Zlomenina v polymerech - Fracture in polymers - Wikipedia

Zlomenina polymeru je studium lomového povrchu již poškozeného materiálu za účelem stanovení metody vzniku a prodloužení trhlin v polymery oba vyztužené vlákny a jinak.^[1] Selhání polymerních složek může nastat při relativně nízkých úrovních napětí, hluboko pod pevností v tahu, a to ze čtyř hlavních důvodů: dlouhodobé napětí nebo prasknutí při tečení, cyklická napětí nebo únava, přítomnost strukturálních vad a činidel praskání napětím. Formace submikroskopických trhlin v polymerech pod zatížením byly studovány technikami rozptylu rentgenového záření a byly analyzovány hlavní zákonitosti tvorby trhlin za různých podmínek zatížení. Nízká pevnost polymerů ve srovnání s teoreticky předpovězenými hodnotami je způsobena hlavně mnoha mikroskopickými nedokonalostmi nalezenými v materiálu. Tyto vady, konkrétně dislokace, krystalický hranice, amorfní mezivrstvy a bloková struktura mohou vést k nerovnoměrnému rozložení mechanického napětí.

Dlouhodobý stres nebo Creep Failure

S přihlédnutím k viskoelastické dráze při malém namáhání na základě tepelně aktivovaných rychlostních procesů. Když napětí dosáhne vyšších hodnot, dostatečně vysokých na to, aby vedlo k selhání, jeho sklon proti času vykazuje náhlou změnu. V tuto konkrétní dobu se funkce dotvarování jeví jako minimální.^[2] Ve většině případů lze k určení viskoelastického chování vzorků v závislosti na čase použít DMTA (dynamická mechanická termická analýza). Klasickým případem je situace, kdy po mnoha letech provozu dojde k prasknutí gumové hadice v důsledku tečení. DMTA lze použít pro O-kroužky a těsnění k měření rychlosti tečení.

Selhání únavy

Termín únava označuje účinek cyklického nebo přerušovaného zatížení. Cyklické zatížení v důsledku oscilačního mechanického namáhání nebo střídavého vytápění a chlazení je škodlivější než statické zatížení. Při cyklickém zatížení jsou trhliny inicializovány jako lokalizovaná místa v části a ty se během cyklování rozšiřují. Nakonec se roztáhnou a spojí do takové míry, že materiál již nedokáže udržet a podporovat stres. Zlomeniny lze charakterizovat řadou soustředných pásů pro růst trhlin, které rostou z místa iniciace povrchu. Cyklické zatížení může způsobit selhání polymeru v důsledku: štěpení řetězce, nahromaděného tepla v důsledku hystereze, rekrystalizace materiálu a kumulativní tvorby trhlin.

Štěpení řetězce

Štěpení řetězce dochází v polymeru v důsledku intenzivního lokalizovaného tepla. chemická vazba v páteři polymeru může být narušena vytvářením volných radikálů teplem, ionizujícím zářením, mechanickým namáháním a chemickými reakcemi. Tyto vícenásobné rozštěpení způsobují inicializaci špičky zlomeniny následovanou jejím růstem.^[3]

Nahromaděné teplo z hystereze

Polymery jsou od přírody viskoelastické a vykazují mechanickou hysterezi i při mírných napnutích kvůli kontinuálnímu prodloužení a kontrakci. Část této nepružné deformační energie se rozptýlí jako teplo v polymeru a následně teplota materiálů vzroste jako funkce frekvence, testovací teploty, napěťového cyklu a typu polymeru. Jak teplota v polymeru stoupá, tuhost a mez kluzu klesají a tepelné selhání se stává možným, protože úrovně deformace jsou nadměrné.

