Прочностью называют свойство твердого тела сохранять це­лостность при действии нагрузок. Прочностные свойства, как правило, характеризуют пределом прочности ар — напряже­нием, при котором происходит разрушение образца.

По способу определения различают кратковременную и дли­тельную прочность.

Кратковременную прочность выражают пределом прочности ар. Его определяют методом одноосного растяже­ния на разрывных машинах при заданной скорости нагру­жения или скорости деформации, обычно в пределах 1-10% в секунду [48, Т. 3]. При выборе скорости нагружения руко­водствуются правилом: время от момента приложения на­грузки к образцу до момента его разрушения должно со­ставлять не менее 1 мин при испытании материалов, не имеющих предела текучести [37J. Наибольшее распростра­нение получили следующие скорости нагружения: 5, 25 и 100 мм/мин.

Одновременно с ор определяют относительное удлинение при разрыве бр.

Под длительной прочностью понимают максимальное на­пряжение, вызывающее разрушение образца после заданной длительности действия нагрузки.

В зависимости от условий получения материалов и проведе­ния испытаний различают теоретическую, предельно дости­жимую и техническую прочность [48, Т. 3].

Теоретической прочностью называют напряжение, при котором происходит одновременный разрыв химических связей между всеми атомами, расположенными по обе сто­роны от поверхности разрушения в условиях нагружения при нулевой температуре по Кельвину (атеор). Теоретическая прочность является максимально возможной прочностью твердого тела с идеальной структурой. Ее можно получить, например, при растяжении идеального монокристалла в направлении оси его вытянутых цепей в области темпера­тур, близких к нулевой (по Кельвину) или при малых време­нах нагружения.

Предельно достижимой прочностью называют прочность идеальной полимерной структуры при данных температуре и времени (или скорости) деформирования образца.

Одним из методов расчета теоретической прочности атеор является определение напряжения, при котором происходит одновременный разрыв химических связей молекулярных це­пей, приходящихся на единицу площади поперечного сечения полимера с идеальной структурой.

Предельно достижимую прочность часто рассчитывают по экспериментальным зависимостям напряжения разру­шения от степени ориентации и степени кристалличности с

Таблица 4.4

Теоретическая и предельно достижимая прочности некоторых полимеров

Последующей экстраполяцией до значений, соответствую­щих 100%-ной ориентации и кристалличности. Рассчитан­ные этими методами значения теоретической и предельной достижимой прочности для некоторых полимеров приведе­ны в табл. 4.4 [48, Т. 3].

Технической прочностью атехн называют прочность реаль­ных материалов в стандартных условиях испытаний.

Реальные материалы разрушаются при значительно более низких напряжениях отехн, чем ап. Это объясняется их неодно­родной структурой, наличием локальных напряжений, микро­трещин и других дефектов.

Одной из фундаментальных характеристик прочностных свойств материалов является долговечность, под которой по­нимают продолжительность времени от момента нагружения до разрушения при заданном постоянном напряжении. Долго­вечность полимеров зависит от напряжения и температуры.

При динамических (циклических) погружениях прочность ха­рактеризуют усталостной прочностью и выносливостью.

Усталостной прочностью называют значение амплитуды напряжения, при котором разрушение наступает после задан­ного числа циклов нагружений.

Выносливостью называют число циклов нагружения до раз­рушения при заданном значении амплитуды напряжения.

Числовые значения показателей прочности зависят от вида напряженного состояния (растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб и др.). скорости нагружения, температуры и других факторов.

Применительно к полимерам решение основных задач те­ории прочности — создания методов прочностных расчетов конструкций — базируется на многочисленных эксперимен­тальных данных о поведении полимеров в разнообразных схемах и режимах нагружения, имитирующих условия эксп­луатации. Наибольшее распространение в теории прочности получили механический, термодинамический и кинетичес­кий подходы.

При механическом Подходе процесс появления пласти­ческих деформаций и разрушения в различных напряжен­ных состояниях анализируют по значениям характеристик прочности, полученных для простых видов напряженного состояния. Напряженное состояние в любой точке тела представляется в виде тензора напряжений, состоящего в общем случае из шести независимых компонент. Если из­вестны значения всех компонент тензора, можно рассчи­тать нормальные и касательные напряжения, действую­щие на любую плоскую площадку, проходящую через рас­сматриваемую точку. Разрушение происходит при различ­ных комбинациях значений компонент тензора напряже­ний. Каждая из этих комбинаций определяет предельное (критическое) состояние материала. Критерием прочности является функция, описывающая все предельные состоя­ния при различных видах напряженного состояния. Гео­метрически такой критерий прочности представляют в виде поверхности предельных состояний в пространстве. Существует несколько теорий предельных состояний, по которым определяют форму предельных поверхностей. Это теории максимального нормального напряжения, макси­мального удлинения, предельного значения упругой энер­гии деформирования и др.

При термодинамическом подходе разрушение рассмат­ривают как процесс достижения критического (предельного) значения энергии, запасенной в твердом теле при деформиро­вании. Из первого начала термодинамики следует, что измене­ние запасенной упругой энергии 5W напряженного образца в процессе деформирования и роста трещины частично расхо­дуется на увеличение свободной поверхностной энергии dЕ, а частично необратимо рассеивается в виде тепловых механи­ческих потерь 5 Q-.

5W = dE + 5g.

При разрушении твердых тел различают следующие виды механических потерь: деформационные, динамические, рас­сеяние упругой энергии при деформации и разрыве межатом­ных связей.

