Деформирование и разрушение ПМ в высокоэлостическом состоянии

Содержание
Введение
1. Полимерные материалы. Свойства и строение полимерных материалов
2. Высокоэластическое состояние полимеров. Характеристика состояния и факторы, определяющие высокоэластическое состояние
2.1. Высокоэластическое состояние
2.2.. Высокоэластическая деформация
2.3. Связь высокоэластической деформации и строение полимеров
2.4. Ползучесть полимерных материалов
3. Деформационные свойства и механическая прочность полимерных материалов
3.1. Деформационные свойства полимерных материалов
3.2. Механическая прочность полимерных материалов
3.3. Механическая прочность и структура полимерных материалов
Заключение
Использованная литература

Деформирование и разрушение ПМ в высокоэлостическом состоянии

2. Высокоэластическое состояние полимеров. Характеристика состояния и факторы, определяющие высокоэластическое состояние
2.1. Высокоэластическое состояние
Высокоэластическое состояние — это такое состояние, находясь в котором полимер способен к очень большим обратимым деформациям, происходящим под влиянием очень небольших нагрузок [6, c. 164]. Это явление получило название высокоэластичности.
Такой полимерный материал как каучук способен обратимо растягиваться на 700%, т.е. в 8 раз по отношению к первоначальной длине. Это в 1000 раз превышает эластическую, или упругую, деформацию обычных твердых тел. Поэтому высокоэластическое состояние полимеров рассматривают как особое состояние материи, присущее только полимерам при определенных условиях.
Способность тел восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия внешних сил называется упругостью или эластичностью. Различают два вида напряжения: нормальное и касательное. Нормальное напряжение в твердых телах возникает при деформация растяжения и сжатия, а касательное напряжение - при деформации сдвига или скола.
Самыми простыми типами деформации являются простой сдвиг и всестороннее сжатие или растяжения. Все остальные типы деформации представляют собой более сложные явления, при которых происходит изменение и формы, и объема тела.
При простом растяжении стержня под действием нормального напряжения, приложенного к его концам, происходит одновременно продольная деформация и поперечное сжатие образца..
Модуль Юнга, Е = σнат/εпрод.
Абсолютное значение отношения относительной деформации в поперечном направлении к относительной деформации в продольном направлении называют коэффициентом Пуассона:
µ = εпопер/εпрод
Коэффициент Пуассона является безразмерной величиной и показывает меру поперечного сжатия, сопровождающего продольное растяжение. Модули упругости и сдвига связаны соотношением:
 1 + µ = E/2Gт.
В общем виде можно деформацию можно рассматривать как упругую, когда тела способны восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешних сил. Тела, форма которых восстанавливается полностью называют упругими или эластичными. Основной закон, описывающий закономерности упругой деформации, это закон Гука.
Рассмотренные идеальные случаи деформации, когда упругая деформация твердых тел подчиняется закону Гука, и течение жидкости подчиняется закону Ньютона, на практике наблюдаются редко. Существуют два простейших типа отклонений поведения реальных тел от идеального протекания деформации. Это когда отсутствует прямая пропорциональность между деформацией или скоростью деформации и напряжением, т.е. нет подчинения законам механики (Гука и Ньютона). И второй вариант неподчинения законам наблюдается в случае, если напряжение зависит от деформации и от скорости деформации. Такие сложные зависимости наблюдают у вязкоупругих тел.
Для моделирования поведения вязкоупругих тел Максвелл и Кельвин разработали системы, состоящие из пружины и поршня или вязкого элемента (см. рис. 2.1.1.).
Рис. 2.1.1 Иллюстрация моделей вязкоупругих деформаций
σ = σo*l-t/τ
где σо - начальное напряжение при t = о, характеризующее неравновесное состояние тела; σ - напряжение через некоторый промежуток времени t.
Из приведенного уравнения следует, что напряжение в образце уменьшается во времени, причем за очень большой промежуток времени напряжение теоретически должно понизиться до нуля. Однако основное изменение напряжения происходит за определенный отрезок времени.
На основании рассмотренного материала можно говорить, что основная причина высокоэластического состояния полимеров - это гибкость макромолекул. Для полимеров с жесткими макромолекулами (густосетчатых и кристаллических полимеров) явление высокоэластичности не наблюдается. Высокоэластическое состояние следует рассматривать по отношению к целым макромолекулам как упругое, стеклообразное; для участков макромолекул — как жидкое. Для этих элементов структуры в высокоэластическом состоянии характерно сильно различающееся время релаксации.
