Разрушение и прочность материалов

Для понимания сложных процессов, происходящих при деформировании и разрушении наполненного полимера, необходимо вспомнить теорию прочности, основоположником которой является Гриффит, а ее продолжателями Журков, Эндрюс. Теория основана на сопоставлении упругой энергии, высвобождающейся при распространении трещин, с энергией, затрачиваемой на создание новой поверхности при образовании этих трещин.

Согласно этой теории разрушение твердых тел происходит постепенно через три стадии: зарождения трещин, их стабильный рост и катастрофический рост трещин, означающий разрушение материала.

Под действием нагрузки в полимере возникают микротрещины. Источником этих трещин являются дефекты материала, а также места перенапряжений. Перенапряжения образуются при формировании образца, например, как результат не успевших пройти релаксационных процессов или вследствие термической усадки материала. Кроме того, образованию первичных трещин в полимере способствуют флуктуации тепловой энергии, т.е. локальные резкие возрастания внутренней энергии, вызывающие разрыв химических связей.

Из механики следует, что нагрузка, приходящаяся на всю площадь трещины, концентрируется в ее вершине. Пока трещина мала и энергия в вершине трещины не превышает термодинамическую поверхностную энергию тела - γ_т разрушения не происходит. С ростом трещины нагрузка в ее вершине возрастает. И как только трещина (одна из трещин) достигнет некоего критического размера, такого, что сконцентрированная в ее вершине энергия превысит γ_т, начинается катастрофический рост трещины, и тело разрушается. Этой ситуации соответствует равенство:

,

где σ - механическая прочность; А – геометрическая константа, γ_т – удельная поверхностная энергия разрушения; с – эффективный размер дефекта в материале.

Эта теория хорошо объясняет, почему экспериментальные значения прочности твердых тел во много раз ниже теоретических. Возникновение и рост трещин происходит во времени. Этим объясняется то, что при длительном воздействии нагрузки на материал его прочность снижается.

С другой стороны, на образование и рост трещины затрачивается энергия, равная произведению площади образующейся поверхности на поверхностную энергию материала. Эта энергия рассеивается (диссипирует) в материале. Чем больше возникает микротрещин, тем больше внешней энергии необходимо затратить на разрушение образца, и тем выше будет его прочность. Из этого следует, что образование большого числа микротрещин с размером меньше критического повышает прочность материала. Это положение подтверждено большим числом экспериментальных данных. Кроме того, все факторы, тормозящие рост трещины, повышают прочность материала. Но если размер образующихся трещин больше критического, то их возникновение ведет к разрушению материала при пониженной нагрузке.