Химия и физика полимеров - Тугов И.И.
ISBN 5—7245—0243—7
Скачать (прямая ссылка):
JV«=tl>(//)+co3/o>. (5.64)
где \|*(//) — член, характеризующий скорость разрастания дефекта под влиянием механических факторов; Со3—концентрация озона; ю —частота нагру-
жеиин.
340
При ео<ео* ^(//)<Со3/(о и усталостная выносливость определяется концентрацией агрессивного агента, а при Co3 = const динамическая усталость повышается с ростом со; при жестких режимах нагружения выносливость определяется механическим фактором ф(Я), т. е. упругогистерезиснымн и прочностными свойствами. При высоких частотах нагружения гистерезисные потери минимальны и практически не изменяются, поэтому и динамическая долговечность в интервале скоростей 50—500 циклов в минуту также не изменяется.
Рассмотрим особенности динамической выносливости стеклообразных и высокоэластических материалов. В стеклообразном состоянии полимеры характеризуются высоким модулем упругости и очень малыми гистерезисными потерями. Для этих условий уравнение (5.62) будет иметь вид
Лц-ДЛп (ор/ао). (5.65)
Отсюда следует, что при незначительных локальных перегревах повышение температуры положительно сказывается на динамической выносливости. Существенное влияние оказывает и режим испытания: так, при Oo = const высокомодульные полимеры (е=о/?) характеризуются большей долговечностью. Поэтому пластмассы, которые в условиях эксплуатации находятся в стеклообразном состоянии, имеют большую динамическую выносливость в режиме ао = const. При многократных деформациях в режиме ео=const динамическая выносливость высокомодульных материалов снижается.
У полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии, гистерезисные потери намного выше по сравнению со стеклообразными. Поэтому все рецептурные и технологические факторы, приводящие к снижению потерь (замена каучука на более гибкий, повышение гибкости за счет введения небольшого количества пластификатора и др.), способствуют повышению динамической выносливости. Мягкие резины с невысоким модулем характеризуются большей выносливостью при работе в режиме e0 = const, а жесткие — в режиме oo = const. Наполнители, например технический углерод, оказывают сложное влияние на динамическую усталость: при ео^е0* определяющим фактором является способность наполнителя ускорять или иигибировать окисление, а при е0-*еокр влияние наполнителя на #ц зависит от его влияния на уровень гистерезисных потерь — чем в большей степени наполнитель увеличивает потери, тем больше снижаются усталостная прочность и динамическая выносливость.
Экспериментальное определение прочности полимеров в статических и динамических условиях показывает, что существует значительный разброс показателей. Из теории Гриффита следует, что прочность зависит от вида дефекта, его размера, фор-
341
Рис. 5.45. Распределение микро-трещин р(/0) по размерам /0
мы и места расположения. Поэтому разброс показателей является следствием многообразия дефектов и слабых мест в полимере. Статистическая теория прочности объясняет этот факт следующим образом:
1) в каждом теле есть дефекты разного вида, различной степени опасности, которые распределяются по объему статистически (рис. 5.45);
2) разрушение начинается с наиболее опасного дефекта;
3) с увеличением объема образца увеличивается число дефектов и вероятность наличия опасного дефекта;
4) поскольку распределение тепловых флуктуации по объему имеет случайный характер, с уменьшением объема образца вероятность термофлуктуанионного развития трещины снижается и прочность растет.
Таким образом, из статистической теории следует, что разброс показателей прочности является закономерным. Кривые распределения по прочности представлены на рис. 5.46. Центр тяжести площади, ограниченной кривой и осью абсцисс (точки ?4, В, С), характеризует среднюю прочность, а До', До", До'" — разброс показателей. С увеличением толщины образца увеличиваются среднее значение прочности и разброс показателей. Зависимость прочности от объема образца называют «масштабным фактором». Он характеризует не только кратковременную прочность, но и долговечность в статических и динамических условиях. В табл. 5.3 приведены данные о прочности капронового волокна в зависимости от длины наиболее опасной трещины /о-
Приведенные дан-
/XV ные еще раз подчерки-
вают существенную роль дефектов в снижении реальной проч-
Рис. 5.46. Кривые распределения р(ор) по Ор для образцов сшитых эластомеров (СКС-30) различной толщины:
/ — 2.2 мм; Г—1.2 мм; 3 — 0.4 мм
Ор,МПа
342
Таблица 5.3. Зависимость прочности Капронового волокна от длины трещины
/с-Ю*. мм
29 142 6
2,8 422 20
1.8 512 31
1,3 585 36
0,9 690 39
0,6 820 43
0,3 1050 57
0.2 1230 77
макротрещины микротрешииы
субмикротрещины
Примечание коэффициент концентрации напряжений.
иости по сравнению с предельно достижимой оп. Особенно значительно снижаются прочность и относительная деформация при разрыве ср при наличии грубых дефектов — макротрещин. Прочность полимеров, в которых имеются субмикротрещины, ближе к предельной.
Итак, разрушение полимеров под действием нагрузки происходит в результате проскальзывания макромолекул относительно друг друга и разрыва химических связей (назовем это механическим фактором) и сопровождается необратимым изменением структуры вследствие интенсивного протекания механохимических реакций (химический фактор). Прочность повышается с ростом степени ориентации макромолекул в направлении действия силы и снижается с увеличением дефектности материала.
