Химия и физика полимеров - Тугов И.И.
ISBN 5—7245—0243—7
Скачать (прямая ссылка):
Отсюда следует, что при динамическом нагружении, так же как и при статическом, определяющим является напряжение и разрушение обусловлено термофлуктуационным распадом связей, наличием дефектов и релаксационными процессами.
Статический режим является более «мягким» по сравнению с динамическим несмотря на то, что в первом случае полимер все время находится в напряженном состоянии, а во втором — периодически разгружается. Причин, обусловливающих более низкую динамическую выносливость, несколько. Во-первых, это релаксационные (гистерезисные) потери. При статическом режиме процесс релаксации напряжения или деформации за время испытания протекает практически полностью до постоянных значений Ооо или всо. При периодических нагрузках за время деформации 1/(о (о> — частота) перенапряжения в полимере не успевают отрелаксировать и накапливаются с каждым циклом. С ростом частоты деформации гистерезисные потери возрастают и достигают максимума при условии т(о=1. Эти потери, как уже говорилось, оказывают одновременно и положительное влияние на долговечность, и отрицательное вследствие выделения тепла. При низкой теплопроводности полимеров и плохом отводе тепла саморазогрев может быть значительным. В зависимости ст режима нагружения гистерезисные потери, а следовательно, и степень саморазогрева будут изменяться с ростом модуля упругости полимера Е по-разному: с увеличением Е в режиме е0=
336
ig и
Рис. 5.42. Зависимость усталостной прочности Ох от числа циклов /V при динамическом нагружении в отсутствие (/) саморазогрева и при саморазогреве (2) (объяснение см. в тексте)
=const потери возрастают, в режиме оо=const — уменьшаются, а при = const не изменяются. Влияние саморазогрева на д и н а м и ч секу ю уст а л ость
1 1 II 1 HI
V 1
I
особенно значительно в об- щи
ласти средних значений
N и о (рис. 5.42). В области / образец выдерживает небольшое число циклов до разрушения, саморазогрев мал и #ц=/(оР), т. е. определяется кратковременной прочностью. В области III напряжение приближается к безопасному, релаксация протекает практически полностью и саморазогрев незначителен; Л'ц = = сот (т — время до разрушения). Область // характеризуется наибольшими гистерезисными потерями. Если учесть негативную роль саморазогрева, обусловленного гистерезисными потерями, то становится ясным, что в режиме ео=соп51 лучшей выносливостью будут обладать мягкие низкомодульные полимеры, а в режиме о0=соп51 — жесткие, высокомодульные.
Вторая причина снижения динамической выносливости по сравнению со статической — локальные разогревы в микрообластях у вершин микротрещии при их реете. Например, при неизменной средней температуре образца локальное повышение температуры при разрушении твердых органических полимеров составляет 120—200 К при скорости роста трещины 0,9—1,5 м/с. С повышением скорости роста трещины до 200—600 м/с локальные перегревы возрастают до 500 К у органических полимеров и до 3000 К у неорганических. В результате значительных локальных разогревов в микрообластях размером около 1 мкм прочность полимера в этой области снижается, что при нарастающем числе таких областей приводит к уменьшению динамической выносливости. Еще одной причиной снижения динамической выносливости являются механохимические реакции, сопровождающие деформирование и разрушение и приводящие к появлению в системе свободных радикалов, взаимодействующих с полимером, кислородом и т. д. Напряжение оказывает активирующее влияние на эти реакции. Ускорение химических реакций в полимерс под действием механического напряжения обусловлено увеличением внутренней энергии системы, смещением уровней энергии внутри- и межмолекулярных взаимодействий.
22—816
337
Например, при растяжении полимерных пленок внутренняя энергия увеличивается на несколько кДж/моль, при воздействии ударных волн — на десятки кДж/моль. Вследствие неоднородности структуры полимера избыточная энергия неравномерно распределяется по его объему. В аморфных участках и в областях, где находятся наиболее напряженные макромолекулы, плотность избыточной энергии может быть на один-дза порядка выше среднего уровня и делается равной энергии химических связей.
Механические напряжения могут ускорять химические процессы по многим причинам. Так, уменьшение энергии химических связей в напряженном материале вызывает уменьшение энергии активации химических реакций. Кроме того, при циклических нагрузках, когда время релаксации полимера больше продолжительности действия внешней силы, избыточная упругая энергия превращается в энергию колебательного возбуждения химических связей, что увеличивает их реакционную способность. Вследствие гистерезисных потерь в местах выделения избыточной' энергии развиваются высокие давление и температура, что также ускоряет химические процессы. Роль гистерезисных потерь иллюстрирует следующее уравнение:
ЛГЦ« (7?Г/Д?У) 1п (Ор/оо), (5.62)
где Д1/—изменение потенциального барьера разрушения за цикл; Д1/= ?2Д^ (Л<2— гистерезисные потери; $2— коэффициент, характеризующий долю гистерезисных потерь, расходуемых на изменение потенциального барьера разрушения.
