под безопасным правильнее понимать такое напряжение, которое практически не оказывает влияния на кинетику хрупкого разрушения. По мере приближения к безопасному напряжению изотермические кривые долговечности утрачивают в полулогарифмических координатах линейную форму и в соответствии с уравнением (5.105) резко отклоняются от экспоненты Журкова в сторону увеличения долговечности (см. рис. 5.16). [c.181]

Термодинамика разрушения, исходящая при анализе процесса разрушения из первого начала термодинамики, использует энергетический критерий разрушения. Анализ с точки зрения термодинамики и физики разрушения широко известной теории и критерия разрушения Гриффита приводит к заключению, что пороговое напряжение ос Гриффита не является критерием разрушения, а по физическому смыслу представляет собой безопасное напряжение оо. Этот вывод является одним из результатов подхода, объединяющего механику, термодинамику и физику разрушения в единую теорию прочности полимеров. Учет Салгаником квантовых эффектов в механике разрушения полимеров привел к уравнению долговечности, совпадающему нри разумных допущениях с уравнением Журкова. [c.104]

Кроме подхода с точки зрения механики процесса разрушения (механического) существуют два физических подхода к теории прочности термодинамический и кинетический. Последние позволяют понять природу процессов разрушения полимеров и объяснить их механизмы, учитывая законы термодинамики и структуру материала. [c.287]

Таким образом, f T)=BT - . Приведенные соотношения используются в механике разрушения полимеров, например при анализе вязкого разрыва [108, 109]. [c.47]

МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ [c.109]

Учет квантовомеханических явлений в механике разрушения полимеров [c.101]

Этих недостатков лишен подход, основанный на изучении прочностных характеристик адгезионных соединений, причем предполагается, что при разрушении системы высвобождается такое же количество энергии, которое было затрачено на ее образование. Разумеется, подобная предпосылка противоречит механике разрушения полимеров, причем нельзя забывать о том, что прочность адгезионных соединений определяется большим числом факторов (механическими эффектами, толщиной адгезива, внутренними напряжениями, деформационными свойствами адгезива и субстрата Й т. д.) [299-302]. Однако принять ее в настоящее время, по-видимому, неизбежно, хотя Ьы потому, что она позволяет получить полуколичествен-1ую энергетическую оценку эффективности адгезионного взаимодействия. [c.73]

Прочность полимерных материалов приобретает все более актуальное значение. До появления кинетической точки зрения на разрушение полимеров придерживались представлений о разрушении исключительно с позиций механики упругих твердых тел, имеющих дефекты. Однако экспериментальные факты [33—36] доказывают существенную роль вязкоупругих релаксационных явлений при разрушении полимеров. В этой связи построение математической модели кинетики набухания, учитывающей релаксационные явления в полимере, актуально для нахождения благоприятных условий проведения процесса с целью уменьшения брака при производстве ионообменных материалов аналитического назначения (хроматографического и ядерного класса). При этом описание релаксационных явлений в полимерных материалах связывается с рассмотрением их как сплошных сред, которые по своим механическим свойствам занимают промежуточное положение между упругими твердыми телами и вязкими жидкостями (что приводит к возникновению явлений вязкоупругости). [c.300]

Сопротивление удару хрупкого полимера (площадь под кривой нагрузка—деформация), по существу, определяется энергией We, необходимой для достижения стадии быстрого распространения трещины (максимума Р). Дополнительная энергия, требуемая для разделения материала на части во время фазы быстрого роста трещины, незначительна (рис. 8.24). Поэтому одними из наиболее существенных особенностей сопротивления удару хрупких полимеров являются ограниченные условия, при которых становится возможным быстрый рост трещины в материале. Данная проблема будет рассмотрена в гл. 9 с позиций механики разрушения. Абсолютные значения наибольшей изгибающей силы Fm или наибольших напряжений в растягиваемом волокне не являются мерой сопротивления удару. Действительно, термообработка (в течение 30 мин при 130°С) бруска полистирола, полученного инжекцией расплава, увеличивала сопротивление удару (за счет увеличения отклонения б) от 18 до 21 кДж/м при одновременном уменьшении fm от 235 до 215 Н [105]. [c.272]

