Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор
1.1. Совремённые представление физики разрушения твёрдых тел .11
1.2. Кинетические представления о природе прочности твёрдых тел .16
1.3. Некоторые вопросы микромеханики разрушения твёрдых тел 21
1.4. Механизмы образования адгезионных соединений. Теории адгезии 30
1.5. Методы определения прочности адгезионных контактов 36
1.6. Некоторые сведения о технологии приготовления, структуре и физико – механических свойствах кожи 41
1.7. Заключение и постановки задачи 50
ГЛАВА II. Влияние внешних факторов на прочность и долговечность адгезионных контактов
2.1. Введение 53
2.2. Образцы и методика эксперимента 55
2.3. Влияние среды и термоциклов на прочность адгезионного контакта АК «кожа – кожа» 57
2.4. Температурно - силовая зависимость долговечности адгезионного контакта «кожа-кожа» 60
2.5. Влияние термоциклов на кинетику разрушения АК «кожа-кожа» 64
2.6. Исследование роли адгезива на прочность АК под действием солнечной радиации .74
2.7. Влияние солнечной радиации на прочность натуральной и искусственной кожи 77
2.8. Заключение .81
ГЛАВА III. Исследования развития процесса разрушения адгезионных контактов прямыми физическими методами
3.1. Введение .84
3.2. Образцы и методика эксперимента .85
3.3. Акустоэмиссионный метод исследования процесса разрушения гетерогенных и композитных материалов .86
3.4. Исследование процесса разрушения АК «кожа-кожа» методом акустической эмиссии (АЭ) .91
3.5. Исследование процесса разрушения контакта «кожа-десмокол резина» методом АЭ 96
3.6. Исследование процесса разрушения адгезионных контактов методом ИК спектроскопии
3.7. Заключение .112
Общие выводы 115
Литература
- Механизмы образования адгезионных соединений. Теории адгезии
- Некоторые сведения о технологии приготовления, структуре и физико – механических свойствах кожи
- Температурно - силовая зависимость долговечности адгезионного контакта «кожа-кожа»
- Акустоэмиссионный метод исследования процесса разрушения гетерогенных и композитных материалов
Введение к работе
Актуальность темы.Адгезионные контакты (АК) находят широкое применение в различных отраслях современного наукоёмкого производства, такие как машино- и судостроения, электронике, приборостроение, в авиакосмической технике, а также в производстве мебели, кожевенно-обувной промышленности, производстве товаров повседневного спроса и т.д. Технологичность организации адгезионных контактов, возможности в широких пределах регулировать физические и функциональные свойства АК делает их привлекательными, а порой единственно возможными способами соединения элементов конструкции. АК являются структурными элементамисовременных композиционных материалов (КМ). Очевидно, работоспособности и долговечности механизмов где «работают» АК и композиты, во многом зависят от прочности и долговечности АК. Последнее зависят не только от природы адгезионных пар и адгезивов, но и от интенсивности действия внешних факторов (механической нагрузки, температуры, влажности, радиации и их циклическое изменение). Однако, несмотря на достаточно большое количество обзорных публикаций, влияние указанных факторов на прочность и долговечность контактов определяют опытным путём. Поэтому, исследование влияния внешних и эксплуатационных факторов на прочность и процесса разрушения АК, является актуальной задачей современной науки и технологии.
Систематическое исследование длительной прочности АК под воздействием внешних факторов,изучения процесса разрушения АК на микроскопических уровнях позволяет выработать наиболее общие закономерности разрушения контактов. Эти результаты в конечном итоге дают возможность прогнозировать не только долговечность реальной конструкции с учётом действии внешних факторов, но и позволяют прогнозировать физико-механические свойства проектируемого композиционного материала или элемента конструкции.
Анализ литературы, посвященные проблемам прочности композитов иАК показывает, что вопросы влияния внешних факторов на прочность и разрушения АК систематически не исследовано. Имеюшиеся в литературе разрозненные данные по прочности и разрушения АК, полученные в разных условиях, не позволяют делать общие выводы относительно микромеханики разрушения таких контактов.В связи с этим, в работе ставилась задача: в лабораторном эксперименте систематически исследовать влияние внешних факторов на прочность и процессаразрушения адгезионных контактов.
Цель и задачи исследований.Целью данной работыявляется изучение влияния внешних факторов (температуры, солнечной радиации, влажности, механического напряжения и их циклических изменений) на кратковременную/длительную прочность и на процесс разрушения адгезионных контактов. В задачи исследования входило:
-исследовать зависимость прочности адгезионного контакта «кожа – кожа»от времени выдержки в лабораторных условиях в агрессивных средах.
-изучить зависимость прочности на раздир адгезионного контакта от температуры и количества термоциклов.
-исследовать температурно-силовые зависимости долговечности АК и произвести оценку кинетичеких параметров уравнения долговечности.
-прямыми физическими методами исследовать влияние термоциклов на кинетику процесса разрушения и молекеуклярную структуру АК (акустическая эмиссия и ИК-спектроскопия).
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
систематически исследовалось влияние температуры, механической нагрузки, солнечной радиации и термоцикловна прочность и долговечность АК «кожа-кожа» с адгезивами десмакол и наирит;
методом прямого слежения за развитием магистральной трещины в контакте обнаружена многостадийность процесса роста трещины в АК и показано,что активный рост магистральной трещины в АК
многократночередуется с полнойеё остановкой; она связана с релаксационными процессами;
на основе анализаАЭ данных, полученных при деформировании АК выявлено, что отношение чисел сигналов/микротрещин 1,5–2 раза больше в случае термоциклированных образцов, по сравнению с исходными;
экспериментально доказано, что вязкость разрушения «поврежденных» при термоциклов образцов выше, по сравнению с исходними образцами;
предложена новая схема развития процесса разрушения АК при исследеемых условиях;
установлено, что с ростом количества термоциклов происходит последовательное уменьшение интенсивности полос поглощения, обусловленных валентными колебаниями О-Н и С-Н связей в десмоколе, что связано с дегидратацией и термоокислением молекул десмокола;
выявлено видоизменение цветового покрытия десмокола при
термоциклировании, что связано с образованием хромофорных групп,
обладающих неселективным поглощением в ближних ИК-областях.
Научно-практическая значимость результатов.
обнаружено особенности процесса разрушения АК, «повреждённых» в
результате термоциклирования, образцов;
показано, что активный рост трещины в АК-е многократно чередуется с
полной остановкой трещины; это связано с релаксационными процессами;
возрастание числа сигналов АЭ,а также времени деформирования
термоциклированных образцовсвидетельствуют об увеличении вязкости
разрушения «повреждённых» образцов;
полученные результаты позволяют путем выбора структуры и условий
воздействия внешних факторов, управляя процессами разрушения, управлять
работоспособностью и долговечностью АК типа «кожа-десмокол-кожа» и др.;
они могут быть использованы для построения адекватной физической модели
разрушения гетерогенных и КМ.
Надёжность и достоверность полученных в работе результатов определяют использованием современных методов физического эксперимента, достаточным количеством взаимодополняющих экспериментальных результатов, согласованностью с общефизическими представлениями о процессах деформирования и разрушения твердых тел.
Личный вклад автора.Личный вклад автора в полученных результатов является в проведении экспериментов, участие в анализе результатов, выработки основных выводов, подготовка статей и докладов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались вМеждународной конференции«Современные проблемы физики конденсированных сред и астрофизики» (Душанбе 2010), Международной конференции «Современные вопросы молекулярной спектроскопии конденсированных сред». (Душанбе 2011г.), Национальной конференции «Современные проблемы физики конденсированного состояния»(Душанбе, 2012г.), Республиканской конференции «Ядерно-физические методы анализа состава биологических, геологических, химических и медицинских объектов» (Душанбе, 2014), вконференциях молодых учёных и преподавателей ХГУ им. Б.Гафурова (Худжанд с 2003 по 2015гг.), на семинарах кафедры «Общей физики и физики твёрдого тела» ХГУ им. Б. Гафурова.
