Разрушение полимеров - Википедия - Fracture in polymers

Полимерный перелом исследование поверхности разрушения уже разрушенного материала для определения способа образования и расширения трещин в полимеры обе армированный волокном и иначе.[1] Разрушение полимерных компонентов может происходить при относительно низких уровнях напряжения, намного ниже предела прочности на разрыв по четырем основным причинам: длительное напряжение или разрыв при ползучести, циклические напряжения или усталость, наличие структурных дефектов и агентов образования трещин под напряжением. Методом рентгеновского рассеяния изучено образование субмикроскопических трещин в полимерах под действием нагрузки и проанализированы основные закономерности образования трещин при различных условиях нагружения. Низкая прочность полимеров по сравнению с теоретически предсказанными значениями в основном связана с множеством микроскопических дефектов, обнаруженных в материале. Эти дефекты а именно дислокации, кристаллический границы, аморфные прослойки и блочная структура могут привести к неравномерному распределению механических напряжений.

Длительный стресс или отказ от ползучести

Учет вязкоупругого пути при малых деформациях на основе термически активированных скоростных процессов. Когда напряжение достигает более высоких значений, достаточно больших, чтобы привести к отказу, его крутизна в зависимости от времени резко меняется. В это время функция ползучести оказывается минимальной.[2] В большинстве случаев DMTA (динамический механический термический анализ) можно использовать для определения вязкоупругого поведения образцов как функции времени. Классический случай - когда резиновый шланг разрывается из-за сползания после многих лет эксплуатации. DMTA можно использовать для уплотнительных колец и прокладок для измерения скорости ползучести.

Отказ от усталости

Термин «утомляемость» относится к эффекту циклических или периодических нагрузок. Циклическая нагрузка из-за колеблющегося механического напряжения или чередования нагрева и охлаждения более вредна, чем статическая нагрузка. При циклической нагрузке трещина инициализируется как локализованные участки внутри детали, которые увеличиваются в размерах во время циклической нагрузки. В конечном итоге они расширяются и соединяются до такой степени, что материал больше не может удерживать и выдерживать напряжение. Трещины можно охарактеризовать серией концентрических полос роста трещин, которые растут от места зарождения поверхности. Циклическое нагружение может вызвать разрушение полимера из-за разрыва цепи, накопления тепла из-за гистерезиса, рекристаллизации материала и накопления трещин.

Разрыв цепи

Разрыв цепи происходит в полимере в результате интенсивного локального нагрева. химическая связь в основной цепи полимера может быть разорвана с образованием свободных радикалов под воздействием тепла, ионизирующего излучения, механического напряжения и химических реакций. Эти многократные разрывы вызывают инициализацию вершины трещины с последующим ее ростом.[3]

Повышенное тепло от гистерезиса

Полимеры по своей природе вязкоупругие и проявляют механический гистерезис даже при умеренных деформациях из-за постоянного удлинения и сжатия. Часть этой энергии неупругой деформации рассеивается в виде тепла внутри полимера, и, следовательно, температура материалов будет повышаться в зависимости от частоты, температуры испытания, цикла напряжения и типа полимера. По мере того, как температура внутри полимера повышается, жесткость и предел текучести будут падать, и термическое разрушение становится возможным, поскольку уровни деформации становятся чрезмерными.

Механика разрушения полимеров

Механика разрушения полимеров становится все более актуальной областью, поскольку многие отрасли промышленности переходят на использование полимеров во многих критических конструкционных приложениях. По мере того, как отрасли переходят на использование полимерных материалов, необходимо более глубокое понимание механизмов разрушения этих полимеров. Полимеры могут по своей природе вести себя иначе, чем металлы, когда трещины подвергаются нагрузке. Во многом это связано с их прочными и пластичными механическими свойствами. Микроструктурно металлы содержат границы зерен, кристаллографические плоскости и дислокации, в то время как полимеры состоят из длинных молекулярных цепочек. В том же случае, когда разрушение металлов включает разрыв связей, ковалентные и ван-дер-ваальсовы связи должны быть разорваны, чтобы разрушение произошло. Эти вторичные связи (ван-дер-ваальсовы) играют важную роль в деформации разрушения в вершине трещины. Многие материалы, такие как металлы, используют линейную механику упругого разрушения для прогнозирования поведения на вершине трещины. Для некоторых материалов это не всегда подходящий способ описания поведения разрушения, и используется альтернативная модель. Механика упруго-пластического разрушения относится к материалам, которые демонстрируют не зависящее от времени и нелинейное поведение или, другими словами, пластически деформируются. Место возникновения разрушения в этих материалах часто может возникать на частицах неорганической пыли, где напряжение превышает критическое значение.

Согласно стандартной линейной механике упругого разрушения, закон Гриффитса можно использовать для прогнозирования количества энергии, необходимой для создания новой поверхности, путем уравновешивания количества работы, необходимой для создания новых поверхностей, с запасенной упругой энергией образца. Его популярное уравнение, приведенное ниже, обеспечивает необходимую величину напряжения разрушения в зависимости от длины трещины. E - модуль Юнга материала, γ - поверхностная свободная энергия на единицу площади, а a - длина трещины.

Закон Гриффита

Хотя многие идеи моделей линейной упругой механики разрушения (LEFM) применимы к полимерам, существуют определенные характеристики, которые необходимо учитывать при моделировании поведения. Следует учитывать дополнительную пластическую деформацию в вершинах трещин, так как пластики более склонны к деформации.

Механизмы податливости

Рисунок 1 - Зона увлечения вершиной трещины

Поскольку металлы текут за счет дислокационных движений в плоскостях скольжения, полимеры текут либо за счет сдвига, либо за счет образования трещин.[4] При сдвиге молекулы движутся относительно друг друга, поскольку к системе прикладывается критическое напряжение сдвига, напоминающее пластическое течение в металлах. Податливость из-за образования трещин обнаруживается в стеклообразных полимерах, где растягивающая нагрузка прилагается к сильно локализованной области. Высокая концентрация напряжения приведет к образованию фибрилл, в которых молекулярные цепи образуют выровненные участки. Это также создает пустоты, которые известны как кавитация, которые можно увидеть на макроскопическом уровне как область, побелевшую от напряжения, как показано на рисунке 1. Эти пустоты окружают выровненные области полимера.[5] Напряжение в выровненных фибриллах будет нести большую часть напряжения, поскольку ковалентные связи значительно прочнее, чем ван-дер-ваальсовые связи. Пластическое поведение полимеров приводит к большей предполагаемой зоне пластической деформации перед вершиной трещины, изменяя процесс разрушения.

Поведение кончика трещины

Как и в случае с металлами, когда напряжение в вершине трещины приближается к бесконечности, на фронте этой вершины трещины образуется зона текучести. Податливость крейзинга является наиболее распространенным методом податливости на фронте трещины при растяжении из-за высоких трехосных напряжений, прилагаемых в этой локальной области. Модель текучести полосы Дагдейла-Баренблатта используется для прогнозирования длины зоны крейза.[6] KI представляют коэффициент интенсивности напряжения, s - напряжение растрескивания, приложенное к системе (перпендикулярно трещине в этой ситуации), а r - длина зоны растрескивания.

Модель Дагдейла-Баренблатта

Уравнение для коэффициента интенсивности напряжений для образца с одиночной трещиной приводится в следующем уравнении, где Y - геометрический параметр, s - прикладываемое напряжение, а a - длина трещины. Для краевой трещины «а» - это общая длина трещины, в то время как трещина не на краю имеет длину «2а».

Уравнение интенсивности напряжений

Когда фибриллы в трещине начинают разрушаться, трещина будет развиваться в стабильном, нестабильном или критическом состоянии, в зависимости от прочности материала. Для точного определения устойчивости роста трещины необходимо построить график кривой R. Уникальная вершина режима разрушения называется ростом трещины прилипания / скольжения. Это происходит, когда вся зона трещины разрывается при некотором критическом смещении раскрытия вершины трещины (CTOD), за которым следует остановка трещины, а затем образование новой вершины трещины.

Критический коэффициент интенсивности стресса

Критический коэффициент интенсивности напряжений (KIC) можно определить как пороговое значение интенсивности напряжений в зависимости от свойств материала. Следовательно, трещина не будет распространяться, пока Kя меньше KIC. Поскольку KIC это свойство материала, которое может быть определено путем экспериментального тестирования.[7] ASTM D20 предоставляет стандартный метод испытаний для определения критического напряжения пластмасс. Хотя KIC зависит от материала, она также может быть функцией толщины. Где плоское напряжение преобладает в образцах малой толщины, что увеличивает критическую интенсивность напряжения. По мере увеличения толщины критическая интенсивность напряжения будет снижаться и, в конечном итоге, выйти на плато. Такое поведение вызвано переходом от плоского напряжения к условиям плоской деформации по мере увеличения толщины. Морфология трещины также зависит от условий на вершине трещины.

Усталость

Рисунок 2 - Кривая гистерезиса напряжения и деформации

Поскольку потребность в полимерах для инженерных целей возрастает, усталостному поведению полимеров уделяется все больше внимания. Усталостная долговечность полимера зависит от множества факторов, включая температуру, окисление, кристаллизацию и так далее.[8] Следовательно, для людей становится жизненно важной необходимость изучать и прогнозировать механические характеристики полимеров в различных средах.

Экспериментальные методы исследования усталости полимеров различаются, включая испытание на чистый сдвиг, испытание на простое растяжение, испытание на трещину на одной кромке и испытание на разрыв,[9] Среди которых наиболее широко используемой геометрией является испытание на циклическое растяжение в режиме I с использованием чистой геометрии.[10][11] Это связано с тем, что полимеры обладают вязкоупругими свойствами и плохой проводимостью тепла, а также более чувствительны к условиям циклической нагрузки, чем металл.[12] В отличие от металлов и других материалов, полимер не твердеет циклически; скорее, полимеры проводят циклическое размягчение в течение большей части времени, и степень которого обычно зависит от условий нагружения экспериментальной установки. В редких случаях полимеры также могут оставаться циклически стабильными при небольших деформациях деформации, во время которых полимер остается линейно эластичным.[12] Однако геометрия режима III также применялась для испытаний скрученных резиновых дисков для дальнейшего понимания их поведения при разрушении.[13][14][15]

В армированных полимерах зарождение трещин обычно происходит на границе раздела полимерного волокна и матрицы. Усталостные характеристики полимеров, вызванные циклическим нагружением, обычно проходят в два этапа: зарождение / зарождение трещин и рост трещины. Следовательно, многие исследователи разрабатывают эксперименты по изучению усталостного поведения полимеров в соответствии с этими двумя фазами, особенно в отношении усталости резины.

Подход к зарождению трещин[16]

Подход к зарождению трещин предполагает, что полимеры в конечном итоге будут трескаться под действием напряжений и деформаций. Исследование по этому предложению впервые было адаптировано Огюстом Вёлером в 1860-х годах.[17] кто стремился изучить железнодорожные оси. В этом разговоре участвуют два важных параметра: максимальная основная деформация и плотность энергии деформации.[11] Поскольку деформацию легче определить, контролируя смещения в реальных экспериментальных испытаниях, естественно установить контролируемую деформацию. Чередующиеся и максимальные значения максимальной основной деформации определяют время зародышеобразования в полимере, но пока нет теории, которая количественно описывала бы условия деформации и усталостную долговечность в лабораторных испытаниях. Плотность энергии деформации определяется как энергия, вложенная в единицу объема полимерного материала для деформации, также известная как упругая энергия на единицу объема в твердом теле. В подходе к зарождению трещин изначально трещина не вводится в образец, и зарождение трещины наблюдается под нагрузкой.

Подход к росту трещин

В отличие от подхода к инициированию трещины, подход с ростом трещины вводит в образец уже существующую трещину и рассчитывает скорость распространения трещины при циклических нагрузках. Из-за существовавшей ранее трещины упругая энергия, выделяемая при разрушении, будет ассоциироваться с поверхностной энергией на новых поверхностях трещины,[11] и было обнаружено, что скорость распространения трещины может быть описана функцией скорости выделения энергии, в зависимости от того, в каком режиме распространения трещины находится это соотношение.[10] Было предложено четыре режима: установившийся режим, линейный режим, степенной режим и четвертый режим, при котором трещина растет катастрофически. В режиме степенного закона эта связь аналогична парижскому закону, который был обнаружен Пэрис и др.[18] в металлах.