Прочность и долговечность являются важнейшими свойствами полимерных материалов. Прочность реальных материалов не является материальной константой, так как зависит от многих факторов — времени или скорости действия нагрузки, температуры, вида напряженного состояния и др. Можно назвать две основные причины этого. Первая — существование во всех реальных материалах структурных дефектов и прежде всего микротрещин. Вторая — термофлуктуационный механизм разрыва химических связей. Соответственно этому возникли два подхода к прочности твердых тел механический и кинетический. Механический подход имеет свои достоинства и недостатки. Так, механика разрушения является основой инженерных методов расчета прочности деталей и конструкций, находящихся в сложнонапряженном состоянии. Математическая теория трещин, позволяющая рассчитывать перенапряжения вблизи микротрещины, является большим достижением механики разрушения. В то же время механический подход оставляет в стороне физические атомно-молекулярные механизмы разрушения и физическую кинетику разрушения в целом. Кинетический подход исходит из термофлуктуационного механизма разрушения, общего для всех твердых тел, в том числе и для полимеров. Суть этого механизма заключается в том, что химические связи в полимере разрываются в результате локальных тепловых флуктуаций, а приложенное напряжение увеличивает вероятность разрыва связей. [c.331]

Детальное описание разработки и современного состояния теории механики разрушения дано в серии книг Механика разрушения [2], Из обширного перечня общей литературы по данному вопросу лишь в нескольких работах рассматриваются деформация и разрушение промышленных материалов [3], в частности полимеров [4—6], и перечисляются стандарты [7, 8]. Для определения характеристик материала R я Кс в основном используются три экспериментальных метода регулируемого роста трещин (рис. 9.1) [c.333]

Несмотря на то что было выполнено значительное количество исследований по различным аспектам образования трещин серебра, не существует общего мнения относительно механизма начала их роста. До сих пор не существует приемлемой теоретической модели, с помощью которой можно было бы предсказать, образуются ли в данном полимере при данных условиях трещины серебра или нет. А если это произойдет, то каково влияние температуры и скорости деформирования на образование и распространение трещины серебра. Конечно, это связано с тем, что начало роста трещины серебра зависит одновременно от трех групп переменных, характеризующих соответственно макроскопическое состояние деформаций и напряжений, природу дефектов, создающих неоднородность в материале, и молекулярные свойства полимера при данных температурных условиях и химической среде. Существует пять различных по смыслу моделей процесса возникновения трещины серебра, в которых используются различные определяющие параметры. Эти модели основаны соответственно на разности напряжений, критической деформации, механике разрушения, ориентации молекул и их подвижности. Результаты основных исследований и критерии начала роста трещин серебра, предложенные на основе указанных выше моделей, перечислены в табл. 9.4. [c.367]

В предыдущих параграфах были подробно изложены более илп менее устоявшиеся подходы к изучению аморфных и кристаллических ориентированных полимеров в частности, были затронуты проблемы структурной механики, касающиеся механизмов разрушения полимеров в ориентированном состоянии. Однако исследования в этой области продолжают интенсивно развиваться, и новые экспериментальные данные заставляют изменить некоторые точки зрения. Поэтому представляется целесообразным дать краткий очерк состояния физики ориентированных полимеров к середине 1975 г. с указанием основных теоретических идей и практических тенденций. [c.216]

Разрушение полимеров в области высоких температур ф Механика разрушения эластомеров ф Механизм прочности и разрушения эластомеров ф Уравнение долговечности эластомеров ф Разрывное напряжение эластомеров [c.333]

Разрушение полимеров, как и любых твердых тел, является сложным кинетическим процессом. Изучение этого явления составляет предмет механики разрушения, которая пользуется традиционными методами механики сплошных сред [200]. [c.109]

Сформулированы два представления о процессе разрушения в полимерах. Согласно первому, разрыв полимерных цепей происходит одновременно по всему объему образца (в слабых или перенапряженных микроучастках структуры), согласно второму, он происходит последовательно по мере разделения образца на части очагом разрущения. Первый процесс мог бы реализоваться в материале с идеальной структурой и играет лишь ограниченную роль при разрушении полимера в высокопрочном состоянии. Критерием разрушения в первом процессе является критическая концентрация разорванных цепей. Второй процесс реализуется для всех технических материалов с начальными и возникшими под нагрузкой опасными микротрещинами. Этот процесс разрушения наблюдается практически во всех реальных случаях. Критерием разрущения при втором процессе, согласно механике разрушения, является пороговое напряжение, выше которого упругая энергия образца равна энергии разрушения или превышает ее, а согласно физике разрушения — безопасное напряжение, выше которого скорость разрыва цепей превышает скорость их рекомбинации под действием тепловых флуктуаций. Последующие главы будут посвящены механике и физике разрушения полимеров с микротрещинами. [c.58]