Lomová mechanika v polymerech

Lomová mechanika v polymerech se stále více týká pole, protože mnoho průmyslových odvětví přechází na implementaci polymerů v mnoha kritických strukturálních aplikacích. Vzhledem k tomu, že průmyslová odvětví přecházejí k implementaci polymerních materiálů, je třeba lépe porozumět mechanismům selhání těchto polymerů. Polymery mohou vykazovat určité inherentně odlišné chování než kovy, když jsou praskliny vystaveny zatížení. To je do značné míry přičítáno jejich houževnatým a tvárným mechanickým vlastnostem. Mikrostrukturálně obsahují kovy hranice zrn, krystalografické roviny a dislokace, zatímco polymery jsou tvořeny dlouhými molekulárními řetězci. Ve stejném případě, že lom v kovech zahrnuje rozbití vazeb, je třeba zlomit kovalentní a van der Waalsovy vazby, aby došlo k lomu. Tyto sekundární vazby (van der Waals) hrají důležitou roli při deformaci lomu na špičce trhliny. Mnoho materiálů, jako jsou kovy, používá k předpovědi chování na špičce trhliny lineární pružnou lomovou mechaniku. U některých materiálů to není vždy vhodný způsob charakterizace lomového chování a používá se alternativní model. Elastická plastická lomová mechanika se týká materiálů, které vykazují časově nezávislé a nelineární chování nebo jinými slovy plasticky deformují. Místo iniciace lomu v těchto materiálech může často nastat u anorganických prachových částic, kde napětí přesahuje kritickou hodnotu.

Podle standardní lineární pružné lomové mechaniky lze Griffithův zákon použít k předpovědi množství energie potřebné k vytvoření nového povrchu vyvážením množství práce potřebné k vytvoření nového povrchu s uloženou elastickou energií vzorku. Níže uvedená oblíbená rovnice poskytuje potřebné množství lomového napětí potřebné jako funkce délky trhliny. E je Youngův modul materiálu, γ je povrchová volná energie na plochu a a je délka trhliny.

${ displaystyle sigma = { sqrt { frac {2 gamma E} { pi a}}}}$

Griffithův zákon

Zatímco mnoho nápadů z modelů lineární pružné lomové mechaniky (LEFM) je použitelné na polymery, existují určité charakteristiky, které je třeba při modelování chování vzít v úvahu. Na špičkách trhlin je třeba počítat s další plastickou deformací, protože u plastů je větší pravděpodobnost poddajnosti.

Výnosové mechanismy

Obrázek 1 - Craze zóna s prasklinami

Jak se kovy uvolňují dislokačními pohyby v kluzných rovinách, polymer se získá buď smykovým výtěžkem, nebo crazem.^[4] Při smykovém výtěžku se molekuly pohybují vůči sobě navzájem, protože na systém připomínající plastický tok v kovech působí kritické smykové napětí. Výtěžek pomocí crazingu se vyskytuje u skelných polymerů, kde se na vysoce lokalizovanou oblast aplikuje tahové zatížení. Vysoká koncentrace stresu povede k tvorbě fibril, ve kterých molekulární řetězce tvoří vyrovnané úseky. To také vytváří dutiny, které jsou známé jako kavitace a lze je na makroskopické úrovni vidět jako oblast vybělenou stresem, jak je znázorněno na obrázku 1. Tyto dutiny obklopují zarovnané oblasti polymeru.^[5] Stres v zarovnaných vláknech bude nést většinu stresu, protože kovalentní vazby jsou výrazně silnější než van der Waalsovy vazby. Plastické chování polymerů vede k větší předpokládané zóně plastické deformace před špičkou trhliny, která mění proces poruchy.

Chování bezva špičky

Stejně jako v kovech, když se napětí na špičce trhliny blíží nekonečnu, na této přední části trhliny se vytvoří výnosová zóna. Poddajnost craze je nejběžnější metodou poddajnosti na přední straně trhliny pod napětím v důsledku vysokých triaxiálních napětí aplikovaných v této místní oblasti. Model Dugdale-Barenblattův pásový výnos se používá k předpovědi délky zóny šílenství.^[6] KI představují faktor intenzity napětí, s je pudové napětí aplikované na systém (v této situaci kolmé na trhlinu) a r je délka zóny pasu.

