Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

ровать изменения свойств конкретного полимера при старении при отсутствии соответствующих данных трудно. В связи с этим

факторов.

В настоящее время существуют некоторые методы ускорен­ ных испытаний, позволяющих оценить изменение свойств полимеров при определенных условиях.

Срок службы полимерных материалов, в которых происходит старение, связанное с процессами разложения, устанавливается по предельно допустимому изменению основных свойств. Срок службы полимера, старение которого обусловлено процессами термодеструкции, можно оценить температурно-временным пределом использования материала (температурно-временной зависимостью необратимого изменения свойств). Так, срок службы полисилоксана в условиях, в которых происходит тер­ модеструкция, может составлять 1000 ч при температуре 250° С или 10 лет при температуре 180° С; при более длительной эксплуатации материал становится хрупким, в нем образуются трещины. Однако никакой конкретный температурно-временной предел в отдельности не является достаточно полной характери­ стикой срока службы, так как требуемые свойства всегда опре­ деляются специфическими условиями применения полимера [66].

Процессы механического разрушения твердых тел

Обычно считают, что при напряжениях, меньших предела упругости, пластическая деформация вообще не может разви­ ваться, а разрушение тела происходит (практически мгновенно) только тогда, когда напряжения достигнут предела прочности. Однако в последние годы разрушение материала рассматривают не как критическое событие, а как постепенный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся в механически напряженном материале с момента приложения к нему нагруз­ ки, в том числе меньше критической [10].

Разрушение является безактивационным процессом только при очень низких температурах (близких к абсолютному нулю) или при действии напряжений, равных пределу теоретической прочности (прочности атомных связей).

В соответствии с этой кинетической теорией, согласно которой одним из фундаментальных свойств прочности является ее зависимость от времени, деформация и разрушение должны характеризоваться не предельными напряжениями, а скоростью деформации и разрушения, кроме того, долговечностью — вре­ менем, требующимся для разрушения. Пределы упругости, текучести, прочности являются с этой точки зрения только некоторыми условными характеристиками.

Скорость процессов механического разрушения нагруженно­ го твердого тела и соответственно время до разрушения зависят от структуры и свойств тела, от напряжения, вызываемого нагрузкой, и температуры. Существует ряд эмпирических фор­ мул, описывающих зависимость времени до разрыва т (или ско­ рости разрушения #Ё)от этих факторов. Наибольшее приме­ нение получила установленная экспериментально для многих материалов (чистых металлов, сплавов, полимерных материа­ лов, органического и неорганического стекла и др.) зависимость

турах:

а — при Ті < Г2 < Т3 < 7Y, б — при C1 <<32< O 3 < о4

между напряжением а, температурой Т и временем т от мо­ мента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца [40]:

начальную энергию активации (величину начального энергети­ ческого барьера) процесса разрушения при а = 0, постоянную для данного материала в широкой области температур Т и не зависящую от обработки материала (наклепа, термической

обработки, легирования и т. д.); т0 и то1= со0 параметры, совпа­ дающие с частотой собственных тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке твердого тела, постоянные для всех исследованных металлов и сплавов, полимеров, ионных кри­ сталлов, не зависящие от обработки материала и условий нагружения; напряжение материала а, обусловленное механи­ ческой нагрузкой, уменьшает начальную энергию активации на величину уо, активирует, таким образом, процесс разру­ шения и создает направленность процесса. Структурный коэффициент у определяет степень уменьшения начального энергетического барьера под действием приложенного напря­ жения (характеристика чувствительности материала к напря­ жению).

Все изменения прочностных свойств материалов, происходя­ щие при изменении их частоты собственных тепловых колебаний при тепловой обработке и деформировании, связаны с измене­ нием только величины у. Следовательно, Y может быть использована как количественная мера прочности, т. е. мера сопротивления разрушению, учитывающая временную и темпе­ ратурную зависимость прочности. Действительно, так как U0

и т0 не меняются и известны, то знание у позволяет построить все семейство временных зависимостей прочности при разных температурах. В свою очередь, значение Y может быть вычис­ лено из временной зависимости, полученной при одной темпе­ ратуре [10]:

где а — тангенс угла наклона прямой lg т — f(a). Температурно-временная зависимость прочности проверена

в широком интервале напряжений, температур и времени при различных видах напряженного состояния (растяжении, изгибе, кручении), при статических и циклических нагрузках. Справед­ ливость уравнения (4) показана для величин, определяющих

с нескольких месяцев до нескольких лет.

Из выражения lg т = f ^ — ^ может быть оценена величина

энергии активации U и построена зависимость U(o), линейный характер которой позволяет путем экстраполяции ее на ось ординат вычислить величину начальной энергии активации про­ цесса разрушения U0 (рис. 7); наклон прямой U(o) соответ­ ствует структурному параметру у.