Публикации. По результатам работы опубликовано 12 статей, в том числе 4 в журналах входящие в Перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 118 страницах. Список литературы содержит 134 наименований.
Механизмы образования адгезионных соединений. Теории адгезии
Долгое время учение о прочности развивалось на основе представлений теории упругости и пластичности, в рамках механики сплошных сред. Согласно энергетической концепции Гриффита-Орована-Ирвина [8-23] разрушение твердых тел наступает тогда, когда количество упругой энергии, освобождающейся при росте трещин разрушения, достаточно, чтобы скомпенсировать затраты энергии на образование новой поверхности. Такой подход к проблеме разрушения сохранился и впоследствии, когда твердые тела стали рассматриваться как конструкции из атомов, связанных силами сцепления. Однако переход к рассмотрению твердых тел как атомно-молекулярной системы привел к существенному изменению физических представлений о разрушении этих тел, в частности, стало возможным рассчитывать теоретическую прочность твердых тел идеального строения [20-21]. Как оказалось, рассчитанные значения прочности во много раз больше, чем измеряемые на опыте для реальных твердых тел. Причиной падения реальной прочности по сравнению с теоретической прочностью считалось [8, 22, 23] наличие в телах концентраторов напряжений (дефекты различного уровня, в том числе микротрещины), вызывающих локальные перенапряжения и разрушение в этих местах межатомных связей, что частично получило свое экспериментальное подтверждение [22-26]. Однако первоначально была построена чисто механическая, статическая схема воздействия внешней силы на тело. При этом считалось, что если внешняя сила больше сил сцепления атомов, то происходит разрушение тела, а если меньше, то не происходит. В результате для оценки реакции твердого тела на механическое воздействие было введено понятие о пределах упругости, текучести, а также о пределе прочности. Однако опыт показывает, что разрушение происходит даже под действием нагрузки, меньшей разрывной (предельной) не сразу, а через некоторое время. Еще в 30-х и 40-х годах были опубликованы работы, в которых наблюдалась зависимость прочности от длительности действия нагрузки [25-30]. Оказалось, что при заданном напряжении прочность зависит от длительности пребывания исследуемого материала в нагруженном состоянии. Временная зависимость прочности при статической нагрузке, получившая название статической усталости материала, наблюдалось многими исследователями для широкого круга материалов - силикатного стекла, полимеров, металлов. Явление временной зависимости прочности, обнаруженное в экспериментах, невозможно объяснить с позиции теории, рассматривающей разрушение как критическое событие. Были высказаны предположения о необходимости учета роли теплового движения атомов в развитии разрушения твердых тел.
В результате систематических исследований С.Н. Журкова, В.Р. Регеля и др. были заложены основы нового подхода к рассмотрению разрушения твердых тел, где тепловому движению атомов придается большое значение, а внешней нагрузке роль активатора, придающего разрушению однонаправленность.
Следует отметить, что противоречие между допущением о критическом характере разрыва и временной зависимостью прочности обращало на себя внимание и ранее, в том числе и сторонников статического подхода к проблеме прочности. Временная зависимость прочности стекол Орованом [31] связывалась с химическими изменениями на поверхности, вследствие сорбции влаги из воздуха поверхностью стекла. Сорбированные молекулы воды понижают поверхностную энергию W, которая по Гриффиту является одним из параметров, определяющих разрывное напряжение с» =(2WE /7Tju1 ТР 1/2 (1.2), где Е - модуль упругости, /и - коэффициент Пуассона, lтр - длина трещины. Временная зависимость в этом случае объясняется тем, что при быстром нагружении сорбированная пленка не успевает образоваться на поверхности растущей трещины, вследствие чего образовавшаяся новая поверхность не имеет сорбционной пленки и разрушение происходит при высоком значении прочности. При медленном разрыве сорбированный слой успевает образоваться и прочность материала понижается.