Для полимеров главными являются деформационные поте­ри, обусловленные внутренним трением при обратимых и
пластических деформациях. Они связаны с различными ре­лаксационными процессами и объясняются многообразны­ми формами теплового движения — сегментальной подвиж­ностью, подвижностью элементов надмолекулярной структу­ры и др. Деформационные потери особенно велики в верши­нах микротрещин, на границах дефектов и в других местах перенапряжений.

Динамические потери вызваны переходом части упругой энергии деформирования в кинетическую энергию движения стенок растущей трещины.

Эти два вида потерь происходят в объеме материала. Потери от рассеяния упругой энергии относят к поверхно­стным потерям. Они локализованы у вершин микротре­щин на границе перехода от свободной поверхности к сплошной среде и связаны с тем, что разрыву химических связей предшествует квазистатический процесс их растя­жения. При этом значение квазиупругой силы межатом­ных связей возрастает до предельного разрывного значе­ния. При разрыве связей атомы оказываются на свобод­ной образовавшейся поверхности стенок микротрещины и рассеивают избыточную энергию в виде неравновесных тепловых колебаний.

При температурах ниже температуры хрупкости Тхр разру­шение полимеров происходит по механизму, изложенному в теории хрупкого разрушения упругих сил. Очагами разруше­ния обычно являются микротрещины начальным размером более 0,1 мкм, служащие концентраторами напряжений. На­пряжение а, необходимое для развития трещины в упругом теле до критической длины, после чего тело мгновенно разде­ляется на части, связано со свойствами тела и размерами тре­щины уравнением Гриффита

(4.35)

Где Е— модуль Юнга; Un — удельная энергия разрушения, свя­занная с поверхностной энергией тела; L — половина длины трещины.

В области температур выше Тхр существенную роль в разру­шении начинают играть релаксационные процессы. Благодаря появившейся сегментальной подвижности макромолекул акту разрыва связей может предшествовать локальная вынужден­ная высокоэластическая деформация, снижающая перенапря­жение в областях, прилегающих к микротрещине. Такая ло­кальная деформация сопровождается процессом местной ори­ентации цепей макромолекул. Возникают зоны деформацион­ного микрорасслоения материала на высокоориентированные пучки цепей макромолекул (тяжи) и на участки с меньшей плот­ностью (рис. 4.8, б). Эти зоны получили название «трещины се­ребра» [8]. По своей сути «трещины серебра» не являются насто­ящими трещинами, поскольку не имеют раскрытых створок и не приводят к образованию поверхности разрушения. Тяжи не позволяют раскрыться «трещине серебра», поэтому напряжение у ее вершины не возрастает по мере углубления такой трещины в материал, а нагрузка распределяется практически равномер­но по сечению образца. Полимер с «трещинами серебра» может иметь высокую долговечность.

При более высоких значениях напряжения а начинается процесс последовательного термофлуктуационного разрыва
тяжей и увеличения размеров микротрещины (рис. 4.8, в). На поверхности образующихся створок микротрещины возникает семейство бороздок от разрушенных тяжей [7, 8]. Трещина разрушения развивается обычно вслед за «трещиной серебра». При достижении трещиной критического размера наступает завершающаяся стадия — мгновенное лавинное разрушение с разделением материала на части.

Развитая на основе кинетической теории разрушения Термофлуктационная теория прочности полимеров позволяет установить количественную связь между долговечностью т, на­пряжением а и температурой Т, получившую название уравне­ния Журкова [38]:

Uo-уо^ КГ

Где т0 — предэкспоненциальный множитель, имеющий раз­мерность времени и характеризующий скорость тепловых ко­лебаний атомов; U0 — энергия активации процесса разруше­ния, примерно соответствующая энергии активации разрыва связей при термодеструкции; у — коэффициент снижения энергии активации разрыва химических связей при действии приложенного напряжения.

ТАРА И ЕЕ ПРОИЗВОДСТВО

Типы сварных соединений и швов

Основными типами сварных соединений полимерных пленочных материалов являются стыковое, нахлесточное, Т-образное и угловое. Помимо геометрической характерис­тики способа сопряжения поверхностей тип сварного соеди­нения характеризует и форма кромок соединяемых деталей. Кромки могут быть прямыми, с односторонним или двусто­ронним скосом. Сварные швы характеризуют способом выполнения сварки, технологическими и конструктивными особенностями: одно­сторонняя или двусторонняя сварка, наличие одной или двух […]

ТАРА И ЕЕ ПРОИЗВОДСТВО

Ефремовы. Ф. Двадцатый век характерен бурным развитием науки и тех­ники. Как следствие, во многих отраслях промышленности пе­риодически возникают новые профессии, о которых раньше было трудно даже предполагать. По уровню производства ко­нец XX столетия несопоставим с началом и даже с серединой столетия. Поэтому совершенно естественным являются требо­вания к подготовке инженеров новых специальностей. По сво­ей сути инженеры […]

Биговка

Биговкой называют предварительное нанесение на мате­риал линий сгибов (бигов) в виде выдавленных канавок опре­деленного профиля. Биговка предназначена для снижения жесткости листовых заготовок по линии сгиба. Она значительно облегчает условия образования сгибов и является эффективным средством повы­шения качества складных коробок, особенно в условиях авто­матизированной сборки. Биговка представляет собой процесс местной вытяжки ма­териала и осуществляется по следующей […]