книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

ровать изменения свойств конкретного полимера при старении при отсутствии соответствующих данных трудно. В связи с этим

факторов.

В настоящее время существуют некоторые методы ускорен­ ных испытаний, позволяющих оценить изменение свойств полимеров при определенных условиях.

Срок службы полимерных материалов, в которых происходит старение, связанное с процессами разложения, устанавливается по предельно допустимому изменению основных свойств. Срок службы полимера, старение которого обусловлено процессами термодеструкции, можно оценить температурно-временным пределом использования материала (температурно-временной зависимостью необратимого изменения свойств). Так, срок службы полисилоксана в условиях, в которых происходит тер­ модеструкция, может составлять 1000 ч при температуре 250° С или 10 лет при температуре 180° С; при более длительной эксплуатации материал становится хрупким, в нем образуются трещины. Однако никакой конкретный температурно-временной предел в отдельности не является достаточно полной характери­ стикой срока службы, так как требуемые свойства всегда опре­ деляются специфическими условиями применения полимера [66].

Процессы механического разрушения твердых тел

Обычно считают, что при напряжениях, меньших предела упругости, пластическая деформация вообще не может разви­ ваться, а разрушение тела происходит (практически мгновенно) только тогда, когда напряжения достигнут предела прочности. Однако в последние годы разрушение материала рассматривают не как критическое событие, а как постепенный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся в механически напряженном материале с момента приложения к нему нагруз­ ки, в том числе меньше критической [10].

Разрушение является безактивационным процессом только при очень низких температурах (близких к абсолютному нулю) или при действии напряжений, равных пределу теоретической прочности (прочности атомных связей).

В соответствии с этой кинетической теорией, согласно которой одним из фундаментальных свойств прочности является ее зависимость от времени, деформация и разрушение должны характеризоваться не предельными напряжениями, а скоростью деформации и разрушения, кроме того, долговечностью — вре­ менем, требующимся для разрушения. Пределы упругости, текучести, прочности являются с этой точки зрения только некоторыми условными характеристиками.

Скорость процессов механического разрушения нагруженно­ го твердого тела и соответственно время до разрушения зависят от структуры и свойств тела, от напряжения, вызываемого нагрузкой, и температуры. Существует ряд эмпирических фор­ мул, описывающих зависимость времени до разрыва т (или ско­ рости разрушения #Ё)от этих факторов. Наибольшее приме­ нение получила установленная экспериментально для многих материалов (чистых металлов, сплавов, полимерных материа­ лов, органического и неорганического стекла и др.) зависимость

турах:

а — при Ті < Г2 < Т3 < 7Y, б — при C1 <<32< O 3 < о4

между напряжением а, температурой Т и временем т от мо­ мента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца [40]:

начальную энергию активации (величину начального энергети­ ческого барьера) процесса разрушения при а = 0, постоянную для данного материала в широкой области температур Т и не зависящую от обработки материала (наклепа, термической

обработки, легирования и т. д.); т0 и то1= со0 параметры, совпа­ дающие с частотой собственных тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке твердого тела, постоянные для всех исследованных металлов и сплавов, полимеров, ионных кри­ сталлов, не зависящие от обработки материала и условий нагружения; напряжение материала а, обусловленное механи­ ческой нагрузкой, уменьшает начальную энергию активации на величину уо, активирует, таким образом, процесс разру­ шения и создает направленность процесса. Структурный коэффициент у определяет степень уменьшения начального энергетического барьера под действием приложенного напря­ жения (характеристика чувствительности материала к напря­ жению).

Все изменения прочностных свойств материалов, происходя­ щие при изменении их частоты собственных тепловых колебаний при тепловой обработке и деформировании, связаны с измене­ нием только величины у. Следовательно, Y может быть использована как количественная мера прочности, т. е. мера сопротивления разрушению, учитывающая временную и темпе­ ратурную зависимость прочности. Действительно, так как U0

и т0 не меняются и известны, то знание у позволяет построить все семейство временных зависимостей прочности при разных температурах. В свою очередь, значение Y может быть вычис­ лено из временной зависимости, полученной при одной темпе­ ратуре [10]:

где а — тангенс угла наклона прямой lg т — f(a). Температурно-временная зависимость прочности проверена

в широком интервале напряжений, температур и времени при различных видах напряженного состояния (растяжении, изгибе, кручении), при статических и циклических нагрузках. Справед­ ливость уравнения (4) показана для величин, определяющих

с нескольких месяцев до нескольких лет.

Из выражения lg т = f ^ — ^ может быть оценена величина

энергии активации U и построена зависимость U(o), линейный характер которой позволяет путем экстраполяции ее на ось ординат вычислить величину начальной энергии активации про­ цесса разрушения U0 (рис. 7); наклон прямой U(o) соответ­ ствует структурному параметру у.

Зависимости долговечности т материала от напряжения о и температуры Т, аналогичные экспериментально установлен­ ному уравнению (4), получены путем теоретического рассмот­ рения дислокационных механизмов зарождения и роста трещин, кинетических свойств дислокаций.

Уравнение (4) можно использовать для определения дли­ тельности эксплуатации материалов в нагруженном состоянии до разрушения при практических расчетах прочности. При этом необходимо иметь в виду, что для очень малых напряжений

Рис. 7. Зависимость энергии акти­

вации U процесса разрушения от напряжения о

товленных из одного материала, является случайной величиной (зависящей от случайных размеров и распределения элемен­ тарных дефектов в образцах материала), распределяющейся по некоторому вероятностному закону. Временная зависимость отражает внутренний механизм разрушения твердых тел, так как обусловлена тем, что само разрушение представляет собой развивающийся во времени процесс; уменьшению прочности нагруженного образца способствуют побочные процессы,

условиях практически определяется влиянием атмосферной влаги.

При отсутствии поверхностно-активной среды временную за­ висимость прочности этих материалов можно определить из сле­

где Ло и а — постоянные коэффициенты, определяемые свойст­ вами материала и температурой. Уравнения (4) и (7) описыва­

ют временную зависимость прочности многих материалов (твер­ дых полимеров, металлов и сплавов) в условиях сравнительно слабого поверхностно-активного действия атмосферы на процес­ сы механического разрушения этих материалов.

Уравнение (4) показывает, что разрушение может происхо­ дить при напряжениях, меньших предела прочности, и что раз­ рывное напряжение зависит от времени действия приложенной нагрузки и от температуры материала. Таким образом, вопрос, какую нагрузку способен выдержать материал детали, т. е. ка­ ково его сопротивление разрыву, не имеет однозначного ответа без указания времени, в течение которого данный материал дол­ жен оставаться под нагрузкой.

Кинетическая теория прочности подчеркивает необходимость учета влияния теплового движения (флуктуации тепловой энер­ гии) на процессы деформирования и разрушения, особенно в их начальной стадии. Процесс разрушения при нагрузках ниже кри­ тической не может происходить при отсутствии теплового движе­ ния атомов и молекул, которое является фактором, принципи­ ально обусловливающим разрыв материала при нагрузках, меньших критической. На основании уравнения (4) можно сде­ лать вывод, что разрушение следует рассматривать как процесс, в котором вследствие тепловых флуктуаций преодолевается энергетический барьер U0, сниженный в результате действия на­ пряжений на величину уа. При этом физический смысл величин, входящих в уравнение (4), совпадение величины т0 с периодом атомных колебаний показывают, что процесс разрушения пред­ ставляет собой ряд элементарных актов, связанных с тепловым движением атомов и молекул.

Следует иметь в виду, что в настоящее время ряд вопросов физической теории разрушения твердых тел еще требует своего решения. Так, еще не решен окончательно вопрос о связи между процессами деформирования и разрушения твердых тел, в част­ ности вопрос, какой из этих процессов и при каких условиях яв­ ляется ведущим. Согласно кинетической теории прочности в твердом теле под нагрузкой одновременно развиваются процес­ сы как деформирования, так и разрушения, связанные между собой. Связь этих процессов характеризуется, например, тем, что произведение долговечности т, определяемой уравнением (4), и скорости деформирования (скорости установившейся ползуче­ сти #е), определяемой уравнением (5), является постоянной ве­ личиной, не зависящей от температуры и напряжения:

Величина энергии активации ползучести для исследованных материалов достаточно точно совпадает с величиной энергии ак­ тивации разрушения [57].

Процессы механического разрушения металлов и сплавов.

У металлов температурно-временная зависимость прочности,

возникновение и развитие микротрещин обусловлены в основ­ ном двумя процессами: разрывом межатомных связей вследст­ вие тепловых флуктуаций и направленной диффузией вакансий к трещинам.

Первый процесс полностью характеризуется уравнением (4). Согласно теориям, объясняющим механическое разрушение ме­ таллов диффузионными процессами, нарушения сплошности ме­ талла возникают и развиваются в результате диффузии, именно в результате направленной диффузии вакансий к трещинам (ро­ ста трещин в результате образования вакансий). Изменение скорости разрушения при изменении температуры согласно тео­ рии диффузионного механизма разрушения обусловлено различ­ ным соотношением скоростей накопления (коагуляции) вакан­ сий и их рассасывания. Для диффузионного механизма разру­ шения получена следующая температурно-временная зависи­ мость прочности [57]:

где С = 1 = const;

Е — модуль упругости;

о— действующее напряжение;

а— атомный размер;

п0 — количество объединившихся вакансий.

Как видно из последних уравнений, увеличение коэффициен­ та самодиффузии D должно уменьшить при прочих равных усло­ виях долговечность материала; величина начального активаци­ онного барьера (энергия активации разрушения) определяется энергией активации объемной самодиффузии; напряжение а

Исследования А. В. Савицкого показали, что энергия актива­ ции процесса разрушения металлов и сплавов U0 по своей при­ роде, по характеру влияния различных факторов соответствует не энергии самодиффузии, а энергии сублимации) табл. 1), т. е. энергии разрыва межатомных связей в решетке. Таким образом, энергия активации U0 является параметром, характеризующим силы связи в материале.

Непосредственные измерения величин энергии активации разрушения, энергии самодиффузии и энергии сублимации для ряда металлов и сплавов и исследование характера их изменения показывают, что в области больших напряжений и сравнительно низких температур (меньших 0,5 Тпл, °К; Тпл — температура плавления) действует механизм разрушения, обусловленный процессом последовательного флуктуационного разрыва атом­ ных связей в кристаллической решетке, и, следовательно, спра­ ведливо уравнение (4); в области малых напряжений и высоких температур действует диффузионный механизм разрушения, ос-

Энергия активации U0 и энергия сублимации Е^

некоторых металлов

нованный на росте трещин путем образования ваканский или на образовании очагов разрушения связей в месте скопления избы­ точного числа вакансий, т. е. справедлива зависимость (9). В последнем случае флуктуационный процесс разрушения ока­ зывается сильно заторможенным процессом, протекающим вследствие высокой скорости диффузии.

Параметры (У0, т0 и у, полностью характеризующие в «низко­ температурной» области прочностные свойства металлов и спла­ вов во времени (как при процессах разрушения, так и при про­ цессах деформирования), являются недостаточными для описа­ ния этих свойств при переходе в «высокотемпературную» область, где проявляется новый фактор— диффузионная под­ вижность атомов. Влияние диффузионной подвижности атомов на механизм разрушения становится при некоторых условиях преобладающим.

В низкотемпературной области, для которой справедливо уравнение (4), из трех параметров уравнения (U0, т0 и у), ха­ рактеризующих семейство временных зависимостей при разных температурах Т, только у изменяется при термической обработ­ ке, наклепе и легировании, т. е. является структурно-чувстви­ тельной величиной. Исследования показали, что величина у оп­ ределяется дислокационной структурой металла [10].

Исходя из представлений кинетической теории прочности, ве­ личину у считают показателем того, что на межатомные связи действуют не средние приложенные напряжения о, а существен­ но (примерно в 100 раз) большие локальные перенапряжения, возникающие на неоднородностях структуры, причем такими не­ однородностями могут быть скопления дислокаций на границах блоков (областей, относительно свободных от дислокаций, раз­ деленных границами с высокой плотностью дислокаций).

Установлена пропорциональная зависимость прочности от дислокационной структуры границ блоков и общей плотности дислокаций: повышение прочности связано с увеличением плот­ ности ND дислокаций в границах блоков.

сплавах обусловлены нестабильностью их структуры, изменени­ ем структуры под нагрузкой, т. е. непостоянством параметра этой зависимости у. В металлах указанные отклонения наблю­ даются, например, в процессе испытания при температурах, пре­ вышающих температуру отжига (или близких к ней), а также после прокатки или иного вида механической обработки, в хо­ лодном состоянии и испытании на долговечность при повышен­ ных температурах (при температурах начала рекристаллизации испытуемого металла).

В этих условиях при испытании под нагрузкой происходит процесс рекристаллизации, влияющий на дислокационную

структуру блоков и, следовательно, на параметр у. Изменение величины у и обусловливает отклонение от уравнения (4). Так, в очень чистом наклепанном алюминии при испытании под на­ грузкой уже при комнатной температуре происходит рекристал­ лизация. В сплавах, кроме указанных причин — отклонения от нормальной зависимости, имеются другие, связанные с метастабильным, структурно-неравновесным состоянием сплавов, на­ пример состоянием пересыщенного твердого раствора, с распа­

например, при исследовании некоторых сплавов (А1—Си, А1—

процессов деформирования и разрушения. Так, согласно одной из таких теорий зависимость долговечности от величины напря­

лов. Процессы, вызывающие разрушение нагруженного поли­ мерного материала, представляют собой процессы разрыва внутримолекулярных химических связей в результате тепловых флуктуаций, т. е. процессы термодеструкций полимерных це­ пей, активированные механическими напряжениями. Для поли­ мерных материалов температурно-временная зависимость проч­ ности определяется кинетикой постепенного флуктуационного разрыва химических связей. По данным Э. Е. Томашевского, энергия активации процесса разрушения полимеров, уменьша­ ющаяся под действием напряжения, соответствует энергии ак­ тивации термодеструкции; при этом величина U0 в уравнении

(4) представляет собой энергию активации процесса термодест­ рукции E t полимерных цепей в ненапряженном полимере, равную энергии химической связи между атомами в полимерной цепоч­ ке (табл.2).

Значение U0 зависит от химического строения полимера. Коэффициент у в уравнении (4), характеризующий степень уменьшения энергетического барьера под действием напряже­ ния в отличие от Un и т0 зависит от ориентации полимерных це­ пей и степени полимеризации.

Коэффициент у отражает влияние на прочность межмолеку­ лярного взаимодействия, создающего то или иное распределе­ ние нагрузок по полимерным цепям.

Начальная энергия активации U0 процесса разрушения и энергия активации Et термодеструкции

некоторых полимеров

Зависимость долговечности полимеров от напряжения и тем­ пературы [уравнение (4)] справедливо в предположении, что ве­ роятность любого единичного акта разрыва определяется только вероятностью флуктуационного распада связи.

Первичными продуктами разрыва химических связей в по­ лимерах (как при механическом разрушении, так и при термодекструкции) являются свободные макрорадикалы с неспарен­ ным электроном на конце цепи, характеризующиеся различным временем старения, различной стабильностью при обычных ус­ ловиях.

Непосредственное изучение кинетики распада химических связей в процессе растяжения и разрыва полимеров и кинетики образования и накопления осколков макромолекул (свободных макрорадикалов) позволило определить их концентрацию, сос­ тавляющую в разорванных образцах высокопрочных ориентиро­ ванных полимеров (полиэтилен, поликапролактам и др.) при­ мерно 5- ІО15—5 -ІО17 см-3, и представить зависимость для ско­ рости накопления радикалов в процессе растяжения (при

от —50 до 50° С), подтверждающая, что разрушение полимеров является следствием процесса, управляемого некоторым энерге­ тическим барьером, величина которого зависит от напряжения; установленное численное равенство коэффициентов а и ß озна­ чает, что энергия активации для временной зависимости проч­ ности полимерных материалов равна или очень близка к энер­ гии активации образования радикалов (разрушения химических связей).