Исходя из допущения о двухфазном строении стекла, Маргетройд [32] полагал, что влияние времени на прочность обусловлено течением материала в квазивязких областях такой гетерогенной системы. По мере прохождения времени на упругих элементах нагруженной системы будет повышаться напряжение за счет релаксации напряжения в вязкопластичных микрообластях. Перераспределение напряжений будет происходить до тех пор, пока напряжение на упругих элементах не достигнет предела прочности материала, что приведет к разрыву. Влияние среды на прочность в ряде случаев, несомненно, имеет место. Однако опытами в вакууме и в инертных средах, а также при испытании материалов с различными физико-механическими свойствами (которые обладают различной стойкостью по отношению к компонентам, входящим в состав воздуха) было показано, что воздействие среды не может быть общей и единственной причиной временных эффектов. Предположение Маргетройда о связи временной зависимости прочности вязко-упругих твердых тел с изменением напряжений в отдельных элементах системы вследствие релаксационных процессов также встречает много трудностей при объяснении имеющихся экспериментальных результатов, например, замедленное разрушение монокристаллов и др. однородных, а не гетерогенных хрупких твердых тел.
В результате систематических исследований температурно-силовой зависимости долговечности металлов, ионных кристаллов, силикатных стекол и полимеров, (см. например, [33-35]), стало возможным установить общую для большинства твердых тел закономерность, связывающую долговечность т с действующим напряжением а и температурой Т Т = Г0 exp (U0 - 7cr) / kT (1-3), Как показала обработка экспериментальных данных по температурно-силовой зависимости долговечности исследованных материалов, для самых разнообразных по структуре и свойствам твердых тел предэкспоненциальный множитель Т 0 оказался равным 10 12 - 10"14с, близким к периоду собственных колебаний атомов в твердом теле [1, 34]. Значение U0 близко к энергии сублимации для металлов и к энергии термической деструкции для полимеров. Это обстоятельство позволило Журкову с сотрудниками [1] предположить, что разрушение есть процесс накопления последовательных термофлуктуационных разрывов межатомных связей. Роль внешнего напряжения сводится к активации этого процесса и определяет его направленность. Обширный экспериментальный материал по температурно-силовой зависимости долговечности, накопленный в настоящее время, свидетельствует о несостоятельности существовавших ранее представлений о разрушении как катастрофическом процессе, наступающем при достижении критического напряжения - предела прочности.
Некоторые сведения о технологии приготовления, структуре и физико – механических свойствах кожи
Технологичность в организации адгезионных контактов, а также появления новых эффективных адгезивов являются основной причиной достаточно широкого распространения адгезионных контактов в создании конструкции различного назначения (производство обуви, спортивного инвентаря, кожгалантереи, различных приборов). Адгезионные контакты широко используют в машиностроении, авиации, космической технике, в медицинских материалах, судостроении, пожарной технике, при производстве бронежилетов и т.д.). Ясно, что надёжность и работоспособность конструкции с адгезионными соединениями, кроме механических характеристик основных материалов, во многом зависят от прочности и долговечности адгезионных контактов. Работа всякой конструкции или машины сопряжена с действием механических нагрузок, температуры, влажности, радиации, вибрации и др. эксплуатационных и внешних факторов. В реальных условиях, как правило, эти факторы действуют совместно или, во многих случаях, поочередно или циклически. Работоспособность и увеличение срока службы конструкции и машины, очевидно зависят от прочности АК и, более того, способности контакта противостоять деструктивным действиям внешних и эксплуатационных факторов. Судя по литературе, многие вопросы, связанные с действием указанных факторов на прочность и долговечность адгезионных контактов, в том числе АК «кожа-кожа» остаются не изученными.
