Особливості руйнування неметалічних матеріалів

По фазовому стану полімери підрозділяються на аморфні й кристалічні.

Аморфні полімери однофазні й побудовані з ланцюгових молекул, зібраних у пачки. Пачка складається з багатьох рядів макромолекул, розташо- ваних послідовно один за одним. Пачки здатні переміщатися відносно сусідніх елементів, тому що вони є структурними елементами. Деякі аморфні полімери можуть бути побудовані на зв'язаних в клубки ланцюгах, так званих глобул.

Глоболярна структура полімерів дає не високі механічні властивості (легке руйнування на границях глобул). При підвищених температурах глобула розвертається в лінійні утворення, що сприяють підвищенню механічних властивостей полімерів. Структури в цих полімерах флуктуаційно, термодинамічно нестабільні й характеризуються відносно невеликим часом існування.

Кристалічні полімери утворяться в тому випадку, якщо їхні макромолекули досить гнучкі й мають регулярну структуру. Тоді при відповідних умовах можливий фазовий перехід усередині пачки й утворення просторових решіток кристалів. Гнучкі пачки складаються в стрічки шляхом багаторазового повороту пачок на 180^о. Потім стрічки, з'єднуючись один з одним своїми плоскими сторонами, утворять пластини. Ці пластини нашаровуються, у результаті чого виходять правильні кристали.

У тому випадку, коли утворення з більш дрібних структурних елементів правильних об'ємних кристалів утруднено, виникають сфероліти. Сфероліти складаються із променів, утворених чергуванням кристалічних і аморфних ділянок. У процесі орієнтації гнучкоцінних полімерів виходять фібрилярні структури, що складаються з мікрофібрил.

Кристалічні структури є дискретними, термодинамічно стабільними. Кристалізація відбувається в певному інтервалі температур. У звичайних умовах повної кристалізації не відбувається й структура виходить двофазною. Кристалічність повідомляє полімеру більшу щільність і твердість, а також теплоємність. При тривалому зберіганні, експлуатації й переробці надмолекулярні структури можуть зазнавати змін. У такий спосіб кристалізація полімерів приводить до втрати високоеластичних властивостей полімерів. Це відбувається тому, що впорядковане розташування молекул утрудняє їхній перехід з однієї конформації в іншу, що є необхідною умовою для прояву високоеластичних властивостей. З цієї ж причини кристалізація м'якого полімеру супроводжується збільшенням твердості й збільшенням модуля пружності полімерного матеріалу. Властивості міцності залежать від режиму кристалізації.

Видно з Рис., що здрібнювання структури полімеру (зерен) призводить до більш високої міцності й пластичності. Наявність аморфної фази в кристалі полімеру призводить до часткового утворення в полімері засклованого стану, що приводить до підвищення крихкості полімерного матеріалу. Пластична деформація кристалічного полімеру відбувається шляхом відносного зрушення великих елементів надмолекулярної структури.

Особливості будови полімерів дуже впливають на їх фізико - хімічні й хімічні властивості. У наслідок високої молекулярної маси вони нездатні переходити в газоподібний стан, при нагріванні утворювати низьков’язкі рідини. З підвищенням молекулярної маси зменшується розчинність.

Полідисперсність, властива полімерам, призводить до отримання показників у досить широкому діапазоні, при визначенні фізико-механічних властивостей полімерних матеріалів. Механічні властивості полімерів, залежать від їхньої структури, фізичного стану, температури й т.д. Полімери можуть перебувати у фізичних станах: стклоподібному, високоеластичному і в’язкотекучому. Склоподібний стан - твердий, аморфний (атоми входять до складу молекулярного ланцюга, роблять коливальний рух біля положення рівноваги; рух ланок і зміна макромолекул не відбувається).

Високоеластичний стан, властивий тільки високополімерам, характеризується здатністю матеріалу до більших оборотних змін форми при невеликих навантаженнях (коливаються ланки й макромолекули, мають здатність згинатися).

