Файл: Трилор, Л. Введение в науку о полимерах.pdf

Г л а в а 9

ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ

1. РОЛЬ ПРОЧНОСТИ

Использование материалов в конкретных целях об­ условлено в первую очередь определенным комплексом их физических свойств. Кроме того, они должны удовле­

обязательно. Если какой-либо конкретный материал об­ ладает физическими свойствами, соответствующими определенным практическим требованиям, и существует удобный способ его производства, то такой материал непременно находит применение независимо от того, природный он или синтетический, органический или не­ органический, полимерный или металлический. С этой точки зрения полимерные материалы постоянно конку­ рируют со множеством материалов разных типов, и ус­ пешное их применение в промышленности зависит от того, насколько полно используются потенциальные фи­ зические свойства этих материалов. Это требует систе­ матического накопления данных по их физическим свой­ ствам, а также по способам, которыми эти свойства можно контролировать, и областям их применения с наибольшей эффективностью.

Самым главным из практически важных физических свойств материала является прочность . Очевидно, что ломкий материал непригоден для эксплуатации, как бы привлекателен он ни был с других точек зрения. Это справедливо при изготовлении любых изделий: железно­ дорожных мостов и холодильников, крыльев самолета и ветровых стекол автомобиля. Пластмассы, в частности, приобрели некоторую неблагоприятную репутацию вслед­ ствие их хрупкости, причем иногда они были просто не­ пригодны для данных конкретных целей, а иногда при

изготовлении из них изделий не было уделено должного внимания механическим напряжениям, с которыми при­ ходится сталкиваться в процессе эксплуатации.

Эта проблема весьма сложна. Прочность не является таким физическим свойством данного материала, как плотность, твердость, модуль эластичности или электро­ проводность. Если, например, десять школьников опре­ деляют плотность стекла для нескольких одинаковых об­ разцов, то разброс результатов их измерений не превы­ сит нескольких десятых процента. Но если их попросить оценить прочность, например иа изгиб, этих образцов, то

самой природе оцениваемого свойства. Типичные экспе­ риментальные результаты испытания прочности стеклян­ ной пластинки представлены на рис. 9.1, где показано, сколько из испытанных образцов имеют конкретную прочность в любом данном интервале. Из этого опыта видно, что даже в наиболее благоприятных лаборатор­ ных условиях кажущиеся одинаковыми образцы из од­ ного и того же материала сильно отличаются друг от друга по прочности.

Эта присущая материалу изменчивость свойств об­ условлена тем, что прочность представляет собой так называемое структурно-чувствительное свойство. Этот термин означает, что любое незначительное изменение структуры материала, которое не оказывает значитель­ ного влияния на другие физические свойства, может иметь глубокое и совершенно непропорциональное влия­ ние на его прочность. Такие изменения возникают по разным причинам, например в результате незначитель­ ных отклонений в составе материала в различных его точках, из-за наличия частиц пыли или других примесей, вследствие механических напряжений, возникших при переработке материала. Однако наиболее важной причи­ ной нарушения структуры, как мы увидим ниже, являют­ ся поверхностные дефекты — очень тонкие царапины или маленькие трещинки, которые неизбежно возникают при переработке материала и в процессе его эксплуа­ тации.

Большинство из обычных измеряемых свойств мате­ риалов— плотность, теплоемкость, показатель преломле­ ния, модуль эластичности и т. д. — это свойства, усред­ ненные по всему образцу, и поэтому любое небольшое

Напряжение, МНм

Рис. 9.1. Распределение экспериментальных значений прочности стеклянных пластинок (Холланд и Тернер, 1934 г.).

изменение в структуре материала приводит только к не­ большому изменению этих средних свойств. В противо­ положность им прочность — свойство экстремальное: разрушение происходит в наиболее слабом месте об­ разца. Хорошо известно высказывание: «Прочность цепи определяется наиболее слабым ее звеном», воплощаю­ щее важный принцип, на котором основаны все измере­ ния прочности. Наибольшие по величине трещины и дефекты структуры суть ее наиболее слабые места,

определяющие максимально допустимые напряжения. Вследствие различной природы этих нарушений структу­

перед инжем-ером-проектировщиком. Проект рассчиты­ вают на основе минимальных значений прочности, с которыми можно когда-либо встретиться на практике. Этот минимум, безусловно, ниже средней величины проч­ ности, но определить его точно нельзя. Поэтому инженер­ ная практика пошла по пути создания «запаса проч­ ности», перекрывающего эту неопределенность. Запас прочности в 10 раз и более — явление очень распростра­ ненное в инженерной практике. Это может и не приве­ сти к большим осложнениям в строительстве тяжелых сооружений, например мостов, однако при конструиро­ вании самолетов такой подход неприемлем. Поэтому важно не только разрабатывать высокопрочные мате­ риалы, но и тщательно изучать факторы, от которых зависит изменение их прочностных показателей.

10 кг/мм2 . Ориентация молекул приводит к повышению показателя прочности, в случае стеклообразных полиме­ ров она может возрасти при этом вдвое. Прочность во­ локон также связана с их молекулярной ориентацией, и наиболее высокоориентированные волокна—лен, вискоз­ ное волокно для шинного корда, высокопрочный найлон (также используемый для шинного корда)—имеют проч­ ность в интервале от 70 до 100 кг/мм2 . Менее ориенти­ рованные волокна, например шерсть и обычное вискозное волокно, обладают меньшей прочностью, хотя она и вы­ ше соответствующих значений для неориентированных кристаллических полимеров, таких, как нерастянутый найлон.

Сравнивая полимерные волокна с металлами, можно убедиться, что они прочнее алюминия, но менее прочны, чем стальные волокна (струны для рояля). Различие

между высокопрочным шинным кордом (из вискозного волокна или найлона) и сталью не так уже велико (всего в 2 раза).

Данные, представленные в табл. 9.1, представляют собой прочность в расчете на площадь поперечного се­ чения образца, т. е. силу, деленную на площадь попереч­ ного сечения. Однако в ряде случаев (например, в са­ молетостроении) важно знать именно массу материала, выдерживающую данную нагрузку. Этот фактор можно оценить, сравнивая прочности, отнесенные к массе ве­ щества. Для этого надо прочность, определенную выше­ указанным способом, разделить на плотность материала. Такое сравнение оказывается в пользу высокопрочных полимерных волокон, как видно из табл. 9.2. В таблицу также включены данные для графитовых волокон, ко­ торые будут рассмотрены ниже в связи с армированием полимеров,

локно

Для того чтобы читатель более наглядно представил себе приведенные значения прочности, рассмотрим такой пример. Нить из высокопрочного найлона с площадью по­ перечного сечения 1 мм2 (диаметр 1,13 мм) выдерживает вес человека ( ~ 80 кг или 800 Н). Чтобы выдержать такой вес, нужна стальная проволока с площадью по­ перечного сечения 0,4 мм2 (диаметр 0,71 мм), однако в случае стеклянного или плексигласового волокна следует увеличить этот параметр до 10 мм2 (диаметр стержня должен быть 3,6 мм).

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДОГО ТЕЛА

При любой конкретной практической разработке по­ лезно знать, каковы теоретически возможные пределы. Это дает возможность предсказать перспективы разви­ тия конкретного направления и избежать траты времени на бесполезные эксперименты. Поэтому не удивительно, что ученые уделяют столь большое внимание вопросу теоретической прочности материалов. Такие теоретиче­

сический случай — каменная соль (NaCI), имеющая кри­ сталлическую решетку кубического типа. Решетка этого типа состоит из чередующихся положительных ионов нат­

мов хлора, захвативших по одному электрону). В любой

на сила притяжения, действующая между одним поло­ жительным и одним отрицательным ионами, а также число ионов на единицу поверхности, то легко рассчи­ тать полную силу, требующуюся для разделения этих поверхностей.

Необходимые для такого расчета данные можно по­ лучить из различных источников. Согласно закону Ку­ лона, сила притяжения между разноименными единич­ ными зарядами прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстоя­ ния между ними. Таким образом, если х— расстояние между центрами Na+ и С1~, то эта составляющая силы дается выражением А/х2, где А — константа. Однако ме­ жду ионами действует не только сила притяжения, стре­ мящаяся соединить их (х = 0), но и сила отталкивания,