Далее (в гл. 5 и 6) будут рассмотрены экспериментальный (кинетическая концепция прочности) и теоретический аспект физики прочности полимеров (термофлуктуационная теория прочности реальных полимеров, построенная с учетом понятий и с использованием методов механики разрушения). [c.104]

Твердые тела и полимеры подвергаются различным видам нагружения, и в них возникают различные поля напряжений. На вопрос о том, как распределены напряжения при определенном виде нагружения, ответ удается получить с помощью методов механики деформируемых тел. В зависимости от характера распределения напряжений, особенно около различных концентраторов напряжения, можно судить о прочности твердых тел. Эта задача решается методами механики разрушения [4.1-4.7]. [c.59]

Под прочностью в механике разрушения понимается сопротивление материалов разрушению под действием внешних сил. Под разрушением полимера понимается разрыв его на части (нарушение сплошности), приводящий к образованию новых поверхностей. [c.59]

Механика разрушения является основой инженерных методов расчета прочности деталей и конструкций, находящихся в сложно-напряженном состоянии. Математическая теория трещин позволяет рассчитать напряжения вблизи микротрещин. В то же время механический подход оставляет в стороне физические атомно-молекулярные механизмы разрушения и физическую кинетику разрушения в целом. Кинетическая концепция исходит из термофлуктуационного механизма разрушения, общего для всех твердых тел. Суть механизма заключается в том, что химические и межмолекулярные связи в полимере разрываются в результате локальных тепловых флуктуаций, а приложенное напряжение увеличивает вероятность разрыва связей. Современная термофлуктуационная теория прочности полимеров объединяет оба подхода и вводит понятие о безопасном и критическом напряжении. [c.189]

Для полимеров в хрупком состоянии, моделируемых упругим твердым телом, механика разрушения предсказывает отсутствие временной зависимости прочности при напряжениях, меньших 0к, очень слабую временную зависимость выше 0к, обусловленную влиянием динамических инерциальных эффектов. [c.97]

Понятие о типах трещин и их роли в процессах разрушения является фундаментальным в механике разрушения. Однако классическая механика разрушения не объясняет временную зависимость прочности твердого тела в хрупком состоянии вследствие ограниченности механического подхода, не принимающего во внимание атомное строение полимера и термофлуктуационный механизм разрыва химических и других связей, т. е. физику разрушения. Только в случае проявления вязкоупругости (выше Тхр) классическая нелинейная механика разрушения описывает временные эффекты прочности. [c.104]

Кинетический подход, основателем которого является акад. С. Н. Журков [11.10 61], отличается тем, что основное внимание обращается на атомно-молекулярный процесс разрушения и разрыв тела рассматривается как конечный результат постепенного развития и накопления микроразрушений или как процесс развития микротрещины на молекулярном уровне. Основным фактором в этом подходе является тепловое движение в полимерах. Выяснение природы этого термофлуктуационного процесса разрушения, зависимости скорости процесса и долговечности от температуры, напряжения и других факторов является основой современной физической теории прочности и базой для дальнейшего развития теорий предельного состояния в механике разрушения. Эти подходы будут в дальнейшем рассмотрены подробней. [c.287]

Случай I наиболее важен для практики, поэтому рассмотрим вначале долговечность для полимеров с микротрещинами. Формула (6.11) для 1о порядка X, не имеет строгого математического обоснования. Механика разрушения приводит к формуле (для краевой трещины в образце-полоске) [c.157]

Основная особенность механики разрушения полимерных тел — резко выраженная зависимость положения и формы предельных поверхностей от темп-ры и скорости деформирования. Количественный учет этих зависимостей — главная задача механич. подхода к созданию теории П. полимеров. Возможны различные решения этой задачи. Для стеклообразных и кристаллич. полимеров влияние темп-ры и скорости деформирования на разрушение обусловлено в основном высокоэластич-ностью вынужденной. Для этих полимеров необходима разработка моделей, позволяющих получить обобщенный критерий П., совмещающий в одном аналитич. выражении условия хрупкого разрушения и вынужденной высокоэластичности. [c.113]

Центральным разделом книги является пятая глава, в которой развиваются современные представления о механике разрушения полимеров. Весьма плодотворным представляется феноменологический аспект этой проблемы, оперирующий критерием структурной поврежденно-сти. Не менее важна и шестая глава, в которой анализируются основные разновидности статической усталости полимеров, включая старение. [c.6]

Применение механики разрушения к вязкоупругой среде ограничивается отклонением от условия бесконечно малой деформации вследствие молекулярной анизотропии, локальной концентрации деформаций и зависимости напряжения и деформации от времени. Эта теория эффективна при исследовании распространения трещин. Аналитическое обобщение работы Гриффитса на линейные вязкоупругие материалы было предложено Уильямсом [36] и несколько раньше Кнауссом [37]. В гл. 9 будет дан более подробный расчет распространения трещины с позиций механики разрушения. Будут рассмотрены морфологические аспекты разрушения и влияние пластического деформирования, зависящего от времени, возникновения и роста трещины серебра и разрыва цепи на энергию когезионного разрушения полимеров. [c.72]

Как отмечает Берри, исследования прочности полимеров развиваются в двух направлениях. Первое относится к механике разрушения и к энергетическому подходу исходя из работ Гриффита и модели упругого твердого тела с микротрещиной, т. е. рассматриваются макроэффекты разрушения. Второе направление относится к физике (кинетике) разрушения и рассматривает молекулярноатомные механизмы и микромеханику разрушения. На Западе предпочитают первый подход (Гриффита), в СССР — второй (Журкова). Рассмотрим вначале результаты первого подхода к эластомерам. В этих опытах исследования механики разрушения проводились на образцах эластомеров и резин с искусственными надрезами. Методика испытания образцов с надрезом получила название испытания на раздир, который широко изучался в работах Ривлина и Томаса [12,1], Томаса [12.2] и других исследователей [12.3 12.4 82]. В процессе испытаний на раздир определялась энергия разрушения, которая зависела от заданной скорости движения зажимов. Энергия раздира включает свободную энергию образования новых поверхностей и механические потери, причем механические потери столь велики, что превышают свободную поверхностную энергию на много порядков. Эластомер считается тем прочней, чем большие затраты работы внешних сил требуются на раздир. [c.334]

Таким образом, термические напряжения и обусловленное ими разрушение полимера связаны с термическими коэффициентами расширения и механическими свойствами полимера. В этом кратко.м разделе мы не можем подробно расс.мотреть разрушение и деформацию эпоксидных полимеров, тем более, что механические свойства аморфных полимеров подробно описаны в ряде монографий [I, 71, 72, 73]. Между разрушением и деформированием линейных и трехмерных стеклообразных полимеров с феноменологической точки зрения нет принципиальных различий [1, 74], что дает воз.можность использовать прн изучении внутренних напряжений и растрескивания весь математический аппарат, разработанный в механике полимеров для описания дефоомиоованпя. релаксации наисяжения и разрушения. Для расчета произведения гАа из свойств полимера необходимы, как уже указывалось, значения нерелаксирующего модуля а зависимости от температуры, которые имеются для очень малого числа полимеров. Для описанных выше полимеров была проведена проверка возможности такого расчета и получено удовлетворительное совпадение с экспериментом [101]. [c.77]

На основе современных представлений механики разрушения твердых тел приведены решения коикретных прикладных задач, связанных с разрушением полимеров при вероятных режимах статического нагружения, включая широко распространенную разновидность статистической усталости — старение. Значительное внимание уделено проблеме безопасного напряжения, контроля качества изделий по стойкости к растрески-ваяяю, а также методам прогаозирования долговечности. [c.2]

Остальные пять глав содержат теорию и экспериментальные данные для полимеров и полимерных материалов с микротрещинами, уже имеющимися или возникающими при нагружении. Проблема микротрещин и трещин важна по двум причинам 1) реальный процесс разрыва в подавляющем числе случаев идет путем роста микротрещин и трещин 2) реальные полимеры и полимерные конструкционные материалы имеют, как правило, различного рода дефекты структуры, в том числе и микротрещины. Поэтому естественно, что прежде всего (гл. 4) рассмотрены механика и термодинамика разрушения твердых тел с трещинами и соответственно изложены два подхода к поочно-сти механический и термодинамический. Дальше, в гл. 5, рассматриваются кинетический подход и экспериментальные данные физики прочности полимеров, существенный вклад в которую внесли научные школы акад. С. Н. Журкова и проф. В. А. Степанова. В гл. б описана теория разрушения полимеров в хрупком и квазихрупком состояниях, предложенная автором монографии и объединяющая три подхода к прочности кинетический, термодинамический и механический. [c.8]

