Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность и безопасность при производстве и применении полимерных композиционных материалов. Учебное пособие
.pdf
41
ния остаточной пластической деформации при разгрузке, определяет
0
/ FP
BB
=
σ
δσ
E=
)(
δσσ
=
ij
σ
ij
ε
ijijij
ελσ
αβ
=
εσ
E=
αβ
λ
ij
)(E
)0( ;0
321
==>
σσσ
0 ;0
321
<=>
δδδ
предел упругости материала:
У конструкционных неметаллических материалов (пластмасс-
сы, резины) приложенная нагрузка может вызвать упругую, высокоэластическую и остаточную деформации. В отличие от упругой, высокоэластическая деформация исчезает не сразу после разгрузки, а с течением времени. Высокопрочные армированные полимеры (стеклопластики, углепластики и др.) разрушаются при удлинении 1—3%. На
последних стадиях нагружения у некоторых армированных полимеров
появляется высокоэластическая деформация. Две самых важных
измеряемых величины — это предельная деформация и предел упругой
деформации.
Чтобы оценить, насколько хорошо материал противостоит деформации, измеряется его модуль упругости. В упругой области напряжение и деформация связаны коэффициентом пропорциональности. При растяжении
мальной упругости, численно равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой
формирования.
В произвольной точке микронеоднородного тела тензор напря-
жения
и тензор деформации
, где E — так называемый модуль нор-
к оси деформации диаграммы де-
.
связаны обобщенным законом
Гука:
формаций (тензор модулей упругости
закон Гука выполняется только при малых деформациях. При пре-
вышении предела пропорциональности связь между напряжениями и
деформациями становится нелинейной. Для многих сред закон Гука
неприменим даже при малых деформациях.
Чтобы измерить модуль упругости растяжения, измеряется механическое напряжение, прикладываемое к материалу, так же, как и в
случае измерения прочности на разрыв. Постепенно увеличивая величину механического напряжения, измеряют деформацию, которую
испытывает образец при каждом уровне механического напряжения,
пока образец не порвется. Если образец обладает малым модулем
упругости растяжения, это значит, что его легко деформировать.
При испытании на растяжение цилиндрического или плоского
образца одноосному
соответствует трёхосное деформированное состояние (приращение
длины в направлении действия приложенных сил и уменьшение линейных размеров в двух других взаимно перпендикулярных направ-
лениях):
или
, здесь
. Соотношение между поперечной и про-
— тензор упругих де-
). Следует иметь в виду, что
напряжённому состоянию
42
дольной деформацией (коэффициент Пуассона):
12
/
δδµ
=
µ
)1(2/µ+= EG
)21(3/
µ
−= EK
02,0
/ FPT=
σ
)(HB
D
)(
2
22
dDDD
P
HB−−=
π
{ }
%100*/)(
00
lllx−=
δ
{ }
%100*/)(
00
FFFk−=
ϕ
{ }
%100*/)(
00
hhh
k
−=∆
0
h
k
h
в преде-
лах упругости для основных конструкционных материалов колеблется
в довольно узких пределах (0,27—0,3 для сталей, 0,3—0,33 для
алюминиевых сплавов). Коэффициент Пуассона является одной из
основных расчётных характеристик. Зная
путём определить и модуль сдвига:
ной упругости:
.
и Е, можно расчётным
и модуль объём-
При высоких нагрузках, наряду с всё возрастающей упругой
деформацией, появляется заметная необратимая, не исчезающая при
разгрузке пластическая деформация. Напряжение, при котором остаточная относительная деформация (при растяжении — удлинение)
достигает заданной величины (по ГОСТ — 0,2 %), называется услов-
ным пределом текучести и обозначается:
.
Важными свойствами материалов пары трения являются твердость и микротвердость материала. Твердость – сопротивление ма-
териала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела, которая определяется различными методами. Сопротивление пластической деформации особенно часто
оценивается по результатам испытаний на твёрдость путём вдавливания твёрдого наконечника в форме шарика (твёрдость по Бринеллю),
конуса (твёрдость по Роквеллу) или пирамиды (твёрдость по Вик-
керсу). Твёрдость по Бринеллю
метром
под нагрузкой P характеризует среднее сжимающее
при вдавливании шарика диа-
напряжение, условно вычисляемое на единицу поверхности шарового
отпечатка диаметром d:
Пластичность при растяжении конструкционных материалов
оценивается удлинением:
или сужением:
, при сжатии — укорочением:
, (где
и
— начальная и конечная вы-
сота образца).
Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распро-
странены испытания на растяжение, твердость, ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механичес-
43
кие свойства композиционных материалов, кроме того, важно
оценивать при испытаниях на сдвиг.
4.3. Некоторые аспекты механики разрушения материалов
Существо проблемы надежности заключается, в конечном счете, в изменчивости материалов и элементов во времени при заданных
условиях эксплуатации. Поэтому знание проблем надежности связано
с изучением представлений о процессах разрушения материалов, их
изменчивости во времени при заданных условиях эксплуатации.
Разрушение – один из видов нарушения прочности.
Нарушение прочности конструкции или ее отдельного элемента может
происходить в результате чрезмерной деформации, потери устойчивости, разрушения. Любой отказ возникает, как правило, в результате
постепенного накопления необратимых изменений в элементах (кроме
случаев непредвиденной концентрации нагрузок). Разрушение может
быть частичным или полным. При частичном разрушении в теле возникают повреждения в виде отдельных трещин или распределенной по
объему дефектности материала с изменением его механических свойств. При полном разрушении происходит разделение тела на части.
По своему характеру разрушение подразделяется на следующие виды:
пластическое. Происходит после существенной пластической деформации, протекающей по всему или почти по всему объему тела;
хрупкое. Происходит в результате распространения магистральной трещины после пластической деформации, сосредоточенной
в области действия механизма разрушения.
квазихрупкое.. Предполагает наличие пластической зоны перед краем трещины. Остальной, значительно больший по величине,
объем тела находится при этом в упругом состоянии.
усталостное. Происходит при повторно-циклическом нагружении в результате накопления необратимых повреждений.
коррозионное. Происходит за счет химических и электрохимических процессов и реакций. Коррозия часто не изменяет механические свойства материала, а приводит к постепенному равномерному уменьшению размеров нагруженной детали. В результате напряжения, действующие в опасном сечении, растут, и, когда они превысят
допустимый уровень, произойдет разрушение.
Разрушение материала может проходить по трем основным
механизмам: внутризеренное; вязкое; сколом:
внутризеренное разрушение — разрушение локализуется в от-
дельных зернах с последующим развитием. Часто этот процесс связан
с химическими сегрегациями;
44
вязкое разрушение — разрушение происходит в 3 стадии: сня-
тие сил сцепления, зарождение дефекта; рост полостей; слия-ние
полостей или наступление состояния неустойчивости.
скол — появившиеся дефекты развиваются в магистральную
трещину.
Реальное разрушение возможно как по любому из этих трех
механизмов, так и по любой их комбинации. Тип разрушения определяется как структурой материала, так и условиями нагружения или деформирования, температурой и т.п.
В механике разрушения исходят из того, что во всех твердых
телах всегда имеются разнообразные дефекты структуры (поры,
микротрещины, включения, дефекты изготовления и т.п.), которые
служат источниками трещин, что определенным образом влияет на
прочность детали. Под действием сравнительно небольших напряжений трещины могут увеличиться и привести к разрушению детали.
Как показывают некоторые исследования, достаточно иметь трещину
длиной 1мкм, чтобы практическая прочность при растяжении
снизилась в 10 раз. Таким образом, в теории исходят из того, что раз-
рушение твердых тел представляет собой процесс развития трещин.
Одна из наиболее важных характеристик конструкционного
материала — его сопротивление распространению трещин (или вяз-
кость разрушения). От того, насколько хорошо материал сопротивляется распространению трещин, зависит надежность работы конструкций. Твердые тела, выполненные из различных материалов, разрушаются при разной величине деформации и имеют различный характер
разрушения.
Разрушение носит хрупкий характер при малых деформациях
и происходит, как правило, без заметных пластических деформаций
(чугун, легированные стали, бетон, стекло, керамика и др.).
Пластический тип разрушения характерен для малоуглеродистых сталей, цветных металлов, пластмасс при наличии значительных
остаточных деформаций. Однако подразделение материалов по характеру разрушения на хрупкие и пластичные весьма условно, оно обычно относится к некоторым стандартным условиям эксплуатации. Один
и тот же материал может вести себя в зависимости от условий (температура, характер нагружения, технология изготовления и др.) как
хрупкий или как пластичный. Например, пластичные при нормальной
температуре материалы разрушаются как хрупкие при низких температурах.
Развитие трещины – сложный процесс и знание его закономерностей имеет огромное значение для практики. Наряду с оценкой чувствительности материалов к трещине, большое значение приобретает
анализ закономерностей развития трещины. Трещины начинают
развиваться задолго до полного разрушения при усталостном, пласти-
45
ческом и даже хрупком разрушении. Длительность процесса разруше-
G
Gc
ния, т.е. роста трещины до полного разрушения, занимает значительную часть «жизни» детали, доходя до 90% и выше. Главное при
эксплуатации детали не наличие у нее трещины, а темп ее роста.
Распространение фронта трещины определяется в функции некоторых
основных параметров, описывающих распределение напряжений, деформаций, температуры, электрического потенциала и т.д. вблизи
фронта трещины.
В настоящее время наиболее развиты теории, более или менее
хорошо описывающих поведение некоторых классов материалов в определенных условиях. Классические теории разрушения рассматривают мгновенный или критический характер разрушения (теория
Гриффитса) и постепенное разрушение, отвечающее статистической
теории хрупкой прочности (Журков С.Н. и Александров А.П.).
Согласно энергетическому критерию (
) разрушения Гриффитса
разрушение начинается и поддерживается, если освобождаю-щаяся
энергия достигает критического значения (
). Сущность
статистической теории состоит в том, что разрыв происходит не
одновременно по всей поверхности разрушения, а постепенно, начиная с самого опасного очага, на котором перенапряжение достигает
значения, сравнимого с величиной теоретической прочности. Затем
разрушение идет в новых дефектных местах.
Теория предельного состояния и теория хрупких трещин составляют основу современной механики разрушения. Эти теории дают
идеализированное описание свойств вязкого и хрупкого разрушения
(пластичности и хрупкости), которые в разной мере присущи всем
твердым телам. Теория предельных состояний связана с изучением
свойств материала и устанавливает зависимость между пределом текучести и напряжениями в металле при его пластической деформации.
Современные теории предельного состояния, основываются на утверждении, что пластическая деформация наступает тогда, когда разность
двух главных нормальных напряжений достигает предела текучести
деформируемого металла, для возникновения пластической деформации необходимо накопить в материале (металле) потенциальную
энергию упругой деформации.
Контрольные вопросы
1. Какие характеристики технической системы определяют уровень
эксплуатационной надежности
2. Какие характеристики материала определяют его прочность
3. Триботехнические характеристики конструкционных материалов и
их влияние на эксплуатационную надежность технических систем
4. Основные количественные характеристики деформации и
разрушения материалов, механизмы различных видов разрушения
46
ГЛАВА 5
ОСНОВНЫЕ ОПАСНОСТИ, СВЯЗАННЫЕ С
ПРОИЗВОДСТВОМ И ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Наряду с комплексом функциональных характеристик полимерных композиционных материалов (в том числе волокнистых),
определяющих их эксплуатационную надежность и безопасность, важное значение имеют их характеристики с точки зрения возникновения
опасных факторов на протяжении всего жизненного цикла. Эти характеристики включают целый ряд показателей, определяющих возможность воздействий на организм человека, окружающую среду, а также
на некоторые виды технических изделий, вызывая их коррозию или
другие нежелательные воздействия. Наиболее важными характеристиками опасных (рискообразующих) факторов при получении и эксплуатации полимерных композиционных материалов и изделий являются:
• •наличие в материале примесей, являющихся токсичными для
человека, которые могут оказывать как прямое воздействие на
жизнь и здоровье человека, так и оказывать воздействие путем попадания в воду, продукты питания, лекарственные препараты и
другие вещества или материалы, используемые в жизнедеятельности людей;
• •возможность образования токсичных веществ при производстве, эксплуатации и ликвидации при внешних термических, фотохимических, радиационных и других воздействиях на полимерные
композиционные материалы;
• •присутствие или образование в процессах эксплуатации полимерных композиционных материалов веществ, которые могут вызывать корродирующее воздействие на технические изделия.
