1.2.1. Общая характеристика процессов

разрушения полимерных тел

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием механических напряжений. Прочность полимерных материалов имеет ряд существенных особенностей по сравнению с прочностью других твердых тел — это резко выраженная ее зависимость от времени действия нагрузки и температуры, что обусловлено релаксационным характером деформирования. Для количественной оценки прочности используют различные характеристики — предел прочности, долговечность и др. (см. раздел 1.1). Так как прочность является напряжением, при котором тело разрушается, то она имеет то же обозначение () и ту же размерность (Н/м², кгс/см², кгс/мм²).

Различают кратковременную и длительную прочность. Кратковременной прочности соответствует значение, определенное при одноосном растяжении на специальных разрывных машинах при заданной скорости разрушения, испытания занимают время в пределах 1 мин. Длительная прочность — напряжение, вызывающее разрушение образца после заданной длительности действия постоянной нагрузки, обычно от 10² с до 1 года.

Важнейшим понятием является прочность теоретическая — _теор. Под этим термином понимается напряжение, при котором происходит одновременный разрыв химических связей между всеми атомами, расположенными по обе стороны от поверхности разрушения, при 0 K. Значение _теор — максимально возможная прочность твердого тела. Реальные материалы разрушаются при значительно более низких напряжениях — так называемая техническая прочность _техн.

Значения теоретической прочности могут быть рассчитаны для простых видов напряженного состояния, например, одноосного растяжения различными способами. Для неориентированных твердых полимеров теоретическая прочность составляет обычно 200 — 300 кгс/мм². Значения теоретической прочности ориентированных образцов полимеров значительно больше, что будет обсуждаться в последующих разделах главы.

Существует большое количество концепций прочности (механическая, термодинамическая, кинетическая и пр.), рассмотрение которых выходит за пределы настоящего пособия. В пособии рассматривается лишь самая общая схематическая модель разрушения полимерных тел, находящихся в различных физических состояниях.

При температурах ниже температуры хрупкости полимеры ведут себя подобно низкомолекулярным твердым телам. Очагами разрушения при нагружении обычно являются микротрещины, начальная длина которых составляет 10^-3— 10^-5 см. Долговечность образца определяется скоростью роста наиболее опасной микротрещины, которая в своем развитии переходит в макротрещину и приводит к макроскопическому разделению образца на части (хрупкое разрушение).

При разрушении полимерных тел выше Т_хр существенную роль начинают играть релаксационные процессы. Вследствие сегментальной подвижности разрыву связей может предшествовать локальная вынужденная высокоэластическая деформация, снижающая напряжение в области, прилегающей к вершине микротрещины. При Т>Т_хр могут реализовываться различные механизмы разрушений в зависимости от значений напряжения и температуры. При относительно небольших напряжениях разрушение отличается от хрупкого лишь тем, что перед растущей трещиной имеется слабо деформированная зона. При более высоких значениях  вынужденная высокоэластичность обусловливает деформационное микрорасслоение материала и образование тяжей, скрепляющих стенки трещины — так называемые трещины “серебра”.

Если напряжение превышает предел вынужденной высокоэластичности _в, вынужденная высокоэластическая деформация приводит к молекулярной ориентации всего материала, сопровождающейся резким повышением кратковременной прочности.

Разрушение в высокоэластическом состоянии. При температурах выше температуры стеклования высоко-эластическая деформация приводит к расслоению полимера на тяжи подобно микрорасслоению в трещинах “серебра”. Очагами разрушения являются надрывы, возникающие под действием напряжения в наиболее слабых местах, аналогично микротрещинам в хрупких телах.

При дальнейшем нагружении образца происходит разрыв тяжей по мере углубления зоны разрушения. При этом напряжение в оставшемся сечении возрастает до критических значений, при которых начинается быстрый рост трещины без образования тяжей.

Пластическое разрушение полимеров. Начиная с некото-рой температуры Т_пл линейный полимер разрушается как пластический материал — напряжение приводит к накоплению необратимой деформации, образованию “шейки” и разрыву материала в “шейке”. Прочностной характеристикой является предел пластичности _пл, зависящий от температуры и скорости деформации.

При изучении полимерных тел было показано, что лишь небольшая доля связей (1020%) нагружается значительно и перенапряжения достигают максимальных значений. Такие связи играют главную роль в разрушении, поскольку в них зарождаются трещины. Структурная неоднородность полимера (границы микрообластей различной степени упорядоченности, дефекты и пр.) обусловливает неравномерное распределение напряжений даже при простых видах нагружения.