Cтраница 3
Строение трещин серебра позволяет сформулировать условия их появления в полимерах. Их появление определяется соотношением при данных условиях опыта между скоростью вынуж-денноэластической деформации в перенапряженных местах материала и скоростью роста трещин разрушения. С понижением температуры и увеличением скорости деформации предел вынужденной эластичности возрастает настолько, что образец разрушается раньше, чем успевают образоваться тяжи, и процесс идет только путем роста трещин разрушения. Переход от одного механизма разрушения к другому происходит постепенно: область трещины серебра впереди трещины разрушения все более сужается и при низких температурах и больших скоростях деформации - исчезает совсем. При обычной температуре исследования ( 20 С) у одних пластмасс ( полиметилметакрилат, поливинилацетат) разрушению предшествует образование трещин серебра, у других ( ацетат целлюлозы) наблюдается только хрупкое разрушение. [31]
Камбур [7.43] показал, что трещина начинает расти в том месте полимера, где происходит в малом объеме формирование материала, деформация которого происходит микронеоднородно и приводит к образованию большого числа малых сфероидальных пустот. Свежеобразованные поверхности многих полимерных стекол окрашены. Толщина поверхностного слоя в местах, где скорость роста трещины серебра близка к нулю ( перед остановкой роста трещины), для ПММА оказалась равной 0 68 мкм. При медленном росте трещины очень велика затрата упругой энергии на пластическую ( вынужденную высокоэластическую) деформацию. Поскольку механизм образования трещин серебра неизвестен [7.43], можно только предполагать, что работа пластической деформации, затрачиваемая на их образование, равна работе вынужденной высокоэластической деформации такого же объема материала. [32]
Следует заметить, что механизм разрушения одного и того же полимера может быть различным в зависимости от того, в какой области температур испытывается образец. Например, ниже температуры хрупкости большинство полимеров могут испытывать разрушение, протекающее как по атермическому ( гриффитовсшму), так и по термофлуктуационному механизму разрушения. Вблизи О К, где тепловое движение, по-видимому, не играет большой роли и не ( влияет на кинетику роста микротрещин, разрушение полимеров представляет собой атермичеокий процесс. При более высоких температурах ( но не выше Тхр), когда тепловые флуктуации определяющим образом влияют на долговечность, разрушение полимеров представляет собой термофлуктуа-ционный процесс. В случае твердых полимеров при температурах TxpTTg возможен как термофлуктуаци-онный, так и релаксационный механизм разрушения. Последний связан с образованием трещин серебра и возникновением вынужденно-эластических деформаций. Явление вынужденной эластичности, природа которого была выяснена Александровым [21], заключается в том, что под действием больших напряжений аморфный полимер, находящийся в стеклообразном состоянии, способен испытывать большие деформации. Остаточная деформация, возникшая в полимере, сохраняется, если он находится в стеклообразном состоянии, но исчезает, если его нагреть выше Tg. Лазуркина [22] было показано, что вынужденная эластичность имеет релаксационный характер. Долговечность полимера, находящегося в области температур, в которой возможна вынужденно-эластическая деформация, будет определяться в основном временем, в течение которого трещины серебра распространятся на значительную часть образца. [33]
Об очевидной технологической важности упрочнения хрупких полимеров с помощью управляемого процесса образования трещин серебра свидетельствует значительное число работ, посвященных этому вопросу. В последней книге Мансона и Сперлинга [192] дана глубокая разработка физических, химических, технологических и материаловедческих аспектов для смесей полимеров, пластиков, упроченных резиной, блоксополи-меров, привитых сополимеров, взаимопроникающих сетчатых полимеров и сплавов полимеров. За любой детальной информацией по этим системам читателю следует обратиться к этой книге. В трудах конференции по многофазным полимерным системам [193], состоявшейся в Бад-Нойгейме, также отражены вопросы синтеза, совместимости и механических свойств сополимеров и сплавов полимеров. Кроме того, там приведены ссылки на работы, посвященные отдельным аспектам рассматриваемых проблем. Аргон [152] и Реттинг [168] дали обзор образования трещин серебра в гетерогенных стеклообразных полимерах. [34]
По внешнему виду трещины серебра в полимерах ( рис. 9.8, а) подобны давно известным очень тонким трещинам, образующимся на поверхностях таких неорганических материалов, как керамика. Следовательно, области, содержащие трещины серебра, способны нести нагрузку в отличие от областей с обычными трещинами. Явлению образования трещин серебра в последние 30 лет уделялось все большее внимание. Литература, приведенная в данной монографии и включающая работы, посвященные явлению образования трещин серебра [78-178], в основном является дальнейшим развитием этих обзоров. [35]
