Разрушение полимерных материалов. Приведем некоторые положения из [10, 27, 50, 80, 147]. Разрушение происходит через разрывы межатомных связей вследствие теплового движения, энергетические всплески (флуктуации) которого превышают энергию этих связей. При разрушении решающую роль играет разрыв химических связей, а при деформировании - межмолекулярных. Механическое разрушение - это термохимическая деструкция, облегченная механическим полем, ослабляющим силы связи.
При заданной нагрузке одновременно происходят два процесса: деформирование и разрушение. Протекают они с разной скоростью и обнаруживается гот процесс, для реализации которого требуется меньше времени. Деформирование происходит через перегруппировку, т.е. разрыв и последующее возникновение межмолекулярных связей. Эти связи разрываются тепловым движением атомов и их групп, вследствие всплесков тепловой энергии на данной связи.
На практике определяют прочностную или деформационную долговечность под нагрузкой при заданных напряжениях и температурах. Время до хрупкого разрушения называют прочностной долговечностью. Она определяется при разных видах нагрузки (одноосное растяжение, поперечный изгиб, срез, сжатие, кручение или их комбинация) под постоянным напряжением. Важную роль при исследовании прочностных характеристик играет масштабный фактор. А.П. Александров и С.Н. Журков показали, что вероятность наличия дефектов на поверхности пропорциональна линейному размеру поверхности.
Экспериментально определяются силовые, температурные и временные границы работоспособности пластмасс.
Опытные данные представляют в аррениусовой системе координат lgτ-1/T. Часто получают семейство изобар - пучок прямых, сходящихся в полюсе (рис. 2.6.).
Рис.2.8. Схема определения физических констант при разрушении образцов в различных напряженных состояниях
59
В механике полимеров принят кинетический термофлуктуационный подход к рассмотрению теории разрушения.
Формула С.Н. Журкова - А.П.Александрова для разрушения от размягчения представлена в виде (формула долговечности)
!!***!!
τ = τ mexp{[(U0 - γσ) / RT](1 - T / Tm)}
(2.9)
где τ m - минимальное время, за которое разрушается материал за одну тепловую флуктуацию при максимальной (предельной) температуре Тm вследствие флуктуации тепловой энергии; U0 - энергия разрыва межатомных связей (начальная энергия активации); γ - константа, показывающая, насколько эффективно механическое поле сил снижает энергетический барьер термофлуктуационного разрыва связей и зависящая от вида нагрузки и структуры материала, R = kNa
U0 = (c / a)ε*; γ = (c / a) (ae / Fy)
(2.10),
с - атомная теплоемкость; а - коэффициент теплового расширения; ε* - предельное расстояние между атомами, приводящее к разрыву межатомной связи; ае - коэффициент локальной нагрузки связей; Еy- модуль упругости, Na - число Авагадро; К - константа Больцмана.
Из формулы следует, что разрушение связей вызывается совместным действием теплового движения атомов и работы внешней силы, преодолевающих энергию связей. Выше температуры Тм материал не работает. Долговечность его τ m при этом минимальна, вклад нагрузки в разрушение связей отражается величиной γσ (работа механического поля). Остальную
(основную) часть работы производит тепловое движение, т.е. главным разрушающим фактором являются тепловые флуктуации.
Процесс разрушения полимеров включает следующие стадии: возбуждения и разрыва химических связей в основной цепи с образованием пар свободных радикалов; вторичные реакции с участием радикалов, закаливающиеся их гибелью; образование зародышевых трещин (субмикротрещины); их накопление и рост; образование магистральной трещины; развитие магистральной трещины до критической длины; разрушение со скоростью, близкой к скорости звука.
Время до начала резкого роста деформации, соответствующее началу критической ползучести образца, показывают деформационной долговечностью.
60