Вопрос о взаимосвязи двух подходов разрабатывался автором (см. гл. 6). Попытка объединения идей физики и механики разрушения в теории прочности полимеров была сделана также Салгаником [4.87—4.90]. Так, в физике разрушения и кинетической концепции Журкова (см. гл. 2) считается, что разрыв химических связей в твердом теле происходит под действием тепловых флуктуаций. При этом используются представления классической физики и средняя энергия тепловых флуктуаций принимается равной кТ. Между тем это не всегда справедливо из-за квантовых эффектов, которые начинают проявляться при температурах порядка дебаевской до = Нуо1к = [c.101]

Итак, в гл. 4 рассмотрены принципы и методы линейной и нелинейной механики разрушения твердых тел и полимеров в хрупком, квазихрупком и нехрупком (вязкоупругом) состояниях. Эти три прочностных состояния у аморфных полимеров реализуются ниже температуры стеклования Тс, а у кристаллических— ниже температуры плавления Т и разделяются температурой хрупкости Тхр и температурой квазихрупкости В каждом прочностном состоянии трещины имеют свою специфику, -которая отражена в названиях трех типов трещин хрупкая, квазихрупкая и трещина серебра , или крейз. [c.104]

Чтобы связать между собой атомно-молекулярные процессы и микроскопическое разрушение полимера, необходимо ввести некоторый локальный критерий, устанавливающий основную причину разрыва образца. Предложено два принципиально различных критерия разрушения. Первый основывается на представлении о том, что микротрещины не играют существенной роли и разрыв образца происходит тогда, когда в данном сечении число разорванных связей достигает некоторого критического значения (от 50 до 100% связей) [6.1]. Как следует из гл. 2, такого взгляда на механизм разрушения полимеров придерживались Журков и др. исследователи, и это в основном верно для разрушения твердого тела в высокопрочном состоянии в отсутствие микротрещин. Механизмы и теории разрушения в высокопрочном состоянии были обсуждены в гл. 3. Второй локальный критерий основан на представлении о том, что микротрещнны и их рост под нагрузкой играют определяющую роль в процессе разрушения. Механика разрушения (см. гл. 4) рассматривает теорию трещин и устанавливает критерии их роста, как правило, без учета термофлуктуационного механизма. [c.145]

Согласно [5.7], разрушение полимеров выше происхо дит путем прорастания дефектов последавательно через все се чение образца. Таким образом, недостатком теорий Бикки и др является их отрыв от представлений и методов механики разру шения и математической теории трещин, неучет которых при водит к количественно неправильным результатам. Недостатком большинства теорий длительного разрушения, по мнению Берри [6.1], является то, что они предсказывают конечное время разрушения ненагруженного образца. [c.148]

Это уравнение по виду совпадает с уравнением Журкова (5.2), но А не является периодом колебания То, а представляет собой сложную величину, зависящую от о, о, Т и молекулярных констант коэффициент -у в уравнении (5.3) есть произведение Ул на Р, где Ьа рассчитывается с учетом структуры полимера, а р рассчитывается методами механики разрушения. Если дефектность стуктуры в процессе опытов не изменяется, то Л зависит только от <т и Г. Эта зависимость в исследуемом интервале изменений а н Т слаба по сравнению с зависимостью показателя экспоненты, поэтому функция lgт(ст) в обычно наблюдаемом интервале долговечности от 10 до 10 с является практически линейной. [c.159]

Исследования прочности полимеров развиваются в двух направлениях. Первое относится к механике разрушения и использует энергетический подход, идущий от работ Гриффита. Второе относится к физике разрушения и рассматривает молекулярноатомные механизмы и микромеханику разрушения. Рассмотрим сначала некоторые результаты, полученные при первом подходе, учитывая, что состояние вопроса подробно рассмотрено в монографии 5.7]. [c.220]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология