Разрушение твердых полимеров
под ред. Б. Роузена.
перевод с английского
1971 г
Книга представляет собой коллективный труд ведущих специалистов США, Англии, Японии и других стран, посвященный процессам разрушения твердых полимеров.
Рассмотрена структура твердых полимеров, временная зависимость прочности и механизмы разрушения, приведены теоретическое описание и результаты экспериментального исследования хрупкого разрушения полимеров. Отдельные статьи, написанные по общему плану, дают полную картину современного состояния физики процесса разрушения полимеров.
Книга рассчитана на научных сотрудников, работников промышленности синтетических смол и пластических масс, занимающихся переработкой полимеров, преподавателей и студентов высших учебных заведений, интересующихся механическими свойствами полимеров.
В книге содержится 295 рисунков, 11 таблиц и 637 библиографических ссылок.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие редактора перевода .................. 6
Предисловие............................ 8
Глава I. Твердые полимеры................... 11
1. Строение полимеров. Б. Роузен................ 11
2. Морфология полимеров. П. Джейл .............. 17
3. Механические свойства полимеров. Б, Роузен......... 39
4. Механические свойства волокон. Д. Херл........... 89
5. Вязкоупругне свойства полимеров. А. Тобольский ....... 105
Глава II. Хрупкое разрушение................, . 125
1. Общая теория хрупкого разрушения. Д. Берри...... 125
2. Хрупкость твердых полимеров. Д. Берри ...... 155
3. Топография разрушения. И. Уолок, С. Ньюман...... . 188
Глава III. Временная зависимость прочности . . . 235
1. Феноменологическое исследование процесса разрушения эластомеров в стеклообразном состоянии Б. Роузен . ........ 235
2. Разрушение аморфных ненаполненных полимеров Р. Лэндел, Р. Федоре....................... . ; . 286
Глава IV. Процессы разрушения................. 386
1. Явления разрушения при резании А. Кобаяши, К- Сайта . . . 386
2. Термодинамическая теория прочности. М. Рейнер........ 405
3. Влияние молекулярной ориентации на механическое разрушение К.Сяо............................ 414
4. Морфология деформации и разрушения кристаллических полимеров. П. Джейл....................... 424
5. Влияние химических превращений на разрушение полимеров Г. Джеллинек........................ 450
Глава V. Дополнения ...................... 473
1. Размер обломков при простом разрушении. Д. Джилвари .... 473
2. Импульсы напряжения в линейно-вязкоупругих телах. Д. Редок 500
Предметный указатель ....................... 518
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
В связи с возрастающим использованием твердых полимеров в качестве конструкционных материалов интерес к изучению их прочности в последние годы заметно возрос. До 1964 г. не было опубликовано ни одной монографии,, посвященной прочности полимеров, и соответствующие разделы отсутствовали даже в работах по механическим свойствам полимеров. В 1964 г. последовательно вышли в свет- три книги, посвященные прочности п разрушению полимеров1- -■3. Быстрота, с которой разошлись издания советских авторов, свидетельствовала о большой потребности в них читателя. К сожалению, ограничение в объеме помешало достаточно полному изложению оригинальных представлений ряда зарубежных авторов. Поэтому выход в свет книги «Разрушение твердых полимеров» под редакцией крупного физика Б. Роузена является очень своевременным и полезным. Книга представляет собой сборник статей, написанных специалистами таким образом, что рассматриваемые проблемы органически связаны между собой и вливаются в общее материаловедение. Такая связь необходима 4, так как взаимопонимание физиков и конструкторов, с одной стороны, и химиков-технологов, с другой стороны, было затруднено по различным причинам, перечисленным в предисловии Б. Роузена.
Предлагаемая книга является средством перекинуть мост между исследованием структуры и свойств полимеров.
Существенным недостатком книги является игнорирование работ советских ученых. А между тем советские физики не только первыми экспериментально доказали наличие и количественно оценили роль микротрещин при хрупком разрушении 3 (без чего система взглядов Гриффита оставалась бы изящной гипотезой), по и вскрыли несостоятельность той части-ero теории, в которой разрушению придается критический характер, не зависящий от времени и теплового движения 6.
В настоящее время все системы взглядов отечественных исследователей основываются на учете роли флуктуации тепловой энергии в элементарном акте разрыва связей, обеспечивающих сплошность материала7-11. Наибольшие трудности встречаются в оценке энергии связей, рвущихся при разрыве материала. Сравнение энергии активации процесса разрушения с теплотой сублимации, обнаружение сигналов ЭПР при разрыве полимеров и другие факты 12 привели к выводу, что прочность полимеров I определяется прочностью химических связей. Однако из рассмотрения процесса разрыва полимеров как процесса, складывающегося из элементарных актов, в каждом из которых рвется одновременно несколько связей, вытекает необходимость отнесения суммарной энергии связей к объему, в котором совершается элементарный акт. При таком подходе в ряде случаев определяющими прочность полимеров оказываются силы межмолекулярного взаимодействия. Эти соображения редактор перевода считал необходимым довести до сведения читателя, не занимающегося специально проблемой прочности полимеров.
Переводчики старались сохранить стиль и манеру изложения, присущие каждому автору. В связи с большим объемом книги опущен раздел «Плоские волны в нелинейных вязкоупругих материалах» Е. Меркадо и С. Каца, так как он имеет косвенное отношение к рассматриваемому вопросу.
Главы I, II, IV (статьи 1, 3, 4, 6) переводил В. В. Коврига, ' главы III, IV (статьи 2, 5), V — Л. С. Присс, проф. В. Гуль.
ПРЕДИСЛОВИЕ
После длительной подготовки мы, наконец, представляем на суд читателя коллективный труд «Процессы разрушения твердых полимеров». У этой книги две цели: ознакомить исследователей процессов разрушения неполимерных материалов с концепциями, идеями и результатами работ специалистов в области высокомолекулярных материалов, интересующихся главным образом связью между химической структурой и механическими свойствами, и, наоборот, ознакомить полимерщиков с мыслями, теориями и результатами работ физиков и инженеров, которые рассматривают разрушение как особенность твердого состояния или как предел работоспособности материалов. Другими словами, эта книга призвана служить сближению двух областей наук, которые отличаются терминологией, методами исследования и способами описания результатов. Позднее работающие в этих областях осознали необходимость рассматривать поведение материалов в зависимости от напряжения, деформации и времени. Цель книги не могла бы быть достигнута без взаимопонимания и сотрудничества авторов, проявивших во многих случаях готовность в интересах общего дела принять точку зрения редактора.
Необходимость ознакомления одной из двух различных групп читателей книги с фундаментальными положениями и подходами другой привела к неизбежному и, как я полагаю, желанному компромиссу.
По содержанию и по стилю изложения материал не является слишком элементарным и не исключает рассмотрения специальных частных случаев. С какой бы точки зрения читатель не следил за изложением, он обязательно встретится с интересующим его вопросом либо столкнется с хорошо известными фактами и явлениями в новой связи, или с концепциями к теориями, которые были разработаны в других областях науки и техники по-иному.
Кроме обсуждения общих положений в задачи книги входило дать читателю некоторое представление о характере и масштабе работ, проводимых в области изучения прочностных свойств твердых полимеров. В главе «Твердые полимеры» излагаются особенности строения материалов на основе высокомолекулярных соединений. Два раздела этой главы, написанные редактором сборника («Строение полимеров» и «Механические свойства полимеров»), позволяют лучше понять природу полимеров. Разделы «.Морфология полимеров» (П. Джейл), «Механические свойства волокон» (Д. Херл) и «Вязкоупругие свойства полимерии» (Тобольский) позволяют составить достаточно полное представление об общих особенностях свойств полимеров. Эти статьи не требуют от читателя углубления в математические тонкости. В них делается попытка представить основы физики и механики, предваряющие дальнейшее изложение.
Для многих читателей наибольший интерес представит глава «Хрупкое разрушение». В обзоре «Общая теория хрупкого разрушения» Д. Берри излагает ставшую классической теорию Гриффита, объясняющую прочность хрупких твердых тел, исходя из представления о том, что разрушение начинается с образования микротрещины. Выводы теории сопоставляются с высокими значениями энергии когезии, полученными для реальных твердых тел. В разделе «Хрупкость твердых полимеров» Д. Берри, продолжая обсуждение теорий разрушения, подчеркивает важность рассмотрения влияния температуры, молекулярного веса полимеров и ориентации на процесс разрушения. Эти зависимости не могут легко трактоваться теоретически, а должны исследоваться экспериментально или исходя из качественных соображений. Глава заканчивается работой И. Уолока и С. Ньюмана «Топография разрушения», в которой детально обсуждаются свойства поверхностей разрушения в твердых телах и влияние на них различных факторов.
Глава «Временная зависимость прочности» должна представлять интерес для исследователей, занимающихся свойствами твердых полимеров. Она состоит из двух разделов: «Феноменологическое исследование процесса разрушения эластомеров в стеклообразном состоянии», написанного редактором, и «Разрушение аморфных ненаполненных полимеров», написанного Р. Лэнделом, и Р. Федорсом. Первый посвящен в основном процессам, предшествующим разрушению. В нем рассмотрено явление растрескивания и сопутствующие ему физические эффекты (например, изменение коэффициента отражения света). Второй посвящен описанию вязкоупругих свойств полимеров и принципу температурно-временной суперпозиции, которые обсуждаются совместно с явлениями, наблюдаемыми при разрушении каучукоподобныхi твердых тел. В этом разделе затрагивается также проблема уста-! лости и сопоставляются теоретические результаты с экспериментальными данными.
Начиная с главы «Процессы разрушения», книга приобретает более специализированный характер. Так, А. Кобаяши и К- Саито исследуют явление разрушения при резании, М. Рейнер представляет термодинамическую теорию прочности, К. Сяо анализирует зависимость прочности от молекулярной ориентации, П. Джейл проводит морфологическое рассмотрение деформации и разрушения кристаллических полимеров. Г. Джеллинек анализирует общую роль химических изменений в разрушении, а А. Чарлзби описывает специфическое влияние радиации на этот процесс.
В заключительной главе обсуждаются специальные вопросы, имеющие то или иное отношение к разрушению. Д. Джилварри показывает теоретически и экспериментально, как выглядит функция распределения по размерам осколков, возникающих при разрушении; подобный результат следует непосредственно из модели Гриффита на основе теории вероятности. Обсуждение этой проблемы интересно для физиков и физико-химиков, в то же время она имеет прямое отношение к горному делу, керамике и металлургии (дробление породы). Д. Рэдок представил интересную статью «Импульсы напряжения в линейио-вязкоупругих телах».
Хотя изложенные в книге положения и выводы теории Гриффита известны почти полвека, использовались они сравнительно немногими исследователями, которые в основном интересовались разрушением аморфных, кристаллических или металлических твердых тел (приложение теории к разрушению стекла было впервые осуществлено самим Гриффитом). Эта книга поможет судить о применимости представлений Гриффита для твердых полимеров. Она продемонстрирует недостатки и возможности использования не только теории Гриффита, но и последующих теорий. Мы надеемся, что книга будет способствовать развитию контактов между различными областями науки и техники.
Редактор, стоявший перед трудной задачей, — представить перспективную, но еще находящуюся в эмбриональном состоянии область материаловедения — сознает, что в книге имеется много недостатков.
Б. Роузен Даллас, Техас Осень, 1964 г.
под ред. Б. Роузена.
перевод с английского
1971 г
Книга представляет собой коллективный труд ведущих специалистов США, Англии, Японии и других стран, посвященный процессам разрушения твердых полимеров.
Рассмотрена структура твердых полимеров, временная зависимость прочности и механизмы разрушения, приведены теоретическое описание и результаты экспериментального исследования хрупкого разрушения полимеров. Отдельные статьи, написанные по общему плану, дают полную картину современного состояния физики процесса разрушения полимеров.
Книга рассчитана на научных сотрудников, работников промышленности синтетических смол и пластических масс, занимающихся переработкой полимеров, преподавателей и студентов высших учебных заведений, интересующихся механическими свойствами полимеров.
В книге содержится 295 рисунков, 11 таблиц и 637 библиографических ссылок.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие редактора перевода .................. 6
Предисловие............................ 8
Глава I. Твердые полимеры................... 11
1. Строение полимеров. Б. Роузен................ 11
2. Морфология полимеров. П. Джейл .............. 17
3. Механические свойства полимеров. Б, Роузен......... 39
4. Механические свойства волокон. Д. Херл........... 89
5. Вязкоупругне свойства полимеров. А. Тобольский ....... 105
Глава II. Хрупкое разрушение................, . 125
1. Общая теория хрупкого разрушения. Д. Берри...... 125
2. Хрупкость твердых полимеров. Д. Берри ...... 155
3. Топография разрушения. И. Уолок, С. Ньюман...... . 188
Глава III. Временная зависимость прочности . . . 235
1. Феноменологическое исследование процесса разрушения эластомеров в стеклообразном состоянии Б. Роузен . ........ 235
2. Разрушение аморфных ненаполненных полимеров Р. Лэндел, Р. Федоре....................... . ; . 286
Глава IV. Процессы разрушения................. 386
1. Явления разрушения при резании А. Кобаяши, К- Сайта . . . 386
2. Термодинамическая теория прочности. М. Рейнер........ 405
3. Влияние молекулярной ориентации на механическое разрушение К.Сяо............................ 414
4. Морфология деформации и разрушения кристаллических полимеров. П. Джейл....................... 424
5. Влияние химических превращений на разрушение полимеров Г. Джеллинек........................ 450
Глава V. Дополнения ...................... 473
1. Размер обломков при простом разрушении. Д. Джилвари .... 473
2. Импульсы напряжения в линейно-вязкоупругих телах. Д. Редок 500
Предметный указатель ....................... 518
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
В связи с возрастающим использованием твердых полимеров в качестве конструкционных материалов интерес к изучению их прочности в последние годы заметно возрос. До 1964 г. не было опубликовано ни одной монографии,, посвященной прочности полимеров, и соответствующие разделы отсутствовали даже в работах по механическим свойствам полимеров. В 1964 г. последовательно вышли в свет- три книги, посвященные прочности п разрушению полимеров1- -■3. Быстрота, с которой разошлись издания советских авторов, свидетельствовала о большой потребности в них читателя. К сожалению, ограничение в объеме помешало достаточно полному изложению оригинальных представлений ряда зарубежных авторов. Поэтому выход в свет книги «Разрушение твердых полимеров» под редакцией крупного физика Б. Роузена является очень своевременным и полезным. Книга представляет собой сборник статей, написанных специалистами таким образом, что рассматриваемые проблемы органически связаны между собой и вливаются в общее материаловедение. Такая связь необходима 4, так как взаимопонимание физиков и конструкторов, с одной стороны, и химиков-технологов, с другой стороны, было затруднено по различным причинам, перечисленным в предисловии Б. Роузена.
Предлагаемая книга является средством перекинуть мост между исследованием структуры и свойств полимеров.
Существенным недостатком книги является игнорирование работ советских ученых. А между тем советские физики не только первыми экспериментально доказали наличие и количественно оценили роль микротрещин при хрупком разрушении 3 (без чего система взглядов Гриффита оставалась бы изящной гипотезой), по и вскрыли несостоятельность той части-ero теории, в которой разрушению придается критический характер, не зависящий от времени и теплового движения 6.
В настоящее время все системы взглядов отечественных исследователей основываются на учете роли флуктуации тепловой энергии в элементарном акте разрыва связей, обеспечивающих сплошность материала7-11. Наибольшие трудности встречаются в оценке энергии связей, рвущихся при разрыве материала. Сравнение энергии активации процесса разрушения с теплотой сублимации, обнаружение сигналов ЭПР при разрыве полимеров и другие факты 12 привели к выводу, что прочность полимеров I определяется прочностью химических связей. Однако из рассмотрения процесса разрыва полимеров как процесса, складывающегося из элементарных актов, в каждом из которых рвется одновременно несколько связей, вытекает необходимость отнесения суммарной энергии связей к объему, в котором совершается элементарный акт. При таком подходе в ряде случаев определяющими прочность полимеров оказываются силы межмолекулярного взаимодействия. Эти соображения редактор перевода считал необходимым довести до сведения читателя, не занимающегося специально проблемой прочности полимеров.
Переводчики старались сохранить стиль и манеру изложения, присущие каждому автору. В связи с большим объемом книги опущен раздел «Плоские волны в нелинейных вязкоупругих материалах» Е. Меркадо и С. Каца, так как он имеет косвенное отношение к рассматриваемому вопросу.
Главы I, II, IV (статьи 1, 3, 4, 6) переводил В. В. Коврига, ' главы III, IV (статьи 2, 5), V — Л. С. Присс, проф. В. Гуль.
ПРЕДИСЛОВИЕ
После длительной подготовки мы, наконец, представляем на суд читателя коллективный труд «Процессы разрушения твердых полимеров». У этой книги две цели: ознакомить исследователей процессов разрушения неполимерных материалов с концепциями, идеями и результатами работ специалистов в области высокомолекулярных материалов, интересующихся главным образом связью между химической структурой и механическими свойствами, и, наоборот, ознакомить полимерщиков с мыслями, теориями и результатами работ физиков и инженеров, которые рассматривают разрушение как особенность твердого состояния или как предел работоспособности материалов. Другими словами, эта книга призвана служить сближению двух областей наук, которые отличаются терминологией, методами исследования и способами описания результатов. Позднее работающие в этих областях осознали необходимость рассматривать поведение материалов в зависимости от напряжения, деформации и времени. Цель книги не могла бы быть достигнута без взаимопонимания и сотрудничества авторов, проявивших во многих случаях готовность в интересах общего дела принять точку зрения редактора.
Необходимость ознакомления одной из двух различных групп читателей книги с фундаментальными положениями и подходами другой привела к неизбежному и, как я полагаю, желанному компромиссу.
По содержанию и по стилю изложения материал не является слишком элементарным и не исключает рассмотрения специальных частных случаев. С какой бы точки зрения читатель не следил за изложением, он обязательно встретится с интересующим его вопросом либо столкнется с хорошо известными фактами и явлениями в новой связи, или с концепциями к теориями, которые были разработаны в других областях науки и техники по-иному.