${ displaystyle rho = pi / 8 (K_ {I} / sigma _ {c})}$

Dugdale-Barenblattův model s výtěžkem

Rovnice pro faktor intenzity napětí pro vzorek s jednou trhlinou je uvedena v následující rovnici, kde Y je geometrický parametr, s je aplikované napětí a a je délka trhliny. U okrajové trhliny „a“ ​​je celková délka trhliny, kde trhlina, která není na okraji, má délku trhliny „2a“.

${ displaystyle K = Y sigma surd ( pi * a)}$

Rovnice intenzity stresu

Jakmile se fibrily v trhlině začnou protrhávat, trhlina postupuje buď stabilním, nestabilním nebo kritickým růstem v závislosti na houževnatosti materiálu. Pro přesné stanovení stability růstu trhliny a křivky R by měl být sestrojen. Unikátní špička režimu lomu se nazývá růst trhlin stick / slip. K tomu dochází, když praskne celá zóna trhliny při nějakém kritickém posunutí otevření špičky trhliny (CTOD), po kterém následuje zastavení trhliny a poté vznik nového špičky praskliny.

Faktor intenzity kritického stresu

Faktor intenzity kritického stresu (K._IC) lze definovat jako prahovou hodnotu intenzity napětí založenou na vlastnostech materiálu. Proto se trhlina nebude šířit tak dlouho, dokud K._Já je menší než K._IC. Od K._IC je vlastnost materiálu, kterou lze určit experimentálním testováním.^[7] ASTM D20 poskytuje standardní zkušební metodu pro stanovení kritického namáhání plastů. Ačkoli K_IC závisí na materiálu, může to být také funkce tloušťky. Tam, kde je ve vzorcích s nízkou tloušťkou dominantní rovinné napětí, zvyšuje intenzita kritického napětí. Jak se vaše tloušťka zvyšuje, intenzita kritického stresu klesá a nakonec se zvyšuje. Toto chování je způsobeno přechodem od rovinného napětí do podmínek prostého přetvoření, jak se tloušťka zvětšuje. Morfologie zlomenin je také závislá na podmínkách v místě na špičce trhliny.

Únava

Obrázek 2 - Křivka napětí hystereze

Jak se zvyšuje potřeba polymerů pro technické účely, je únavovému chování polymerů věnována větší pozornost. Na únavovou životnost polymeru má vliv několik faktorů, včetně teploty, oxidace, krystalizace atd.^[8] Proto je potřeba, aby lidé studovali a předpovídali mechanické vlastnosti polymerů v různých prostředích.

Experimentální metody ke studiu únavy polymeru se liší, včetně testu čistého smyku, testu jednoduchého prodloužení, testu trhlin na jedné hraně a testu trhání,^[9] mezi které si lidé nejvíce užívají geometrii, je test cyklického napětí módu I pod čistou geometrií.^[10][11] To je způsobeno skutečností, že polymery mají viskoelastické chování a špatnou vodivost tepla a jsou citlivější na své podmínky cyklického zatížení než kov.^[12] Na rozdíl od kovů a jiných materiálů polymer cyklicky neztvrdne; spíše polymery po většinu času provádějí cyklické změkčování a jejich rozsah obvykle závisí na podmínkách zatížení experimentálního uspořádání. Ve vzácných případech mohou polymery také zůstat cyklicky stabilní při malých deformacích deformací, během nichž polymer zůstává lineárně elastický.^[12] Geometrie režimu III však byla také použita pro testování na kroucených gumových discích pro další pochopení chování při lomu.^[13][14][15]

U vyztužených polymerů k iniciaci trhlin obvykle dochází na rozhraní polymerního vlákna a matrice. Únavové výkony v polymerech způsobené cyklickým zatížením obvykle procházejí dvěma fázemi: iniciace / nukleace trhlin a růst trhlin. Proto mnoho výzkumných návrhářských experimentů studovalo únavové chování polymerů podle těchto dvou fází, zejména pro únavu z pryže.