Гистерезисный нагрев и разрыв цепи

Усталость полимеров, контролируемая циклической нагрузкой, вызывается двумя основными механизмами: гистерезисным нагревом и разрывом цепи. Если полимер относительно хрупкий, в нем будет наблюдаться рост усталостной трещины из-за разрыва цепи. В этом механизме податливость вершины трещины ограничена свойствами хрупкого материала, и каждый цикл нагружения разрушает определенное количество связей, позволяя фронту трещины продвигаться вперед. Полимеры с вязкоупругим поведением, усталостные по механизму гистерезисного нагрева. В этом механизме, во время нагружения и разгрузки, кривая напряжения-деформации полимера будет действовать как петля гистерезиса, как показано на рисунке 2, создавая энергию в материале, как обсуждалось ранее. Поскольку энергия рассеивается к вершине трещины, этот процесс отличается от циклического нагружения упругого материала, где пути нагружения и разгрузки совпадают, а энергия деформации может быть восстановлена. Работа, вводимая в материал (область петли гистерезиса), преобразуется в тепло, повышающее температуру материала, возможно, выше температуры стеклования. Это создает локальное плавление на вершине трещины, позволяя трещине продвигаться вперед. Величина, с которой будет продвигаться фронт трещины, в значительной степени зависит от количества / величины циклов, температуры стеклования материала и теплопроводности полимера. Полимер с высокой теплопроводностью будет рассеивать тепло намного быстрее, чем материал с низким коэффициентом.

Рисунок 3 - Кривая S-N кумулятивной нагрузки

Кривая S-N представляет количество применяемых циклов вместе с амплитудой напряжения и может быть получена из соотношения Гудмана.

(Отношения Гудмана)

Где σж - усталостное напряжение, σм - среднее напряжение, σа - амплитудное напряжение, а σт - растягивающее напряжение испытуемого образца. В некоторых случаях применения полимеров материалы будут испытывать циклическую нагрузку при различных уровнях напряжения. На рисунке 3 представлена ​​диаграмма S-N кумулятивных циклов, применяемых при различных амплитудах напряжения. Переменная n представляет количество циклов, применяемых при заданном уровне напряжения, а N - это усталостная долговечность при том же уровне напряжения.

Рисунок 4 - Режим степенного закона

Полимерные материалы, содержащие трещину, часто подвергаются циклическим нагрузкам в процессе эксплуатации. Это резко снижает ожидаемый срок службы образца, и это следует учитывать. В случаях, когда полимеры, такие как ПВХ, подчиняются правилам линейной механики упругого разрушения, можно использовать закон Парижа, чтобы связать скорость распространения усталостной трещины с величиной приложенной интенсивности напряжения. Ниже определенной интенсивности напряжения распространение трещины медленно увеличивается до тех пор, пока устойчивое распространение трещины не будет достигнуто при более высоких уровнях интенсивности напряжения. Более высокие уровни интенсивности напряжения приводят к нестабильной скорости трещин, как показано на рисунке 4. Этот рисунок представляет собой логарифмический график зависимости скорости распространения трещины от примера максимальной интенсивности напряжения. Режим стабильного роста трещины представляет собой линейный участок красной кривой, которая описывается с использованием модели степенного закона, где «A» - предэкспоненциальный множитель.

(Уравнение режима степенного закона)

Перекристаллизация

Этот процесс может быть вызван значительным перемещением сегментов цепи, например, в случае механического упрочнения материалов.

Усталость в нейлоне

Когда Нейлон Компонент подвергается условиям усталости при растяжении, отказ происходит при достижении минимальной деформации. это означает, что срок службы нейлонового материала определяется временем работы под нагрузкой, а не количеством циклов.

Усталость пластиков, армированных короткими волокнами

Усталостное разрушение в этих армированных полимерах происходит из-за образования микротрещин, которые легко возникают и которые сливаются в одну трещину, вызывая окончательное разрушение. [19]

Ударный перелом

Хороший полимер обычно определяется как полимер, способный поглощать большое количество энергии до выхода из строя. Поликарбонаты имеют один из самых высоких показателей ударопрочности. Однако аморфные полимеры проявляют хрупкость при ударе, особенно если компонент имеет надрезы или слишком толстый по сравнению с радиусом закругления. Возникновение хрупкого разрушения можно уменьшить за счет: увеличения молекулярной массы, включения каучуковой фазы, стимулирования ориентации в полимере и уменьшения внутренних дефектов и загрязнений.

Измерение ударной вязкости

Общепринятый Изод Испытания используются для измерения энергии, необходимой для разрушения образца с надрезом. однако это не считается удовлетворительным тестом. Основным ограничением является то, что большинство полимеров чувствительны к надрезам и легко не выдерживают испытания на изод.

