Прочность полимеров. Теория хрупкого разрушения. Микротрещины и трещины серебра.

Прочность характеризует свойство материала сопротивляться разрушению под действием механических напряжений. Прочность полимеров – это их важная техническая характеристика. Расчеты показали, что теоретическая прочность у неориентированных полимеров составляет 20-50 МПа, а после ориентации увеличивается примерно в 10 раз. Однако экспериментально определенная прочность как напряжение, вызывающее разрушение образца, во много раз меньше ее теоретического значения. Это является следствием существования в их реальной структуре дефектов, обусловленных методикой получения полимерного материала и появившихся в результате изготовления образца для испытаний. В последнем случае чаще всего возникают поверхностные дефекты, которые наиболее опасны как концентраторы дополнительных напряжений.

Перенапряжения на дефектах инициируют рост трещин, приводящих к разрушению образца. Чем более опасен дефект, тем больше перенапряжения и меньше прочность. Гауссова симметрия типичных кривых распределения всех полученных значений прочности позволяет оценивать ее как среднее из них, соответствующее максимуму на кривой (рис.2.21). Чем тоньше образец, тем меньше площадь его общей поверхности и меньше вероятность нахождения на ней дефекта. Поэтому для разрушения тонких образцов требуется большее напряжение и одновременно у них расширяется кривая распределения (разброса) значений прочности, так как даже малый дефект может больше снизить прочность. Зависимость прочности от площади поперечного сечения или формы образца объясняют проявлением масштабного фактора.

Рис.2.21. Концентрация напряжений с острой (а) и сглаженной (б) вершинами

на микродефектах образцов и кривые распределения значений прочности:

1- волокна большого диаметра; 2- очень тонкие волокна.

Накопление механической энергии в деформируемом образце в виде энергии упругости провоцирует зарождение на наиболее опасном дефекте магистральной трещины, которая затем разрастается, разделяя образец на части. В процессе роста трещины энергия, запасенная в образце, тратится на образование новой поверхности и на всевозможные перемещения структурных элементов по пути ее движения, которые приводят к рассеянию энергии за счет внутреннего трения в виде теплоты. Наиболее простым является разрушение при малой деформации, когда вся запасенная энергия образца идет на образование новой поверхности. Для этого случая Гриффитом предложена теория хрупкого разрушения, так как наименьшие деформации, разрушающие полимер, наблюдаются при переходе его из стеклообразного состояния в хрупкое: F_p=(2aE/π l_o)^1/2, где F_p -прочность, a -удельная энергия поверхности, возникшей при разрыве; l_o -длина микродефекта, E -модуль упругости (модуль Юнга). Формула правильно описывает ряд закономерностей, в частности влияние глубины дефекта (специального надреза) на прочность. Расчет по этой формуле удельной энергии поверхности a приводит к значениям, которые примерно в 100 раз превышают экспериментально найденные значения. Различия объясняются тем, что даже при хрупком разрушении полимеров относительно велика доля энергии, затрачиваемой на перемещение структурных элементов вблизи поверхности разрушения, т.е. на некоторое деформирование полимера растущей трещиной.

Часто в вершине трещины развивается вынужденно-эластическая деформация (рис.2.22) – перемещение и ориентация сегментов, их последующее разрушение и формирование ориентированных тяж (волокон). Трещина, заполненная ориентированными тяжами полимера, называется микротрещиной (а), которая, в отличие от обычной трещины, способна потом «залечиваться». Ориентация полимера в микротрещинах изменяет показатель преломления, и в местах их скопления из-за сильного рассеивания света возникает металлический блеск. Поэтому микротрещины еще называют трещинами серебра. Полимеры в высокоэластическом состоянии к моменту разрыва достигают значительных деформаций, что сильно влияет на механизм их разрушения. Первоначальная трещина с острой вершиной постепенно расширяется, но не растет, так как накопленная механическая энергия из-за низкого модуля еще мала, перенапряжения частично релаксируют, а полимер в вершине трещины ориентируется и упрочняется, образуя множество тяжей (б). Ориентированные тяжи формируются в вершине трещины до тех пор, пока напряжение в уменьшающемся поперечном сечении достигает критического значения для быстрого прорастания магистральной трещины, разрушающей образец. В высокоориентированном полимере очень велико сопротивление разрастанию трещин поперек образца, в десятки и сотни раз превосходящее сопротивление разрастанию продольных трещин. Поэтому трещина постоянно меняет направление роста (в), а в месте разрушения образуется «бахрома» из мельчайших ориентированных волокон.

Рис.2.22. Строение и распространение трещин в хрупком полимере (а),

эластомере (б) и высокоориентированном полимере (в).