Crack Nukleární přístup^[16]

Přístup k nukleaci trhlin se domnívá, že polymery nakonec prasknou pod historií napětí a napětí. Studie podle tohoto návrhu byla poprvé upravena Auguestem Wöhlerem v 60. letech 19. století,^[17] který se zaměřil na studium železničních náprav. V této konverzaci jsou zahrnuty dva důležité parametry: maximální hlavní přetvoření a hustota deformační energie.^[11] Protože je snazší určit deformaci řízením posunutí ve skutečných experimentálních testech, je přirozené nastavit regulované deformace. Střídavé a maximální hodnoty maximálního základního přetvoření rozhodují o životnosti nukleace v polymeru, ale dosud neexistuje žádná teorie, která by kvantitativně popsala podmínky přetvoření na únavovou životnost v laboratorních testech. Hustota deformační energie je definována jako energie investovaná do objemové jednotky polymerního materiálu pro deformaci, známá také jako elastická energie na jednotku objemu v pevné látce. Při přístupu nukleace trhlin se zpočátku do vzorku nezavádí žádná trhlina a iniciace trhlin se pozoruje při zatížení.

Přístup k růstu trhlin

Na rozdíl od přístupu zahájení trhlin, přístup růstu trhlin zavádí do vzorku již existující trhlinu a vypočítává rychlost šíření trhlin při cyklickém zatížení. Kvůli již existující trhlině bude elastická energie uvolněná lomem asociována s povrchovou energií na nových povrchech trhlin,^[11] a bylo zjištěno, že rychlost šíření trhlin lze popsat funkcí rychlosti uvolňování energie, v závislosti na tom, v jakém režimu šíření trhlin je tento vztah.^[10] Byly navrženy čtyři režimy: režim ustáleného stavu, lineární režim, režim mocenského práva a čtvrtý režim, kde crack roste katastroficky. V režimu mocenského práva je shledán podobný vztah s pařížským zákonem, který shledali Paris et al.^[18] v kovech.

Hysterezní ohřev a štěpení řetězu

Únava v polymerech, řízená cyklickým zatížením, je způsobena dvěma obecnými mechanismy: hysterezní ohřev a štěpení řetězce. Pokud je polymer relativně křehký, bude vykazovat růst únavové trhliny štěpením řetězce. V tomto mechanismu je výtěžek špičky trhliny omezen vlastnostmi křehkého materiálu a každý zatěžovací cyklus rozbije určité množství vazeb umožňujících postup vpředu trhliny. Polymery s únavou viskoelastického chování hysterezním ohřívacím mechanismem. V tomto mechanismu bude během nakládání a vykládání křivka napětí-deformace polymeru působit jako hysterezní smyčka, jak je znázorněno na obrázku 2, a vytváří energii na materiálu, jak bylo diskutováno výše. Protože energie se rozptýlí na špičku trhliny, tento proces se liší od cyklického zatížení elastického materiálu, kde jsou cesty pro nakládání a vykládání stejné a může být obnovena deformační energie. Práce zadaná do materiálu (oblast hysterezní smyčky) se převede na teplo zvyšující teplotu materiálu, pravděpodobně nad teplotu skelného přechodu. Tím se vytvoří lokalizované tání na špičce trhliny, což umožňuje trhlinu postupovat. Velikost, při které bude čelo trhliny postupovat, do značné míry závisí na množství / velikosti cyklů, teplotě skelného přechodu materiálu a tepelné vodivosti polymeru. Polymer, který má vysokou tepelnou vodivost, bude rozptylovat teplo mnohem rychleji než materiál s nízkým koeficientem.

