Руйнування полімерів у склоподібному стані

Відповідно до гіпотези слабких місць крихкі тіла містять велику кількість дефектів, які впливають на міцність. Ці дефекти можуть бути наслідком порушення регулярності будови речовини, мікротріщинами, а також сторонніми включеннями. Кожен дефект створює можливість концентрації напруження в безпосередній близькості від нього. Найнебезпечніші з цих неоднорідностей є вихідними точками, з яких починається руйнування.

Рис. 6.1. Схема руйнування полімерів у склоподібному стані: х і v – відповідно напрямок і швидкість поширення фронту розриву; 1 – термічна фаза розриву; 2 – атермічна фаза розриву.

Процес руйнування звичайно розрізняють на дві фази: термічну (початкову) і атермічну (кінцеву) (рис. 6.1.). На поверхні розриву розрізняють первинний дефект «D», від якого радіально поширюється фронт руйнування – виникає напівкругла гладка дзеркальна поверхня. Фронтом руйнування (розриву) називають геометричне місце точок, що утворюють поверхню, по якій відбувається поділ зразка на частини. Швидкість поширення фронту розриву є функцією пройденого їм шляху. Тепловий рух істотно впливає саме на початкову фазу розриву (термічну фазу). Підчас подальшого поширення області розриву тепловий рух не має значення (атермічна фаза). Частину поверхні розриву, що перебуває безпосередньо поблизу вихідного дефекту, зв’язують із розвитком термічної фази руйнування. Інша, шорсткувата частина поверхні розриву відповідає дуже великій швидкості поширення розриву. Її зв’язують із атермічною фазою руйнування. Розглядаючи процес розриву в часі, вважають, що практично весь час, необхідний для руйнування зразка за даних умов, припадає на термічну фазу. Якщо руйнування зразка почалося, то надалі фронт поширюється атермічно з дуже великою швидкістю у вигляді хвиль.

Час розриву визначають з моменту прикладення навантаження до початку руйнування, що відбувається зі швидкістю звуку. Розрив починається на первинному дефекті (мікротріщина) D (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Морфологічна картина розриву циліндричного зразка: 1 – шорстка поверхня; 2 − дзеркальна поверхня

Рис. 6.3. Контур-лінії Валнера

Спочатку утворюється дзеркальна поверхня. У міру поширення області розриву утворювана поверхня стає шорсткішою. Таким чином, поверхня розриву за крихкого руйнування складається з трьох частин: первинного дефекту, дзеркальної частини поверхні й шорсткої частини. Дзеркальна частина має форму півкола й найчастіше примикає до утворювальної поверхні зразка. Значно рідше дзеркальна поверхня має форму кола й розташовується в середині поверхні розриву. Елементарний акт розриву надає деформованому тілу імпульс, що викликає розповсюдження у тілі хвиль ультразвукового діапазону. Підчас проходження фронту розриву від дефекту D до поверхні випробуваного зразка по поверхні розриву розповсюджуються ультразвукові хвилі. У місцях їх зустрічі з фронтом розриву виникають контур-лінії Валнера(рис. 6.3). Якщо вважати швидкість розповсюдження ультразвукових хвиль постійною, то можна, вимірявши валнерови лінії, визначити швидкість розповсюдження фронту розриву.

Механізм початку руйнування доцільно розглянути за допомогою енергетичної діаграми (рис. 6.4.). Виділимо два елементи структури, що перебувають на кінці мікротріщини або іншого мікродефекту. Роз’єднання цих елементів спричиняє розростання тріщини у зразку. У положенні А розглянуті елементи структури ще мають достатній зв’язок; у положенні В зв’язок між елементами розірваний і обидва елементи опиняються на протилежних поверхнях тріщини. На малюнку схематично зображена потенційна енергія системи як функція відстані між елементами структури за відсутності зовнішнього напруження.

Рис. 6.4. Зміна потенційної енергії зі збільшенням відстані між двома елементами структури в напруженому зразку

Потенційні ями А і В знаходяться одна відносно іншої на відстані приблизно 2r₀. Положення А відповідає абсолютному мінімуму енергії, а енергія в положенні В більше на величину W_s, яка пов’язана з поверхневою енергією γ співвідношенням:

,

(6.1)

де N − число зв’язків, що припадають на одиницю поверхні.

Положення А й В розділяє потенційний бар’єр висотою W (енергія активації розриву, віднесена до одного зв’язку). У напруженому зразку енергія активації переходу В → А нижче, ніж переходу А → В. Внаслідок цього тепловий рух має тенденцію знищувати або «заліковувати» тріщини в напруженому зразку.

Під дією макроскопічного напруження σ форма потенційної кривої змінюється. Глибина потенційної ями в положенні А зменшується на величину , а в положенні В − настільки ж збільшується ( – максимальне напруження в мікротріщині, що припадає на кожен зв’язок). Цей механізм руйнування справедливий тільки для крихкого розриву В інших випадках реалізується специфічна здатність макромолекул деформуватися і має місце додаткова орієнтація матеріалу в області росту розриву. Якщо потенційній ямі В відповідає нижчий рівень енергії рівнем, ніж ямі А, то тріщина починає рости й через певний час процес руйнування переходить в атермічну стадію. Таким чином, довговічність зразка визначуть енергія активації W, температура Т і напруження σ.

Макроскопічний зразок містить велику кількість дефектів різної величини й орієнтації. Якщо мікротріщини орієнтовані в усіх напрямках абсолютно випадково, то зразок є макроскопічно ізотропним. У процесі деформації такого зразка мікродефекти будуть зростати відповідно до напрямку деформуючого зусилля. Розрізняють три можливі випадки розростання дефектів (рис. 6.5):

Рис. 6.5. Розростання мікротріщин

1 – розростання мікротріщини не обмежено. Поширення фронту розриву не супроводжується перетинанням сусідніх мікротріщин;

2 – мікротріщина розростається до деякої межі; на певній стадії цього процесу поверхня розриву перетинає іншу мікротріщину, величина й положення якої перешкоджає подальшому розростанню області розриву;

3 – розростання мікротріщини, як і у випадку 1, призводить до руйнування, але фронт розриву зустрічає на своєму шляху багато інших мікродефектів і розростається через них.

Перший випадок має місце, коли кількість мікродефектів у зразку на одиницю об’єму незначна. Підчас розриву утворюється зовсім гладка дзеркальна поверхня, що збігається з поверхнею мікротріщини.

У другому випадку первинна тріщина зливається з іншою, менш небезпечною, і процес розростання тріщин на якийсь час припиняється. Однак, надалі розростання тріщин триває, багаторазово припиняючись і починаючись знову, доти, доки зразок остаточно не зруйнується. Таким чином, механізм 2 відповідає необоротній змінй структури тріщин, що передує безпосередньому руйнуванню зразка. Цей механізм ураховує тепловий рух, що відіграє істотну роль на першій фазі руйнування.

Третій механізм, обумовлений великою концентрацією мікродефектів, найближче описує атермічне поширення області розриву. На початку розриву в процесі руйнування беруть участь мікротріщини, що близько прилягають до фронту розриву. Вони розташовані паралельно поверхні розриву і досить небезпечні. У процесі поширення фронту розриву, переріз, що несе навантаження, зменшується, а напруження, що припадає на цей переріз, зростає. Швидкість поширення області руйнування збільшується стрибкоподібно, що й створює видимість критичного характеру руйнування.

Можна вважати, що підчас механічного руйнування полімерних матеріалів відбувається розрив хімічних і фізичних (ван-дер-ваальсових) зв’язків. Співвідношення між числом перших і других залежить від хімічної природи полімеру, від температури, від молекулярної маси та ін.