Меню

  • На главную

Поиск

  • Проблемы длительной прочности ч.2

    Posted 9/12/2009 в 8:22:52 ПП

    Исключительно важным является вопрос влияния времени на деформацию и прочность полимеров. Как известно, в зависимости от строения, температуры, тепловой предыстории полимеры могут находиться либо в структурно-жидком (вязкотекучем и высокоэластичном), либо в двух твердых (кристаллическом и стеклообразном) состояниях. Прочность полимера зависит не только от его строения и деформационных свойств, но и от физического состояния, тесно связанного со временем деформации, температурой и пр.
    П. П. Кобеко, Е. В. Кувшинский и Г. И. Гуревич (1937) впервые предложили релаксационную теорию деформации полимеров, а В. А. Картин и Г. Л. Слонимский (1941, 1948, 1960), исходя из общей теории Больцмана — Вольтерра и представлений о молекулярном строении полимеров, разработали математическую теорию трех деформационных состояний (стеклообразное, высокоэластичное и вязкотекучее), имеющих место при малых напряжениях. При больших напряжениях возникает ряд интересных особенностей, например ориентированная структура при растяжении твердых полимеров, влияющая на прочность и разрушение и резко упрочняющая материал.
    В. А. КаргинымиТ. И. Соголовой (1953, 1964) исследовано влияние ориентации, структуры и времени релаксации на прочность полимеров (температурно-временная зависимость времени релаксации предложена и изучена А. П. Александровым, Г. И< Гуревичем и др., 1945).  Как уже отмечалось выше, согласно С. Н. Журкову, процесс разрушения есть процесс накопления разорванных термофлуктуационным путем связей. С. Н. Журков, Э. Е. Томашевский и др. (1964) непосредственно наблюдали такое увеличение числа разорванных связей, метод ом парамагнитного резонанса. В работах С. Н. Журкова, А. И. Слуцкера, В. И. Бе-техтина и др. (1962—1967) была установлена связь между дислокационной структурой материала и структурно-чувствительным коэффициентом. Новые представления о кинетической природе разрушения были распространены на случай сложного напряженного состояния в работах В. А. Степанова и др. (1964).
    Зарождение микротрещин за счет термофлуктуационных разрывов отдельных связей в ориентированных полимерах рассматривалось А. И. Губановым и А. Д. Чевычеловым (1963 и сл.). Ими было показано, что за счет перераспределения напряжений по связям, в зависимости от длины полимерных цепочек в полимерах, разрывы связей начинаются сразу после приложения нагрузки; это приводит к образованию микротрещин с размерами —100—600 А (порядка размера фибрилл).
    Таким образом, согласно современным представлениям микротрещины как в кристаллах, так и в полимерах образуются на самых ранних стадиях пластической деформации, с течением времени их концентрация растет, они взаимодействуют между собой, объединяются, появляются макроскопические трещины, что в конце концов и приводит к разрушению.
    Экспериментальные исследования временной зависимости прочности для органических и неорганических стекол, проведенные как в нашей стране (Г. М. Бартенев, 1950, 1951, 1960; Б. Я. Пинес и А. Ф. Сиренко, 1960), так и за рубежом (А. Холланд и В. Тернер, J. Soc. Glass Technol., 1940, 24:101, 73—93, и 1948, 32:144, 5—20), привели к получению довольно большого количества эмпирических формул, причем наиболее удачной оказалась степенная аппроксимация. На основе этих данных были предложены некоторые теоретические схемы временной зависимости прочности (Т. А. Конторова, 1946; Г. М. Бартенев, 1960).
    Исследования прочности и механизма разрушения различных полимеров (кристаллических, аморфных твердых полимеров, линейных и пространственно-структурированных) позволили выявить временные зависимости понижения прочности полимеров (статическая усталость).
    Для построения универсальных кривых долговечности полимеров А. В. Тобольский (I960) предложил метод обобщенных координат. Обычно очень трудно получить зависимости различных свойств полимеров в широком интервале времени. В целях получения таких зависимостей кривые для различных значений температур перемещают на графике для получения обобщенной кривой при выбранной температуре. Такой широко применяемый метод, сформулированный А. В. Тобольским, основан на принципе температурно-временной суперпозиции, в частности температурно-частотной    зависимости   деформации   полимеров,   впервые обнаруженной
    A. П. Александровым и Ю. С. Лазуркиным в 19Я9г. Этот метод может быть применен и для построения кривых долговечности в условиях, недоступных для прямого эксперимента.
    Широкие исследования влияния времени на прочность кристаллических полимеров и аморфных твердых полимеров проведены А. П. Александровым, Г. М. Бартеневым, В. А. Каргиным, А. И. Китайгородским, Ю. С. Лазуркиным, А. К. Малмейстером, Г. Л. Слонимским и др. При малых напряжениях кристаллические полимеры, пластмассы при обычных, а каучуки и резины при низких температурах ведут себя как обычные твердые тела. Однако после достижения некоторого значения напряжения в наиболее слабом месте образуется «шейка», в которую переходит с течением времени весь образец, после чего вновь происходит растяжение до полного разрыва. Отметим, что, несмотря на сходство, механизм образования к<шейки» кристаллического полимера и аморфного твердого полимера различен. Механизм разрушения аморфных полимеров, находящихся в стеклообразном состоянии, исследован Г. М. Бартеневым (1960, 1964, 1966).
    Учет временных эффектов является важным при анализе разрушений любых материалов, но особое значение этот вопрос приобретает при рассмотрении полимерных материалов, для которых характерна резкая зависимость разрушения от внешних условий и наличие релаксационных процессов.
    Г. Н. Савин и А. А. Каминский (1967) исследовали рост трещин в условиях разрушения твердых полимеров (полимерных стекол) при фиксированной температуре для случая постоянной внешней нагрузки длительного действия. Рассмотрев развитие в вязко-упругом материале трещины, структура контура которой учитывает особенности строения трещин в полимерных материалах (противоположные берега трещины в концевой области на участке конечной длины соединены тонкими нитями-тяжами), авторы, в отличие от предыдущих работ, не требовали выполнения условия малости концевой области. По этой схеме в течение некоторого промежутка времени 0 ^ t ^ t* происходит расширение трещины без удлинения, а с момента времени t* — рост всей трещины.
    Согласно представлениям Г. М. Бартенева (1960), действие вибрационных нагрузок создает неоднородное распределение температуры в образце, приводящее к активизации процесса разрушения именно в той области, где оно локализовано. Влияние вибрационного разогрева на распространение трещин в полимерах исследовалось в работе Г. И. Баренблатта,
    B. М. Ентова и Р. Л. Салганика (1967). Они предположили, что время разрушения определяется развитием магистральной трещины и разрушение носит флуктуационный характер. Авторы не учитывали при этом непосредственное силовое воздействие вибрационных нагрузок, ограничившись лишь учетом вызванного ими разогрева (распределение напряжений и деформаций вычислялось по уравнениям теории упругости). Такой подход продиктован тем, что в опытах при циклическом нагружений полимеров при температуре окружающей среды фактически наблюдаемое время разрушения оказывается меньше, чем вычисленное из условия Бейли, что объясняется либо влиянием релаксационных процессов, либо разогревом материала при циклическом деформировании за счет механических потерь (В. Р. Регель и А. М. Лексовский, 1965).
    Г. П. Черепанов (1967) рассмотрел квазистатический изотермический процесс распространения трещин в изотропном однородном вязко-упругом теле. Он получил для общего случая нелинейное интегро-дифференциальное уравнение для определения времени, а с ним и закона распространения трещины во времени. Заметим, что термин «вязкоупругость» включает в себя большой диапазон физических процессов, таких, например, как релаксация, вызываемая физико-механическими, термоупругими, электрическими, механическими или другими явлениями. Как известно, между теориями упругости и вязкоупругости существует глубокая внутренняя связь, причем уравнения линейной теории упругости (с линейными граничными условиями) можно распространить на случай вязкоупругости путем подстановки зависящих от времени операторов вместо упругих констант (принцип Вольтерра).

    Тэги: