•Химические — формирование особо)! морфологии эластомерной сетки при изготовлении материала в присутствии наполнителя (за счет адсорбции на поверхностях частиц некоторых компонен тов связующего).
•Физические — мелкие частицы наполнители на масштабах, изме ряемых долями микрометров, выступают не п качестве концен траторов напряжений, а как сшнвкн полимерно)! сетки (механика сплошной среды па таких размерах не работает).
•Структурные — мелкие частицы наполнителя собираются в агло мераты, перестраиваются в процессе нагружения материала, иоособому формируют свойства среды.
•Поверхностные— на частицах наполнителя образуются слов по лимера с особым механическим поведениемВблизи поверхно стей включен иI) развиваются специфические процессы перерас пределения нагрузки но полимерным ценим.
■13е}>онтпостно-дефектные — нахождение опасного дефекта в за зорах между частицами при малой величине структурных эле ментов материала становится маловероятным.
•Энергетические — луть движении трещины в композите с малы ми включениями требует больших затрат энергии.
Общее у иих то, что все они предполагают какие-то новые физиче ские явления в эластомере в присутствии наполнителя.
Но возможен и другой путь к объяснению явления. Речь идет о термине "прочность”. В него вкладывают обычно следующий физи ческий смысл. Повреждение и эластомерном материале возникает при достижении действующими силами критической величины, ко торая является прочностной константой материала (представляет собой детерминированную известную величину).
Однако такой вариант трактовки понятия не единственный. Мож но лосмотретъна явление разрушения по-другому. Н понятие "проч ность*' следует вложить вероятностный пространственно-временной смысл. Эго сразу позволит взглянуть по-новому на многие извест ные в экспериментах черты разрушения. Как такое осуществить, какой физический смысл можно заложить и урапнепки и к чему это приведет, рассмотрим в данной главе.
1.Масштабный эффект прочности эластомеров-
1.1. Статистический теории прочное
При обсуждении вопросов разрушения разумно остановиться да вероятностной стороне нилсиня. Испытании на прочность образцов из одного и того же материала показывают, что их разрывные ха рактеристики всегда имеют разброс в напряжениях. Причем этот разброс связан по т о л ь к ос испытательноII аппаратурою. Он харак теризует также свойстиа самого материала.
Величина разрывных усилий зависит от размеров исследуемых образдол. Поэтому нее испытании на практике проводятся па образ цах со специально оговоренной геометрией (в целях сравнимости ре зультатов). Расчет конструкций всегда выполняется с использова нием коэффициентом запаса прочности. Одна из причин их приме нения — необходимость внесении в расчет поправок па масштабный эффект.
Статистические теории разрушения рассматривают появление повреждений как случайное событие, заиненщее от велпчикы дей ствующих напряжении. Они видят причину разброса прочностных характеристик материалов в существовании дефектов. Вероятность появления большого дефекта и л и ансамбля близкорасположенных дефектов в опасном месте в опасной комбинации определяется веро ятностным фактором момента появления новых повреждений. Де фекты распределены п пространстве. Чем больше объем материала, тем более вероятно в нем появление опасной комби нации дефектов. Поэтому и статистических теориях прочности естественным образом моделируется масштабный эффект. Фактору времени уделяется вто ростепенная роль.
Начало математического моделирования разрушения с использо ванием теории вероятностей положено Нейбудлом [37]. Различные варианты статистической теория прочности предложены о работах, многих исследователеII [1, б, С, 11, 12, 23-25]. Их математический аппарат шипел практическое применение и экспериментальное подтисуждение п приложениях к описанию разрывных усилий в элас томерах [28-31, 34].
1.2.Кинетический подход к описанию явлений разрушен ил
Вработах Журкова » шестидесятые годы сформулирована прин ципиально нопая точка зрения на разрушение материалов. Утвер ждалось следующее [9].
"... Создалось мнение, что основы прочности уже поняты н про
блема разрешена. Как позже выяснилось, такай оптимистическая оценка была преждевременной, причем ошибочными охаздлись са ми основы учения, а именно понятие о пределе прочности. Соглас но принятому определению, тело разрывается, когда механическая нагрузка достигает критической величины, называемо!! "пределом прочности” тела. При нагрузке меньше предельной допускается, что тело будет оставаться целым сколь угодно долго, и такая нагрузка считается безопасной. Следовательно, разрыл тела рассматривает ся как кришчсскос событие, а предел прочности принимается за константу твердого тела, которая вносится и таблицы физических постоянных. В настоящее время можно утверждать, что такой пре дел прочности нс существует. Опыт показы паса1, что он закономерно зависит от времени и температуры ..."
Разрушение материала связывалось с появлением повреждений в результате термофлуктуаций на молекулярном уровне. В конеч ном счете это приводит к прорастанию макроразрыва и разрушению образца или конструкции, Факторы времени и температуры пгрпют в этом процессе ключевую роль. Без их учета описание разруше ния будет неточным. Траектория нагружения обязательно должна влиять на разрывные напряжения. В испытаниях па длительную прочность при постоянной пагрузке и при растяжении с постоянно» скоростью движения захватов мы обязательно будем обнаруживать различия в значениях разрывных усилий. Но природа прочности всегда одна. Просто необходимо учитывать фактор времени.
Изложение термофлуктуациолного подхода к анализу прочности (в том числе и в приложениях к полимерам) можно найти в моно графиях (10, 3). Термин "термофлуктуацион ный" в литературе не единственный. Б приложениях к разрушению эквипалептен ему тер мин "кинетический11 Термофлуктуациоииое (или кинетическое)
описание прочности обращает гласное внимание на учет временного характера разрушения.
Несмотря на то, что в основе актов поколения новых поврежде- 11ПЛ лежат случайные событии — термофлуктуации (в рамках рас сматриваемого опнсашгя), разрушение материала, но опубликован ным данным, проводилось с использованием дстерминнроианных ве личии. Фактор случайности нс учитывался. По нашему миснию, кинетическое описание прочности без использования вероятностных характеристик ведет х потере многих качественных сторон явления. X ним относится масштабный фактор. Гипотеза, что он имеет тсряки^уктуацнониую природу, выскоэьшплась л [И, 17-19]. Нам ка жется, что необходимо обратить внимание на следующее.
•Количественная оценка условия появления повреждения а си стеме нс может нрсдстаоляпгъ собой некоторую осрсдпепную характеристику статистической физики (такую, как внутрен няя энергия, температура, напряжение и т. д). Она является оценкой маловероятного (почти невозможного) отклонения со стояния (о результате теплового движения) от среднего. Как производное такого значательного отклонения возникает де фект, Описать условия его появления е помощью только инте гральных понятий статистической физики (математических ожиданий, дисперсий) невозможно. На уровне механики сплош ной среды интегральные характеристики состояния макромо лекул (паяряжсн у я о точках материала, деформации и т . д.) разумно откосить к детер.нинировпимш1 (кефлухтуирующьм) величинам, Но критическое событие — появление дефекта — нельзя считать детерминированной величиной.
Вприводимых ниже расчетах предпринята попытка дополнить кинетическое понимание прочности статистическим математическим аппаратом.
1.3.Экспериментальные данные об особенностях разрушения эластомеров
Многочисленные эксперименты п о з в о л и л и установить ключевые моменты разрушении полимеров и висо неэластичном с о с т о я н и и [3, 4, 7,15,20, 22, 32, 33, 35, 36). Перечислим их.
Главными чертами макроскопического разрушении эластомерно го материала без наполнителя являются следующие.
1.Разрыв эластомерного образца осущсствдяется в два этапа:
а) на перлом щюисхолит медленное развитие макроскопическо го надрыва с образованием волокнистой структуры (тяжей) и его першппе; б) на втором наблюдается быстрое раскроетрвис- 1ше фронта подрыва без образовании тяжей.
2.Разрывное напряжение <г* эластомерного образца зависит от тем пературы. Связь эта задается выражением
<г* = с* схр( - (/± / К Т ) , где с* — величина, от температуры не зависящая; \)± — энергия
активации когезионного разрушения; К — постоянная Больц мана; Т — абсолютная температура. Диалогичная зависимость справедлива к для связи напряжении ол (вызывающих разруше ние адгезионного иша) и температуры :
<г0 = сшсхр( - 1/й / К Т ) , где 1/б — энергия активации адгезионного разрушения,
3.Величина напряжения, вызывающая разрыв эластомер]юго об разца или разрушение адгезионного шва, тем выше, чем больше скорость нагружения образца или шва. Возможен переход от когсзиошк>го характера разрушения при малых скоростях рассла ивания склеек к адгезионному при больших скоростях.
4.Разрывное напряжение эластомерного образца зависит от его гео метрических раэме]юв (длины, ширины, толщины). Наблюдает ся это как ирн одноосном нагружении образцов, так и в уелониих сложного напряженного состояния.
б.Разрывное напряжение эластомерного образца всегда характери зуется случайной величиной. Раэфхэе значении этой случайной величины не снизан с особенностями испытательной аппарату ры. Он является следствием вероятностной природы понимании 1!]ючностн материала.