2.2.. Высокоэластическая деформация
Деформация так называемого идеального полимерного материала, способного деформироваться при приложении небольших напряжений без изменения объема., приводит к тому, что средние расстояния между макромолекулами не меняются, а следовательно, внутренняя энергия остается постоянной. Типичная кривая зависимости относительной деформации от напряжения при простом растяжении идеального полимерного материала представлена на рис. 2.2.1.
Из приведенной на рисунке зависимости видно, кривую можно разбить на три участка, и видно, что закон Гука формально соблюдается только при очень малых напряжениях и деформациях. На основном участке кривой малым изменениям напряжения отвечают очень большие высокоэластические деформации. Третий участок кривой соответствует большим изменениям напряжения. Опыты показывают, что здесь очень малые величины деформации обусловлены изменением структуры материала в процессе деформирования, и деформация не является уже высокоэластической.
Рис. 2.2.1 Термомеханическая кривая полимерных материалов [5, с. 48]
Кроме того из рисунка следует, что на всем втором участке модуль упругости не является постоянной величиной, он зависит от приложенного напряжения. При этом с повышением температуры модуль возрастает, а высокоэластическая деформация сопровождается нагреванием образца
Подобное поведение полимеров говорит о кинетической природе высокоэластической деформации.
Причиной кинетического характера высокоэластической деформации, как принято считать, на базе работ М.В. Волькенштейна, С.Я. Френкеля и других ученых [2, с. 136], является тепловое движение звеньев цепи, вследствие которого цепи изгибаются и принимают различные конформации под влиянием приложенного механического поля.
С молекулярной точки зрения причиной высокой эластичности полимерных материалов можно считать распрямление свернутых длинных гибких цепей под влиянием приложенной нагрузки и в последующем их возвращении к первоначальной форме после снятия нагрузки. На рис. 2.2.2. показано схематическое влияние деформации на молекулярные процессы в полимерных материалах.
Рис. 2.2.2. Схематическое изображение молекул полимеров при деформации
С термодинамической точки зрения явление высокоэластической деформации можно описать как обратимый процесс, происходящий при постоянных объеме и температуре. В этом случае из уравнений термодинамики следует, что при деформации возможно существование упругих сил двух типов. Одни приводят к изменению внутренней энергия, а другие силы приводят к изменению энтропии при действии теплового движения. При деформации полимерных материалов внутренняя энергия не изменяется, поэтому упругие силы в полимерах обусловлены изменением энтропии.
Кроме молекулярного и термодинамического рассмотрения состояния высокоэластичного состояния полимеров принято применять и статистическую теорию эластичности, связывая модуль упругости с частотой сетки полимеров, т.е. учитываются макроскопические термодинамические величины.
Но наблюдаемая опытным путем линейная зависимость модуля полимеров от абсолютной температуры подтверждена опытом. однако основные допущения - свободное вращение звеньев, пренебрежение изменением внутренней энергия при деформации, игнорирование межмолекулярного взаимодействия приводят к тому, что поведение реальных полимерных материалов не соответствует теории эластичности.
Эластичность реальных полимерных материалов не описывается простыми закономерностями, идеальных материалов. При деформации реальных полимерных материалов происходит изменение объема, что означает, что происходит изменение расстояния между цепями в полимерах, а следовательно, изменяется и энергии взаимодействия, т.е. изменяется энтропия и внутренняя энергия [2, с. 150].
В книге А.С. Тагер [2] приведены ссылки на работы, где было теоретически показано ( это российские ученые Волькентптейн и Птипын, а также и Флори с сотр.), показано, что эластические свойства полиалкилакрилатов хорошо описываются уравнениями статистической теории эластичности я упругая сила, возникающая в процессе их растяжения, в основном задается изменением энтропии. В отличие от этого полиалкялметакрилаты деформируются с увеличением энтропии и существенным изменением внутренней энергии, величина вклада которой зависит от степени растяжения. Полученные в работах Волькенштейна и др. данные затем были подтверждены на других полимерных материалах.
Установлено также, что высокоэластическая деформация проявляется только в определенном диапазоне напряжений и деформаций. При очень больших значениях напряжений и деформаций, когда гибкие макромолекулы предельно распрямлены, они ведут себя как жесткие образования. деформация изменяется очень мало, а напряжение сильно возрастает. Это означает, что резко увеличивается модуль упругости, т. е. характер деформации изменяется: она становится чисто энергетической. Если полимер способен кристаллизоваться, то он при этих напряжениях кристаллизуется, что сопровождается выделением большого количества тепла.
Кроме того в результате опытов на различных полимерных материалах установлено, что деформация реальных полимерных материалов никогда не является чисто высокоэластической. Наряду с выпрямлением цепей и изменением их формы происходит также относительное перемещение цепей, что приводит к остаточным деформациям. Поэтому общее изменение длины цепей при деформации растяжения или сжатия образца каучука всегда является результатом как высокоэластической деформации, так и деформации течения.
Для разделения процессов существует ряд приемов.
Чтобы избежать течения или свести его к минимуму, исследование высокоэластической деформации проводят или при настолько низких температурах, при которых перемещением цепи как единого целого можно было бы пренебречь, или создают в полимере редкую пространственную сетку. При наличии редкой сетки взаимное перемещение цепей невозможно, но отрезки цепи между узлами сетки достаточно велики для проявления гибкости цепи.
Наиболее существенной особенностью поведения полимерных материалов является неравновесность высокоэластической деформации, из-за релаксационного характера деформации. Под релаксацией в случае полимеров понимается установление равновесия.
Особенность строения полимера, заключается в том, что в полимерных материалах содержатся два вида структурных элементов - звенья цепи и сами цепи. Эти элементы значительно отличаются друг от друга своими размерами, а, следовательно, и подвижностью. При рассмотрении релаксационных процессов в полимерных материалах исходят из того, что размеры звеньев по порядку величины подобны размерам молекул низкомолекулярных веществ [5, c. 74] . Поскольку звенья в полимерах химически связаны в очень длинные цепи, то их подвижность ограничена.
Однако подвижность звеньев в высокоэластическом состоянии еще достаточно велика, поэтому перегруппировки звеньев могут осуществляться с заметными скоростями. Время, необходимое для таких перегруппировок или время релаксации звеньев, составляет 10-4 – 10-6 сек. А сами полимерные цепи вследствие их больших размеров обладают малой подвижностью, и время их релаксации очень велико. Поэтому у полимеров в высокоэластическом состоянии изменение температуры влечет за собой главным образом перегруппировку звеньев, т.е. изменение конформации цепей.
Для оценки параметра релаксации - времени релаксации судят по тому, с какой скоростью свойства полимерных материалов, характеризующие состояние системы, асимптотически приближаются к своим равновесным значениям.
Если к образцу полимера приложено постоянное напряжение, которое значительно меньше разрушающего напряжения, то под влиянием приложенного напряжения образец будет постепенно удлиняться до достижения определенной длины, не изменяющейся больше во времени. Постепенное развитие деформации связано с тем, что под влиянием действующих сил процесс изменения конформаций цепей приобретает определенную направленность и требует времени. Относительная деформация, которая не изменяется во времени, называется равновесной высокоэластической деформацией. Каждому значению напряжения соответствует определенное значение равновесной деформации. Эти величины связаны соотношением, аналогичным закону Гука.
После снятия напряжения, когда образец восстанавливает свою первоначальную форму, также происходит изменение деформации во времени. Аналогичные явления
наблюдаются и при деформации сжатия.
А.С. Тагер [2б сю 150] дает ссылки на работы по исследованию релаксационных процессов и релаксационной природы высокоэластической деформации ученых Кобеко, Александрова и Лазуркина, которые впервые изучали досконально эти процессы..
Временную зависимость деформации полимерных материалов можно описать так. Верхняя прямая соответствует равновесной высокоэластической деформации, которая развивается практически мгновенно. С понижением температуры время достижения равновесной деформации увеличивается, и равновесная деформация практически не достигается.
Из приведенных на рисунке зависимостей следует, что в том диапазоне температур, в котором проявляются высокоэластические свойства полимера, равновесное значение эластической деформации почти не зависит от температуры; температура влияет лишь на скорость достижения равновесия. При достаточно низких температурах время релаксации цепей становится настолько большим, что деформацией течения можно пренебречь.
По наблюдению за релаксационными процессами установлено, что можно рассчитать равновесные значения высокоэластической деформации при разных температурах и времени. Расчетные данные показали, что практически всегда деформация развивается постепенно и достигает равновесного значения при повышении температуры. Такая зависимость объяснима тем, что время релаксации уменьшается при росте температуры релаксации. Кроме того увеличение температуры для ряда материалов может приводить к росту скорости релаксационных процессов.
При изучении релаксационных процессов обнаружено, что существует такое явление как релаксация напряжения. Это можно показать на таком опыте. Если подвергнуть образец полимера очень быстрой, почти мгновенной деформации и закрепить его в деформированном состоянии, то за этот короткий промежуток времени равновесная деформация не может развиться. Но в образце возникает напряжение. Со временем в результате перегруппировки звеньев в полимере развивается высокоэластическая деформация, которой отвечает малое значение модуля. Поэтому напряжение в образце уменьшается. Этот процесс называется процессом релаксации напряжения, а время, в течение которого напряжение в образце уменьшается в е раз, временем релаксации