Закономерности разрушения и долговечности полимеров при

циклических нагрузках рассмотрены в [9; 11.32]. Закономерности ди­намической и статической усталости сшитого эластомера, например, одинаковы (соотношение между числом циклов до разрушения N и максимальным за цикл напряжением а при растяжении Nom= — const), но статический режим является более «мягким» по срав­нению с динамическим. Несмотря на то что в статическом режиме материал находится все время в напряженном состоянии, его раз­рушение происходит значительно позже, чем при динамических на­пряжениях, когда образец находится в напряженном состоянии лишь часть времени. Это объясняется тем, что при периодических нагрузках перенапряжения не успевают отрелаксировать за время каждого цикла нагружения, тогда как при статической нагрузке они с течением времени выравниваются. Для пластмасс релаксация перенапряжений связана с микропластической локальной деформа­цией в вершинах микротрещин. При увеличении частоты и нагру­жения возможен переход от квазихрупкого к хрупкому разру­шению.

Кроме того, разрушение эластомеров при многократных дефор­мациях ускоряется механически активированными химическими процессами деструкции полимерных цепей.

Если механизм разрушения один и тот же при статических и циклических нагрузках, то приближенно верен (для хрупкого раз­рушения хуже, для квазихрупкого — лучше и для трещин, «сереб­ра» — еще лучше) так называемый критерий Бейли, позволя­ющий в принципе по уравнению долговечности рассчитывать время до разрушения образца при любом временном режиме нагружения, в том числе и при циклическом.

Запишем критерий Бейли в виде (при Т=const)

где /р — время до разрушения при заданном произвольном режиме нагружения o=o(t), а %д (а)—долговечность материала, извест­ная при каждом значении напряжения растяжения а (уравнение долговечности). Критерий Бейли вытекает из следующих рассужде­ний. В каждый момент времени образец разрушается на какую-то долю dtv=dtlxji (а), а сумма всех этих долей вплоть до момента разрушения t—tv равна единице. Здесь применяется принцип сум­мирования последовательности всех повреждений образца. Этот принцип верен для таких процессов разрушения, когда не происхо­дит обратного процесса — залечивания повреждений. Напри­мер, он не верен при малых напряжениях вблизи безопасного на­пряжения.

При циклическом нагружении

где N — число циклов до разрушения; 0 — период цикла; tv = NQ — время до разрушения.

Было замечено, что критерий Бейли становится неприменимым для расчетов числа циклов до разрушения пластмасс, если увели­чиваются частота и число циклов до разрушения. Основная причи­на этого — локальные повышения температуры в вершинах трещин вследствие многократных передеформаций зоны «микропластично­сти». При этом температура образца в целом заметно не увеличи­валась, но локальные перегревы достигали 20—50 К. Но при более жестких режимах деформации идет разогрев и материала в целом. Наложение на статическую дополнительной периодической нагруз­ки вызывает явление виброползучести. Основные причины эффек­та— разогрев материала вследствие механических потерь. В нача­ле действия вибраций, когда не произошло заметного разогрева, скорость ползучести не изменялась, но затем резко возрастала на 2—3 порядка, при этом заметно повышалась температура мате­риала.

Процесс разрушения более чувствителен к релаксационным процессам, чем ползучесть. Скорость процесса разрушения задолго до разогрева образца в целом изменяется за счет локальных пере­гревов в вершинах трещин. В этом случае критерий Бейли записы­вается в более общем виде:

где при о=о (t) температура локальных областей перегрева Г* и температура образца T=T(t) совместно влияют на долговеч­ность Тд 1

Прочность и долговечность являются важнейшими свойствами полимерных материалов. Прочность реальных материалов не явля­ется материальной константой, так как зависит от многих факто­ров — времени или скорости действия нагрузки, температуры, вида напряженного состояния и др. Можно назвать две основные причи­ны этого. Первая — существование во всех реальных материалах структурных дефектов и прежде всего микротрещин. Вторая — тер­мофлуктуационный механизм разрыва химических связей. Соответ­ственно этому возникли два подхода к прочности твердых тел: ме­ханический и кинетический. Механический подход имеет свои до­стоинства и недостатки. Так, механика разрушения является осно­вой инженерных методов расчета прочности деталей и конструкций, находящихся в сложнонапряженном состоянии. Математическая теория трещин, позволяющая рассчитывать перенапряжения вбли­зи микротрещины, является большим достижением механики раз­рушения. В то же время механический подход оставляет в стороне физические атомно-молекулярные механизмы разрушения и физи­ческую кинетику разрушения в целом. Кинетический подход исхо­дит из термофлуктуационного механизма разрушения, общего для всех твердых тел, в том числе и для полимеров. Суть этого меха­низма заключается в том, что химические связи в полимере разры­ваются в результате локальных тепловых флуктуаций, а приложен­ное напряжение увеличивает вероятность разрыва связей.

Современная термофлуктуационная теория хрупкой прочности полимеров объединяет оба подхода и вводит понятие о безопасном и критическом напряжениях.

При достаточно низкой температуре или больших скоростях разрушения термофлуктуационный механизм не реализуется и раз­рушение происходит по атермическому механизму. Чем выше тем­пература, тем интенсивнее проявляется термофлуктуационная при­рода прочности полимеров. При температурах выше температуры стеклования существенное влияние на процесс разрушения начина­ют проявлять релаксационные свойства (см. табл. 11.2). Так, в высокоэластическом состоянии ведущим процессом в разрушении является не термофлуктуационный разрыв химических связей, а преодоление межмолекулярных сил и процессы релаксации. Это явление подробно рассматривается в следующей главе.