Макроскопические напряжения

17 Строение макромолекул полимеров

Молекулярно-кинетическая теория учитывает цепное строение макромолекул полимеров, их гибкость и «свободное» тепловое движение. Концы макромолекулярной цепи находятся в контакте с поверхностью металла, и под действием теплового движения цепь через некоторый промежуток времени перемещается в новое положение. При наличии внешней тангенциальной силы это перемещение преимущественно происходит в направлении действия этой силы. Уравнения, приведенные в работе [8], описывают поведение тел, обладающих адгезионным взаимодействием, но только при условии, что прочность этого взаимодействия существенно меньше прочности самой цепи, т. е. при легких режимах работы.

Рис. 1-12. Схемы строения Макромолекул полимеров, а —линейные; 6 — разветвленные; в — сшитые.

т. е. состоят из гигантских молекул, называемых макромолекулами. В состав макромолекул входят сотни, а иногда и тысячи отдельных атомов, связанных между собой прочной химической связью. Макромолекулы состоят из элементарных мономерных звеньев, представляющих собой повторяющиеся группы атомов одинакового или различного строения, химически связанные между собой. Длина макромолекул полимеров обычно в несколько тысяч раз больше их поперечных размеров. В зависимости от геометрической структуры макромолекулы разделяются на линейные, разветвленные и пространственные или сшитые (рис. 1-12). Общим специфическим свойством макромолекул является их гибкость, обусловленная интенсивностью взаимодействия звеньев друг с другом в цепи и со звеньями соседних макромолекул.

Pitc. 199. Формы макромолекул полимеров:

2. Как влияет форма макромолекул полимеров на их физико-механические свойства?

ны в направлении оси волокна и свойства волокна (прочность, модуль упругости и др.) различны вдоль и поперек его. Чем выше степень ориентации макромолекул полимеров, тем выше прочность при растяжении вдоль волокон. Макромолекулы в жесткоцепных полимерах при высокой температуре сами стремятся сориентироваться в одном направлении, поэтому при изготовлении волокон из этих материалов используют стадию термообработки. Основная проблема достижения высоких характеристик волокон из гибкоцепных полимеров - добиться высоких степеней ориентации в процессе вытяжки и избежать разрывов макромолекул. Полиэтиленовые волокна могут иметь очень высокие прочность и модуль упругости при самой низкой плотности. Однако они имеют и недостатки - низкие рабочие температуры (до 100° С) и плохая адгезия к большинству полимерных матриц. Среди композитов этого типа можно также назвать органопластики (армированные пластики на основе органических полимерных волокон). В качестве армирующего наполнителя органопла-стиков применяют органические природные и синтетические волокна, нити, жгуты, ткани, трикотаж, холсты и др. Разработаны и применяются и другие волокна. Свойства различных волокон приведены в табл. 11.1, где для сравнения даны характеристики высокопрочного стального волокна.

Рис. 20. Формы пространственной конфигурации макромолекул полимеров: а — линейная; б — разветвленная; в — лестничная; г — сетчатая

Рис. 9.2. Формы макромолекул полимеров:

С гибкостью макромолекул полимеров связаны многие свойства полимеров: обратимая высокоэластическая деформация, достигающая десятков сотен процентов, ползучесть. Наиболее четко высокоэластич-ность проявляется в резинах и каучуках.

Особенности строения макромолекул полимеров обусловливают зависимость их механических свойств от продолжительности действия и скорости приложения нагрузки. Действующая на полимер нагрузка вызывает в его структуре изменения, связанные с распрямлением, раскручиванием макромолекул, взаимным перемещением макромолекул. В результате полимер переводится в неравновесное, термодинамически неустойчивое состояние. На переход из неравновесного состояния к равновесному (т. е. релаксацию) требуется время от нескольких долей секунды (КГ4 с) до нескольких суток, а в ряде случаев и месяцев.

Используя теории слоистых конструкций, можно формулировать содержательные краевые задачи, по решениям которых можно судить о жесткости и устойчивости слоистых композитов. Найдя в результате решения конкретной краевой задачи основные зависимые переменные этих теорий, т. е. результирующие силы и моменты, по принятой частной теории можно определить распределение макроскопических напряжений в слое. Вместо приближенных теорий слоистого тела можно попытаться применить «точный» анализ, как обсуждалось выше. В этом случае основными переменными являются макроскопические напряжения в слое и последний шаг оказывается излишним. В свою очередь, если известен подход (обсуждаемый в разд. VIII), позволяющий рассматривать неоднородные макроскопические напряженные состояния, то напряжения в каждом компоненте можно определить средствами микромеханики. Таким образом, микромеханика указывает связь между механическим поведением используемых в технике слоистых композитов, с одной стороны, и поведением их компонентов — с другой.

представительного объема, а термин микроскопический — к областям порядка характерного размера фаз. Например, макроскопические напряжения означают напряжения в областях, по размерам больших представительного объема.

В этой главе мы будем предполагать, что макроскопические напряжения изменяются достаточно медленно от точки к точке, так что в представительном объеме их можно считать однородными. В противном случае анализ, предлагаемый ниже, не годится. Далее, будем предполагать, что фазы жестко связаны, т. е. соответствующие напряжения и перемещения при переходе от одной фазы к другой непрерывны.

В поликристаллических металлах различная ориентация отдельных зерен обусловливает неодинаковое их сопротивление приложенной нагрузке. Даже в тех случаях, когда эта нагрузка создает в металле средние макроскопические напряжения намного меньше предела текучести, отдельные микроучастки зерен, наименее благоприятно ориентированные, могут оказаться в состоянии пластической деформации. Зарождение трещин усталостного и коррозионно-усталостного разрушения связано с локальной микропластической деформацией в отдельных слабых местах поверхности металла.

Другим эффектом является возникновение тока дислокаций, отнесенного к единице коррозионного тока, когда макроскопические напряжения отсутствуют (хемомеханический эффект):

В поликристаллических металлах различная ориентация отдельных зерен обусловливает неодинаковое их сопротивление приложенной нагрузке. Даже в тех случаях, когда эта нагрузка создает в металле средние макроскопические напряжения, величина которых намного меньше предела текучести, отдельные микроучастки зерен, наименее благоприятно ориентированные, могут оказаться в состоянии пластической деформации. Зарождение трещин усталостного и коррозионно-усталостного разрушения связано с локальной микропластической деформацией в отдельных слабых местах поверхности металла.

Второй эффект характеризуется возникновением тока дислокаций, отнесенного к единице коррозионного тока, когда макроскопические напряжения отсутствуют (хемомеханический эффект):

Макроскопические напряжения. Остаточные напряжения в детали возникают в результате воздействия различных технологических процессов при ее изготовлении.

• внутренние напряжения первого рода — напряжения, возникающие между крупными частями тела (макроскопические напряжения);

Коробление и растрескивание вызываются значительными остаточными напряжениями, возникающими при закалке. Основной источник напряжений — увеличение объема при превращении аустенита в мартенсит. Модуль упругости в температурном интервале мартенситного превращения достаточно велик, поэтому возникающие из-за объемных изменений напряжения релаксируют с малой скоростью. Значительные макроскопические напряжения возникают из-за неодновременности превращения по сечению, а также в закаливаемых деталях сложной формы. Остаточные напряжения уменьшаются при условии одновременного превращения

преобразование и осреднение которых позволяет получить соотношения, связывающие структурные и макроскопические напряжения и деформации: