РОЗДІЛ 2
ОБ’ЄКТИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Зв’язок міцності із структурою релаксаційних переходів у
поліметилметакрилаті
У ідеально пружному матеріалі при навантаженні робота зовнішніх сил
витрачається на накопичення пружної енергії, яка при розриві зразка
витрачається на процес руйнування. У випадку повільного навантаження механічні
втрати, що виникають при переході пружної енергії в кінетичну енергію
розширення стінок зростаючої тріщини незначні і ними можна знехтувати. Таким
чином, пружна енергія йде на утворення вільної поверхні і на розсіювання в
поверхневому шарі, утворюваного при рості тріщини поверхні [2]. Для
в’язкопружного матеріалу в процесі розриву пружна енергія витрачається і на
релаксаційні втрати. До них відносяться втрати при в’язкопружних деформаціях в
місцях перенапружень, в локальних областях матеріалу у вершинах мікротріщин.
При цьому розрив міжатомних зв’язків, хімічних зв’язків С-С, С–О або інших в
полімерних ланцюгах, відбувається за термофлуктуаційним механізмом у
відповідності з кінетичною концепцією міцності [11]. Збільшення механічних
втрат, пов’язаних з релаксаційними процесами призводить до зменшення частини
роботи зовнішніх сил, яка йде на накопичення пружної енергії, потрібної для
розриву міжатомних (хімічних) зв’язків і росту мікротріщин в процесі
руйнування. Внаслідок цього, опір руйнуванню матеріалу зростає і відповідно
збільшується напруження розриву sр і деформація розриву eр [97,98].
Для деяких типів полімерного скла найбільш ґрунтовні дані з температурної
залежності міцності при розтязі отримані в роботі [5]. Нами досліджувався
пластифікований ПММА з умістом дибутилфталата ДБФТА і температурою склування Тg
= 76°С. Випробовування зразків у вигляді смужки з довжиною робочої частини
10мм, шириною 2мм і товщиною 40 мкм здійснювали на розривній машині RS-2 фірми
SHIMADZU (Японія) з швидкістю навантаження w = 3 Мпа/с в інтервалі температур
–100 + 200°С.
Відповідно роботі [6] напруження розриву sр при розтязі дорівнює:
sр = sр(0) (1+eр)2m
де sр(0) і sр – розривні напруження розраховані на початковий поперечний
переріз та поперечний переріз зразка на лінії розриву; eр – деформація розриву
при розтязі; m - коефіцієнт Пуасона (для ПММА m = 0,36). Результати дослідження
подані на рис.2.1. На осі ординат відкладені напруження розриву sр , а кожна
точка на кривій є середнім значенням отриманим із не менше, як 5-ти
випробувань.
Рис.2.1. Залежність напруження розриву від температури.
Деформація розриву eр в крихкому стані, від –100° С до Ткр = -20° С, складала
величину 0,02 – 0,05. Для значення eр = 0,05 розрахунок приводить до sр =
1,03sр(0). Дійсно, цей результат значить, що sр - sр(0) знаходиться в межах
помилок вимірів. В інтервалі 0 – 80° С eр = 0,12 – 0,15, що відповідає sр =
1,10sр(0). В інтервалі вищому за Тa (100 – 200° С) на високоеластичному плато
eр ~ 0,28 і, відповідно, sр = 1,28sр(0). Швидкість навантаження w = ds/dt
наближено обчислювалася як w = dsр/tр. Слід відзначить, що згідно з [1],
sр = С0 + С1 lg w
де С0 і С1 – матеріальні константи теорії довговічності полімерів. Очевидно, що
неточності у визначенні величини w , яка є аргументом логарифму мало впливає на
sр.
Середнє квадратичне відхилення від істинного значення міцності при випробуванні
n зразків дорівнює
dА = s/Цn
і для даних (рис.2.1) при n =5 складало dА = d /2,23, де d - середнє
квадратичне відхилення для окремого виміру.
Для крихкого стану ПММА в інтервалі –100 … -20° С за нашими даними d = 10-12% .
Якщо d = 12%, то dА =5,38%. Абсолютна величина dА в указаному інтервалі, при
рівні міцності sр = 150 МПа (рис.2.1) складала 7,2 МПа, що не перевищує
максимуму міцності. В інтервалі 0 – 75° С d = 18% і dА = 8,0%. Для рівня
міцності в цьому інтервалі s ~ 40 МПа, відповідно, dА = 2,5 МПа, що значно
менше за b - максимум. Вище температури a- максимуму (0 – 200° С) d = 25%, dА =
6,9% і рівень міцності sр ~ 20 МПа. Відповідно до цього dА = 1,4 МПа, що
відповідає розмірам точок на рис.2.1. Для досліджуваного ПММА динамічна
температура склування Тa , знайдена при w =3 МПа/с, складала 83° С є близькою
до температури Тa = 86° С, що відповідає максимуму на рис.2.1. Це свідчить, що
a - максимум знаходиться в області переході із склоподібного до
високоеластичного стану.
За даними опублікованими в роботі [99, 100] температура крихкості для повільних
випробувань складала Ткр = -29° С (при довговічності tр = 102 с), а, за даними
[44], Ткр = -20° С (tр = 10 с), і Ткр = -30° С при довговічності tр = 3Ч102 с
або при w = 0,05 МПа/с. Збільшення w до 3 МПа/с, зміщується Ткр до більш
високої температури, в той час, як пластифікація знижує Ткр. На рис.2.1
прийнято, що Ткр= -20° С. Таке значення отримане для ПММА при w = 2,9 МПа/с
[97].
За низьких температур в мікрообластях при вершині мікротріщини матеріал
знаходиться в склоподібному стані. Перенапруження досягає високих значень s* =
ks, де k – коефіцієнт концентрації напруження (k > 10), s - напруження,
розраховане на поперечний переріз зразка в момент його розриву.
При температурі крихкості Ткр досягається такий стан у вершині мікротріщини,
який викликає вимушену високоеластичну деформацію. А це в свою чергу знижує
коефіцієнт концентрації напруження k і відповідно величину s*. Тому при Ткр
відбувається перехід від крихкого до квазікрихкого руйнування, яке в ПММА
спостерігається аж до температури квазікрихкості Тккр =50° С. Від Тккр і до Тa
значну роль в механізмі руйнування відіграють процеси утворення тріщин “срібла”
– крейзів і процеси розшарування матеріалу. В нашому випадку (рис.2.1)
тем
- Київ+380960830922