Кроме того, важным фактором опасности при эксплуатации
полимерных композиционных материалов является возможность их
возгорания и горения, что обусловливает пожарную опасность.
5.1. Пожарная опасность полимерных композиционных
материалов
При производстве и использовании полимерных композиционных материалов в качестве различных конструкций и изделий, а также
при их транспортировке и хранении серьезным фактором опасности
является их горючесть (табл.I.3.). Большинство полимерных композиционных материалов при температуре 300–400ºC подвергаются термической деструкции, которая сопровождается дымообразованием и
выделением токсичных газов. Например, при горении кабелей проис-
47
Тип матрицы
Кислородный
индекс, КИ,% об.О
2
Коэффициент
дымообразования
при горении, м
3
/кг
Содержание водорода в
полимере, % масс.
Термопластичные матрицы
Полиэтилены
17-17,5
1280
14,4
Полипропилены
17
1960
14,4
Полиамиды алифатические (ПА-6,66)
15-20
320-800
9,5-12
Полиамиды ароматические (Фенилон,
СВМ, Nomex, Kevlar)
90-48
100-200
5-7
Полисульфоны, ПЭН, Udel
21
100-200
5-7
Полиэфирсульфоны
40
100-150
5-7
ПММА
17
350
8
ПЭЭК
40
50-60
4
Полистиролы
18
1000
7,7
ПВХ
до 49
950
4,8
ПФО, Арилокс, Noril
29-35
680
4,4
ПАИ, ПЭИ, Torlon,Ultem
До 95
190
0,9-2,0
Термореактивные отвержденные матрицы
Эпоксидные
18-25
1200
7,1-8,5
Фенолоальдегидные
40-45
60
6,6
Кремний-органические
30-40
270-370
5,7-7,8
Полиимидные (АПИ, PMR)
34-50
50-100
2-3
Таблица I.3. Горючесть полимерных матриц (Михайлин Ю.А., 2008 )
48
ходит выделение токсичных и коррозионно–активных продуктов: HCl,
HBr, SO
HCN, NH3, H2S, CO, альдегиды, фенолы и др. Высокая
2,
токсичность продуктов газовыделения является опасным фактором
для здоровья и жизни людей при пожарах в кабельных сетях в
метрополитене, жилых и общественных зданиях.
Временные стадии горения полимеров включают нагрев,
деструкцию, воспламенение и горение (рис I.13.).
Рис. I.13. – Зоны горения: 1 – зона пиролиза; 2 – поверхностная
зона; 3 – предпламенная зона; 4 – зона пламени; 5 – зона догорания
(Кодолов В.И.,, 1976)
Горение полимеров представляет собой сложный физикохимический процесс, включающий как химические реакции деструкции, сшивания и карбонизации полимера в конденсированной фазе (а
также химические реакции превращения и окисления газовых продуктов), так и физические процессы интенсивных тепло- и массопередачи.
Реакции в конденсированной фазе приводят к двум основным типам
продуктов: 1) газообразным веществам (горючим и негорючим) и 2)
твердым продуктам (углеродсодержащим и минеральным). При протекании реакции в газовой фазе в предпламенной области образуются
топливо для пламени, сажа и пр. (рис I.14.).
Рис. I.14. Схема возникновения опасности при горении полимерных
материалов
49
Опасными первичными факторами, воздействующими на
людей и материальные ценности при горении полимерных композиционных материалов, являются пламя и искры; повышенная температура окружающей среды; токсичные продукты горения и термического разложения; дым; пониженная концентрация кислорода. К
вторичным проявлениям опасных факторов при горении полимерных
композиционных материалов, воздействующим на людей и материальные ценности, относятся токсичные вещества и материалы,
вышедшие из разрушенных аппаратов и установок, опасные факторы
взрыва, происшедшего вследствие пожара, осколки, части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций и т.д. Композиционные материалы на основе термопластов чаще всего горят с
образованием горячих капель, что значительно ускоряет развитие
пожара. Наличие пористых материалов, даже инертных с точки зрения
их горючести, также способствует развитию пожара. Пористые материалы, соприкасаясь с расплавленными полимерами, пропитываются
ими, что поддерживает горение.
