ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
Такая формула ранее была получена и другими авторами, но не был вскрыт физический смысл её констант и не дана
трактовка механизма разрушения.
Структура формулы говорит о том, что вклад нагрузки в разрушение связей отражается величиной γσ (работа
механического поля), а остальную часть работы производит тепловое движение, доля которого равна U = U
0
– γσ.
Фундаментальную трактовку получили две константы τ
0
и U
0
. Оказалось, что для различных тел τ
0
= 10
–12
…10
–13
с, что
близко к периоду колебания атомов. U
0
совпадает с энергией их испарения (или сублимации) металлов, т.е. энергией
разрыва связей атома со всеми соседями. Однако для полимерных тел такие простые соотношения не пригодны, так как
их механическое разрушение есть термохимическая деструкция, лишь ускоренная механическим полем. Следовательно,
величина U
0
равна энергии активации термодеструкции E
a
и различается для разных карбоцепных полимеров из-за
различия кинетики их деструкции.
Таким образом, при любых температурах механическое разрушение является происходящим во времени
механотермическим процессом, реализуемым через элементарные акты разрыва межатомных (химических) связей. Время
само по себе роли не играет, оно лишь увеличивает количество тепловых флуктуаций, необходимых для реализации тех
процессов разрыва связей, которые препятствуют критическому событию. Время ожидания критического события
RT
U
exp
кр ∞
τ=τ
. Однако это событие может не наступить, так как благодаря тепловому движению разорванные связи
рекомбинируются.
В механическом поле процесс разрыва связей ускоряется, поэтому роль нагрузки заключается в уменьшении
энергии связей (и соответственно энергии активации, которая ей пропорциональна), изменении расстояния между
кинетическими единицами, а также в фиксации их перемещений, в частности, в затруднении рекомбинации радикалов.
Во всём диапазоне приложенных нагрузок произведение γσ оказалась значительно меньше U
0
. Следовательно, главный
разрушающий фактор – это тепловые флуктуации, т.е. энергия разрушения тела в большей мере черпается из запаса
тепловой энергии, чем из работы внешних сил [10, 11]. А направленность приложенной силы обеспечивает
необратимость процесса вследствие накопления этих разрывов.
Из формулы (2.2) вытекает неизменность состояния вещества и постоянство констант во всём диапазоне температур
и нагрузок. Однако для каждого вещества существует предельная температура, достигнув которой происходит распад его
на фрагменты. Этой предельной температуре отвечает положение полюса. Френкелем С.Я. в предисловии к монографии
Бартенева Г.М. «Прочность и механизм разрушения полимеров» дано обоснование того, что 1/T
m
≠ 0 и τ
m
≠ 10
–13
с. Так
как U не является истинной энергией активации, а γ чувствительна к структуре, то из разложения в ряд функции U (T, σ)
следует зависимость обеих констант от температуры. По мнению Френкеля С.Я., τ
m
соответствует колебаниям химически
несвязанных атомов или молекул в реальных решётках. Однако структура полимера дискретна, т.е. в реальный процесс
разрушения оказываются «завязаны» разные релаксационные процессы, определяемые перемещением или распадом
элементов структуры разной величины, время колебания которых значительно превышает время колебания атомов,
поэтому τ
m
значительно превышает величину 10
–13
с [10].
В формуле (2.2) Ратнером С.Б. и Ярцевым В.П. была физически обоснована четвёртая константа T
m
, введение
которой не отражается ни на трактовке роли и вклада теплового движения и работы внешних сил, ни на физическом
смысле U
0
, γ [10]:
()
−
γσ−
τ=τ
−− 11
0
exp
mm
TT
R
U
, (2.3)
где τ
m
, U
0
, γ и T
m
– физические константы материала: τ
m
– минимальная долговечность (период колебания кинетических
единиц – атомов, групп атомов, сегментов), с; U
0
– максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль; γ –
структурно-механическая константа, кДж/(моль·МПа); T
m
– предельная температура существования твёрдого тела
(температура разложения), К; R – универсальная газовая постоянная, кДж/(моль·К); τ – время до разрушения
(долговечность), с; σ – напряжение, МПа; T – температура, К.
Структура формулы (2.3) говорит о том, что отсчёт обратной температуры идёт не от 1/Т = 0, а от 1/Т
m
, т.е.
существует некоторая предельная температура, выше которой материал не работает, причём его долговечность τ
m
минимальна.
Физический смысл констант, входящих в уравнение (2.3):
− T
m
– предельная температура существования полимера, при которой все химические связи рвутся за одно
тепловое колебание и твёрдое тело полностью распадается;
− τ
m
– минимальное время разрушения твёрдого тела (при T = T
m
), часто гораздо больше, чем τ
0
= 10
–13
с;
− U
0
– максимальная энергия активации процесса разрушения. Она определяется энергией связей, которые
препятствуют потере целостности тела, и близка к величине энергии активации распада межатомных связей в твёрдых
телах: в металлах – к энергии сублимации, а в полимерах – к энергии активации процесса термодеструкции.
− γ – структурно-механическая константа, характеризующая эффективность механического поля при действии
нагрузки. Она пропорциональна прочности и имеет размерность объёма γ = χω (ω – флуктуационный объём, в котором
происходит всплеск тепловой энергии, достаточной для разрыва лимитирующей связи; отвечает размерности химической
связи ≈ 10
–23
см; χ – характеризует концентрацию перенапряжений на разрываемой связи). Следует отметить, что данная
константа состоит из двух аддитивных компонент: гидростатической и девиаторной [9, 10, 12]. Причём первая составляет
лишь несколько процентов от второй. При трактовке γ как коэффициента перенапряжений (чем тело прочнее, тем
уровень локальных перенапряжений в нём ниже, следовательно, γ меньше) следует иметь в виду, что он не сохраняется
постоянным в течение всего времени испытания данного образца на долговечность, что вызвано уменьшением
количества связей и ростом трещины. Состояние с минимальным значением γ достигается вскоре после приложения
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- …
- следующая ›
- последняя »
