Теория гриффитса для хрупкого разрушения реферат
Обновлено: 03.07.2024
Вопросы прочности и разрушения твердых тел изучаются различными специалистами: теоретиками в области физики твердого тела, физиками-экспериментаторами, металлургами и инженерами, изыскивающими пути улучшения механических свойств конструкционных материалов.
Физиками-теоретиками было установлено, что величина сил притяжения и отталкивания между атомами зависит от межатомного расстояния.
На рис.22.10 показана зависимость сил взаимодействия атомов от межатомного расстояния. Кривая 1 – сила притяжения между атомами, кривая 2 – сила отталкивания, кривая 3 – результирующая сила. Через обозначено межатомное расстояние, - половина длины волны аппроксимирующей синусоиды. При малых межатомных расстояниях наклон кривой силы отталкивания больше, чем кривой притяжения, поэтому наклон кривой суммарного взаимодействия положителен (для малых расстояний) и его значение становится равным нулю при достижении межатомного расстояния , соответствующего условию равновесия двух атомов при действии силы сцепления. Притяжение атомов есть результат низкоэнергетического состояния валентных электронов, тогда как причиной отталкивания является перекрытие заполненных уровней, происходящее по мере уменьшения расстояния между соседними атомами.
Для того чтобы увеличить расстояние между атомами, находящимися в равновесии, на величину , необходимо приложить растягивающее напряжение. Считая силу взаимодействия равной этому напряжению, его можно приближенно выразить в виде гармонической функции расстояния
, (22.14)
где - теоретическая прочность сцепления атомов.
Напряжению и перемещению соответствует работа на единицу площади, равная при разрушении площади под отрезком кривой напряжения в пределах от =0 до . Таким образом,
. (22.15)
Если энергия на единицу площади, расходуемая при создании новой поверхности, равная , связана исключительно с работой разрушения, то
. (22.16)
В случае малых перемещений в области линейной упругости справедливы уравнения (22.14), с одной стороны, и закон Гука, с другой стороны, т.е.
. (22.17)
Исключая , получим , что в комбинации с уравнением (22.16) дает выражение для теоретической прочности:
. (22.18)
Если из рассчитываемого материала изготовить образец и разрушить его, то можно получить значение технической или экспериментальной прочности. Сопоставление ее с теоретической прочностью показывает, что техническая прочность в десятки и даже сотни раз меньше теоретической. Объяснение столь резкой разницы впервые было дано в 1920 г. академиком А.Ф.Иоффе на следующем примере: им были испытаны два кристалла поваренной соли, второй из которых он выдерживал некоторое время в горячей воде. Если прочность первого кристалла равнялась нескольким мегапаскалям, то прочность второго была более высокой – около 2000 МПа, что лишь в два раза меньше теоретического значения прочности для поваренной соли.
Такое существенное различие в экспериментальных прочностях объясняется тем, что первый образец имел большое количество поверхностных дефектов (щербины, царапины, трещины), второй же образец, лишившись поверхностного слоя, освободился от них. Отсюда вывод: чем совершеннее структура материала, тем ближе его техническая прочность к теоретической.
Эксперименты по упрочнению кристаллов, а также многочисленные случаи преждевременного разрушения конструкций и сооружений при напряжениях, значительно меньших расчетных, показали, недостаточность развитых представлений о прочности как о постоянной материала. Такое значительное различие между теоретической и реальной прочностью материалов на современном уровне объясняется следующими факторами:
- значительными отклонениями от строгого, регулярного расположения атомов в кристаллической решетке материала, т.е. дефектностью структуры материала;
- технологическими нарушениями сплошности материала – трещинами.
Несоответствие между теоретической прочностью межатомных связей и экспериментальной прочностью натолкнуло английского ученого А.Гриффитса на мысль, что большое расхождение в прочностях объясняется наличием мелких трещин в однородном материале, которые приводят к большой концентрации напряжений в упругом состоянии. Появившиеся в 1921 и 1924 гг. работы Гриффитса по теории трещин считаются основополагающими в области теоретических исследований механики разрушения.
Рассмотрим бесконечную пластину единичной толщины с центральной поперечной трещиной длиной 2 . Края трещины неподвижны, а напряжение в ней равно (рис.22.3, а).
Если пластина нагружена до более высокого напряжения, то при увеличении длины трещины на величину освободится большая энергия. Гриффитс предположил, что трещина будет расти лишь в том случае, если освобождаемая при этом энергия достаточна для обеспечения всех затрат энергии, связанных с этим ростом. В противном случае необходимо увеличить напряжение. Треугольник ODE иллюстрирует энергию, выделяемую при распространении трещины.
Условие, необходимое для роста трещины, следующее:
, (22.19)
где - упругая энергия;
- энергия, необходимая для роста трещины.
Основываясь на расчетах, Гриффитс получил выражение для в виде
(22.20)
на единицу толщины пластины, где - модуль упругости первого рода.
Величину называют скоростью высвобождения упругой энергии, или трещинодвижущей силой.
Поверхностная энергия пластины, связанная с наличием в ней трещины:
, (22.21)
где - удельное поверхностное натяжение, вводимое для твердого тела по аналогии с таким же понятием для жидкости.
Энергию, расходуемую на распространение трещины, найдем как
. (22.22)
Приравнивая правые части (22.20) и (22.22), получим
. (22.23)
Вследствие этого возникает хрупкое разрушение, которое характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений
. (22.24)
Из анализа уравнений (22.20) и (22.22) видно, что трещина, достигнув критической длины при напряжении , становится неустойчивой.
Этот коэффициент имеет размерность Н/мм 3/2 .
Графическое изображение критического состояния представлено на рис.22.12. Из графика видно, что при напряжении меньше критического трещина развиваться не будет. При достижении критического напряжения трещина начинает развиваться неустойчиво.
Энергетический метод Гриффитса для идеально хрупких материалов позволяет отвлечься от детального анализа механизма разрыва межатомных связей в конце трещины и установить феноменологическую связь между внешними и внутренними силовыми факторами.
Силовой критерий разрушения – K1c
Гриффитс вывел свое уравнение для стекла – очень хрупкого материала. Он предполагал, что величина , т.е. энергия, расходуемая на распространение трещины, определяется только поверхностной энергией. В вязких материалах, например, металлах, при вершине трещины образуются пластические деформации. Для образования новой зоны пластических деформаций при вершине трещины необходима большая энергия.
Модель развития трещины для пластического материала показана на рис.22.13.
Предполагается, что при нагружении пластины с надрезом в зоне надреза на расстоянии от края пластины появляется пластическая зона диаметром , в которой действует постоянное напряжение. По мере удаления от этой зоны напряжение падает. Поскольку пластическая зона должна быть образована в процессе роста трещины, то энергию, необходимую для распространения трещины, считают равной энергии, необходимой для образования этой трещины. Это означает, что в металлах величина определяется главным образом энергией деформации в пластической зоне; поверхностная энергия в этом случае настолько мала, что ею пренебрегают. Исходя из этих соображений, американский ученый Д.Ирвин, развивая идею Гриффитса, предложил величину
(22.25)
назвать силой, необходимой для распространения трещины на 1 см. Если сила распространения трещины превысит критическое значение , то трещина будет распространяться самопроизвольно. Таким образом, критерием разрушения является
. (22.26)
Для плоского напряженного состояния
, (22.27)
а при плоском деформированном состоянии
, (22.28)
где - коэффициент Пуассона материала;
- длина трещины, мм;
- действующее напряжение, МПа;
- модуль упругости первого рода материала, МПа.
Величина достигает своего критического значения при критическом значении , т.е. опасность разрушения определяется величиной . Если в это произведение включить , то получим ту же зависимость, которая в свое время была получена Гриффитсом:
, (22.29)
Предельное значение коэффициента Ирвин обозначил через и назвал коэффициентом вязкости разрушения.
Величина играет в механике разрушения доминирующую роль, определяя вязкость разрушения материала при достижении критической интенсивности напряжения. Коэффициент имеет размерность Н/мм 3/2 .
Важность данной характеристики общепризнанна. Сложность этого мероприятия состоит в трудоемкости методов оценки , особенно для пластических материалов и сплавов, поскольку требуются испытания образцов чрезвычайно больших размеров. Так, для стали с пределом прочности 500. 700 МПа для создания плоской деформации при комнатной температуре необходимо проводить испытания на образцах толщиной 250 мм, высотой 610 мм, шириной 635 мм, для титановых сплавов соответственно мм.
В настоящее время используются два метода определения коэффициента вязкости разрушения : статический и циклический.
, (22.30)
где - калибровочный коэффициент, определяемый характером нагружения, размерами образца и надреза трещины;
- напряжение в опасном сечении, соответствующее началу разрушения образца;
- критическая длина трещины.
Исследованиями установлено, что чем больше толщина образца, тем меньше зона пластической деформации и тем быстрее происходит процесс хрупкого разрушения методом отрыва, т.е. вершина трещины образца находится ближе к плоскому напряженному состоянию, чем к плоскому деформированному состоянию.
Поскольку значения являются искомыми, толщина образца предварительно выбирается в зависимости от отношения . В табл.22.1 представлены рекомендуемые толщины образцов в зависимости от .
Хрупкое разрушение связано с возникновением в материале трещин, инициированных дефектами в структуре материала, состоянием поверхности в результате обработки или коррозии, действием повторно-переменных нагрузок (усталостные трещины) и т. п. Возникшие трещины сначала развиваются во времени медленно, а потом – быстро. Рост трещин со временем может происходить и при постоянной нагрузке.
Первые основополагающие исследования о развитии хрупких трещин связывают с именем А. Гриффитса, который рассмотрел условия развития единичной трещины в пластине бесконечных размеров и единичной толщины, находящейся в условиях одноосного растяжения (рис. 2.1). При этом требовалось установить, при каком значении внешнего напряжения σ=σкр, приложенного к пластине на бесконечности, трещина с начальной длиной 2l станет неустойчивой, т.е. начнет быстро распространяться при постоянном внешнем напряжении σ.
Рис.2.1. Растяжение плоскости с одиночной трещиной (задача Гриффитса)
Для расширения трещины нужно затратить некоторую работу на преодоление сил взаимодействия соседних слоев. Обозначим через γ работу, необходимую для образования единицы новой поверхности. Тогда поверхностная энергия рассматриваемой пластины, обусловленная образованием трещины:
Значение γ (плотность поверхностной энергии) можно считать константой материала. Ее определяют экспериментально.
Потенциальная энергия деформации пластины в связи с образованием в ней трещины уменьшается на величину
представляющую собой разность потенциальных энергий деформации пластины без трещины и с трещиной в виде вытянутого эллипса.
Исходя из закона сохранения энергии, А. Гриффитс предложил следующую формулировку критерия разрушения: трещина начинает распространяться в том случае, когда при вариации ее длины >0 приращение поверхностной энергии компенсируется соответствующим количеством потенциальной энергии деформации (полагают, что другие виды энергии отсутствуют):
где с учетом (2.1) и (2.2)
Приращение поверхностной энергии δГ — величина положительная: она характеризует увеличение внутренней энергии тела, в то время как приращение потенциальной энергии деформации δW — величина отрицательная, так как эта часть энергии выделяется телом (благодаря релаксации напряжений в связи с появлением новых, свободных от нагрузки поверхностей тела). Подставляя (2.4) и (2.5) в (2.3), получим
В случае плоской деформации (когда εz= 0) в последней формуле следует модуль упругости Е заменить на Е/(1 – μ 2 ). Тогда
Формулы (2.7), (2.8) определяют критическое напряжение, при котором происходит самопроизвольный, без дополнительной работы внешних сил, рост имеющейся в теле трещины длиной 2l.
Рассмотренная теория Гриффитса не учитывает докритического роста трещины, наблюдаемого экспериментально. Однако эта теория заслуживает большого внимания, поскольку она позволяет выразить хрупкую прочность через физические и механические свойства материала, и показывает, что максимальная разрушающая нагрузка имеет место не при возникновении трещины, а после достижения ею некоторых критических размеров. Последнее свидетельствует о том, что существуют безопасные, неразвивающиеся трещины, которые, однако, могут перейти в опасные за счет охрупчивания материала, в результате понижения температуры, динамического действия нагрузки, старения материала
и т. п.
Таким образом, из теории Гриффитса следует, что наличие в той или иной детали трещины еще не свидетельство немедленного выхода детали из строя. В принципе, возможно по критическому значению длины трещины и характеру внешней нагрузки, вводя соответствующий запас на наличие трещины, устанавливать допуск на размер трещины, с которой деталь может работать заданное время. Поскольку не каждая трещина опасна, механика разрушения может развиваться как наука, создающая надежные методы защиты конструкций от хрупкого разрушения.
Теорию Гриффитса можно применять также для металлов и сплавов, обладающих некоторой пластичностью. В этих случаях следует учитывать энергию, которая расходуется на пластическое деформирование. Как показывают опыты, пластическая деформация развивается вблизи вершины трещины в сравнительно тонком слое, окаймляющем ее. Толщина слоя пластически деформированного металла зависит от условий нагружения, свойств материала и может составлять от нескольких десятков микрометров до десятых долей миллиметра.
Е. Орован и Д. Ирвин на основе концепции энергетического баланса Гриффитса предложили дополнительно учесть энергию пластического деформирования, введя в формулу (2.7) вместо истинной удельной поверхностной энергии γ эффективную поверхностную энергию γэф = γ + γр, где γр – работа пластического деформирования при образовании единицы поверхности. Такой подход позволил перейти от идеального материала в схеме Гриффитса к реальным металлическим материалам. Схема квазихрупкого разрушения позволила перевести модель А.Гриффитса в разряд инженерных представлений, в которых трудновоспринимаемая величина поверхностной энергии тела заменяется на эффективную удельную энергию разрушения, доступной для экспериментального определения.
Таким образом, условие квазихрупкого разрушения металлов принимает вид
Опыты показывают, что для сталей γр≈10 3 γ. Следовательно, в (2.9) можно пренебречь величиной γ и принять γэф ≈ γр. Заметим, что γp ~ 200 Дж/м 2 , a γ~0,l Дж/м 2 .
Отметим, что использование энергетического критерия Гриффитса
не требует рассмотрения явлений, происходящих в малой окрестности конца трещины. При его применении оперируют с величинами энергий и их разностями для всего тела в целом. Поэтому в общем случае энергетический критерий разрушения является необходимым условием разрушения, но не достаточным. Необходимое количество энергий разного вида может присутствовать, но для реализации их взаимного перераспределения надо еще наличие достаточного условия, например достижение напряжением у вершины трещины величины теоретической прочности.
разрыв сдвиг срез
Рис.2.2. Типы растрескивания
В развитии трещины различают три простейших типа смещения ее берегов относительно друг друга в соответствии с действием различных внешних нагрузок (рис. 2.2). При деформации растяжения (схема I) возникает трещина отрыва, когда ее поверхности смещаются (расходятся) в направлениях, перпендикулярных к поверхности трещины; при деформации поперечного сдвига (схема II) поверхности берегов трещины смещаются поперек ее передней кромки; при нагрузке по схеме III образуются трещины продольного сдвига, при котором точки поверхности трещины смещаются вдоль ее передней кромки. Очевидно, если на тело с трещиной действует произвольная нагрузка в области применимости закона Гука, на основании принципа суперпозиции любое смещение берегов развивающейся трещины можно представить в виде суммы приведенных трех типов смещений.
Наиболее опасным и распространённым в технике является первый тип трещины, поэтому ограничимся рассмотрением напряжений в зоне вершины трещины именно этого типа.
Рассмотрим задачу о трещине типа I (рис. 2.3). На рисунке изображена бесконечная пластина, находящаяся под действием растягивающего напряжения σ, которое вызывается приложенными в бесконечности силами.
Рис.2.3. Трещина в бесконечной пластине
Нормальные напряжения, действующие на элементе dxdy, вычисляются следующим образом:
σz = 0 (плоское напряженное состояние),
Для других типов трещин также получены выражения для напряжений, аналогичные формулам (2.10). Приведённое решение в силу его простоты является одним из основных в механике разрушения.
Раскрытие трещины в твердом теле может быть осуществлено тремя различными путями. При нормальных напряжениях возникает трещина типа разрыв (тип I) (рис. 11.7, а), когда берега трещины перемещаются перпендикулярно плоскости трещины. При плоском сдвиге образуется трещина типа сдвиг (тип II) (рис. 11.7, б) — перемещения берегов трещины происходят в плоскости и перпендикулярно ее фронтальной линии… Читать ещё >
Теории роста трещин ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )
Значительную часть теории разрушения составляет теория роста трещин. Экспериментальные обследования различных объектов показывают, что все реальные конструкции в той или иной степени содержат дефекты. Наиболее распространенный вид дефектов — это трещины, которые могут длительное время присутствовать в напряженной конструкции и не проявлять стремления к заметному росту.
Известны многочисленные примеры разрушений различных конструкций (трубопроводов, паровых котлов, кораблей, самолетов и т. д. ), связанные с развитием трещин. При определенных условиях изначально едва заметные трещины начинают стремительно расти, вызывая разрушение конструкции. Возникает проблема оценки прочности конструкций с дефектами в виде трещин и установления условий их роста.
Постараемся выяснить, при каких условиях может начаться самопроизвольный рост трещин, вызывающий хрупкое разрушение. В 1920 г. английский исследователь А. Гриффитс [1] в результате опытов со стеклянными волокнами высказал мысль, что именно наличием мелких трещин объясняется большое расхождение между теоретической и реальной прочностью материала. Для объяснения этого эффекта им была предложена теория роста трещин, основанная на энергетических соотношениях.
Рассмотрим плоский образец толщиной h с трещиной длиной 2/ (рис. 11.5, а), размеры которой много меньше характерных размеров образца. При одноосном растяжении аналогичного образца без трещины с напряжением, равным а, удельная потенциальная энергия в материале образца составит.
Рис. 11.5. К выводу формулы Гриффитса.
Если на предварительно напряженном образце сделать аналогичную прорезь длиной 2/, то в результате действия растягивающих напряжений края (берега) трещины разойдутся, образуя щель. При этом некоторая часть потенциальной энергии, накопленной в образце, высвободится. Оцепим величину высвобождаемой энергии.
Значение удельной энергии U0 в основном объеме образца можно считать не претерпевшим изменений, за исключением некоторой локальной области, примыкающей к разрезу, показанной на рис. 11.5, б в форме круга с диаметром, равным длине трещины. На основании этого предполагаем, что объем, в котором собственно и произошло высвобождение энергии, будет пропорционален nl 2 h. Отсюда вытекает следующая оценка величины энергии, высвободившейся за счет раскрытия трещины:
Будем считать, что часть высвободившейся энергии может быть затрачена на разрушение связей между частицами материала в районе трещины. Работа, связанная с образованием двух берегов трещины общей площадью 2//?, будет равна.
где у — удельное поверхностное натяжение, вводимое для твердого тела по аналогии с таким же понятием для жидкости. Величина у подлежит экспериментальному определению. Условие, необходимое для дальнейшего роста трещины на величину dl, запишем в следующем виде:
Отсюда следует следующее соотношение:
Согласно соотношению (11.17) при заданном напряжении, а трещина становится способной к дальнейшему росту, достигнув критической длины /.:
Таким образом, при дальнейшем увеличении напряжения происходит рост трещины, который в итоге может привести к хрупкому разрушению образца. Хрупкое разрушение характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений
Коэффициент Kj имеет размерность [Н/мм 3/2 ].
Метод Гриффитса был изначально предложен для идеально хрупких материалов и позволяет, отвлекаясь от детального анализа механизма разрыва межатомных связей в конце трещины, установить феноменологическую связь между внешними и внутренними силовыми факторами. Однако для большинства применяемых в машиностроении материалов, например металлов, в вершинах трещины в результате концентраций напряжений возникают пластические области (рис. 11.5, в), что усложняет процесс роста трещин.
Кратко ознакомимся с теориями, которые учитывают местный характер зарождения и роста трещин. Рассмотрим твердое тело, в котором существует местный разрез, ограниченный гладкой кривой S (рис. 11.6, а).
В плоскости хОу рассмотрим точку О и лежащую в ее малой окрестности произвольную точку А. Положение точки Л определяется углом 0 и радиусом р (рис. 11.6, б). Положим, что в точке О кривой S кривизна контура настолько мала, что изменяемость напряжений в ее нормальной к хОу пло;
Рис. 11.6. Твердое тело с местным разрезом.
скости можно считать намного большей, чем изменяемость в направлении касательной Ог. Данное предположение дает возможность рассмотреть задачу в плоской постановке.
Раскрытие трещины в твердом теле может быть осуществлено тремя различными путями. При нормальных напряжениях возникает трещина типа разрыв (тип I) (рис. 11.7, а), когда берега трещины перемещаются перпендикулярно плоскости трещины. При плоском сдвиге образуется трещина типа сдвиг (тип II) (рис. 11.7, б) — перемещения берегов трещины происходят в плоскости и перпендикулярно ее фронтальной линии. Трещина типа срез (тип III) (рис. 11.7, в) образуется при антиплоском сдвиге: перемещения берегов трещины совпадают с плоскостью трещины и параллельны ее направляющей кромке. В общем случае трещину можно описать этими тремя типами.
Рис. 11.7. Типы трещин:
Возникающие в точке А напряжения растут по мере приближения к трещине, и на контуре трещины (р = 0) их значения становятся бесконечно большими. Для трещины типа I (см. рис. 11.7, а) напряжения можно представить в виде.
Остальные напряжения Кю и не развивается, если К, 1
Деформируя образец, мы подводим к нему механическую энергию, которая накапливается в образце в виде энергии упругости. Если этой энергии достаточно для разрушения образца, то на наиболее опасном микродефекте начинается зарождаться трещина, которая затем распространяется, разделяя образец на части.
В процессе роста трещины энергия, запасенная в образце, тратится в двух направлениях. Во-первых, она идет на образование новой поверхности. Эта энергия численно равна удельной поверхностной энергии полимера, помноженной на площадь поверхности разрушения.
Во-вторых, энергия затрачивается на всевозможные процессы перемещения структурных элементов на пути движения трещины. Движение структурных элементов приводит к рассеянию энергии за счет внутреннего трения и переходу ее в теплоту. Наиболее простым случаем является разрушение при полном отсутствии рассеяния энергии, когда вся запасенная энергия образца идет на образование новой поверхности.
Теория разрушения материалов, в которых энергия разрушения идет только на образование новой поверхности, носит название теории Гриффита. Известно, что наименьшие возможные деформации, приводящие к разрушению, наблюдаются у полимера тогда, когда он переходит из стеклообразного в хрупкое состояние. В этом состоянии перемещения структурных элементов оказываются минимальными, а следовательно, минимально и рассеяние энергии в виде теплоты. Поэтому теорию Гриффита часто называют теорией хрупкого разрушения.
В соответствии с теорией хрупкого разрушения прочность
где α – удельная (приходящаяся на единицу площади) энергия той поверхности, которая возникла при разрыв;
Е – модуль упругости (модуль Юнга); Ιо- длина микродефекта.
Эта формула правильно описывает ряд закономерностей, в частности влияние глубины дефекта (или специально сделанного надреза) на прочность. Расчет удельной поверхностной энергии из экспериментальных данных по прочности приводит к сильно заниженным величинам α (примерно на два порядка). Различие объясняется тем, что даже при разрушении хрупких полимеров относительно велика доля энергии, затрачиваемой на перемещение структурных элементов, т.е. на деформирование полимера растущей трещиной в процессе разрушения.