В’язкотекучий стан нагадує рідкий стан, але відрізняється від нього дуже великою в'язкістю (рухлива вся молекула). Зі зміною температури лінійний або розгалужений полімер може переходити з одного фізичного стану в інший.

t_с – температура склування

t_т – температура кристалізації

t_х – початок хімічного розкладання

Полімер із просторовою структурою перебувають тільки в склоподібному стані. Рідкосітчаста структура дозволяє одержати полімери в склоподібному і високоеластичному стані. Різні фізичні стани виявляються при зміні його деформації з температурою. Графічна залежність деформацій, що розвивається за певний час при заданій напрузі, від температури початку термомеханічної кривої. На кривих є три ділянки, що відповідають трьом фізичним станам. Для лінійного полімеру, що не кристалізується, Область 1 - область пружної деформації (Е=2-5%), пов'язана зі зміною відстані між частками речовини. При температурі нижче t_хр полімер ставатиме ламким. Руйнування відбуваються в результаті розриву хімічних зв'язків у макромолекулі. В області 1 невеликі напруги викликають переміщення окремих сегментів макромолекул і спричинюють їхню орієнтацію в напрямку діючої сили. Після зняття навантаження, молекули, в результаті дії міжмолекулярних сил, набувають первісної рівноважної форми. Високоеластичний стан характеризується значними оборотними деформаціями біля точки t_т крім пружної й високоеластичної деформації виникає й пластична.

Кристалізація полімеру нижче температури плавлення – кристалізація t_к – є твердими, але мають різну твердість (крива 2) у результаті наявності аморфної частини, що може перебувати в різних станах. При t_к кристалічна частина плавиться й термомеханічна крива майже стрибкоподібно досягає ділянки кривої 1, що відповідає високоеластичній деформації, як у некристалічного полімеру. Рідкосітчасті полімери мають термомеханічну криву типу 3. Вузли сітки перешкоджають відносному переміщенню полімерних ланцюгів. У зв'язку із цим, при підвищенні температури, в’язкого плину не наступає, розширюється високоеластична область, і її верхня границя стане температура хімічного розкладання полімеру (t_к). Температурні переходи (t_с t_т) є одними з основних характеристик полімерів. Міцність, залежність напруги від деформації для лінійних і сітчастих полімерів різні. Лінійні полімери в склоподібному стані мають деяку рухливість сегментів, тому полімери не так тендітні, як неорганічні речовини. Під дією більших напруг у склоподібному по- лімері розвиваються значні деформації, які по своїй природі близькі до високо- еластичних. Ці деформації називаються вимушено еластичними. Вони пролягають в інтервалі температур t_хр t_с, а при нагріванні вище t_с вони стають оборотними.

а) Максимум на кривій відповідає умові й називається межею змушеної еластичності. У полімерів із щільною сітчастою структурою під дією наванта- ження виникає пружна й високоеластична деформація, пластична деформація звичайно відсутня (фенольформальдегідна смола). У порівнянні з лінійними полімерами пружні деформації становлять відносно більшу частину високо -еластичної деформації. Природа високо еластичної деформації, як і в лінійних полімерах, складається в оборотній зміні конформації полімерної молекули, але максимальна деформація при розтяганні звичайно не перевищує 5-15%.

Для кристалічних полімерів залежність напруги від деформації виражаються лінією із чіткими переходами. На першій стадії (1) подовження пропорційно діючої сили. Потім раптово на зразку виникає «шийка», після чого подовження зростає при постійному значенні сили до значної величини. На цій стадії шийка (уч. 2) подовжується за рахунок більш товстої частини зразку. Після того як весь зразок перетвориться в шийку, процес переходить у третю стадію (уч. 3), що закінчується розривом. За структурою й властивостями вихідного зразка: елементи кристалічної структури орієнтовані в одному напрямку (відбувається рекристалізація).

Лекція №7