Динамическая усталость полимеров

Прочность характеризуют сопротивление материалов разрушению под действием внешних сил. Под разрушением полимера понимается разрыв его на части (нарушение сплошности), т. е. разрушение – процесс, приводящий к образованию новых поверхностей раздела.

Важнейшей характеристикой прочностных свойств является долговечность tд (время, в течении которой нагруженный образец не разрушается), отражающая кинетический характер процесса разрушения. В инженерной практике используются понятия кратковременной и длительной прочности. Кратковременная прочность Gр (или разрывное напряжение) обычно определяется на разрывных машинах при заданных режимах скорости нагружения и скорости деформации. Длительная прочность обычно определяется при нагружении статическими или переменными нагрузками, малыми по сравнению с пределом прочности

Механическая прочность и долговечность полимеров

Под прочностью понимают способность тел выдерживать без разрушения приложенную к ним нагрузку.

Прочность обычно характеризуют величиной напряжения, вызывающего разрушение тела. Напряжение, вызывающее разрыв, называется разрывным напряжением или сопротивлением разрыву и выражается в кг/см2 или кг/мм2.

Сопротивление материала разрыву определяют, как правило, по деформационным кривым. Это предельное напряжение, при котором образец разрывается. Такое определение общепринято и поэтому обычно говорят о пределе прочности. Значение прочности, полученные таким образом, очень велики: для полимеров они лежат в диапазоне от 500 до 1000 кг/см2. Однако механическая прочность проявляется только начиная с определённого значения молекулярного веса. С увеличением степени полимеризации прочность материала сначала повышается, а затем при n=600 приобретает постоянное значение. Зависимость прочности полимеров от их молекулярного веса.

Разрыв сплошности мономеров и низкомолекулярных полимеров не требуют приложения значительных напряжений.

Степень полимеризации

(кружки – сопротивление разрыву для полимеров с наибольшей прочностью, крестики – для полимеров с наименьшей прочностью)

В течении длительного времени полагали, что потеря сплошности материала (разрыв или скол) наступает тогда, когда напряжение (нормальное и тангенциальное) достигает некоторого предельного критического значения, и что при меньших напряжениях разрушения не происходит.

В настоящее время установлено, что такое представление о характере процесса разрушения неверно, так как все материалы при длительном воздействии внешних сил разрушаются при напряжениях, величина которых значительно меньше напряжений, возникающих при быстром воздействии силы. Это означает, что величина сопротивления разрыву зависит от времени действия силы.

Время от момента приложения силы до момента разрыва называется долговечностью материала.

Временная зависимость прочности при статистической нагрузке называется статической усталостью материала, временная зависимость прочности при динамической нагрузке – динамической усталостью материала. Часто оба эти явления называют утомлением материала.

Усталостная прочность

При многократных деформациях (многократных нагружениях) происходит утомление полимерного материала, т. е. ухудшение его свойств, заканчивающаяся его разрушением. Утомление связано не только с действием физических факторов в вершине наиболее опасного дефекта, но также и с протеканием химических процессов во всём объёме образца. В каждом цикле механическая работа деформации частично затрачивается на преодоление внутреннего трения, причём не вся затраченная энергия превращается в тепло. Частично происходит непосредственная активация химических реакции. Однако, если за каждый цикл деформации развиваются столь большие напряжения и деформации, что число циклов до разрушения не велико, то химическими превращениями материала в процессе утомления можно пренебречь.

Прочность при многократных деформациях можно характеризовать значением усталостной прочности, т. е. амплитудой напряжения, при котором разрешение наступает через заданное число циклов, или сопротивлением утомлению, т. е. числом циклов деформации до разрушении. Последнюю величину иногда называют также выносливостью. Естественно, что прочность при многократных деформациях существенно зависит как от частоты деформации, так и от температуры.

Динамическая усталость

При действии переменных в частности периодических или циклических, нагрузок процессы разрушения полимеров осложняются действием ряда факторов, не наблюдаемых при статической усталости. Снижение прочности материала под действием переменных нагрузок принято называть динамической усталостью материала.

Методы испытания на усталость различаются по виду деформации: многократное растяжение, многократный изгиб, многократное кручение, циклические нагрузки при сложном напряженном состоянием.

Эти виды многократных деформаций могут осуществляться при различных режимах. Каждый режим характеризуется следующими параметрами: амплитудой динамической деформации Е; амплитудой динамических напряжений G; средней статической деформацией E; средним статическим напряжением G. Кроме того, иногда проводятся испытания на утомление в результате многократных деформацией либо при постоянной скорости деформации , либо при постоянной скорости нагружения.

Сравнивая поведение различных полимерных материалов при испытаниях на усталость, осуществляемых по различным режимам, можно получить не только несопоставимые, но и «противоречивые» результаты. Это противоречие, однако, легко устранить, если сравнить разные полимерные материалы при одинаковых режимах, либо при режимах, соответствующих условиям эксплуатации. При этом в понятии «режим» должный входить не только механические, но тепловые параметры. Каждый режим испытании на усталость характеризуется постоянством двух из четырёх выше перечисленных параметров. Учитывая, что нельзя поддерживать постоянными одновременно истотической напряжении, истотическую деформацию, а также амплитуду деформации и амплитуду напряжений, путём возможных комбинаций механических параметров можно получить четыре основных режима испытаний плюс два режима, характеризующихся постоянством скорости деформации или напряжения.

Процессы утомления возможно монотонное повышение температуры до определённого предела. Этот предел зависит от доли механической работы, преобразуемой в тепло, и от потерь тепла окружающую среду.

Путём термостатирования и соответствующего выбора формы образца возможно осуществлять утомления при постоянной температуре.

Во всех вышеприведённых случаях понимается, что напряжение и деформация изменяются во времени по синусоидальному закону. Это обусловлено тем, что большинство машин, применяемых для испытания на утомление, имеют синуса и дальний или близкий к нему режим колебаний. В тех случаях, когда форма импульса оказывается более сложной, каждую периодический повторяющиеся деформацию можно разложить на ряд синусоидальных колебаний. Тоже имеет место и в отношении колебаний напряжений.

Применительно к пластмассам следует иметь ввиду, что для легкодеформируемых пластмасс, проявляющих большие деформации, целесообразно пользоваться режимами, характеризующимися заданными параметрами деформации, а не напряжения. Для таких материалов обычно деформационных свойства являются наиболее важными.

Труднодеформируемые пластмассы, не развивающиеся больших деформаций, обычно характеризуются испытываемым напряжением. Такие пластмассы целесообразно испытывать на утомление, используя типы испытаний с заданными параметрами напряжений. Естественно, что на практике могут встречаться случаи, при которых целесообразно проводить испытания в соответствии с конкретной задачей испытания, не следуя сформулированным выше положениям.

Для испытания труднодеформируемых (жестких) пластмасс, модуль упругости которых превышает 10000 кгс/см2 применяются машины, конструкции которых существенно не отличаются от конструкций машин для испытания металлов.

Для испытания на утомление вулканизатов в сложных условиях нагружения часто используют прибор Мартенса. Испытание состоит в том, что в кольцевой канавке V- образного профиля катается образец вулканизатор, имеющий форму шарика. Наиболее употребительный образцы диаметром 30, 50 и 60 мм. Образец подвергается действию нагрузок. Процесс утомления проявляется повышениям температуры внутри образца. Определение динамической долговечности производится по времени испытания до разрушения шарика при различных нагрузках. Материал считается тем более устойчивым к утомлению, чем больше динамическая долговечность при данной нагрузке или чем больше нагрузка при заданной долговечности. Для более полного определения противодействия усталости резины применяют кривые Веллера, но этим кривым определяют нагрузку при которой динамическая долговечность приобретает практически бесконечное значение. Кривая Веллера получается в результате испытаний на многократные деформации некоторого количества одинаковых образцов испытуемого полимерного материала. Причём образцы испытываются при различных параметрах напряжения ( например Gср )

Фиксируется число циклов деформации до разрушения образца (N). По этим данным строится зависимость сопративления утомлению отвлечены приложенного напряжения.

Обычно кривые усталости строится в координатах G – lg N. Они позволяют оценить сопротивления утомлению при заданном напряжении или напряжение, при котором материал выдерживает заданное число циклов деформации. Часто оказывается практический целесообразным проводить испытания, соответствующей реальной продолжительности службы изделии из пластмасс, т. е. примерно 107 циклов.

При исследовании резин было найдено, что:

NGсрб = const. (2)б- константа материала

Этот закон был использован для разработки удобного метода оценки усталости резин. Из формулы (2) получено выражение: б – определяется как тангенс угла наклона усталостной кривой в координатах lg Gср – lg N.

Для нахождения б достаточно определить N при каком – либо напряжения. Второй точкой является значение разрушающего напряжения при оценке статической прочности Gр, так как Gср =Gр при N= 1.

Значение б оказывается тем больше, чем больше силы взаимодействия в материале, которые преодолеваются в процессе утомления. Во многих случаях константа б почти одинаково при циклическом и статическом утомлении

Долговечность полимеров при циклических нагрузках

Закономерности динамической и статической усталости сшитого эластомера, например, одинаковы (соотношение между числом циклов до разрушения N и максимальным за цикл напряжением G при растяжении NGm=const. ), но статический режим является более «мягким» по сравнением с динамическим. Несмотря на то, что в статическом режиме материал находится всё время в напряжённом состоянии, его разрушение происходит значительно позже, чем при динамических напряжениях, когда образец находится в напряженном состоянии лишь часть времени. Это объясняется тем, что при периодических нагрузках перенапряжения не успевают отрелаксировать за время каждого цикла напряжения, тогда как при статической нагрузке они с течением времени выравниваются. Для пластмасс релаксация перенапряжений связано с микропластической локальной деформацией в вершинах микротрещин. При увеличении частоты и нагружения возможен переход от квазихрупкого к хрупкому разрушению.

Кроме того, разрушение эластомеров при многократных деформациях ускоряется механический активированными химическими процессами деструкции полимерных цепей.

Если механизм разрушения один и тот же при статических и циклических нагрузках, то приближенно верен (для хрупкого разрушения хуже, для квазихрупкого – лучше и для трещин, «серебра» - ещё лучше) так называемый критерий Бейли, позволяющий в принципе по уравнению долговечности рассчитывать время до разрушения образца при любом временном режиме нагружения, в том числе и при циклическом.

Запишем критерий Бейли в виде (при Т=const. ) где tp – время до разрушения при заданном произвольном режиме нагружения G = G(t), а Tд (G) – долговечность материала, известная при каждом значении напряжения G (уравнение долговечности). Критерий Бейли вытекает из следующих рассуждений. В каждый момент времени образец разрушается на какую-то долю dtp = dt/Tд (G), а сумма всех этих долей вплоть до момента разрушения t = tp равна единице. Здесь применяется принцип суммирования последовательности всех поврждений образца. Этот принцип верен для таких процессов разрушения, когда не происходит обратного процесса – залечивания повреждений. Например, он неверен при малых напряжениях вблизи безопасного напряжения.

При циклическом нагружении: где N – число циклов до разрушения;

G – период циклов; tp = NG – время до разрушения;

Было замечено, что критерий Бейли становится неприменимым для расчётов числа циклов до разрушения пластмасс, если увеличиваются частота и число циклов до пазрушения. Основная причина этого – локальные повышения температуры в вершинах трещин вследствии многократных передеформацией зоны «микропластичности». При этом температура образца в целом заметно не увеличивалась, но локальные перегревы достигали 20-50 к. Но при более жестких режимах деформации идетразргрев и материала в целом. Наложение на статическую дополнительной периодической нагрузки вызывает явление виброползучести. Основные причины эффекта – разогрев материала вследствии механических потерь. В начале действия вибраций, когда не произошло заметного разогрева, скорость ползучести не изменялась, но затем резко возрастала на 2-3 порядка, при этом заметно повышалась температура материала.

Процесс разрушения более чувствителен к релаксационным процессам, чем ползучесть. Скорость процесса разрушения задолго до разогрева образца в целом изменяется за счет локальных перегревов в вершинах трещин. В этом случае критерй Бейли записывается в более общем виде: где при G = G(t) температура локальных областей перегрева Т* и температура образца T = T(t) совместно влияют на долговечность Tд.

Процесс разрушения полимеров зависит от таких внешних факторов, как скорость деформации, температура , характер напряженного состояния, действие агресивных сред и поверностно – активных веществ.

Механика разрушения является основой инженерных методов расчёта прочности деталей и конструкцией, находящихся в сложнонапряенном состоянии. Математическая теория трещин, позволяющая рассчитывать перенапряжение вблизи микротрещины, является большим достижением механики разрушения.