Разрыв связей в вершинах трещин

Механизм процесса роста и смыкания микротрещин в ориентированных полимерах основан на молекулярной модели микротрещины (рис. VI. 17). Разрыв связей в вершине трещины, независимо от типа связей, происходит с переходом потенциальной энергии через барьер и (рис. VI. 18). Обратный процесс — рекомбинация связей — сопровождается переходом через барьер V. Эта схема для удобства последующего изложения приведена для микротрещины в разгружаемом образце (о = 0). [c.210]

Коэффициент р = — элементарный флуктуационный объем, в котором происходит разрыв и восстановление связей прп тепловых флуктуациях, ар — коэффициент концентрации напряжений в вершине трещины коэффициент А представляет собой не период колебаний атомов то, а сложную величину следующего вида [c.211]

Вследствие фонон-атомных взаимодействий (тепловых флуктуаций) атомы в вершине трещины время от времени приобретают кинетическую энергию, достаточную для разрыва связи (или же восстановления связи, если произошел разрыв связи). Процесс как разрыва, так и восстановления связей сопровождается затратой кинетической энергии на преодоление потенциальных барьеров и и и (рис. 11.7). Кинетические энергии частиц, численно равные этим потенциальным барьерам, являются соответственно энергиями активации процессов разрыва и восстановления связей. Раз- [c.295]

Предложенная недавно модель трещины (см. рис. 7,б) является обобщением модели Ребиндера. На явно выраженной границе перехода от свободной поверхности к сплошной среде (пунктирная линия) происходит разрыв связей. В материале вблизи вершины трещины происходит постепенное медленное увеличение межчастичного расстояния. В момент разрыва связей квазиупругая сила достигает максимального значения и межчастичное расстояние меняется скачком. В результате трещина продвигается на расстояние, соответствующее одному межчастичному расстоянию. [c.22]

Рост каждой трещины рассматривается как последовательный разрыв связей в ее вершине под действием напряжений и тепловых флуктуаций атомов или молекул. Наряду с общими чертами существующие различные кинетические теории роста трещин имеют отличия, которые будут отмечены в конце этого раздела. Ниже рассматривается теория прочности хрупких материалов в отсутствие поверхностно-активной среды предложенная одним из авторов в 1955 г., и ее дальнейшее развитие. [c.44]

При рассмотрении механизма хрупкого разрушения Бартенев исходит из установленного факта двухстадийного разрушения. Прорастание одной или нескольких наиболее опасных микротрещин на первой стадии разрушения определяет долговечность образца из хрупкого материала. На второй стадии скорость разрушения очень велика и примерно соответствует скорости распространения упругих звуковых волн в материале. Рост каждой трещины рассматривается как последовательный разрыв химических связей в элементарном объеме в ее вершине под действием механических напряжений и тепловых флуктуаций. В вершине трещины [c.113]

Разрыв связей в вершинах трещин, т. е. в области перенапряжений, которые характерны для трещины независимо ог того, через какие элементы молекулярной и надмолекулярной структуры проходит ее вершина. Область перенапряжений представляет собой микрообъект, перемещающийся по образцу по мере перемещения фронта трещины. Вероятность разрыва связей в этой области больше, чем в других местах образца, так как эта вероятность определяется не средним напряжением в образце (т, а локальным напряжением в вершине трещины а,, равным ха (где х — коэффициент перенапряжения). [c.28]

Вследствие тепловых флуктуаций атомы в вершине трещины время от времени приобретают кинетическую энергию, достаточную для разрыва связи или ее восстановления, если произошел разрыв связи. Как процесс разрыва, так и процесс восстановления связей при а = 0 сопровождается затратой кинетической энергии на преодоление потенциальных барьеров На и Уа (рис. 6.2). Аналогичная двухуровневая модель разрыва полимерной цепи рассмотрена в гл. 2 (переход атома из внутреннего в концевое состояние). Двухуровневая модель, приведенная на рис. 6.2, введена автором [2.9, 5.7] и независимо Стюартом и Андерсоном [6.7]. Кинетические энергии частиц, численно равные указанным потенциальным барьерам, являются соответственно энергиями активации процессов разрыва и восстановления связей. Разность потенциальных барьеров представляет собой потенциальную поверхностную энергию, практически равную свободной поверхностной энергии, возникающей при разрыве одной связи. Потенциальная энергия атомов в объеме с некоторым приближением может рассматриваться как функция расстояния между частицами в направлении растяжения, т. е. как функция расстояния между атомами X, а для частиц, находящихся на свободной поверхности (после разрыва связей), — как функция расстояния х (см. рис. 6.1). [c.149]

Рассмотрим вначале теорию временной зависимости прочности, выдвинутую Бартеневым а затем дополненную им совместно с Разумовской . Сущность этой теории сводится к следующему. Процесс разрушения протекает вследствие роста трещин, в вершинах которых происходит разрыв связей между атомами из-за тепловых флуктуаций. При малом напряжении (меньше так называемого безопасного напряжения Оц) вероятности разрыва и восстановления связей одинаковы и трещина практически не растет. При 0 а,, вероятность разрыва становится больше вероятности восстановления связей, что приводит к росту микротрещин. Тогда скорость ее роста можно считать равной V = где и 2 — соответственно скорости [c.159]

Другая теория прочности полимеров — флуктуационная теория прочности хрупких тел была развита Г. М. Бартеневым Эта теория, как и теория С. Н. Журкова, является теорией временной зависимости прочности хрупких полимеров и основана на рассмотрении кинетики роста трещин. Рост каждой трещины рассматривается как последовательный разрыв связей в ее вершине под действием напряжения и тепловых флуктуаций. Флуктуационная теория позволяет оценивать влияние поверхностно-активных веществ на величину временной прочности полимеров, поскольку эти вещества могут перемещаться под действием двумерного давления в глубь трещины и раздвигать ее. [c.139]

Выход на стадию постоянной околозвуковой скорости роста представляется естественным. На предыдущих участках трещина разгонялась ввиду повышения локального напряжения у ее вершины. При этом, поскольку рост с предельной скоростью трещины начинается тогда, когда ее длина составляет всего несколько десятых долей ширины образца, среднее напряжение на оставшейся части сечения образца остается малым по сравнению с теоретической прочностью. Следовательно, в некоторой области у вершины трещины имеется высокое напряжение, близкое к теоретической прочности, которое и обеспечивает быстрый разрыв этой зоны, а затем для дальнейшего прорастания трещины надо продвинуть зону высокого напряжения вперед Вот этот-то процесс не может идти быстрее, чем со скоростью распространения упругих волн в теле (за исключением случаев ударных волн, но это особые случаи). Скорость распростран. ния упругих волн определяется коэффициентами жесткости межатомных связей (кстати, именно эти характеристики определяют и частоты тепловых колебаний атомов). Поэтому скорость роста трещины стабилизируется на этом околозвуковом уровне. Эта скорость мало зависит от температуры (рис. 196). Она не очень [c.346]

Каков же механизм разрыва межатомных связей, обеспечивающий рост трещин на последнем участке На предыдущих участках это был, естественно, термофлуктуационный разрыв напряженных молекул, об этом прямо говорит вид выражения (31), описывающего кинетику роста трещин. При росте трещин с предельной скоростью этот механизм, по-видимому, вырождается. В зоне перед вершиной трещины при обычных температурах для реализации предельной скорости локальное напряжение должно быть таким, чтобы потенциальный барьер для распада связи практически [c.347]

Наиболее опасными дефектами в полимерных материалах, испытывающих хрупкое разрушение, являются микротрещины и субмикротрещины, которые существуют до приложения внешнего напряжения. Очевидно, что прорастание таких микротрещин, которое происходит на первой (медленной) стадии процесса разрушения, и определяет долговечность материала. Рассмотрим разрыв межатомной связи в вершине микротрещины. Для того чтобы его осуществить, необходимо преодолеть потенциальный барьер высотой и (рис. 64). Выше уже говорилось о том, что наряду с разрывом связей между атомами возможен н процесс восстановления связей. Для того, чтобы последний осуществился, необходимо преодолеть потенциальный барьер и, величина которого меньше и 11 <и), если полимер находится в нена-груженном состоянии. На рис. 64 представлена зависимость потенциальной энергии атомов в вершине микротрещины в зависимости от расстояния между ними. Минимум потенциальной энергии, расположенный слева, соответствует равновесному положению атомов вдали от трещины второй минимум, расположенный справа, соответствует равновесному положению атомов, которые после разрыва оказались на свободной поверхности образца. Поверхностная потенциальная энергия твердого тела, отнесенная к двум атомам, между которыми разорвана связь, равна разности [c.295]

В основе теории прочности полимеров, как правило, лежит термофлуктуационный механизм разрушения связей между структурными единицами в вершинах микротрещин. Это явление трактуется различным образом рядом авторов. В одних случаях рассматривается хрупкий разрыв в результате роста трещин до так называемого критического размера, в других 2. зз, эб — учитывается скольжение цепей полимера относительно друг друга. [c.391]

Потери третьего вида, обусловленные рассеянием упругой энергии при разрыве связей в вершине растущих трещин, были введены в теорию прочности исходя из молекулярной модели микротре-щнны и микропроцесса разрушения. Потери этого вида возникают вследствие того, что на границе перехода от свободной поверхности к сплошности происходит разрыв связей. В момент разрыва связей абсолютное значение квазнупругой силы достигает макси- [c.291]

Разновидностью электрохимической концепции является так называемая нленочная [74], в свете которой углубление уже возникшей трещины связано с деформационным разрывом оксидной пленки в ее вершине. При этом в трещине возникает гальванически элемент, в котором анодом служит активно растворяющаяся вершина трещины, где металл оголен вследствие разрыва там пленок. Катодные процессы сосредоточены на берегах трещины. Согласно пленочной теории, пластическая деформация металла препятствует восстановлению оксидной пленки в вершине трещины, что и обусловливает постоянное локальное растворение там металла. Предаюлагается, что разрыв оксидной 1шенки и оголение металла или деформационные изменения свойств пленки наблюдаются в основном при грубом скольжении. [c.57]

Таким образом, для реальных полимеров, в которых возможен разрыв связей на бе.чдефектлых участках, в вершинах микротрещин, т е, в областях пере 1апряжения (разрыв определяется не средним напряжением в системе о, а локальным напряжением в вершине трещин о —хо), а также в слабых местах структуры, при наличии силового и температурного ангармоннз-ма вероятность разруше шя описывается уравнением Бартенева [c.321]

Теория основана на открытом в начале двадцатого века эффекте понижения поверхностной энергии в результате адсорбции (эффекте Ребиндера). Согласно этой теории адсорбция типичных новерхностно-аюгив-ных веществ из окружающей среды вызывает облегчение деформации и разрзш1ения твердых тел, часто в значительно большей степени, чем при химическом воздействии. Эффект адсорбционного понижения прочности, согласно этой теории, обусловлен тем, что поверхностно-активные вещества, понижая поверхностную энергию металлов, способствуют зарождению пластических сдвигов. При этом процесс коррозионного растрескивания протекает не путем химического или электрохимического растворения металла в вершине трещины, а вследствие ослабления межатомных связей в напряженном сплаве при адсорбции специфических компонентов раствора. Благодаря адсорбции снижается поверхностная энергия, что облегчает разрыв межатомных связей металла, находящегося под растягивающим напряжением. Уменьшение сродства между атомами на поверхности металла происходит при наличии одного адсорбционного монослоя, при этом наиболее эффективно действуют частицы, проявляющие специфическую адсорбцию. Инициирование трещины стресс-коррозии вьвывается адсорбционным снижением сил взаимодействия между смежными атомами в вершине надреза материала, подвергающегося действию высоких растягивающих напряжений. [c.65]

Перенапряжение П в вершине трещины способствует разрыву связей и препятствует их восстановлению. Чтобы учесть это, необходимо из потенциальной энергии 1/ вычесть элементарную работу (оП, которая совершается внешним локальным напряжением П на пути л, (см. рис. 24), а к 1/ прибавить работу (о П, которую надо совершить против внешнего локального напряжения на пути Хо. Здесь (й=Х,/-Х и со =Х2 - г,—элементарные флуктуационные объемы, в которых происходит разрыв и вссстановление связей при тепловых флуктуациях, причем —элементарный отрезок фронта (периметра) трещины, состоящий из одной или нескольких частиц, одновременно охваченных флуктуацией X—элементарный путь порядка межатомного расстояния, на который продвигается участок фронта трещины при каждой флуктуации (см. рис. 23) Х и —величины, зависящие от типа связи и структуры твердсго тела. [c.47]

Трещина начинает расти со скоростью, отличной от нуля, при условии, если перенапряжение о в ее вершине превышает Оо. Чем выше значение о по сравнению с оа, тем больше скорость роста трещины. Этот вывод подтверждается работами Шенда [4.18], который по экспериментальным данным, пользуясь формулами Нейбера для коэффициентов концентрации напряжения, рассчитал для некоторых стекол значения перенапряжений, при достижении которых разрушение начинает происходить с большой скоростью. Эти значения в два-три раза превышают теоретическую прочность тех же стекол. Таким образом, из анализа термодинамики разрушения следует только то, что при а=<оа возможен рост микротрещииы это условие является необходимым, но не достаточным. Чтобы произошел разрыв связи, надо, чтобы выполнялось условие Ооо (или 1В вершине микротрещины 0 >о с). Только в этом случае микротрещина будет расти. Поэтому критерием разрушения в отсутствие флуктуаций является условие о ок. Если а — Оа, для разрыва связей и роста трещины необходимо приложить дополнительное растягивающее напряжение, равное Ок—Оа. При наличии тепловых флуктуаций каждая связь через некоторое время ожидания (тем меньше, чем больше напряжение и чем выше температура) будет необратимо рваться, [c.94]

В квазихрупком состоянии полимера п=1, а в хрупком состоянии следует предположить, что п>1. Это объясняется тем, что в квазихрупком состоянии в вершине трещины происходит вынужденная высокоэластическая деформация и полимерные цепи ведут себя как квазинезависимые. В хрупком состоянии полимерные цепи вследствие отсутствия молекулярной подвижности в вершине не могут разрываться квазинезависи-мо, без участия соседних. Если область перенапряжения и флуктуация охватывает несколько полимерных цепей, то происходит групповой разрыв связей. Групповой механизм разрыва связей в полимерной цепи обоснован теоретически [4.91], а также методом машинного моделирования (см. гл. 2). [c.152]

При более высоких темп-рах и практически всех конечных длительностях нагружения хрупкое разрушение происходит в две стадии (область II на рис. 2). На первой, медленной стадии осуществляется термофлук-туационный механизм роста микротрещины разрыв связей наступает, когда энергия тепловых флуктуаций в нек-ром микрообъеме со превышает определенное значение U, к-рое можно рассматривать как энергию активации разрушения. При нек-ром малом (безопасном) напряжении Сд вероятности разрыва и восстановления связей одинаковы, и трещина практически не растет. При сг>(То микротрещина начинает расти со стартовой скоростью vs=khs, где ts — время, характеризующее элементарный акт термофлуктуационного разрыва связи. Я, — путь, на к-рый продвигается участок микротрещины при каждом разрыве (расстояние между соседними рвущимися цепями). Напряжение в областях, непосредственно примыкающих к вершине трещины, значительно превышает среднее по образцу и составляет ро, где Р — т. наз. коэфф. перенапряжения. В момент времени, когда перенапряжение достигает критич. значения ро , наступает вторая стадия разрушения дальнейший рост трещины происходит по атер-мич. механизму с критич. скоростью v , близкой к скорости распространения поперечных упругих волн в твердом теле (порядка 1000 м сек), вплоть до полного разрушения образца. Существование двух стадий хрупкого разрушения подтверждается наличием двух зон на поверхности разрыва — зеркальной, соответствующей медленной стадии, и шероховатой. [c.114]

