Картина разрушения кристаллических термопластов

13.08.2015

Картины разрушения широко используются в анализе постразрушения для изучения режима деформирования при разрушении и роли второй фазы. Пластическая деформация образца с надрезом локализуется перед надрезом.
Побеление под напряжением

В смесях пластическая деформация сопровождается побелением образца, причиной которого является рассеяние света на крэйзах в матрице или кавитационных полостях в частицах каучука. При деформировании смеси концентрация напряжения вначале происходит вокруг частиц модификатора. В смесях кристаллических полимеров образование полостей развивается вследствие кавитации частиц. При дальнейшем деформировании полости растягиваются из-за сдвиговой деформации материала матрицы, прилегающего к полостям. Смесь, которая разрушается по хрупкому механизму, может испытывать сильное побеление в надрезе, но незначительное побеление в зоне распространения трещины. Образец, который разрушается по пластическому механизму, часто имеет зону побеления толщиной 1-2 мм вдоль всей поверхности разрушения. Наблюдение за развитием индуцированной напряжением зоны побеления позволяет четко определить, разрушился ли образец по хрупкому или пластическому механизмам. При высоких скоростях испытания переход от хрупкого к пластическому разрушению очень резкий. После перехода одни образцы становятся полностью хрупкими, а другие — полностью пластичными.
Если материал деформируется неоднородно, с деформационным размягчением, то перед надрезом возникает линейная зона типа зоны Дугдаля. Зону Дугдаля можно наблюдать как индуцированную напряжением зону и как зону, в которой повышается температура. Зона Дугдаля типична для большинства аморфных полимеров, и также может проявляться в некоторых кристаллических материалах, таких как ПП. В ПА зона деформации Дугдаля менее заметна. Смеси ПП с высоким содержанием каучука деформируются, однако с небольшим деформационным размягчением или вообще без такового (рис. 25.27), и деформированная зона имеет менее круговую форму.
Картина разрушения кристаллических термопластов

В то время как напряженное состояние на стенке образца является состоянием плоскостного напряжения, имеется постепенный переход к многоосному состоянию по мере углубления в толщу образца, в результате чего на стенках имеется более широкая зона течения. Материал стенки не проявляет побеления, вызываемого напряжением — очевидно, из-за отсутствия там кавитации (рис. 25.29, а) — а на поверхности разрушения можно видеть «сдвиговые губы» (рис. 25.29, b). Для ПП и ПА толщина некавитированного слоя имеет порядок величины 0,3 мм. В хрупких материалах толщина этого слоя гораздо меньше.
Поверхность разрушения

Поверхность разрушения образца, разрушенного по хрупкому механизму, часто имеет первую гладкую полукруглую (зеркальную) зону, за которой идет шероховатая зона. Такое изменение текстуры возникает из-за увеличения скорости разрушения по мере продвижения фронта трещины. При высоких скоростях разрушения плоскость разрушения гладкая. При очень высоких скоростях имеет место ветвление трещины. В этой области на плоскости разрушения можно видеть неровности и периодичность, связанную с длиной ветвей трещины. В малом масштабе наблюдается пятнистая поверхность (рис. 25.30, а). В образцах, разрушающихся по пластическому механизму, шероховатость поверхности сопровождается кавитацией (рис. 25.30, b). Неровности лежат параллельно надрезу и имеют пучки сильно вытянутого материала. Неровности объясняются значительной вытяжкой перед вершиной трещины до возникновения нестабильного разрушения. Обширная деформация кавитационных полостей перед вершиной трещины является источником таких структур.
Картина разрушения кристаллических термопластов

Структура слоя под поверхностью разрушения

Структура деформированной зоны, перпендикулярной поверхности разрушения образца, изучалась многими авторами. В образцах, испытавших хрупкое разрушение, имеется только тонкий кавитированный слой. В материалах, которые демонстрируют пластическое разрушение, имеется слой индуцированного напряжением побеления толщиной 1-2 мм, в котором частицы каучука кавитированы, но имеют сферическую форму (рис. 25.31). Ближе к поверхности разрушения полости сильно деформированы, что указывает на значительную пластическую деформацию матрицы. Смеси ПП-ЭПР, исследованные при малых скоростях испытания, имеют деформированный слой толщиной 70 мкм с сильно деформированными полостями (рис. 25.31, а). По мере приближения к поверхности разрушения возрастает степень растяжения полостей, которая достигает величин 10-20 на поверхности разрушения. Степень растяжения полостей — это степень вытяжки материала матрицы рядом с полостью. При высоких скоростях испытания смесей ПА-66-ЭПДМ деформация матрицы в этой зоне может вблизи поверхности разрушения достигать степеней вытяжек 10-12 (рис. 25.32). Удивительно, что в смесях ПА-6 и смесях ПП, испытанных при высокой скорости (методом SENT при 0,1-10 м/с), полости вблизи поверхности разрушения выглядят менее вытянутыми, и имеется тонкий слой 5-20 мкм) без полостей (рис. 25.31, b). Образование слоя без кавитации было объяснено релаксацией материала матрицы. Релаксация ориентации в кристаллических полимерах может иметь место при высоких температурах. Образование такого релаксационного слоя сопровождается увеличением энергии разрушения (рис. 25.24) и, возможно, связано с эффектом затупления трещины в упругом слое. В смесях ПА-66-ЭПДМ релаксационный слой не наблюдался.
Картина разрушения кристаллических термопластов

Картина разрушения кристаллических термопластов

С помощью микроскопии в поляризованном свете было найдено, что образцы, тестированные при высоких скоростях, имеют полосы сдвига. Такая полосная деформация наблюдалась с помощью электронной микроскопии. При очень высоких скоростях испытания деформация происходит в широких полосах (рис. 25.33).
Картина разрушения кристаллических термопластов