Поверхностная энергия разрушени

Определение поверхностной энергии разрушения по податливости образцов с треш,иной [c.57]

Если при постоянной податливости поверхность трещины возросла на величину АА, то нагрузка уменьшится до (Р—АР) и площадь треугольника ABD будет характеризовать величину упругой энергии AU, которая освободилась при росте трещины (рис. 2.3). Поверхностную энергию разрушения уг или скорость освобождения упругой энергии G можно рассчитать по формуле [c.57]

Рис. 2.4. Образцы для определения поверхностной энергии разрушения по измерению податливости и зависимости податливости от длины трещины

Рис. 2.13. Зависимость поверхностной энергии разрушения (Gi ) отвержденной эпоксидной смолы, модифицированной сополимером акрилонитрила и бутадиена с концевыми карбоксильными группами, от его содержания [26].

Поверхностная энергия разрушения. кДж/м2 [c.69]

Энергия разрушения. Поверхностная энергия разрушения и, следовательно, устойчивость к распространению трещин отвержденных эпоксидных и полиэфирных смол сравнительно малы. Обычно их ур лежит в пределах от 80 до 250 Дж/м . Введение частиц наполнителя в хрупкие полимеры препятствует росту трещин. При этом возрастание устойчивости к распространению трещин в абсолютных значениях может быть не очень большим, однако вследствие низкой поверхностной энергии разрушения ненаполненных полимеров при наполнении она может возрастать в 2—3 раза, что имеет большое практическое значение. [c.70]

Предложено несколько различных механизмов поглощения энергии за счет микромеханических процессов, протекающих при разрушении композиций, наполненных дисперсными частицами, для объяснения влияния наполнения на поверхностную энергию разрушения хрупких полимеров. Очевидно, что комбинация этих процессов определяет энергию разрушения любой заданной композиции, причем одни процессы более важны в одном случае, другие— в другом. В общем случае можно выделить следующие эффекты, обусловливающие повышение энергии разрушения хрупких полимеров при введении дисперсных частиц [c.73]

Подставив уравнение (2.5) в уравнение (2.1) можно видеть, что расстояние между частицами должно уменьшиться в несколько раз, чтобы поверхностная энергия разрушения существенно возросла. Более подробные расчеты Т проведены Эвансом [43], который показал, что вклад линейного натяжения зависит как от размера частиц, так и от расстояния между ними. Результаты его расчетов обобщены на рис. 2.22, на котором показаны зависимости отношения напряжений, необходимых для распространения трещины в наполненной композиции с непроницаемыми частицами Ос и в матрице От, а также линейного натяжения Т от размера частиц и расстояния между ними (го/а) для сферических частиц, где 2го — диаметр частицы (глубина препятствия в плоскости трещины) и а — расстояние между частицами. [c.76]

Полное объяснение зависимости поверхностной энергии разрушения от типа наполнителя и его объемной доли в настоящее время отсутствует. Проблема осложняется как уже описанными факторами, так и многими други- [c.76]

Рнс. 2.23. Сравнение экспериментальных (пунктирные линии) и расчетных (сплошная линия) зависимостей поверхностной энергии разрушения наполненных эпоксидных композиций от размера частиц и расстояния между ними rja (расчетные данные —для сферических непроницаемых частиц экспериментальные данные —для частиц гидроксида алюминия с различным ло) [c.77]

Введение частиц жесткого наполнителя приводит к повышению модуля упругости наполненной композиции по сравнению с модулем исходного полимера. Так на рис. 2.24 показано возрастание модуля упругости с увеличением объемной доли жесткого наполнителя и прочности связи его с матрицей. Более подробно этот вопрос рассматривается в следующей главе. Так как и поверхностная энергия разрушения, и модуль упругости хрупких полимеров возрастают при введении дисперсных частиц наполнителя, следовало ожидать увеличения прочности наполненных композиций. Одна- [c.78]

Введение дисперсных наполнителей в термопласты с высокой энергией разрушения практически всегда приводит к ее снижению. Способность таких термопластов поглощать большое количество энергии в процессе разрушения обусловлена в первую очередь развитием пластических сдвиговых деформаций или образованием микротрещин. Например, полиамиды обладают удельной поверхностной энергией разрушения от 10 до Ю Дж/м , тогда как хрупкие стеклообразные полимеры типа отвержденных эпоксидных смол — около 10 Дж/м . Дисперсные наполнители вводят в термопласты с высокой энергией разрушения для снижения их стоимости, повышения жесткости и прочности при сжатии и улучшения их технологических характеристик при переработке. При этом их прочность при растяжении и ударная вязкость снижаются вследствие уменьшения доли полимера в наполненной композиции. [c.84]

ПФО обладает сравнительно высокой поверхностной энергией разрушения (G = 5,3 кДж/м ). В работах [49—50] исследовали поверхностную энергию разрушения наполненного и ненаполненного ПФО на образцах с двумя надрезами по методу, в основе которого лежит линейная механика разрушения. Различие в напол- [c.85]

Способы инределения аидатливости образцов с трещиной позволяют непосредственно измерять количество энергии, затрачиваемой на микроскопические процессы, протекающие в материале при росте трещины. Рост трещины обычно происходит при двух различных условиях. Во-первых тело подвергается действию постоянной нагрузки, например постоянного веса, а во-вторых, постоянной деформации. Ниже описан принцип определения поверхностной энергии разрушения по податливости образцов с трещиной при условии постоянства деформации. Можно, однако, показать, что этот случай эквивалентен условию постоянства напряжения [8]. [c.57]

Рис. 2.5, Зависимость поверхностной энергии разрушения (Gi ) эпоксидных смол, отвержденных различным количеством отвердителя, от скорости роста трещины v [соотношение эпоксидная смола метилэндиковый ангидрид бензилдиметил-амин равно 100 90 1 (А) 100 80 1 ( )-100 75 1 (О) 100 70 1 (Д)] [13].

Рнс. 2.15. Зависимость поверхностной энергии разрушения эластифицированной (/) и неэластифицированной отвержденной эпоксидной смолы (2) от толщины ее пленки [c.68]

Таблица 2.1. Поверхностная энергия разрушения эластифицированных различными каучуками и неэластифицированиых эпоксидных композиций на основе смолы типа ЭД-20 в виде литых образцов и клеевой пленки толщиной 200 мкм, а также композиционного материала на основе эпоксидных композиций и углеродных волокон [26]

В литературе имеется большое количество информации о механических свойствах наполненных порошками термореактивных пресс-композиций. Однако большинство этих данных часто эмпирические и работ по объяснению механизма действия дисперсных наполнителей очень мало. При растяжении или изгибе ненапол-ненные отвержденные полимеры разрушаются с малыми пластическими деформациями или вообще без них, причем относительная деформация при разрушении как правило не превышает 2—3%-При сжатии или сдвиге в них обычно проявляется предел текучести с развитием до разрушения достаточно больших пластических деформаций. Введение жестких дисперсных наполнителей в такие полимеры снижает разрушающее напряжение при растяжении и изгибе, увеличивает предел текучести при сжатии и сдвиге и повышает модуль упругости. Влияние таких наполнителей на поверхностную энергию разрушения имеет сложный характер и в отдельных случаях достигается ее резкое возрастание. В последнее время проведен ряд систематических исследований, которые и будут ниже рассмотрены подробнее. [c.70]

Рис. 2.16. Зависимость поверхностной энергии разрушения (yf) эпоксидной смолы, наполненной стеклосферами, от их объемной доли при различной поверхностной обработке

Рис. 2.17. Зависимость поверхностной энергии разрушения (G ) полиэфирной смолы, наполненной стеклосферами, от их объемной доли при различном диаметре и типе поверхностной обработки

С увеличением объемной доли наполнителя поверхностная энергия разрушения возрастает до некоторого критического значения объемной доли, после чего начинает уменьшаться [34—36]. Типичные результаты приведены в работе [35], в которой исследовали эпоксидные смолы, наполненные стеклосферами со средним диаметром 30 мкм (рис. 2.16). При таком размере частиц наибольшая поверхностная энергия разрушения наблюдается при содержании микросфер от 15 до 30% (об.), возрастая от 130 до 460 Дж/м . С изменением размера частиц [34, 36] изменяется как их объемная доля, при которой наблюдается максимум, так и высота максимума поверхностной энергии разрушения. На рис. 2.17 приведены данные исследования [36] полиэфирных смол, наполненных стеклосферами с двумя различными средними размерами. Композиции, содержащие микросферы с диаметром 4—44 мкм, имеют максимальную поверхностную энергию разрушения при содержании наполнителя от 40 до 60% (об.). Увеличение размера [c.71]

Этот эффект более резко выражен в случае нерегулярных частиц гидроксида алюминия в эпоксидной смоле [34]. Если ненаполнен-ная эпоксидная смола имеет поверхностную энергию разрушения, равную 90 Дж/м , то введение частиц этого наполнителя с размерами 1, 8 и 12 мкм дает максимальные значения поверхностной энергии разрушения соответственно 140, 200 и 270 Дж/м . [c.72]

Авторы работы [36] установили противоположный эффект для аналогичных композиций на основе полиэфирной смолы, наполненной стеклосферами. Они использовали микросферы, необработанные, обработанные аппретом и с промежуточной обработкой и установили, что материал с микросферами, обработанными аппретом, обладает наибольшей поверхностной энергией разрушения. В этой же работе было частично исследовано влияние формы частиц [36]. Сравнивали свойства полиэфирных смол, наполненных стеклосферами с диаметром 4—44 и 53—105 мкм, а также кварцевой мукой с размером частиц 12,5 мкм. При этом варьировали два параметра частиц наполнителя — размер и форму. Как и следовало ожидать мелкие частицы кварцевой муки дают материал с большей вязкостью разрушения. 1Чаксимальное значение поверхностной энергии разрушения материала с кварцевой мукой равно 180 Дж/м по сравнению со 130 и 150 Дж/м для более крупных стеклосфер. [c.72]

Возрастание поверхностной энергии разрушения обычно наблюдается только при введении дисперсных наполнителей в очень хрупкие полимеры. Во всех описанных выше исследованиях поверхностная энергия разрушения ненаполненных отвержденных имели колебание от 50 до 150 Дж/м и при введении наполнителей возрастала обычно до 450—500 Дж/м . Это возрастание весьма существенное для хрупких полимеров. Оно происходило вследствие того, что частицы связывали края трещин и затрудняли их развитие по механизму, который будет более подробно описан ниже. При использовании полимеров с повышенной поверхностной энергией разрушения эффект связывания краев трещин уменьшается и введение хрупких дисперсных наполнителей снижает вязкость разрушения вследствие уменьшения в материале объема матрицы с высокой вязкостью разрушения. Это подтверждается данными о влиянии стеклосфер на поверхностную энергию разрушения хрупкой и эластифицированной эпоксидной смолы типа ЭД-20, отвержденной диаминодифенилметаном [38] [c.73]

Немодифицпрованная смола имеет поверхностную энергию разрушения, равную 300 Дж/м при введении стеклосфер она повышается до 400 Дж/м . Эта же эластифицированная смола имеет поверхностную энергию разрушения 840 Дж/м при введении стеклосфер она снижается до 560 Дж/м [c.73]

Связь максимальной поверхностной энергии разрушения с обра- боткой поверхности частиц и адгезионным сцеплением их с матрицей объясняются в работах [35, 36] зависимостью напряжений, прп которых трещина может проходить через препятствие, от адгезии. На сложность этой зависимости указывает то обстоятельство, что хотя в обеих этих работах использовались аналогичные стек-лосферы и полиэфирные смолы, а также одинаково обрабатывалась поверхность стеклосфер, в них получены противоположные результаты. В работе [35] максимальная вязкость разрушения наблюдалась при минимальной адгезионной прочности, что связывалось с увеличением в этом случае отслаивания частиц и растрескиванием матрицы на границе раздела с частицами наполнителя. Наоборот, в работе [36] максимальная поверхностная энергия разрушения наблюдалась при максимальной адгезионной прочности, что связывалось с возрастанием напряжения, необходимого для прохождения трещины через препятствие при возрастании прочности сцепления частиц с матрицей. [c.78]

Прочность, или разрушающее напряжение, хрупкого тела определяется комбинацией его поверхностной энергии разрушения, модуля Юнга и размера дефекта, инициирующего его разрушение в соответствии с уравнением Гриффита [c.78]

Разрушение твердого тела включает три стадии — инициирова-ппе субкрптической трещины, ее медленный стабильный рост до критических размеров и, наконец, ее быстрое нестабильное распространение. Необязательно, что при разрушении проявляются все стадии. Например, общепризнано, что при разрушении стекол критические дефекты уже существуют в виде поверхностных трещин,, и кратковременная прочность стекол определяется только третьей стадией. В пластичных металлах, в кото Л)1х трещины инициируются накоплением дислокаций, разрушение проходит через все три стадии. Хрупкие густосетчатые полимеры, такие как отвержденные эпоксидные и полиэфирные смолы, по характеру разрушения ближе к минеральным стеклам, чем к пластичным металлам. Поэтому вероятно, хотя и не на все сто процентов, что их прочность определяется, как и прочность минеральных стекол, напряжением, необходимым для распространения уже существующих дефектов. Размеры этих дефектов можно грубо оценить по уравнению Гриффита. Типичные значения разрушающего напряжения для этих полимеров составляют примерно 100 МН/м , модуля Юнга — 3 гH/м , поверхностной энергии 150 Дж/м Расчеты по уравнению 2.1 дают размеры дефектов порядка 30—40 мкм. В наполненных полимерах существуют три возможных типа этих дефектов — дефекты, присущие структуре матрицы, размером Со, частицы наполнителя размером р и расстояние между частицами а. Если частицы наполнителя по размерам превосходят структурные дефекты матрицы и, особенно, если частицы имеют нерегулярную форму, то они могут стать наиболее опасными дефектами наполненных композиций. Если наибольшие значения Со и р меньше расстояния между частицами, то трещина может расти в матрице, преодолевая только ее поверхностную энергию разрушения, до величины, равной а, а затем трещина должна расти, преодолевая и [c.79]

Если наибольшие значения р и Со значительно превышают расстояние между частицами, вклад линейного натяжения фронта трещины в поверхностную энергию разрушения начинает в решающей степени определять прочность наполненных композиций, которую можно рассчитать, используя уравнение Гриффита. Однако это предположение не доказано экспериментально. Для доказательства необходимо независимо измерить энергию разрушения. [c.80]

Ударная вязкость. Ударная вязкость хрупких полимеров, наполненных дисперсными частицами, не коррелирует с данными относительно их поверхностной энергии разрушения. Так, на рис. 2.28 показана зависимость ударной вязкости по Изоду эпоксидной смолы, наполненной стеклосферами с различной поверхностной обработкой, от объемной доли наполнителя [35]. Аналогичная зависимость для поверхностной энергии разрушения этих композиций приведена на рис. 2.16. Значительное возрастание поверхностной энергии разрушения при введении наполнителя до 30% (об.) никак не коррелирует с ударной вязкостью, хотя тенденция к уменьшению ударной вязкости с увеличением доли наполнителя коррелирует с изменением площади под диаграммой напряжение-деформация при низкоскоростном изгибе (рис. 2.29). Аналогичная корреляция между зависимостями ударной вязкости и прочности при изгибе от содержания наполнителя приведена Ли и Невиллом [48]. Причины этого уже объяснялись ранее. Ударные испытания относятся к испытаниям при изгибе с высокой скоростью деформирования и ударная вязкость отражает энергию, определяемую по площади под суммарной кривой нагрузка — деформация при высокой скорости деформирования. [c.84]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...