9.4. Закономерности разрушения полимеров

В результате обобщения экспериментальных данных и проведения рада теоретических исследований были сформулированы общие закономерности прочности и специфические особенности разрушения полимеров.

Одним из фундаментальных свойств прочности является её зависимость от времени. Это выражается в том, что время от момента нагружения до разрушения зависит от величины прикладываемого напряжения. Долговечность под нагрузкой при одноосном растяжении удалось измерить во временном интервале от 10ˉ³до 10⁷с. Изменение прочности во времени заставляет рассматривать разрушение полимеров как непрерывный процесс. Этот процесс протекает в механически нагруженном теле со скоростью, которая может принимать разнообразные значения в зависимости от величины нагрузки и температуры. Разрушение происходит не только за счет работы механических сил, а и за счет теплового движения кинетических единиц. Наличие тепловых флуктуаций приводит к нарушению связей, обуславливающих прочность. Учитывая это, физико-механическая характеристика ,,предел прочности” является величиной условной, характеризующей прочность материала только при строго определенных условиях деформации, оговоренных ГОСТом.

Фактически разрушение может происходить при различных нагрузках, в зависимости от скорости деформации и температуры. В связи с этим общие закономерности разрушения полимерных материалов удобно выражать терминами ,,долговечности” при постоянном разрушающем напряжении.

Если величина разрушающего напряжения постоянна в процессе испытания, то представляется возможным выяснить влияние других факторов на долговечность (t° испытания, скорости нагружения и др.). Для этого необходимо менять величину нагрузки с изменением поперечного сечения так, чтобы величина напряжения оставалась постоянной. Это возможно обеспечить используя следующие приспособления, рис.69, позволяющего менять величину плеча к которому прикладывается нагрузка Р.

Испытание прочности, с использованием такого приспособления позволило установить следующую зависимость:

, где:

τр – долговечность;

σ – напряжение;

k – константа Больцмана;

Т – температура, °К;

U0, τ0, γ – константы.

τ0 по порядку величины близко к периоду собственных колебаний;

U0 энергия активации разрушения, близкая по величине энергии сублимации для металлов.

τ0, U0 и γ определяют опытным путем, пользуясь зависимостью логарифма долговечности от при условии постоянства структуры, рис.70.

Все линии на рис.70 пересекутся в точке лежащей на оси ординат при .

При долговечность τр будет равна τ0.

В настоящее время накопилось множество факторов, свидетельствующих о том, что напряжение не является единственным фактором, вызывающим механическое разрушение. Под действием напряжений возникает тепловое движение молекул способствующее разрушению. Чем больше величина напряжения, тем больше величина теплового движения и тем меньше материал сопротивляется разрушению. Разрушающее напряжение, как правило, оказывается тем больше, чем меньше время до разрушения.

Временная зависимость прочности является одной из характеристик механического разрушения.

Для материалов не меняющих свою структуру в процессе нагружения зависимость долговечности от величины напряжения выражается уравнением:

, где:

А и α – константы, определяющие временную зависимость.

Материалы претерпевающие изменения структуры в процесс нагружения, не подчиняются выше приведенной закономерности. К таким материалам относятся полимеры кристаллизующиеся в процессе деформации.

Кристаллизация полимеров способствует проявлению направленности в месте роста области разрыва. Примером могут служить полиэтилен и полиамид.

Увеличение скорости деформации способствует уменьшению сопротивления разрушению и долговечности при одновременном увеличении удлинения.

Общей закономерностью, справедливой для всех полимеров не кристаллизующихся в процессе деформации является рост разрушающего напряжения пропорционально скорости нагружения.