Obrázek 3 - Kumulativní zatěžovací křivka S-N

Křivka S-N představuje množství cyklů aplikovaných spolu s amplitudou napětí a lze ji odvodit z Goodmanova vztahu.

${ displaystyle sigma _ {a} = sigma _ {f} (1- sigma _ {m} / sigma _ {t})}$ (Goodman vztah)

Kde σ_F je únavové napětí, σ_m je střední napětí, σ_A je amplitudové napětí a σ_t je tahové napětí zkoušeného vzorku. V určitých aplikacích polymerů budou materiály vystaveny cyklickému zatížení při různých úrovních napětí. Obrázek 3 poskytuje diagram S-N kumulativních cyklů aplikovaných při různých amplitudách napětí. Proměnná n představuje počet cyklů aplikovaných na určenou úroveň napětí a N je únavová životnost při stejné úrovni napětí.

Obrázek 4 - Režim energetického zákona

Polymerní materiály obsahující trhlinu jsou mnohokrát v provozu cyklicky zatěžovány. Tím se drasticky snižuje průměrná délka života vzorku a mělo by se to brát v úvahu. V případech, kdy polymery, jako je PVC, dodržují pravidla lineární pružné lomové mechaniky, lze použít pařížské právo, aby se rychlost šíření únavové trhliny vztahovala k velikosti aplikované intenzity napětí. Pod určitou intenzitou stresu se šíření trhlin pomalu zvyšuje, dokud není dosaženo stabilního šíření trhlin z vyšších úrovní intenzity stresu. Vyšší úrovně intenzity napětí vedou k nestabilní rychlosti trhlin, jak je znázorněno na obrázku 4. Tento obrázek je logickým grafem rychlosti šíření trhlin versus příklad maximální intenzity stresu. Režim stabilního růstu trhlin představuje lineární oblast červené křivky, která je popsána pomocí modelu Power Law, kde „A“ je předexponenciální faktor.

${ displaystyle da / dN = A (K) ^ {m}}$(Rovnice režimu energetického práva)

Rekrystalizace

Tento proces může být způsoben v důsledku rozsáhlého pohybu segmentů řetězu, jako je to v případě nebo kalení materiálů.

Únava v nylonu

Když Nylon součást je vystavena podmínkám únavy v tahu, dojde k poruše při dosažení minimálního přetvoření. to znamená, že životnost nylonového materiálu je dána dobou zatížení a ne počtem cyklů

Únava plastů vyztužených krátkými vlákny

Porucha únavy v těchto vyztužených polymerech je způsobena tvorbou mikrotrhlin, které se snadno iniciují a které se spojí do jedné trhliny, což způsobí konečné selhání ^[19]

Zlomenina nárazu

Dobrý polymer je obecně definován jako polymer schopný absorbovat velké množství energie před selháním. Polykarbonáty mají jednu z nejvyšších hodnot odolnosti proti nárazu. Amorfní polymery však vykazují křehké chování při nárazu, zejména pokud je součást vrubová nebo je příliš silná vzhledem k poloměru rohu. Výskyt křehkého selhání lze snížit: zvýšením molekulové hmotnosti, začleněním kaučukové fáze, vyvoláním orientace v polymeru a snížením vnitřních vad a kontaminantů.

Měření rázové pevnosti

Konvenční Izod zkoušky se používají k měření energie potřebné k rozbití vrubovaného vzorku. to však není považováno za uspokojivý test. Hlavní omezení spočívá v tom, že většina polymerů je citlivá na vruby a při testu izod snadno selže.

Směsi

Smíšené materiály může mít zvýšenou lomovou houževnatost s vyváženou tuhostí a pevností. Obvykle se vyrábějí kopolymerací nebo modifikací vhodným elastomerem. Mechanické vlastnosti směsí, zejména modul, se však řídí „pravidlem směsi“ Voigtův model a morfologie ukazují hrubou disperzi.^[20]

Reference