Зависимость диаграмм растяжения от внешних факторов
Вид диаграммы растяжения зависит не только от структуры макромолекул материала, но и от температуры. Наиболее полно влияние температуры проявляется в поведении термопластичных материалов.
Если подвергать растяжению такой материал при температуре, значительно меньшей, чем температура стеклования (Т<< Тст), то диаграмма растяжения будет иметь вид, соответствующий упругому твердому телу, когда в материале возникают только упругие деформации, приводящие к разрушению при малых относительных удлинениях и высоких значениях напряжений. То есть при этих температурах линейный аморфный полимер ведет себя подобно твердому телу.
При температурах, близких к температуре стеклования материала (Т≈Тст), полученная диаграмма растяжения отражает возникновение в материале небольших высокоэластических деформаций, однако эта диаграмма растяжения мало отличается от предыдущего случая.
При температурах выше температуры стеклования (Т > Tст) полученная диаграмма растяжения отражает возникновение в материале от момента нагружения до разрушения всех видов деформации: от обратимой упругой и высокоэластической до необратимой деформации вязкого течения.
Наконец, при температурах, значительно превосходящих температуру стеклования материала (Т >> Тст), получаем диаграмму растяжения, характерную для эластомеров, отражающую возникновение в материале только высокоэластической деформации и деформации вязкого течения. Разрушение при этом происходит при больших удлинениях и малых значениях напряжения.
|
|
|
Вид диаграмм растяжения зависит также и от скорости наложения нагрузки. Под скоростью наложения нагрузки понимают её увеличение в единицу времени.
При быстром наложении нагрузки получаем диаграмму σ – ε, характерную для упругих твердых тел. Такой вид диаграммы связан с тем, что при быстром наложении нагрузки не успевают проявиться эластичные свойства макромолекул. Нагрузка вызывает только деформацию валентных углов или изменение межмолекулярных расстояний. Полимер себя в этом случае ведет подобно упругому твердому телу.
При уменьшении скорости наложения нагрузки уже проявляются эластические свойства гибких макромолекул, что выражается в возможном вращении структурных единиц вокруг ковалентных связей, однако вид диаграммы σ – ε мало отличается от предыдущей.
Наконец, при очень медленном увеличении нагрузки получаем полную диаграмму растяжения, отражающую развитие в материале всех видов деформаций.
Релаксация напряжений в полимерах
Зависимость вида диаграмм растяжения от скорости наложения нагрузки связана с тем, что макромолекулы полимеров способны выравнивать во времени, релаксировать возникшие напряжения. Релаксация напряжений происходит потому, что возникшее в каком-то месте напряжение во времени распространяется на всю длину макромолекулы, передаваясь по ковалентным связям. В результате этого концентрация напряжений на единицу длины макромолекулы снижается.
|
|
|
Графически процесс релаксации напряжений в полимерном материале можно представить в виде так называемых релаксационных кривых. Они выражаются также в координатах σ – ε. Для получения релаксационной кривой необходимо подвергнуть материал произвольной деформации и закрепить его в этом положении, не снимая нагрузки (рисунок 4).
Рисунок 4 ─ Релаксационные кривые полимеров
При этом напряжения, возникшие в материале (точка А), с течением времени упадут и материал вернется в исходное состояние (точка 0). Но снижение напряжения при этом будет отражаться кривой обратного хода, образующей гистерезисную петлю, то есть при одной и той же деформации в материале при прямом и обратном ходе будет различный уровень напряжение (Δσ). Величина Δσ характеризует релаксационные свойства материала. Наилучшей способностью к релаксации напряжений обладают эластомеры-каучуки.
|
|
|
Релаксационная способность полимерных материалов возрастает с температурой, т. к. при этом растет гибкость макромолекул, облегчающая распространение напряжений на всю длину макромолекулы.
Но релаксационная диаграмма будет иметь вид 0А0 только в том случае, если в материале под нагрузкой развивались только обратимые деформации, и материал с течением времени вернулся в исходное состояние. Если в материале разовьются и необратимые деформации, то релаксационная кривая будет иметь вид 0А1В, где отрезок 0В характеризует уровень остаточных необратимых деформаций, существующих в материале при σ = 0.
Теории прочности материалов
Способность материалов сопротивляться механическому разрушению зависит от их прочности. В настоящее время развитие теории прочности материалов идет по двум, практически не пересекающимся направлениям. Одно направление изучает прочность материала с точки зрения в нем различных дефектов, чем больше дефектов, тем меньше прочность, Это так называемые дефектные теории прочности.
|
|
|
Другая группа теорий рассматривает процесс разрушения материалов на молекулярном уровне, то есть считает процесс разрушения материала химической реакцией, ускоряемой наличием механического воздействия. Это так называемые молекулярно-кинетические теории прочности. Надо сказать, что каждое из развиваемых направлений находит экспериментальное подтверждение.
Развитие всех дефектных теорий прочности берет своё начало с теории Гриффита. Толчком к её развитию послужил факт разрушения материалов в реальных условиях задолго до того, как был достигнут предел прочности материала. Напряжение в материале, при котором разрушались реальные тела, назвали технической прочностью материала. Гриффит предложил теорию разрушения реальных тел и объяснил наличие технической прочности материала. Он исходил из двух факторов:
· реальные твердые тела всегда имеют различные дефекты структуры, то есть материал всегда неоднороден. Механическое поле, действующее на такой неоднородный материал, само становится неоднородным и локализуется вблизи дефектов. То есть вблизи любого дефекта наблюдается концентрация напряжений. Наибольшее напряжение будет находиться в месте наибольшего дефекта. Например, если в материале имеется трещина, то максимальное напряжения будет сконцентрировано в вершинах этой трещины.
· Локальные напряжения в вершинах трещины всегда значительно выше, чем средние напряжения по объёму материала, то есть в точках, удаленных от трещины. При наложении нагрузки локальные напряжения в месте дефекта раньше достигают предельно допустимых, то есть предела прочности. При этом происходит резкий рост трещины, приводящий к разрушению материала, хотя средние напряжения в материале еще значительно ниже предельно допустимых. Средние напряжения, при которых локальные напряжения достигли предельно допустимых значений, и есть техническая прочность материала.
Для своих выводов Гриффит пользовался достаточно упрощенным математическим аппаратом. Например, он предложил все дефекты в материале представлять в виде вытянутых эллипсов (рисунок 5). Пусть имеем пластинку материала толщиной l, которая имеет дефект в виде эллипса длиной С. Если такой образец повергать плоскому растяжению, то общая упругая энергия образца U может быть представлена в виде (3.1).
Рисунок 5 ─ Модель Гриффита
U = U0 – U1 + U2, (3.1)
где U0 – упругая энергия образца без дефекта,
U1 – убыль упругой энергии за счет наличия трещины,
U2 – прирост энергии образца за счет образования новых поверхностей. Эти поверхности – боковые стенки трещины (2∙с∙l).
Величины U1 и U2 для упругих тел с эллиптической трещиной выражаются соотношениями (3.2) и (3.3).
, (3.2)
где σ соответствует технической прочности материала,
Е – модуль Юнга.
U2 = 2∙c∙l∙γ, (3.3)
где γ – удельная поверхностная энергия на вновь образованных поверхностях.
Отсюда следует (3.4).
(3.4)
При этом U = U0, если
(3.5)
Выразив из соотношения (3.5) величину σ, получим техническую прочность материала (3.6).
(3.6)
Таким образом, если убыль упругой энергии образца за счет наличия дефектов происходит быстрее, чем её прирост за счет образования новых поверхностей, то материал разрушается при напряжениях, значительно меньших, чем это соответствует пределу прочности.
Дальнейшее развитие дефектных теорий прочности было направлено на усовершенствование математического аппарата, использованного Гриффитом. Например, делались расчеты для других форм дефектов, учитывалось взаимное расположение трещин, наличие краевых трещин и т. п. Но теория Гриффита сыграла очень важную роль в развитии теорий прочности этого направления.
─ Гриффит впервые объяснил наличие технической прочности материала.
─ Его теория создала предпосылку для учета влияния агрессивных сред на прочность материала, т. к. параметр γ, входящий в выражение (3.6). это поверхностная энергия, которая зависит от природы агрессивной среды.
В основу молекулярно-кинетической теории прочности материалов было положено уравнение, предложенное Журковым для расчета долговечности материала. Под долговечностью в данном случае понимался отрезок времени от момента нагружения материала до его разрушения, поэтому величина долговечности обозначалась как τр.
Согласно представлениям Журкова долговечность материала зависит от скорости разрыва химических связей в материале под действием механической нагрузки. Выражение, связывающее τр с величиной напряжения, возникающего под нагрузкой, представлено формулой (3.7).
, (3.7)
где τ0 – период собственных колебаний атомов, образующих данную химическую связь,
U0 – энергия активации разрыва химической связи без механического воздействия, то есть при σ = 0.
γ1 σ – величина снижения энергии активации за счет наличия механического воздействия, активирующего химические связи. Сюда входит σ – напряжение, возникающее в материале под действием механических сил и γ1 – структурно-чувствительный коэффициент, учитывающий изменение структуры материала под механической нагрузкой.
k – константа Больцмана, учитывающая распределение частиц по энергиям,
Т – температура, К.
Выражение было предложено Журковым для случая, когда на материал действует только механическая нагрузка, активирующая химические связи и снижающая потенциальный барьер их разрыва.
Выражение для расчета долговечности и было использовано для развития молекулярно-кинетической теории прочности. Расчет по формуле (3.7) показал, что величина U0 зависит от природы агрессивной среды. Эта величина в агрессивных средах значительно ниже, чем в вакууме. Поэтому в рамках молекулярно-кинетической теории предложено величину U0 интерпретировать как энергию активации разрыва данной химической связи в конкретной агрессивной среде при σ = 0.
Коэффициент γ1 также зависел от природы среды. Поэтому было предложено считать, что этот коэффициент учитывает изменение структуры материала не только в зависимости от нагрузки, но и от наличия и природы агрессивной среды.
Предэкспоненциальный множитель τ0 также не оставался постоянной величиной в различных средах, хотя период собственных колебаний атомов не должен зависеть от природы среды. Очевидно, этот множитель учитывал ещё одно ранее не учтенное свойство материала. Молекулярно-кинетическая теория предложила интерпретировать этот множитель как величину, обратную энтропии активации данной связи, которая может зависеть от природы среды, учитывая меру неоднородности системы.
Таким образом, молекулярно-кинетическая теория прочности материалов использовала ранее предложенное выражение, вложив в него более глубокий смысл и расширив возможности его применения. С этих позиций разрушение материалов есть химическая реакция разрыва связей, скорость которой зависит от величины напряжения, возникшего в материале, природы агрессивной среды и температуры.
Отдать предпочтение какому-то одному направлению в исследовании прочности материалов невозможно, да и нет необходимости. Очевидно, эти теории описывают один и тот же процесс, рассматривая его с разных точек зрения. Бесспорно, на прочность материала влияет наличие в нем различных дефектов, а также прочность химических связей. Возможно, в настоящее время еще не разработан математический аппарат, способный объединить эти точки зрения.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 467; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!