Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Химическая стойкость материалов. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 107 8 9 10 > Следующая >>>

нию. За счет развития высокоэластических деформаций данная зависимость отклоняется от прямолинейной. Предел эластичности материала определяется по точке, ограничивающей этот участок. При дальнейшем растяжении выпрямленные эластичные макромолекулы будут ориентироваться вдоль силового поля, т. е. течь. В материале развиваются деформации вязкого течения. На кривой зависимости наблюдается участок, параллельный оси ε, когда напряжение в материале практически не меняется. Точка, ограничивающая участок деформации вязкого течения, есть предел текучести материала. Еще большее растяжение материала приводит к сближению ориентированных макромолекул и образованию «шейки». В результате становятся возможными взаимодействия, приводящие даже к некоторому снижению напряжения в материале. В дальнейшем при некотором значении ε в самом тонком месте происходит разрыв материала. Предел прочности материала определяется точкой, ограничивающей этот участок.

Таким образом, в линейном аморфном полимере от момента нагружения до разрушения наблюдаются все виды обратимых и необратимых деформаций, которые в дальнейшем приводят к разрушению материала.

Для полимерных материалов с пространственной сетчатой структурой на диаграмме растяжения будут наблюдаться только упругие деформации, т. е. материал будет вести себя как упругое твердое тело. Разрушение полимеров с такой структурой происходит при малом относительном удлинении и большом значении возникшего напряжения.

Каучуки находятся в высокоэластическом состоянии при нормальной температуре, поэтому на диаграмме растяжения наблюдаются только высокоэластические деформации и деформации вязкого течения. В подобных материалах не возникает упругих деформаций. Их разрушение происходит при небольших удлинениях и малых значениях напряжений.

Вид диаграмм растяжения меняется в зависимости от скорости наложения нагрузки. Это связано с особыми свойствами макромолекул, которые могут выравнивать во времени возникшие в материале напряжения. Это связано с тем, что возникшие в каком-то месте напряжения со временем распространяются на всю длину макромолекулы и передаются по ковалентным связям. Концентрация напряжений на единицу длины макромолекулы при этом снижается. Этот процесс называют релаксацией напряжений. Его можно представить графически в виде релаксационных кривых, которые выражают в координатах σ – ε. Если материал подвергнуть произвольной деформации и закрепить его в этом положении, не снимая нагрузки, то можно получить релаксационные кривые (рис. 4).

Рис. 4. Релаксационные кривые полимеров

С течением времени после наложения нагрузки (точка А) напряжения, возникшие в материале, уменьшаются. Материал переходит в начальное состояние (точка 0). Снижение напряжения показано на кривой обратного хода, которая образует гистерезисную петлю. На кривых прямого и обратного хода при одной и той же деформации в материале уровень напряжения (Δσ) будет отличаться. Релаксационные свойства

материала характеризуются уровнем напряжения. Эластомеры-каучуки проявляют наилучшие релаксационные свойства.

С ростом температуры увеличивается гибкость макромолекул, которая способствует распространению напряжений на всю их длину. Это приводит к возрастанию релаксационной способности полимерных материалов.

Если в материале под нагрузкой развивались только обратимые деформации, то релаксационная диаграмма имеет вид 0А0. В этом случае материал с течением времени вернулся в исходное состояние. Вид релаксационных кривых меняется, если в материале развиваются необратимые деформации. Кривая 0А1В на рис. 4 отражает процесс релаксации при возникновении необратимых деформаций. Отрезок 0В характеризует уровень остаточных необратимых деформаций, существующих в материале при σ = 0.

2.8. Теории прочности материалов

Прочность материала определяется его способностью сопротивляться механическому разрушению. Развитие теории прочности материалов идет по двум практически не пересекающимся направлениям. Одно направление изучает прочность материала с точки зрения наличия в нем различных дефектов. Чем меньше дефектов в материале, тем более прочным он является. Это дефектные теории прочности. Другое направление рассматривает процесс разрушения материалов на молекулярном уровне. Считается, что снижение стойкости материала связано с протеканием химических реакций, ускоряемых наличием механического воздействия. Это молекулярнокинетические теории прочности. Каждое из развиваемых направлений находит экспериментальное подтверждение.

Толчком к развитию дефектной теории прочности послужил факт разрушения материалов в реальных условиях за-

долго до того, как был достигнут предел прочности материала. Все дефектные теории прочности берут свое начало с теории Гриффита. Напряжение в материале, при котором разрушались реальные тела, назвали технической прочностью материала. Гриффит предложил теорию разрушения реальных тел и объяснил наличие технической прочности материала. Он исходил из двух положений:

• Материал всегда неоднороден, и реальные твердые тела имеют различные дефекты структуры. Механическое поле, действующее на материалы, становится неоднородным и локализуется вблизи дефектов. Наибольшее напряжение будет находиться в месте наибольшего дефекта.

• Локальные напряжения в вершинах трещины всегда значительно выше, чем средние напряжения по объему материала. Вблизи дефекта локальные напряжения раньше достигают предельно допустимых, т. е. предела прочности. Хотя средние напряжения в материале еще значительно ниже предельно допустимых, происходит резкий рост трещины, приводящий к разрушению материала. Средние напряжения, при которых локальные напряжения достигли предельно допустимых значений, называют технической прочностью материала.

Гриффит предложил все дефекты в материале представ-

лять в виде вытянутых эллипсов (рис. 5).

Рис. 5. Модель Гриффита

Гриффит рассмотрел пластинку материала толщиной l, которая имеет дефект в виде эллипса длиной с. Если такой образец повергать плоскому растяжению, то общая упругая энергия образца U может быть представлена в виде (9):

U = U0 – U1 + U2, (31) где U0 – упругая энергия образца без дефекта;

U1 – убыль упругой энергии за счет наличия трещины; U2 – прирост энергии образца за счет образования новых

поверхностей, т. е. боковых стенок трещины (2 ∙ с ∙ l).

Величины U1 и U2 для упругих тел с эллиптической трещиной выражаются соотношениями:





(32)

где σ – соответствует технической прочности материала;

Е – модуль Юнга;

U2 = 2с ∙ l ∙

,

(33)

где  – удельная поверхностная энергия на вновь образован-

ных поверхностях.

Отсюда следует (12):

U U cl



   

(34)

При этом U = U0, если выполняется равенство:





(35)

Выразив из соотношения (35) величину σ, получим техническую прочность материала:

Ec





(36)

Таким образом, материал разрушается при напряжениях значительно меньших, чем это соответствует пределу прочно-

сти, если убыль упругой энергии образца за счет наличия дефектов происходит быстрее, чем ее прирост за счет образования новых поверхностей.

Теория Гриффита являлась первой дефектной теорией прочности и имела большое значения для развития других теорий прочности этого направления. Гриффит впервые ввел понятие технической прочности материала. Теория создала предпосылку для учета влияния агрессивных сред на прочность материала, так как параметр  зависел от природы

агрессивной среды.

Развитие других дефектных теорий прочности было направлено на усовершенствование математического аппарата, использованного Гриффитом. В них проводили расчеты для других форм дефектов, учитывали взаимное расположение трещин, наличие краевых трещин и др.

Молекулярно-кинетическая теория прочности материалов основана на уравнении Журкова для расчета долговечности материала. Согласно этой теории, долговечность материала определялась отрезком времени от момента нагружения материала до его разрушения, ее обозначили как τр. Теории этого направления предполагают, что долговечность зависит от скорости разрыва химических связей в материале под действием механической нагрузки.

Выражение, связывающее τр с величиной напряжения, возникающего под нагрузкой, представлено формулой:

0р

exp ,



  



  

 

(37)

где τ0 – период собственных колебаний атомов, образующих

данную химическую связь; U0 – энергия активации разрыва химической связи без механического воздействия, т. е. при σ = 0;

γ'σ – величина снижения энергии активации за счет нали- чия механического воздействия, активирующего химические связи. Сюда входит σ – напряжение, возникающее в материале под действием механических сил и γ' – структурно чувствительный коэффициент, учитывающий изменение структуры материала под механической нагрузкой; k – константа Больцмана, учитывающая распределение частиц по энергиям; Т – температура, K.

