50. Механизм разрушения полимеров. Теория Гриффита
Разрушение полимеров под нагрузкой происх. в несколько стадий:
1) растяже межатомных связей под влиян мех нагрузки при σ≤ σo
2) разрыв возбужденных связей под действием термических флуктуации с образованием свободных радикалов;
3) цепные реакции в зоне разорвавшихся связей, инициированные свободными радикалами, приводящие к образованию летучих продуктов, дефектных зон, возникновение субмикротрещин;
4) накопление субмикроскопических трещин, их слияние в магистральную трещину и разрушение полимера.
Таким образом, разрушение реальных полимеров происходит в результате тепловых флуктуации, а роль внешних нагрузок сводится к ускорению термофлуктуационного разрыва связей. Повышение степени ориентации, плотности упаковки, снижение коэффициента перенапряжения, увеличение прочности связей — все это способствует повышению прочности, а рост дефектности, в том числе и микротрещин, снижает прочность.
В процессе роста трещины энергия, запасенная в образце, тратится в двух направлениях. Во-первых, она идет на образование новой поверхности. Эта энергия численно равна удельной поверхностной энергии полимера, помноженной на площадь поверхности разрушения.
Во-вторых, энергия затрачивается на всевозможные процессы перемещения структурных элементов на пути движения трещины. Движение структурных элементов приводит к рассеянию энергии за счет внутреннего трения и переходу ее в теплоту. Наиболее простым случаем является разрушение при полном отсутствии рассеяния энергии (теория Гриффита), когда вся запасенная энергия образца идет на образование новой поверхности.
Теории Гриффита, (Теория хрупкого разрушения) в основе следующие положения:
1) материал представляется как идеально упругий, содер микротрещины различной формы, сосредоточ на поверхн и в объеме;
2) на краях микротрещин возникает локальное перенапряжение, которое намного превосходит среднее напряжение, приходящееся на сечение образца;
3) вся работа за время внешних сил расходуется на увеличение свободной поверхностной энергии; роль теплового движения не учитывается, процесс разрушения считается атермическим;
4)
критерий разрушения Гриффита определяется
соотношением:σo=K(aE/lo)
α – удельная (приходящаяся на единицу площади) энергия той поверхности, которая возникла при разрыв
Е – модуль упругости (модуль Юнга);
Ιо- длина микродефекта.
51. Долговечность и динамическая усталость полимеров
При очень высоких напряжениях разрушение может происходить мгновенно. При одновременном повышении T и σ вероятность разрыва увеличивается. Поэтому обычно различают кратковременную и длительную прочность.
Кратковременную прочность определяют при нагрузке, приближающейся к разрушающей, а длительную — при нагрузках, намного меньших разрушающих. Длительную прочность также называют долговечностью или статической усталостью, которую оценивают временем до разрушения.
Разрушение полимеров под действием, циклических деформаций происходит в результате динамической усталости или утомления. Динамическая усталость — это снижение прочности под влиянием многократных периодических нагрузок. Динамическая усталость характеризуется временем до разрушения или числом циклов до разрушения. Напряжение, котором происходит разрушение после действия числа циклов, наз усталостной прочностью.
Разрушение полимеров при многократном циклическом нагружении определяется теми же факторами, что и при статических режимах. При динамическом нагружении, так же как и при статическом, определяющим является напряжение и разрушение обусловлено термофлуктуационным распадом связей, наличием дефектов и релаксационными процессами.
При периодических нагрузках за время деформации перенапряжения в полимере не успевают отрелаксировать и накапливаются с каждым циклом. С ростом частоты деформации гистерезисные потери возрастают и достигают максимума. Эти потери, оказывают одновременно и положительное влияние на долговечность, и отрицательное вследствие выделения тепла.
Динамическая усталость является сложной характеристикой и определяется кратковременной прочностью, релаксационными гистерезисными потерями, стойкостью к окислению, зависит от .амплитуды и частоты деформации.