В связи с этим, в работе ставилась задача в лабораторном эксперименте систематически исследовать влияние внешних факторов (время, температура, солнечная радиация, влажность, механическое напряжение и их циклические изменения) на прочность и кинетику разрушения адгезионного контакта «кожа-кожа». Слово «адгезия» широко употребляется в научно-технической литературе, однако значение этого термина известно не всем. В переводе с английского, «адгезия» означает сцепление разнородных материалов. Разнообразие контактирующих материалов (субстратов) и адгезивов, а также сложность физико-химических процессов в контакте, до сих пор не позволяют сформулировать единую теорию адгезии. Судя по литературе [74,75], в данной области науки отсутствие единых взглядов не только неизбежно, но и, в известной мере, стимулирует развитие новых исследований, приводит к углублению наших представлений о проблеме в целом и, в итоге, способствует прогрессу в этой области науки и технологии.
Адгезионная прочность является одной из фундаментальных характеристик адгезионного контакта, поэтому изучению влияния внешних факторов на прочность контакта твердых тел уже многие годы придают особое значение. Прочность адгезионного контакта зависит не только от молекулярного взаимодействия на границе раздела фаз, но и от условий формирования соединений, формы и размеров образцов, условий приложения напряжения, влажности, температуры, действия радиации и других факторов [91]. Важность измерения адгезионной прочности, а также исследование процесса разрушения адгезионного контакта в зависимости от воздействия внешних факторов заключается в том, что по этим результатом можно судить о степени воздействия внешних факторов на адгезионную прочность, а также о роли структурных и эксплуатационных дефектов в развитии процесса разрушения.
В работе проводилось систематическое исследование влияние времени формирования адгезионного контакта, температуры, солнечной радиации, влажности, а также термоциклов на прочность адгезионного контакта «кожа-кожа». Подобные результаты, важны сами по себе, поскольку такие контакты широко применяются, и знание о факторах, действующих на прочность контакта важно для практики и технологии. Более того, поскольку, в принципе, возможно варьировать свойства АК, в том числе варьировать количество «повреждений», возможно исследовать процесса разрушения АК систематически, изменив концентрации микро/мезодефектов.
В параграфе 2.2 даются сведения об образцах и методике эксперимента. Результаты экспериментов по влиянию состава воды и термоциклов на прочность адгезионного контакта приведены в параграфе 2.3. Результаты исследования температурно-силовых зависимостей долговечности контакта «кожа-кожа» обсуждаются в параграфе 2.4. В параграфе 2.5 анализируются результаты прямого слежения за ростом трещины в адгезионном контакте. Анализу подвергается кинетика разрушения образцы в исходном состоянии и образцы, прошедшие термоциклы. В конце приводятся заключения и выводы.
Прямоугольные полоски размером 30х10мм вырезались из натуральной кожи толщиной 1,2 – 1,4 мм. Затем площадь будущей контактной зоны размером 10х10 мм очищалась наждачной бумагой и на очищенную поверхность кожи наносили клей «Десмакол». Такие кожаные полоски-полуфабрикаты в комнатных условиях выдерживались в течение 15 – 20 минут. Далее полоски-полуфабрикаты помещали в камеру термостата и выдерживали при температуре 80 – 90 0С в течение 30 с. После выдержки в этих условиях, проклеенные места полосок прижимали (прессовали) под давлением приблизительно 100 кПа в течение одной минуты. Приготовленные таким образом, образцы хранились в комнатных условиях (200С, относительной влажности 60%) в течение 24 часов, затем в условиях активного растяжения измеряли адгезионную прочность на раздир. Измерения прочности проводились как при комнатных, так и при высоких температурах. При каждой температуре испытывали не менее 68 образцов. Образцы перед испытанием тщательно осматривались с помощью оптического микроскопа, и размеры контактирующей части измерялись с точностью до 0,01 мм. Вид образца АК «кожа-кожа» и схема определения прочности приведены на рис.2.1. Образцы испытывались как в исходном состоянии, так и после термоциклирования в режиме 200С500С(10мин)200С(10мин). Испытанию подвергались образцы, прошедшие 15, 30, 50 термоциклов.