Кроме обсуждения общих положений в задачи книги входило дать читателю некоторое представление о характере и масштабе работ, проводимых в области изучения прочностных свойств твердых полимеров. В главе «Твердые полимеры» излагаются особенности строения материалов на основе высокомолекулярных соединений. Два раздела этой главы, написанные редактором сборника («Строение полимеров» и «Механические свойства полимеров»), позволяют лучше понять природу полимеров. Разделы «.Морфология полимеров» (П. Джейл), «Механические свойства волокон» (Д. Херл) и «Вязкоупругие свойства полимерии» (Тобольский) позволяют составить достаточно полное представление об общих особенностях свойств полимеров. Эти статьи не требуют от читателя углубления в математические тонкости. В них делается попытка представить основы физики и механики, предваряющие дальнейшее изложение.
Для многих читателей наибольший интерес представит глава «Хрупкое разрушение». В обзоре «Общая теория хрупкого разрушения» Д. Берри излагает ставшую классической теорию Гриффита, объясняющую прочность хрупких твердых тел, исходя из представления о том, что разрушение начинается с образования микротрещины. Выводы теории сопоставляются с высокими значениями энергии когезии, полученными для реальных твердых тел. В разделе «Хрупкость твердых полимеров» Д. Берри, продолжая обсуждение теорий разрушения, подчеркивает важность рассмотрения влияния температуры, молекулярного веса полимеров и ориентации на процесс разрушения. Эти зависимости не могут легко трактоваться теоретически, а должны исследоваться экспериментально или исходя из качественных соображений. Глава заканчивается работой И. Уолока и С. Ньюмана «Топография разрушения», в которой детально обсуждаются свойства поверхностей разрушения в твердых телах и влияние на них различных факторов.
Глава «Временная зависимость прочности» должна представлять интерес для исследователей, занимающихся свойствами твердых полимеров. Она состоит из двух разделов: «Феноменологическое исследование процесса разрушения эластомеров в стеклообразном состоянии», написанного редактором, и «Разрушение аморфных ненаполненных полимеров», написанного Р. Лэнделом, и Р. Федорсом. Первый посвящен в основном процессам, предшествующим разрушению. В нем рассмотрено явление растрескивания и сопутствующие ему физические эффекты (например, изменение коэффициента отражения света). Второй посвящен описанию вязкоупругих свойств полимеров и принципу температурно-временной суперпозиции, которые обсуждаются совместно с явлениями, наблюдаемыми при разрушении каучукоподобныхi твердых тел. В этом разделе затрагивается также проблема уста-! лости и сопоставляются теоретические результаты с экспериментальными данными.
Начиная с главы «Процессы разрушения», книга приобретает более специализированный характер. Так, А. Кобаяши и К- Саито исследуют явление разрушения при резании, М. Рейнер представляет термодинамическую теорию прочности, К. Сяо анализирует зависимость прочности от молекулярной ориентации, П. Джейл проводит морфологическое рассмотрение деформации и разрушения кристаллических полимеров. Г. Джеллинек анализирует общую роль химических изменений в разрушении, а А. Чарлзби описывает специфическое влияние радиации на этот процесс.
В заключительной главе обсуждаются специальные вопросы, имеющие то или иное отношение к разрушению. Д. Джилварри показывает теоретически и экспериментально, как выглядит функция распределения по размерам осколков, возникающих при разрушении; подобный результат следует непосредственно из модели Гриффита на основе теории вероятности. Обсуждение этой проблемы интересно для физиков и физико-химиков, в то же время она имеет прямое отношение к горному делу, керамике и металлургии (дробление породы). Д. Рэдок представил интересную статью «Импульсы напряжения в линейио-вязкоупругих телах».
Хотя изложенные в книге положения и выводы теории Гриффита известны почти полвека, использовались они сравнительно немногими исследователями, которые в основном интересовались разрушением аморфных, кристаллических или металлических твердых тел (приложение теории к разрушению стекла было впервые осуществлено самим Гриффитом). Эта книга поможет судить о применимости представлений Гриффита для твердых полимеров. Она продемонстрирует недостатки и возможности использования не только теории Гриффита, но и последующих теорий. Мы надеемся, что книга будет способствовать развитию контактов между различными областями науки и техники.
Редактор, стоявший перед трудной задачей, — представить перспективную, но еще находящуюся в эмбриональном состоянии область материаловедения — сознает, что в книге имеется много недостатков.
Б. Роузен Даллас, Техас Осень, 1964 г.