Смеси

Смешанные материалы может иметь повышенную вязкость разрушения при сбалансированной жесткости и прочности. Обычно они образуются в результате сополимеризации или модификации подходящим эластомером. Однако механические свойства смесей, особенно модуль упругости, подчиняются «правилу смеси». Модель Фойгта и морфология показывает грубую дисперсию.[20]

Рекомендации

  1. ^ Джон Шейрс, «Джон Вили и сыновья», 30 октября 2000 г. «[Анализ состава и разрушения полимеров: практический подход]»
  2. ^ Г. Спатис, Э. Конту, «Прогноз времени разрушения полимеров и полимерных композитов»
  3. ^ Роберт Обоигбаотор Эбевеле, "CRC Press, 2000", "полимерная наука и технология"
  4. ^ Герцберг, Ричард (2013). Механика деформирования и разрушения технических материалов. Дэнверс, Массачусетс: John Wiley & Sons Inc.
  5. ^ Аренкон, Дэвид (ноябрь 2009 г.). «Вязкость разрушения композитов из твердых частиц на основе полипропилена». Материалы. 2 - через MDPI.
  6. ^ Андерсон, Т. (2005). Основы и приложения механики разрушения Третье дополнение. Бока-Ратон, Флорида: Группа Тейлор и Фрэнсис.
  7. ^ Хавинкельс, Р.Дж.Х. (30 августа 2011 г.). «Распространение усталостной трещины в поликарбонате». Эйнфховен.
  8. ^ Марс, W. V .; Фатеми, А. (июль 2004 г.). «Факторы, влияющие на усталостную долговечность резины: обзор литературы». Химия и технология резины. 77 (3): 391–412. Дои:10.5254/1.3547831. ISSN  0035-9475.
  9. ^ Алиха, M.R.M .; Bahmani, A .; Ахонди, Ш. (Июль 2016 г.). «Новый образец для исследования вязкости разрушения в смешанном режиме I + III горячих асфальтовых композитов - экспериментальные и теоретические исследования». Международный журнал твердых тел и структур. 90: 167–177. Дои:10.1016 / j.ijsolstr.2016.03.018. ISSN  0020-7683.
  10. ^ а б Мзаби, Сами; Бергезан, Даниэль; Ру, Стефан; Хильд, Франсуа; Кретон, Костантино (07.09.2011). «Критерий критической скорости локального выделения энергии для усталостного разрушения эластомеров» (PDF). Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics (Физика полимеров). 49 (21): 1518–1524. Дои:10.1002 / polb.22338. ISSN  0887-6266.
  11. ^ а б c МАРС, Вт; FATEMI, A (сентябрь 2002 г.). «Обзор литературы по подходам к анализу усталости резины». Международный журнал усталости. 24 (9): 949–961. Дои:10.1016 / s0142-1123 (02) 00008-7. ISSN  0142-1123.
  12. ^ а б Кортни, Томас Х. (2013). Механическое поведение материалов. McGraw Hill Education (Индия). ISBN  978-1259027512. OCLC  929663641.
  13. ^ Aboutorabi, H .; Ebbott, T .; Gent, A.N .; Йео, О. Х. (март 1998 г.). «Рост трещин в скрученных резиновых дисках. Часть I: Расчеты энергии разрушения». Химия и технология резины. 71 (1): 76–83. Дои:10.5254/1.3538474. ISSN  0035-9475.
  14. ^ Де, Д. К .; Гент, А. Н. (март 1998 г.). «Рост трещин в скрученных резиновых дисках. Часть II: Результаты экспериментов». Химия и технология резины. 71 (1): 84–94. Дои:10.5254/1.3538475. ISSN  0035-9475.
  15. ^ Gent, A.N .; Йео, О. Х. (ноябрь 2003 г.). «Рост трещин в скрученных резиновых дисках. Часть 3. Влияние глубины и расположения трещин». Химия и технология резины. 76 (5): 1276–1289. Дои:10.5254/1.3547802. ISSN  0035-9475.
  16. ^ Verron, E; Huneau, B; Берро, С. (сентябрь 2009 г.), «Исследование механизма роста усталостных трещин в натуральном каучуке с углеродным наполнителем с помощью СЭМ на месте» (PDF), Учредительные модели для Rubber VI, CRC Press, стр. 319–324, Дои:10.1201 / noe0415563277.ch52, ISBN  9780415563277
  17. ^ Велер, А (1867). «Эксперименты Велера на прочность металлов». Инженерное дело. 4: 160–161.
  18. ^ Paris, P .; Эрдоган, Ф. (1963). «Критический анализ законов распространения трещин». Журнал фундаментальной инженерии. 85 (4): 528. Дои:10.1115/1.3656900. ISSN  0021-9223.
  19. ^ Манделл и Ланг
  20. ^ Вольфганг Грелльманн, Сабина Зайдлер, «Springer 2001» «Поведение полимеров при деформации и разрушении»