Предельно допустимым значением опасного фактора пожара
считается значение опасного фактора, воздействие которого на человека в течение критической продолжительности пожара не приводит к
травме, заболеванию или отклонению в состоянии здоровья человека в
течение нормативно установленного времени, а воздействие на материальные ценности не приводит к потере устойчивости объекта при
пожаре. Критическая продолжительность пожара — время, в течение которого достигается предельно допустимое значение опасного
фактора пожара в установленном режиме его изменения.
Пожарная опасность оценивается по показателям: горючесть,
воспламеняемость, распространение пламени, дымообразующая способность и токсичность. Состав атмосферы, при котором происходит
горение, оценивают минимальной (критической) мольной концентрацией кислорода, достаточной для поддержания самостоятельного горения. Выше этой концентрации самостоятельное горение возможно, а
ниже нет. Этот показатель называется кислородным индексом (КИ) и
характеризует горючесть данного материала (табл. I.3.). КИ имеет для
различных полимеров значения от 15 до 95. С увеличением КИ
горючесть материала уменьшается. Полимерные материалы счита-
ются: горючими — КИ меньше 25; самозатухающими — КИ больше
25, но меньше 32; трудногорючими — КИ больше 33, но меньше 50;
негорючими — КИ больше 50.
5.2. Токсическая и экологическая опасность при производстве
и применении полимерных композиционных материалов
При получении, эксплуатации и ликвидации полимерных композитов в результате термо- и фотохимической деструкции образу-
50
ются различные вещества, являющиеся опасными в санитарно-гигиеническом и токсикологическом отношении. При производстве ПКМ в
воздух рабочей зоны выделяется комплекс газо- и парообразных
химических веществ: исходные и промежуточные продукты, а также
различные побочные продукты синтеза и деструкции полимера. Основными летучими токсическими соединениями являются мономеры и
вещества их загрязняющие, органические растворители (используемые
в процессе синтеза), пластификаторы, катализаторы, стабилизаторы и
другие компоненты, а также продукты термической и термоокислительной деструкции, в том числе летучие металлсодержащие соединения, которые при вдыхании попадают в кровь и отрицательно влияют
на центральную нервную систему человека (табл. I.4.). Состав
продуктов деструкции зависит от состава и строения полимерного
композита, от введенных целевых добавок, от примесей, содержащихся в исходном сырье, от способа получения полимера и способа
переработки его в изделия, от условий, в которых протекает деструкция. К сильнодействующим ядовитым веществам относятся фосген и
цианид водорода, которые при дальнейшем горении при доступе воздуха превращаются: фосген — в оксид углерода и хлорид водорода, а
цианид водорода — в диоксид азота.
Санитарно-гигиенические и токсикологические характеристики волокнистых композиционных материалов в основном также
определяются соответствующими характеристиками их основных компонентов, главным образом полимерных матриц и вводимых в них
специальных добавок и наполнителей. Многие полимерные компоненты не обладают заметной токсичностью: волокнистые наполнители, термопластичные матрицы, однако они могут содержать остатки инициаторов полимеризации или непрореагировавших мономеров.
Хотя их содержание невелико, возможность применения волокнистых
композитов на основе термопластичных матриц в контакте с пищевыми продуктами, лекарственными средствами, кожей человека должно
специально оцениваться. Незначительное количество примесей содержат полиолефины, фторопласты, полиамиды, полиэтилентерефталат и
др. В случае термопластичных матриц имеется ряд компонентов,
обладающих опасными характеристиками, в том числе поликапроамид, полиуретаны и поливинилхлорид. В процессе синтеза поликапроамида остаются непрореагировавшими значительные количества εкапролактама и его циклических олигомеров (они образуют достаточно устойчивые циклы, находящиеся в равновесии с образующимся
полимером). Их удаление промывкой полимера или вакуумной отгонкой позволяет снизить содержание капролактама до 1-2%, что, тем не
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]