Третий вид потерь рассмотрен Бартеневым и Разумовской на основании молекулярной модели микротрещипы. При развитии микротрещины происходит разрыв связей между атомами в месте перехода от свободной поверхности к сплошной среде. При этом после разрыва каждой связи вершина трещинь1с перемещается на межчастичпое расстояние. Разрыву связи (а следовательно, и элементарному акту перемещения вершины трещины) предшествует ее деформация, в процессе которой квазиупругая сила между атомами достигает максимального значения, а после разрыва связи — уменьшается, приближаясь к нулю. После разрыва связи избыточная энергия рассеивается атомами, вышедшими на свободную поверхность нри их колебаниях. Потери этого типа пропорциональны числу разорванных связей, но не зависят от скорости роста трещин. [c.157]

Эта величина примерно в 10 раз больше энергии, которую необходимо было бы затратить, если разрыв связей происходил бы лишь в одном монослое поперечного сечения образца. Столь большое тепловыделение означает, что разрывы связей происходят не в одном монослое, а в целой окрестности вблизи вершины растущей трещины. Разрыв механически напряженных макромолекул здесь носит экзотермический характер, причем этот эффект может быть весьма значительным. Его зависимость от уровня локальных напряжений составляет предмет ближайших исследований. Важно отметить, что выделение тепла рвущимися. напряженными молекулами и возникновение локальных разогре-вов способствует (наряду с цепными реакциями) ускорению разрушения полимерных тел. [c.226]

Закаичивая обзор представлений о кинетике распада единичных напряженных связей, остановимся еше на одной работе [956], в которой элементарный акт разрыва связи ассоциируется с туннельным эффектом. Разрыв одной из связей в вершине трещины разрушения моделируется в [956] как разрыв напряженной цепочки атомов под действием линейного потенциала внешней силы, т. е. силовые и энергетические характеристики разрушения берутся теми же, как и во многих других работах [39, 897]. Однако в отличие от термоактивационного способа преодоления барьера анализируется возможность туннельного перехода через барьер. (Переход из точки 1 к точке 2 на расстояние л вдоль горизонтальной линии см. на рис. 253.) Напряженная связь туннелирует из связанного в разорванное состояние. Вероятность туннельного перехода равна [c.466]

Облегчение и ускорение процесса разрушения твердых тел в жидкой среде происходит вследствие снижения свободной поверхностной энергии по сравнению с таковой в вакууме, так как адсор-бционно-активные молекулы среды облегчают разрыв межатомных связей в вершинах трещин. Следует иметь в виду, что эффект поверхностно-адсорбционного воздействия среды проявляется только в напряженных дефектах и трещинах материала при условии, что молекулы среды не встречают стерических препятствий и за счет поверхностной диффузии попадают в вершину микротре-щин. Молекулы среды, адсорбированные на боковых поверхностях трещин, не позволяют им сомкнуться при снятии нагрузки, а это, в свою очередь, также облегчает процесс разрушения. [c.51]

Процесс разрушения изнутри определяется термофлуктуациоп-ным механизмом. При этом разрыв механических связей между молекулами в вершине трещины происходит под воздействием тепловых флуктуаций и напряжения растяжения. Скорость процесса разрушения обычно незначительна, так как наиболее крупные дефекты обычно находятся на поверхности световода. [c.245]