Уравнение Журкова рассматривалось для условий, когда на материал действует только механическая нагрузка, активирующая химические связи и снижающая потенциальный барьер их разрыва. Однако расчеты по формуле (37) показали, что величина U0 зависит от природы агрессивной среды. В агрессивных средах она значительно ниже, чем в вакууме. В дальнейшем в рамках молекулярно-кинетической теории было предложено величину U0 рассматривать как энергию активации разрыва данной химической связи в конкретной агрессивной среде при σ = 0.

Кроме этого, было установлено, что коэффициент γ' также зависел от природы среды. Он учитывал изменение структуры материала в зависимости не только от нагрузки, но и от наличия и природы агрессивной среды. Период собственных колебаний атомов τ0 также зависел от природы среды. Хотя величина этого предэкспоненциального множителя не должна была зависеть от природы среды. Стало очевидно, что он учитывал еще одно ранее не учтенное свойство материала. В рамках молекулярно-кинетической теории этот множитель предложили интерпретировать как величину, обратную энтропии активации данной связи, которая может зависеть от природы среды, учитывая меру неоднородности системы.

Таким образом, развитие молекулярно-кинетической теории прочности материалов позволило расширить возможно-

сти применения ранее предложенного выражения и вложить в него более глубокий смысл. Разрушение материалов есть химическая реакция разрыва связей, скорость которой зависит от величины напряжения, возникшего в материале, природы агрессивной среды и температуры.

Очевидно, на прочность материала влияет наличие в нем различных дефектов, а также прочность химических связей. Каждое из направлений теории прочности описывает один и тот же процесс, рассматривая его с разных точек зрения. Поэтому отдавать предпочтение какому-то одному направлению в исследовании прочности материалов невозможно.

2.9. Ползучесть полимеров под нагрузкой

В материалах на основе полимеров при постоянном воздействии разных нагрузок происходят существенные деформации, которые наблюдаются даже в отсутствие сильноагрессивных сред. Протекающие при этом явления называют ползучестью полимеров. Небольшие кратковременные нагрузки практически не вызывают изменений в материале, ползучесть развивается только при длительном воздействии.

Ползучесть твердых полимеров связана с медленным накоплением высокоэластической деформации при малых нагрузках. В этом заключается отличие понятия ползучести полимерных материалов от ползучести металлов, в которых происходит накопление остаточной (необратимой) деформации.

Деформации в полимере способны накапливаться во времени и являются обратимыми. При снятии нагрузки они сохраняются в материале долго и исчезают при нагревании материала выше температуры стеклования [1].

На кривой ползучести полимера, построенной в координа-

тах σ – ε, наблюдается три характерные области (рис. 6).

Рис. 6. Кривая ползучести полимера

Область I относится к стадии неустановившейся ползучести, которая включает упругую и высокоэластическую деформацию. В этой области протекают только обратимые деформации. Область II относится к стадии с установившейся ползучестью, когда деформация увеличивается при практически постоянном напряжении. Развивающиеся при этом деформации относятся к деформациям вязкого течения. Область III – это область необратимой пластической деформации, которая предшествует разрушению материала. На основании представленного анализа кривой ползучести можно установить, что полная деформация ползучести определяется суммой упругой, высокоэластической деформации и деформации вязкого течения.

Для изотермических условий полную деформацию ползучести можно определить по уравнению

εп = εу + εвэ + ε

вт

. (38)

По уравнению (39) из закона Гука можно определить уп-

ругую составляющую:





(39)

По закону Ньютона, описывающему движение вязких жидкостей, определяем вязкую составляющую деформации ползучести:

вт



  





(40)

где η – вязкость жидкости;

τ – текущее время; στ – напряжение в материале в текущий момент времени.

Под вязкостью материала Ньютон подразумевал свойство, заключающееся в способности материала оказывать сопротивление течению. Поэтому вязкость обратна текучести материала, а вязкая составляющая ползучести пропорциональна στ.

Уравнением Кельвина–Фойхта–Мейера описывается высокоэластическая составляющая полной деформации ползучести:

вэ

exp ,td







   









(41)

где Θ – время релаксации напряжений в материале, учиты-

вающее эластические свойства материала; t – начальный момент времени; (τ – t) – время, за которое накапливается высокоэластическая деформация.

Учитывая, что вязкость зависит от времени релаксации в соответствии с уравнением

,E   

(42)

можно определить, что полная деформация ползучести от начального времени механического воздействия до момен-

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 107 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]