Температурно - силовая зависимость долговечности адгезионного контакта «кожа-кожа»
Акустическая эмиссия возникает в твердом теле при локальных дискретных изменениях энергии упругой деформации, т.е. перестройках элементов структуры, вплоть до образования микротрещин, вызванных внешними воздействиями: механическими, тепловыми, электромагнитными, химическими и др. Известно большое число источников акустических волн в твердых телах, информация о которых содержится в обзоре [107]. Остановимся кратко лишь на тех, которые генерируют АЭ при деформировании материалов. Перечислим их в порядке уменьшения масштаба: образование и рост микроскопических трещин, внутризерненное и межзерненное растрескивание, разрыв волокон и расслоение в композитах, образование микротрещин, двойникование, когерентное и групповое перемещение дислокаций. Основным необходимым условием возбуждения акустических волн является локальность источника и импульсный, дискретный характер перераспределения упругих напряжений [108,109].
Как показано в [110], основная часть энергии, связанной с дислокационной динамикой, превращается в тепло. Согласно оценкам этой работы, лишь около 1% энергии пластической деформации, вызванной дислокационными механизмами, расходуется на излучение акустических волн. Эта энергия настолько мала, что наиболее совершенная аппаратура позволяет зафиксировать как единичный акт лишь кооперативные процессы, происходящие при участии, по крайней мере, сотен дислокаций.
В простейшем схеме регистрации сигналов АЭ датчик подключается к малошумящему предусилителю. В последующих блоках формируются параметры АЭ: амплитуда - А, активность - N , суммарное число сигналов -N . Под амплитудой АЭ понимается максимальное значение огибающего электрического импульса. При высокой частоте следования импульсов возможно их перекрытие и тогда АЭ представляет собой непрерывный сигнал. В этом случае определение активности и числа сигналов, либо невозможно, либо связано с большими погрешностями. В таком случае целесообразным является измерение числа превышений сигналом некоторого заданного уровня дискриминации. Таким образом измеряется интенсивность АЭ N . Методические приемы измерения N и N описаны в [ 111-113 ]. К числу параметров АЭ традиционно относят форму и спектр отдельных импульсов [114, 115]. Для анализа отдельных импульсов требуется совершенная электронная аппаратура. Поскольку длительность акустического импульса меняется в интервале от единиц микросекунд до миллисекунд, то полоса пропускания аналогового тракта должна быть, по крайней мере, в пределах 20 кГц 5 МГц, а время преобразования аналого-цифрового преобразователя не должно превышать 0,5 мкс. На сегодня подобной аппаратуры еще нет в достаточном количестве, что сдерживает возможности широкого исследования отдельных импульсов элементарных актов АЭ. Недостаток экспериментальных работ в этом направлении особенно ощущается на фоне большого числа теоретических работ, в которых рассчитаны акустические импульсы при различных дислокационных процессах в кристаллах, обобщение которых проведено в [116] в виде атласа акустических образов формы акустического импульса при нестационарном движении дислокаций, замкнутых дислокационных петель и дислокационных скоплений, при аннигиляции дислокаций и скоплений, при переходе дислокаций через упругие модули, при работе источника Франка-Рида, при двойниковании. Частичная экспериментальная проверка полученных данных приведена в [117-123 ] на модельных кристаллах кальцита.
Уже в ранних работах [124-126], в которых изучались отдельные импульсы, отмечены трудности анализа, которые, по-видимому, сыграли решающую роль в недостаточно широком использовании этих параметров. Трудности интерпретации анализа отдельных импульсов связаны, как справедливо отмечено в [127-121], с искажением формы акустического импульса при прохождении через нелинейные цепи. Искажения накапливаются за счет ограниченной полосы частот датчика, неравномерности его амплитудной - частотной характеристики (АЧХ), нелинейности передаточных свойств среды между датчиком и объектом, а также резонансных свойств самого объекта. Строгий учет всех названных факторов, с целью восстановления первичного источника (или истинной формы акустического импульса), является сложной задачей. Однако, в ряде работ, многие трудности анализа отдельных импульсов были преодолены, либо путем тщательной калибровки акустическими импульсами системы "объект-акустический тракт" [127,121], либо использованием емкостного преобразователя [128], либо исследованием объекта с такими резонансными и нелинейными передаточними свойствами, что они существенны лишь за пределами диапазона датчика [129].
Кратко остановимся на общих закономерностях АЭ при деформировании металлов [121]. Прежде всего, в большом числе работ было показано, что АЭ последовательно отражает эволюцию дислокационной структуры металлов при активном деформировании [130]. Показано, что АЭ возникает, как правило, еще во время микроскопически упругого деформирования, на линейном участке диаграммы нагружения, отражая, тем самым, протекание процессов микропластической деформации. АЭ при пластическом деформировании металлов носит необратимый характер -имеет место эффект Кайзера, заключающийся в отсутствии АЭ при повторном деформировании, вплоть до уровня напряжений, достигнутых в первом нагружении и в восстановлении эмиссии при дальнейшем повышении напряжений. Этот эффект позволяет определить, в частности, присутствие посторонних механических шумов в эксперименте [119]. Наличие эффекта Кайзера указывает на необратимый характер, протекающих структурных перестроений. Изучение спектрального состава АЭ при деформировании поликристаллического алюминия позволило выявить уменьшение длины пробега дислокаций, а также по анализу частотного положения максимума энергий АЭ оценить длительность акта скольжения на различных этапах деформирования.
Большинство методик обработки АЭ основано на изучении зависимостей А(t), N(t) и N (t). Корреляция этих параметров с размером зерна, скоростью пластической деформации, структурными особенностями материалов [130] указывают на возможность АЭ анализа поведения дефектов. Как справедливо указано в [119], отмеченные выше закономерности ограничены узким кругом материалов, схем нагружения, геометрии образцов, а также являются аппаратно-зависимыми и плохо повторяющимися количественно.
По мнению автора, работы по проблеме расшифровки и интерпретации АЭ-образов связаны с отсутствием единого взгляда на природу АЭ, отсутствием учета коллективного характера поведения излучающих дефектов. Поэтому существующие модели источников АЭ и связи параметров АЭ со структурой имеют частный характер и ограниченное применение.
Акустоэмиссионный метод исследования процесса разрушения гетерогенных и композитных материалов
Известно, что структурные изменения, которые происходят в объёме тела при нагружении, вплоть до образования нарушений сплошности, являются возможные пути сохранения целостности тела. В каждом дискретном структурном изменении испускается порция энергия упругой деформации. И эта энергия поглощается окружающим объемом. В результате работа внешних сил аккумулируется во внутренней энергии деформируемого тела. В результате, тело становится жестче. Если, в локальном объёме, где происходят такие микроскопические катастрофы, материал ещё способен поглощать эту порцию энергию (в материале ещё имеется возможные каналы диссипации энергии без катастрофического разрушения), то процесс деформирования может продолжаться. Процессы энерговыделения и энергопоглощения материала могут продолжаться до тех пор, пока все возможные каналы диссипации энергии упругой деформации (при данных условиях деформирования) в объёме тела не будет исчерпаны [40, 53, 144].
Анализ ИК-спектров образцов десмокола в исходном состоянии и после термоциклирования показывает, что, на самом деле, в результате циклического изменения температуры происходят существенные изменения структуры полимера на молекулярном уровне. Так, например, значительные изменения при повышении температуры до 50оС при термоциклировании происходят в области частот 1750 – 950 см-1.
Следует отметить значительное увеличение интенсивностей полос поглощения при 1650, 1595 и 1465 см-1. Исследование показывает, что в этот спектральный интервал попадают антисимметричные и симметричные валентные колебания заряженных групп NH+3. Это позволяет предположить, что и в ИК – спектре десмокола полосы поглощения при 1650, 1545 и 1465 см-1 обусловлены валентными колебаниями групп NH2+. Различие в частотах валентных колебаний группы NH2+ объясняется существованием в твердофазном десмоколе молекул с различной пространственной ориентацией этих групп.
Данные конформационного анализа подтверждают вывод о возможности существования молекул десмокола с различной пространственной ориентацией NH2+. Сопоставление экспериментальных данных ИК – спектроскопии и масс – спектрометрии свидетельствует о том, что при термообработке в твердофазном дескомоле реализуются оба конформера.
Таким образом, использование ИК – спектроскопии позволило показать, что в образовании межмолекулярных водородных связей в десмоколе участвуют главным образом группы NH. Внутримолекулярные водородные связи образуются группами NH и СО.
В работе впервые систематически исследовалось влияние времени, температуры, солнечной радиации и действия механической нагрузки и термоциклов на кратковременную и длительную прочности адгезионных контактов «кожа-десмокол-кожа», «кожа-наирит-искусственная кожа».
В результате систематического исследования, в том числе с помощью прямых методов удалось обнаружить особенности процесса разрушения «повреждённых» в результате термоциклирования образцов.
Методами прямого слежения за развитием трещины в адгезионном контакте обнаружена многостадийность процесса роста трещины в АК в условиях постоянно возрастающей нагрузки. Показано, что активный рост трещины в АК многократно чередуется с полной остановкой трещины, что связано с релаксационными процессами в адгезиве.
Сравнительный анализ спектров АЭ сигналов, регистрированных при деформировании образцов в исходном состоянии и после термоциклирования показывает, что при деформировании термоциклированных образцов звучание образцов начинается в самом начале деформирования образца. Общее количество сигналов АЭ, которые возникают при деформировании термоциклированных образцов в 1,5–2 раза больше, по сравнению с количеством сигналов в образцах в исходном состоянии. Возрастание числа сигналов при деформировании термоциклированных образцов свидетельствует о возрастании вязкости разрушения «повреждённых» образцов, по сравнению с исходными образцами.
Возрастание времени разрушения «повреждённых» образцов свидетельствует о торможении трещины при прохождении сквозь повреждённую область. Взрывообразно образующиеся микро/мезотрещины, сталкиваясь с имеющимся дефектами, быстро затупляются и, зачастую, происходит их остановка. Это, очевидно, приводит к возрастанию вязкости разрушения контакта и композита. Следовательно, сам факт предварительного накопления дефектов в теле никак не может быть аргументом приближения катастрофического разрушения. Дефекты-повреждения, которые имеются в гетерогенном (композиционном) материале или возникают под действием внешних факторов в определенных условиях могут тормозить макроразрушение материала. Очевидно, для выяснения, при каких условиях рассеянные дефекты являются фактором снижения прочности и долговечности, а при каких условиях становятся тормозящим фактором макроразрушения гетерогенного материала, необходимо провести специальное исследование. Наиболее привлекательным при решении данного сложного вопроса является энерго-диссипативная концепция, разработанная профессором А.М. Лексовским [40, 144], где, на основе данных прямого слежения за ростом микротрещин в камере электронного микроскопа, утверждается следующее: переход от рассеянного микроразрушения к катастрофическому происходит там и тогда, когда выделившаяся в единицу времени энергия упругой деформации не может быть поглощёна в окружающем объёме материала.
Методом ИК-спектроскопии показано последовательное уменьшение интенсивности полос поглощения, обусловленных валентными колебаниями О-Н и С-Н связей в десмоколе при увеличении количества термоциклов. Это связано с дегидратацией и термоокислением молекул десмокола.
Выявленные видоизменения цветового покрытия десмокола при термоциклировании на поверхности кожи связано с образованием хромофорных групп, обладающих неселективным поглощением в ближних ИК-областях.