Представляют интерес также измерения размеров зоны пластичности; для разных систем наблюдаются большие различия. Обычно Гу возрастает с температурой, а в случае волокна гу уменьшается независимо от степени адгезии к полимерной матрице. Сферы оказывают малое влияние на гу полимера, если адгезия высокая. При слабой адгезии гу возрастает. Это согласуется с уменьшением у, что наблюдается экспериментально. Размеры зоны пластичности можно оценивать из микроскопических наблюдений по изменению плотности и связанному с ним побелению образцов в результате образования трещин серебра и нарушения связей матрицы с наполнителем; найдено удовлетворительное согласие между наблюдаемыми и рассчитанными значениями гу. Можно предположить, что при довольно слабой межфазной связи происходит большее рассеяние энергии, чем в случае сильной связи. [36]
Так в полиметилметакрилате ширина трещины серебра достигает 25 мк, а в полистироле 550 мк. В процессе нагружения упругая деформация трещин серебра может превышать 100 %, после чего трещины серебра переходят в обычную трещину. Поэтому при расчете энергии роста трещин необходимо учитывать это обстоятельство. Кроме того, при разрушении наблюдается повышение температуры ( АГ) в процессе прорастания трещины. Это обусловлено, по мнению авторов 168, той оставшейся частью энергии, которую рассчитывали по Гриффитсу, вычитая энергию, расходуемую на образование трещин серебра и прорастание обычных трещин. [37]
Так, в полиметилметакрилате ширина трещины серебра достигает 25 мкг а в полистироле 550 мк. В процессе нагружения упругая деформация трещин серебра может превышать 100 %, после чего трещины серебра переходят в обычную трещину. Поэтому при расчете энергии роста трещин необходимо учитывать это обстоятельство. Кроме того, при разрушении наблюдается повышение температуры ( AT1) в процессе прорастания трещины. Это обусловлено, по мнению авторов 168, той оставшейся частью энергии, которую рассчитывали по Гриффитсу, вычитая энергию, расходуемую на образование трещин серебра и прорастание обычных трещин. [38]
Мы рассмотрим структуру и деформируемость твердых полимеров и попытаемся определить условия, при которых происходит упругое деформирование цепей ( гл. Затем мы рассмотрим существующие неморфологические теории разрушения с точки зрения нашей основной задачи ( гл. Молекулярное описание разрушения начинается с краткого расчета прочности основных связей ( гл. Это единственный раздел книги, где предпринята попытка дать исчерпывающий обзор существующей литературы по данному вопросу. Механические функции критической удельной энергии разрушения GIC и критического коэффициента интенсивности напряжений Kic объясняются не с точки зрения механики сплошной среды. Тот же подход использован для объяснения явления образования трещин серебра. В данной монографии также рассматриваются особенности распространения трещин на молекулярном и морфологическом уровнях и возможные критерии ослабления материала. В кинетической теории разрушения, как отмечено в предисловии, учитывается влияние дискретности материи, движения и свойств молекул или их частей в напряженном образце. В связи с этим возникает потребность в молекулярном описании структуры полимера и его деформатив ности. [39]
Однако образцы, предварительно ориентированные путем растяжения на 100 - 200 %, очевидно, обладают свойством локального деформационного упрочнения. О природе этого эффекта можно лишь выдвигать гипотезы, и, вероятно, она связана с образованием в предварительно ориентированных эластомерах частично-ориентированных микрофибрилл. В результате локального деформационного упрочнения микротрещины и оставшиеся дефекты образуют систему взаимосвязанных микропустот, а вытянутые фибриллы формируют большие отчетливо видимые полосы. Окружающие газы поглощаются вновь образованными поверхностями пустот. Поскольку микрофибриллы достаточно прочны, чтобы выдержать нагрузку, передаваемую на них, то деформированный образец не будет разрушаться, а все больше и больше дефектов будет превращаться в трещины серебра и полосы. Большая локальная деформация ( более 100 %) во всем объеме образца и сильное межмолекулярное притяжение между различными сегментами цепей вызывают сильное возбуждение вдоль оси цепи и разрыв тех ее сегментов, которые играют роль проходных молекул. Согласно упомянутым результатам, концентрация спинов при разрушении эластомеров в температурной области III сопоставима с их концентрацией, полученной для ПА-6. Не обнаружено ни полос, ни трещин серебра, указывающих, что данное деформационное упрочнение более эффективно, чем при меньшей степени предварительной ориентации. Очевидно, рост микропустот прекращается, затем они схлопываются с образованием трещин серебра. [40]