Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология послепечатных процессов. Учебно-методическое пособие
.pdf
3 . 2. Основы механики разрушения полимеров
Прочность и долговечность являются важнейшими свойствами
полимерных материалов. Прочность реальных материалов не является
материальной константой, так как зависит от многих факторов – времени или скорости действия нагрузки, температуры, вида напряженного состояния и др. Можно назвать две основные причины этого.
Первая – существование во всех реальных материалах структурных дефектов и прежде всего микротрещин. Вторая – термофлуктуационный механизм разрыва химических связей.
Соответственно этому возникли два подхода к прочности твердых тел механический и кинетический.
Механический подход имеет свои достоинства и недостатки. Так,
механика разрушения является основой инженерных методов расчета
прочности деталей и конструкций, находящихся в сложнонапряженном
состоянии. Математическая теория трещин, позволяющая рассчитывать перенапряжения вблизи микротрещины, является большим достижением механики разрушения. В то же время механический подход
оставляет в стороне физические атомно-молекулярные механизмы разрушения и физическую кинетику разрушения в целом.
Кинетический подход исходит из термофлуктуационного механизма разрушения, общего для всех твердых тел, в том числе и для полимеров. Суть этого механизма заключается в том, что химические связи
в полимере разрываются в результате локальных тепловых флуктуаций,
а приложенное напряжение увеличивает вероятность разрыва связей.
Предел прочности полимерных материалов невелик по сравнению с прочностью металлов и керамик. Как правило, термореактивные
полимеры (в которых имеется густая сетка поперечных связей) разрушаются хрупко. Проще говоря, процесс разрушения происходит таким
образом, что трещина образуется в области, в которой имеет место концентрация напряжений (т. е. царапины, надрезы и полости). Напряжения возрастают в вершине трещины, что приводит к ее распространению и, в конечном счете, к разрушению. При этом в момент разрушения
образца ковалентные связи в сетке или в структуре поперечных сшивок
разрываются.
Деструктирующее действие на полимеры могут оказывать и такие физические факторы, как свет, радиационные излучения, ультразвук и т. д. Химические реакции в полимерах вызываются также
51
действием света или излучений высоких энергий. При малой длине
волны световые кванты могут привести к отрыву боковых активных
атомов или групп от макромолекул или разрыв макромолекул. В результате инициируются цепные реакции деструкции или присоединения мономеров к макрорадикалам полимерных молекул. Обычно такие
изменения вызываются светом с длинами волн 230–410 нм. При повышении температуры резко ускоряется процесс деструкции, который
в этом случае называется фотолизом.
Особенно чувствительны к действию света тонкие пленки из полимеров. Так, пленки из полиэтилена, целлюлозы значительно быстрее
разрушаются при действии света. Увеличение интенсивности светового
потока ускоряет реакции фотодеструкции, что наблюдается, например,
при эксплуатации полимеров в южных районах, в горах, где увеличена
интенсивность световых потоков и ультрафиолетовых лучей. Под действием ультрафиолетового облучения меняется окраска целлюлозы и
ее эфиров, уменьшается их прочность.
Разрушение термопластичных полимеров может проходить как
по пластичному, так и по хрупкому механизму, причем для многих полимеров может наблюдаться переход от пластичного к хрупкому разрушению. Хрупкому разрушению способствуют такие факторы как понижение температуры и увеличение скорости деформации, а также
наличие острых надрезов, увеличение толщины образца и любая модификация химической структуры полимера, которая приводит к увеличению температуры стеклования (T
). Стеклообразные полимеры раз-
с
рушаются хрупко при температуре ниже температуры стеклования. Однако при повышении температуры в области перехода через температуру стеклования они становятся пластичными, и до момента разрушения деформируются с развитием пластических деформаций.
Теория механики разрушения твердых тел исходит из того факта,
что прочность любого материала, который не подвергался никакой технологической обработке, в десятки и сотни раз меньше его теоретической прочности, которую можно точно рассчитать исходя из энергии
взаимодействия атомов или ионов, если материал однороден по составу
и плотности, не имеет пор и капилляров.
Реальные материалы имеют многочисленные дефекты в своей
структуре – царапины, щербины, трещины и другие повреждения в поверхностных слоях, и меньшее их число внутри тела. Причину низкой
прочности реальных материалов теория механики разрушения объясняет
наличием многочисленных дефектов в их структуре. Совершенствуя
52
структуру материалов (в нитевидных кристаллах, в ориентированных
𝜎
кр#
=#√𝑙 = 𝐶
полимерах с повышенной степенью кристалличности), прочность самых
разнообразных материалов на один-два порядка удалось повысить.
Разрушение материалов происходит в результате развития в них
реальных дефектов. В процессе силовой обработки материалов и при
пользовании готовым изделием под действием различных по величине
и знаку нагрузок число и длина трещин возрастают. Рост трещин
в длину объясняется тем, что при приложении даже относительно небольшой внешней силы на концах трещин возникают максимальные
напряжения, способные привести к необратимым пластическим деформациям; наличие концентрации напряжений на концах трещин подтверждено современными методами исследований.
В течение всего срока жизни материала или конструкции трещины в них развиваются устойчиво. При росте трещин реакция материала проявляется в том, что для его разрушения требуются все меньшие нагрузки, а при постоянной нагрузке скорость развития трещин
возрастает. На ускоренное развитие трещин влияют также знакопеременные нагрузки, увеличение скорости приложения силы, понижение
температуры тела и наличие химически активной среды. Развитие трещин занимает значительный период, предшествующий разрушению,
так как в начале процесса скорость развития трещин в 10
7
–108 раз
меньше, чем на заключительном этапе.
Трещина может самопроизвольно расти лишь при достижении
некоторого критического размера
α
.
кр
Согласно А. А. Гриффитсу, общая картина разрушения складывается следующим образом. Твердые тела имеют трещины, которые являются следствием дефектов структуры и связанных с ними внутренних
напряжений, однако, в обычных условиях эти трещины не раскрываются, поскольку их размер меньше критического. При действии внешнего напряжения оно может сконцентрироваться в вершинах микротрещин до величины, достаточной для ее раскрытия. После того, как размер
трещины превысит α
рушения образца. Критическое напряжение
, она развивается необратимо с ускорением до раз-
кр
σ
в материале для трещины
кр
определенной длины можно вычислить по уравнению А. А. Гриффитса,
полученному им при использовании закона сохранения энергии:
, (3.3)
где l – длина трещины, м; С – константа материала.
53
В том случае, когда воздействие на образец материала не носит
ударного характера, т. е. скорость деформации невысока, в вершине
трещины может развиться пластическая деформация, если напряжение
достигнет предела текучести σ
. Это приводит к релаксации напряже-
т
ния и остановке роста трещины.
В случае хрупкого разрушения показатель С может быть определен из физико-механических характеристик материала.
Рост трещин может происходить по трем схемам нагружения деформируемых тел, как показано на рис. 3.1.
I II III
Рис. 3.1. Схемы нагружения твердых тел: I – отрывная;
II – форма поперечного сдвига; III – форма продольного сдвига
Первая форма нагружения характерна для раскрытой книги, изготовленной способом клеевого бесшвейного скрепления: в этом случае поверхности трещин расходятся прямо друг от друга. Когда пользователь разглаживает или перегибает книгу этот вид нагружения клеевого соединения листов блока может привести к его разрушению.
Вторая форма нагружения характерна для процессов тиснения,
гренирования, биговки, высечки, перфорации: в этом случае поверхности трещин скользят друг по другу перпендикулярно переднему краю
трещины.
Третья форма нагружения характерна для ножничного реза, используемого, например, в картонорубилках: поверхности трещин
скользят друг по другу в противоположных направлениях параллельно
переднему краю трещины.
54
К онтрольные вопросы
1. Что характеризует прочность полимеров?
2. Что определяет долговечность полимеров?
3. От чего зависят прочность и долговечность полиграфической
продукции?
4. Из-за
его происходит разрушение полимерного материала по
ч
теории Журкова?
5. Что
лежит в основе процесса разрушения твердых тел?
6. Что определяет долговечность материалов?
7. В чем заключается картина разрушения полимеров согласно
термофлуктационной теории?
8. Как рассматривает термофлуктационная теория разрушение?
9. Назовите основные причины разрушения материалов
10. В чем заключается механический подход к прочности твер-
дых тел?
11. Из какого подхода исходит термофлуктационный механиз
разрушения?
12. Чт
оказывает деструктирующее действие на полимеры?
о
13. По какому механизму происходит разрушение термопла-
стичных полимеров?
14. В чем заключается причина низкой прочности реальных ма-
териалов в соответствии с теорией механики разрушения?
15. Как согласно А .А. Гриффитсу складывается общая картина
разрушения?
16. По каким схемам нагружения деформируемых тел может
происходить рост трещин?
17. В чем заключается первая схема нагружения твердых тел
для чего она характерна?
18. В ч
ем заключается вторая схема нагружения твердых тел и
для чего она характерна?
19. В
ем заключается вторая схема нагружения твердых тел и
ч
для чего она характерна?
20. Ка
ие факторы оказывают действие на деструктирующее
к
действие полимерных материалов?
м
и
Т естовые задания
1. ___________ – это свойство материала сопротивляться разрушению
под действием механических напряжений.
2. Прочностное свойство, характеризующее продолжительность времени от момента нагружения до разрушения полимерного тела при сохранении постоянного напряжения, называется __________.
3. Деструктирующее действие на полимеры могут оказывать такие физические факторы, как:
А) свет
Б) радиационные излучения
В) ультразвук
Г) загрязнение окружающей среды
4. Кинетический подход исходит из __________________ механизма
разрушения, общего для всех твердых тел, в том числе и для полимеров.
5. Физико-механические показатели и внутренние напряжения, определяющие долговечность материалов, зависят:
А) от степени неоднородности надмолекулярной структуры
Б) дефектности надмолекулярной структуры.
В) характера переработки материалов
Г) от вида материала
6. Разрушение материалов происходит в результате:
А) развития в них реальных дефектов
Б) понижения температуры
В) повышения влажности
Г) загрязнения окружающей среды
7. В основе процесса разрушения твердых материалов лежит
______________, а разрушение материала – это процесс _____________
между атомами твердого тела.
56
8. Последовательность видов разрушения элементов книжных конструкций по частотности их возникновения в процессе эксплуатации,
начиная с наибольшей:
А) отделение первого или последнего листа тетради вместе с форзацем
Б) выпадение блока из переплетной крышки
В) разрушение форзаца по фальцу
Г) полное разрушение корешкового материала
9. Допустимое усилие раскрывания книги не должно превышать значения _____________ прочности материалов элементов конструкции.
10. Прочность склейки листов и тетрадей блока влияет:
А) на долговечность издания
Б) прочность издания
В) величину кантов
Г) энергоемкость
11. В материалах, нагружаемых по первой схеме нагружения, поверхности трещин расходятся ________________.
12. При второй схеме нагружения поверхности трещин ___________
друг по другу ___________ переднему краю трещины.
13. Третья форма нагружения характеризуется то, что поверхности трещины скользят друг по другу в _________________ направлениях
___________________ переднему краю трещины.
14. Первая форма нагружения характерна:
А) для раскрытой книги, скрепленной способом КБС
Б) ножничного реза
В) гренирования
Г) биговки
15. Вторая форма нагружения характерна:
А) для раскрытой книги, скрепленной способом КБС
Б) ножничного реза
В) высечки
Г) тиснения
57
16. Третья форма нагружения характерна:
А) для раскрытой книги, скрепленной способом КБС
Б) ножничного реза, используемого в картонорубилках
В) перфорации
Г) биговки
17. Прочность полимерного материалы выше при __________ раскрое.
18. Для прочности и долговечности скрепленной холодным клеем продукции играют значительную роль следующие факторы:
А) выбор клея
Б) нанесение клея
В) конструкция переплетной крышки
Г) качество сборки книги
19. В процессе разрушения книжного издания, скрепленного способом
КБС, происходит:
А) раскол книжного блока
Б) вырыв единичного листа из книжного блока
В) пожелтение листов книжного блока
Г) отрыв форзаца
20. Долговечность полимеров зависит:
А) от величины приложенной нагрузки
Б) времени действия нагрузки
В) температуры
Г) иных факторов
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Рис. 1. Симметричная
двухсгибная фальцовка
Лабораторная работа 1
ВЫПОЛНЕНИЕ ВРУЧНУЮ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ
ФАЛЬЦОВКИ (ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ,
ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОЙ, КОМБИНИРОВАННОЙ)
Теоретическая часть
По взаимному расположению сгибов фальцовку классифицируют как параллельную, перпендикулярную и комбинированную (параллельно- перпендикулярную или перпендикулярно-параллельную).
Во всех случаях фальцовка может быть симметричной (каждый
сгиб по середине листа) либо со смещением. Разновидностью фальцовки со смещением является фальцовка со шлейфом.
Виды параллельной фальцовки
При параллельной фальцовке сгибы всегда параллельны один
другому. Этот вариант включает четыре вида, которые могут по-разному сочетаться между собой.
При симметричной параллельной
фальцовке лист в каждой секции машины
фальцуется всякий раз параллельными сгибами на половину своей длины и длины
сфальцованной доли.
Таким образом, происходит последовательное складывание листа пополам по
одной стороне листа. Обычно это делается
по длинной стороне листа (рис. 1).
При фальцовке «в гармошку» лист
фальцуется в два и более параллельных
59
сгиба с получением в тетради фальцев, которые направлены в противоположные стороны с равными промежутками (рис. 2).
Рис. 2. Двух- и трехсгибная фальцовка «гармошкой»
При фальцовке «внамотку» фальцовка происходит в одном и том
же направлении, как бы «сматывая» внутрь лист (рис. 3).
Рис. 3. Двух- и трехсгибная фальцовка «в намотку»
Такого вида фальцовка может сочетаться с фальцовкой «гармошкой» (рис. 4).
Рис. 4. Комбинированная фальцовка «внамотку» и «гармошкой»
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]