Тара и ее производство - Ефремов Н.Ф.
ISBN 5-8122-0274-5
Скачать (прямая ссылка):
Выносливостью называют число циклов нагружения до разрушения при заданном значении амплитуды напряжения.
Числовые значения показателей прочности зависят от вида напряженного состояния (растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб и др.). скорости нагружения, температуры и других факторов.
Применительно к полимерам решение основных задач теории прочности — создания методов прочностных расчетов конструкций — базируется на многочисленных экспериментальных данных о поведении полимеров в разнообразных схемах и режимах нагружения, имитирующих условия эксплуатации. Наибольшее распространение в теории прочности получили механический, термодинамический и кинетический подходы.
При механическом подходе процесс появления пластических деформаций и разрушения в различных напряженных состояниях анализируют по значениям характеристик
91
прочности, полученных для простых видов напряженного состояния. Напряженное состояние в любой точке тела представляется в виде тензора напряжений, состоящего в общем случае из шести независимых компонент. Если известны значения всех компонент тензора, можно рассчитать нормальные и касательные напряжения, действующие на любую плоскую площадку, проходящую через рассматриваемую точку. Разрушение происходит при различных комбинациях значений компонент тензора напряжений. Каждая из этих комбинаций определяет предельное (критическое) состояние материала. Критерием прочности является функция, описывающая все предельные состояния при различных видах напряженного состояния. Геометрически такой критерий прочности представляют в виде поверхности предельных состояний в пространстве. Существует несколько теорий предельных состояний, по которым определяют форму предельных поверхностей. Это теории максимального нормального напряжения, максимального удлинения, предельного значения упругой энергии деформирования и др.
При термодинамическом подходе разрушение рассматривают как процесс достижения критического (предельного) значения энергии, запасенной в твердом теле при деформировании. Из первого начала термодинамики следует, что изменение запасенной упругой энергии 5W напряженного образца в процессе деформирования и роста трещины частично расходуется на увеличение свободной поверхностной энергии dE, а частично необратимо рассеивается в виде тепловых механических потерь SQ.
При разрушении твердых тел различают следующие виды механических потерь: деформационные, динамические, рассеяние упругой энергии при деформации и разрыве межатомных связей.
Для полимеров главными являются деформационные потери, обусловленные внутренним трением при обратимых и
92
пластических деформациях. Они связаны с различными релаксационными процессами и объясняются многообразными формами теплового движения — сегментальной подвижностью, подвижностью элементов надмолекулярной структуры и др. Деформационные потери особенно велики в вершинах микротрещин, на границах дефектов и в других местах перенапряжений.
Динамические потери вызваны переходом части упругой энергии деформирования в кинетическую энергию движения
стенок растущей трещины.
Эти два вида потерь происходят в объеме материала. Потери от рассеяния упругой энергии относят к поверхностным потерям. Они локализованы у вершин микротрещин на границе перехода от свободной поверхности к сплошной среде и связаны с тем, что разрыву химических связей предшествует квазистатический процесс их растяжения. При этом значение квазиупругой силы межатомных связей возрастает до предельного разрывного значения. При разрыве связей атомы оказываются на свободной образовавшейся поверхности стенок микротрещины и рассеивают избыточную энергию в виде неравновесных тепловых колебаний.
При температурах ниже температуры хрупкости Гхр разрушение полимеров происходит по механизму, изложенному в теории хрупкого разрушения упругих сил. Очагами разрушения обычно являются микротрещины начальным размером более 0,1 мкм, служащие концентраторами напряжений. Напряжение а. необходимое для развития трещины в упругом теле до критической длины, после чего тело мгновенно разделяется на части, связано со свойствами тела и размерами трещины уравнением Гриффита
где Є — модуль Юнга; Un — удельная энергия разрушения, связанная с поверхностной энергией тела; L — половина длины трещины.
(4.35)
93
В области температур выше Tx^ существенную роль в разрушении начинают играть релаксационные процессы. Благодаря появившейся сегментальной подвижности макромолекул акту разрыва связей может предшествовать локальная вынужденная высокоэластическая деформация, снижающая перенапряжение в областях, прилегающих к микротрещине. Такая локальная деформация сопровождается процессом местной ориентации цепей макромолекул. Возникают зоны деформационного микрорасслоения материала на высокоориентированные пучки цепей макромолекул (тяжи) и на участки с меньшей плотностью (рис. 4.8, б). Эти зоны получили название «трещины серебра* [8]. По своей сути «трещины серебра» не являются настоящими трещинами, поскольку не имеют раскрытых створок и не приводят к образованию поверхности разрушения. Тяжи не позволяют раскрыться «трещине серебра», поэтому напряжение у ее вершины не возрастает по мере углубления такой трещины в материал, а нагрузка распределяется практически равномерно по сечению образца. Полимер с «трещинами серебра» может иметь высокую долговечность.
