Долговечность и динамическая усталость полимеров

Полимеры при продолжительном действии перегрузки разрушаются при напряжении, существенно наименьшем, чем предел прочности при постепенном нагружении материала. Это значит, что сопротивление разрыву зависит от длительности деяния перегрузки. Временная зависимость прочности – статическая вялость материала. Основная черта – долговечность t – время от момента приложения перегрузки до момента разрыва материала. Это базовая черта прочностных параметров материалов. Систематическое исследование долговечности полимеров (пластомеров) проведено С.Н. Журковым. Им установлено, что зависимость долговечности полимеров от разрушающего напряжения быть может описана уравнением:

. (4.18)

Динамическая усталость, или утомление полимера – это снижение его прочности под действием многократных периодических нагрузок или деформаций. Снижение прочности в процессе утомления обусловлено различными факторами, относительная роль которых зависит от типа полимера и условий испытания.

1. При многократных деформациях происходят механохимические реакции деструкции макромолекул. В полимере всегда существуют микронеоднородности структуры как в виде трещин и механических включений, так и в виде захлестов. Переплетений макромолекул, которые испытывают фактически более высокое напряжение, чем среднее в образце. Это облегчает механодеструкцию.

2. Происходят процессы перегруппировки надмолекулярных структур, рекристаллизации, ориентации и т.п., что приводит вместе с механохимическими процессами не только к снижению прочности. Но и к необратимому изменению размеров образца, его «разнашиванию» в процессе утомления.

3. В процессе утомления в каждом цикле деформации выделяется некоторое количество теплоты и, если теплоотвод затруднен, а подвод тепла за счет механической энергии велик, то и разогрев может быть велик. Так, температура в автопокрышке летом при быстром движении автомобиля может превышать 100⁰С. Сильный разогрев в процессе динамического нагружения пластмассы может приблизить температуру образца к той области, где существует максимум механических потерь. Тогда тепловыделение может катастрофически возрасти и произойдет тепловое разрушение образца.

4. При утомлении в результате подвода механической энергии и в результате саморазогрева могут интенсивно протекать процессы окисления (старения).Указанные выше факторы являются причиной снижения прочности полимеров в процессе утомления. Для прогнозирования работоспособности полимеров в режиме многократных деформаций необходимо знать как число циклов до разрушения зависит от амплитуды напряжения σ_о. Обобщая многочисленные экспериментальные данные, удалось показать, что характер этих зависимостей аналогичен соответствующим закономерностям для долговечности под постоянной нагрузкой. На рисунке показана зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды напряжения для жесткого малодеформируемого материала.

При определенном малом значении σ = σ_∞число циклов до разрушения Np становится очень большим. Мы говорим, что δ∞ является амплитудой напряжения, допустимой в эксплуатации полимера. Это безопасная амплитуда напряжения. Обычно можно считать, что δ∞= (0,2 – 0,3) δр, где δр – прочность полимера при однократном

растяжении на динамометре.

В заключение необходимо подчеркнуть, что прочность полимеров, как правило, в несколько раз ниже теоретической, что обусловлено наличием дефектов – концентратов напряжений. Наличие дефектов приводит к тому, что определяемое значение прочности является средне статистическим. Существует разброс значений прочности и проявляется влияние масштабного фактора на прочность.

Теорией, качественно правильно объясняющей закономерности прочности твердых полимеров, является теория Гриффита, отклонения от которой тем больше, чем большая доля упругого напряжения в разрушаемом образце идет на потери, связанные с процессом деформации. Наряду с понятием прочности по Гриффиту существует понятие

долговечности, т.е. времени, в течение которого образец разрушается под действием данного напряжения, меньшего, чем δр