Одним из основных видов деформации в вершине трещины, растущей в хрупком полимере, является вынужденно-эластическая деформация. Несмотря на то, что полимер в целом не обнаруживает никаких признаков вынужденной эластичности, в микрообъеме может наблюдаться перемещение сегментов и их последующее разрушение. Так, при нагревании до температуры хрупкости, когда шейка в образце еще не развивается, в
микрообъеме в вершине трещины может развиваться значительная вынужденно-эластическая деформация, как это показано на рисунке.
Ориентированный полимер, заполняющий микротрещину, имеет гораздо больший показатель преломления, чем окружающий полимер; он сильно рассеивает свет и в том месте, где образовалось много микротрещин, возникает блеск, похожий на металлический.
Поэтому иногда микротрещины в отличие от обычных магистральных трещин называют трещинами серебра.
Полимеры в высокоэластическом состоянии к моменту разрушения достигают значительной деформации. Это оказывает сильное влияние на механизм разрыва. На рисунке показано схематически, как в эластомере первоначальная трещина с острой вершиной затем при деформации постепенно расширяется (раскрывается), но не растет.
Причина этого в низком модуле упругости по сравнению с модулем хрупкого полимера. При достаточно большой деформации, когда хрупкий полимер мог бы уже разрушиться, в эластомере накопленная механическая энергия еще невелика. Перенапряжение в вершине трещины обусловливает возникновение там дополнительной
деформации. Перенапряжения при этом частично релаксируют, а полимер в вершине трещины дополнительно ориентируется и, значит, упрочняется. Возникает множество тяжей, состоящих из ориентированного полимера, которые рвутся постепенно по мере накопления энергии в процессе растяжения.
Постепенное разрушение ориентированных тяжей эластомера в вершине трещины продолжается до тех пор, пока в уменьшающемся поперечном сечении напряжение не достигнет критического значения, достаточного для быстрого прорастания магистральной трещины, разрушающей образец.
При изучении механизма разрушения эластомеров важно всегда помнить, что разрушение их происходит в ориентированном состоянии, когда удлинение при разрыве достигает сотен процентов. К моменту разрыва это уже не тот полимер, который мы взяли в исходном состоянии, поскольку Надмолекулярная структура его изменилась в процессе деформации.
Изменение скорости деформации или температуры влияет заметным образом не только на напряжение, при котором происходит разрушение, но и на деформацию. С ростом скорости растяжения (или при понижении температуры) темп нарастания прочности резко замедляется из-за снижения способности эластомера к развитию больших деформаций, т.е. из-за снижения способности к ориентации. При достижении скорости деформации более 1000% в секунду прочность даже понижается вследствие неспособности полимера к ориентации и релаксации перенапряжений в вершине трещины.
Увеличение температуры выше Тт переводит полимер в вязкотекучее состояние. При этом в условиях растяжения исходная Надмолекулярная структура деформируется до момента ее разрушения, когда начинается интенсивный процесс пластического (вязкого течения). Кривая напряжение-деформация пластического материала приведена на рисунке.
Видно, что напряжение растет, достигая максимума, когда происходит разрушение исходной надмолекулярной структуры и в образце возникает шейка. В отличие от вынужденно-эластической деформации эффект ориентации в шейке невелик, поскольку происходящая вязкая (необратимая) деформация приводит к релаксации упругих напряжений и свертыванию макромолекул в исходные клубки. Поэтому образование шейки приводит не к упрочнению, а к резкому падению напряжения и постепенному дальнейшему разделению образца на части. При пластическом разрушении величина предела текучести δт совпадает с прочностью δр. В высокоориентированном полимере велико сопротивление разрастанию трещин поперек образца и очень мало сопротивление разрастанию продольных трещин. Напряжения, необходимые для разрастания трещин в продольном и поперечном направлении, могут различаться в десятки и сотни раз. На рисунке показана схема прорастания трещины в ориентированной пленке: трещина постоянно меняет направление роста. В высокоориентированной пленке эффект может быть настолько велик, что в месте разрушения образуется щеточка из отдельных ориентированных мельчайших волокон.
Читайте также: