Fraktur i polymerer

Polymerbrott är studiet av brottytan hos ett redan misslyckat material för att bestämma metoden för sprickbildning och -förlängning i polymerer , både fiberförstärkta och på annat sätt. Fel i polymerkomponenter kan inträffa vid relativt låga spänningsnivåer, långt under draghållfastheten på grund av fyra huvudorsaker: långvarig spänning eller krypbrott, cykliska spänningar eller utmattning , närvaron av strukturella brister och spänningssprickbildningsmedel. Bildningar av submikroskopiska sprickor i polymerer under belastning har studerats med röntgenspridningstekniker och de huvudsakliga regelbundenheterna för sprickbildning under olika belastningsförhållanden har analyserats. Den låga hållfastheten hos polymerer jämfört med teoretiskt förutsagda värden beror främst på de många mikroskopiska defekterna som finns i materialet. Dessa defekter, nämligen dislokationer, kristallina gränser, amorfa mellanskikt och blockstruktur kan alla leda till den ojämna fördelningen av mekanisk spänning.

Långvarig stress eller krypfel

Med hänsyn till den viskoelastiska banan vid liten töjning baserad på termiskt aktiverade hastighetsprocesser. När töjningen uppnår högre värden, tillräckligt höga för att leda till fel, uppvisar dess lutning mot tiden en abrupt förändring. Vid denna specifika tidpunkt visas krypfunktionen som ett minimum. I de flesta fall kan DMTA (Dynamisk mekanisk termisk analys) användas för att bestämma provernas viskoelastiska beteende som en funktion av tiden. Ett klassiskt fall är när gummislangen går sönder på grund av krypning efter många års drift. DMTA kan användas för o-ringar och packningar för att mäta kryphastigheten.

Trötthetsfel

Termen trötthet syftar på effekten av cykliska eller intermittenta belastningar. Cyklisk belastning på grund av antingen oscillerande mekanisk belastning eller växelvis uppvärmning och kylning är mer skadlig än statisk belastning. Under cyklisk belastning initieras sprickor på lokaliserade platser inom delen och dessa ökar i storlek under cykling. I slutändan expanderar de och förenas i en sådan utsträckning att materialet inte längre kan hålla och stödja spänningen. Sprickor kan karakteriseras av en serie koncentriska spricktillväxtband som växer från ytans initieringsställe. Cyklisk belastning kan orsaka fel i polymer på grund av: kedjeklyvning, uppbyggd värme på grund av hysteres, omkristallisering av material och kumulativ sprickbildning.

Kedjeklippning

Kedjeklyvning sker i en polymer som ett resultat av intensiv lokaliserad värme. den kemiska bindningen i en polymerryggrad kan brytas med generering av fria radikaler genom värme, joniserande bestrålning, mekanisk stress och kemiska reaktioner. Dessa splittringar som är multipla till antalet gör att en frakturspetsinitiering inträffar följt av dess tillväxt.

Uppbyggd värme från hysteres

Polymerer är viskoelastiska till sin natur och uppvisar mekanisk hysteres även vid måttliga spänningar på grund av kontinuerlig förlängning och kontraktion. En del av denna oelastiska deformationsenergi försvinner som värme inuti polymeren, och följaktligen kommer materialtemperaturen att stiga som en funktion av frekvens, testtemperatur, spänningscykeln och typen av polymer. När temperaturen i polymeren stiger, kommer styvheten och sträckgränsen att sjunka, och termiskt fel blir en möjlighet när deformationsnivåerna blir för höga.

Brottmekanik i polymerer

Brottmekanik i polymerer har blivit ett alltmer angeläget område eftersom många industrier övergår till att implementera polymerer i många kritiska strukturella tillämpningar. När industrier går över till att implementera polymera material behövs en större förståelse för felmekanismer för dessa polymerer. Polymerer kan uppvisa vissa i sig annorlunda beteenden än metaller när sprickor utsätts för belastning. Detta beror till stor del på deras tuffa och formbara mekaniska egenskaper. Mikrostrukturellt innehåller metaller korngränser, kristallografiska plan och dislokationer medan polymerer är uppbyggda av långa molekylkedjor. I samma fall som brott i metaller innebär att bindningar bryter, måste de kovalenta bindningarna och van der Waals-bindningarna brytas för att brott ska uppstå. Dessa sekundära bindningar (van der Waals) spelar en viktig roll i brottdeformationen vid sprickspetsen. Många material, såsom metaller, använder linjär elastisk brottmekanik för att förutsäga beteendet vid sprickspetsen. För vissa material är detta inte alltid det lämpliga sättet att karakterisera sprickbeteende och en alternativ modell används. Elastisk-plastisk brottmekanik avser material som visar ett tidsoberoende och olinjärt beteende eller med andra ord plastiskt deformeras. Initieringsstället för brott i dessa material kan ofta uppstå vid oorganiska dammpartiklar där spänningen överstiger kritiskt värde.

Under standard linjär elastisk brottmekanik kan Griffiths lag användas för att förutsäga mängden energi som behövs för att skapa en ny yta genom att balansera mängden arbete som behövs för att skapa nya ytor med provets lagrade elastiska energi. Hans populära ekvation nedan ger den nödvändiga mängden brottspänning som krävs som en funktion av spricklängden. E är materialets modul, γ är ytans fria energi per area och a är spricklängden.

$\sigma ={\sqrt {\frac {2\gamma E}{\pi a}}}$

Griffiths lag

Även om många idéer från modellerna för linjär elastisk frakturmekanik (LEFM) är tillämpliga på polymerer, finns det vissa egenskaper som måste beaktas vid modellering av beteende. Ytterligare plastisk deformation bör övervägas vid sprickspetsar eftersom det är mer sannolikt att ge efter i plast.

Eftergivande mekanismer

Figur 1 - Craze Zone med sprickor

Eftersom metaller ger efter genom dislokationsrörelser i glidplanen, ger polymer efter sig genom antingen skjuvning eller krackelering. Vid skjuvavkastning rör sig molekyler i förhållande till varandra när en kritisk skjuvspänning appliceras på systemet som liknar ett plastiskt flöde i metaller. Ge efter genom krackelering finns i glasartade polymerer där en dragbelastning appliceras på ett mycket lokaliserat område. Hög koncentration av stress kommer att leda till bildandet av fibriller i vilka molekylkedjor bildar inriktade sektioner. Detta skapar också hålrum som är kända som kavitation och kan ses på en makroskopisk nivå som ett spänningsvitt område som visas i figur 1. Dessa hålrum omger de inriktade polymerområdena. Spänningen i de inriktade fibrillerna kommer att bära huvuddelen av spänningen eftersom de kovalenta bindningarna är betydligt starkare än van der Waals-bindningarna. Det plastliknande beteendet hos polymerer leder till en större antagen plastisk deformationszon framför sprickspetsen, vilket förändrar felprocessen.

Sprickspetsbeteende

Precis som i metaller, när spänningen vid sprickspetsen närmar sig oändligheten, bildas en flytzon vid denna sprickspetsfront. Craze-yielding är den vanligaste eftergivningsmetoden vid sprickfronten under spänning på grund av de höga triaxialspänningar som appliceras i denna lokala region. Dugdale-Barenblatt-remsavkastningsmodellen används för att förutsäga längden på craze-zonen. KI representerar spänningsintensitetsfaktorn, s är sprickspänningen som appliceras på systemet (vinkelrätt mot sprickan i denna situation), och r är sprickzonens längd.

$\rho =\pi /8(K_{I}/\sigma _{c})$

Dugdale-Barenblatt bandavkastningsmodell

Ekvationen för spänningsintensitetsfaktor för ett prov med en enstaka spricka ges i följande ekvation där Y är en geometrisk parameter, s är spänningen som appliceras och a är spricklängden. För en kantspricka är 'a' den totala längden på sprickan där en spricka som inte är på kanten har en spricklängd på '2a'.

$K=Y\sigma \surd (\pi *a)$

Stressintensitetsekvation

När fibrillerna i sprickan börjar brista kommer sprickan att utvecklas i antingen en stabil, instabil eller kritisk tillväxt beroende på materialets seghet. För att noggrant bestämma stabiliteten hos en spricktillväxt bör en R-kurvplot konstrueras. En unik spets av frakturläge kallas stick/slip spricktillväxt. Detta inträffar när en hel sprickzon brister vid någon kritisk spricköppningsförskjutning (CTOD) följt av ett sprickstopp och sedan bildandet av en ny sprickspets.

Kritisk stressintensitetsfaktor

Den kritiska spänningsintensitetsfaktorn (KIC) _kan definieras som tröskelvärdet för spänningsintensitet baserat på materialegenskaperna. Därför kommer sprickan inte att fortplanta sig så länge som Kj _är mindre än _KIC . Eftersom K _IC är en materialegenskap kan den bestämmas genom experimentell testning. ASTM D20 tillhandahåller en standardtestmetod för att bestämma kritisk spänning hos plast. Även om K _IC är materialberoende kan det också vara en funktion av tjocklek. Där plan spänning är dominerande i prover med låg tjocklek ökar den kritiska spänningsintensiteten. När din tjocklek ökar kommer den kritiska spänningsintensiteten att minska och så småningom platå. Detta beteende orsakas av övergången från planspänningen till vanlig töjningsförhållanden när tjockleken ökar. Sprickmorfologi är också beroende av förhållandena vid sprickspetsen.

Trötthet

Figur 2 - Hysteresspänningstöjningskurva

Eftersom behovet av polymerer för tekniska ändamål ökar, uppmärksammas polymerernas utmattningsbeteende mer. Polymerutmattningslivslängden påverkas av flera faktorer, inklusive temperatur, oxidation, kristallisation och så vidare. Därför blir behovet avgörande för människor att studera och förutsäga polymerers mekaniska prestanda under olika miljöer.

De experimentella metoderna för att studera polymerutmattning varierar, inklusive rent skjuvtest, enkelt förlängningstest, enkelkantsspricktest och rivningstest, bland vilka den mest använda geometrin folk använder är mode I cykliskt spänningstest under ren geometri. Detta beror på det faktum att polymerer har viskoelastiskt beteende och dålig värmeledningsförmåga, och de är mer känsliga för deras cykliska belastningsförhållanden än metall. Till skillnad från metaller och andra material härdar polymeren inte cykliskt; snarare utför polymerer cyklisk uppmjukning under större delen av tiden, och omfattningen av denna beror vanligtvis på belastningsförhållandena för den experimentella uppställningen. I ett sällsynt fall kan polymerer också förbli cykliskt stabila under små töjningsdeformationer, under vilka polymeren förblir linjärt elastisk. Mode III-geometri har emellertid också använts för att testa på vridna gummiskivor för ytterligare förståelse av dess brottbeteende.

I förstärkta polymerer sker sprickinitiering vanligtvis vid gränsytan mellan polymerfiber och matris. Utmattningsprestanda i polymerer orsakade av cyklisk belastning går vanligtvis igenom två steg: sprickinitiering/kärnbildning och spricktillväxt . Därför designar många forskarexperiment för att studera utmattningsbeteendet hos polymerer enligt dessa två faser, särskilt för gummiutmattning.

Crack Nucleation Approach

Sprickkärnbildningsmetoden anser att polymerer så småningom kommer att spricka under en historia av stress och spänningar. Studien under detta förslag anpassades först av August Wöhler på 1860-talet, som syftade till att studera järnvägsaxlar. Två viktiga parametrar är involverade i detta samtal: maximal huvudtöjning och töjningsenergitäthet. Eftersom töjning är lättare att bestämma genom att kontrollera förskjutningar i faktiska experimentella tester, är det naturligt att sätta kontrollerad töjning. De alternerande och maximala värdena för den maximala principstammen bestämmer kärnbildningstiden i polymer, men det finns ännu ingen teori för att kvantitativt beskriva töjningsförhållandena till utmattningslivslängden i laboratorietester. Töjningsenergitätheten definieras som den energi som investeras i volymenheten av polymert material för deformation, även känd som den elastiska energin per volymenhet i det fasta materialet. Vid tillvägagångssätt för sprickkärnbildning införs ingen spricka i provet initialt, och sprickinitiering observeras under belastningar.

Tillvägagångssätt för spricktillväxt

Till skillnad från sprickinitieringsmetoden introducerar spricktillväxtmetoden en redan existerande spricka i provet och beräkna sprickutbredningshastigheten under cykliska belastningar. På grund av den redan existerande sprickan kommer den elastiska energin som frigörs av sprickor att associeras med ytenergin vid nya sprickytor, och det visade sig att sprickutbredningshastigheten kan beskrivas med en funktion av energifrisättningshastigheten, beroende på vilken regim av sprickutbredning detta förhållande befinner sig i. Fyra regimer föreslogs: steady-state-regimen, den linjära regimen, maktlagsregimen och den fjärde regimen där crack växer katastrofalt. I makt-lagsregimen befinns förhållandet likna Parislagen, som fann Paris et al. i metaller.

Hysteresuppvärmning och Kedjeklippning

Trötthet i polymerer, kontrollerad av cyklisk belastning, orsakas av två allmänna mekanismer: hysteresuppvärmning och kedjeklyvning. Om polymeren är relativt spröd kommer den att uppvisa utmattningssprickor genom kedjeklyvning. I denna mekanism begränsas sprickspetsens eftergivlighet av de spröda materialegenskaperna och varje belastningscykel bryter en specifik mängd bindningar så att sprickfronten kan avancera. Polymerer med viskoelastiskt beteende tröttar ut genom hysteresuppvärmningsmekanismen. I denna mekanism, under lastning och lossning, kommer spännings-töjningskurvan att fungera som en hysteres-slinga som visas i figur 2, vilket skapar energi på materialet som diskuterats tidigare. Eftersom energi avleds till sprickspetsen skiljer sig denna process från den cykliska belastningen av ett elastiskt material där lastnings- och lossningsvägarna är desamma och töjningsenergin kan återvinnas. Det arbete som matas in i materialet (area av hysteresloopen) omvandlas till värme som höjer materialets temperatur, eventuellt över glasövergångstemperaturen. Detta skapar en lokal smältning vid sprickspetsen som gör att sprickan kan avancera. Storleken vid vilken sprickfronten kommer att avancera beror till stor del på mängden/omfattningen av cykler, materialets glasövergångstemperatur och polymerens värmeledningsförmåga. En polymer som har en hög värmeledningsförmåga kommer att avleda värmen mycket snabbt än ett material med en låg koefficient.

Figur 3 - Kumulativ belastnings-SN-kurva

En SN-kurva representerar mängden cykler som appliceras tillsammans med spänningsamplituden och kan härledas från Goodman-förhållandet.

${\displaystyle \sigma _{a}=\sigma _{f}(1-\sigma _{m}/\sigma _{t})} ($ Goodman Relation)

Där σ _f är utmattningsspänningen, σ _m är medelspänningen, σ _a är amplitudspänningen och σ _t är dragspänningen för provet som testas. I vissa tillämpningar av polymerer kommer material att uppleva cyklisk belastning vid olika spänningsnivåer. Figur 3 ger ett SN-diagram över kumulativa cykler som appliceras vid olika spänningsamplituder. Variabeln n representerar antalet cykler som appliceras vid den angivna spänningsnivån och N är utmattningslivslängden vid samma spänningsnivå.

Figur 4 - Maktlagsregimen

Många gånger utsätts polymermaterial som innehåller en spricka för cyklisk belastning under drift. Detta minskar livslängden för provet drastiskt och bör tas i beaktande. I fall där polymerer som PVC följer reglerna för linjär elastisk brottmekanik, kan Paris lag användas för att relatera utmattningssprickans utbredningshastighet till storleken på spänningsintensiteten som tillämpas. Under en viss spänningsintensitet ökar sprickutbredningen långsamt tills stabil sprickutbredning uppnås från högre nivåer av spänningsintensitet. Högre nivåer av spänningsintensitet leder till en instabil sprickhastighet som visas i figur 4. Denna figur är en loggdiagram över sprickutbredningshastigheten kontra exemplet med maximal spänningsintensitet. Den stabila spricktillväxtregimen representerar den linjära regionen av den röda kurvan som beskrivs med Power Law-modellen där 'A' är en pre-exponentiell faktor.

$da/dN=A(K)^{m}$ (ekvation för maktlagsregimen)

Omkristallisation

Denna process kan orsakas som en konsekvens av omfattande rörelser av kedjesegment som i fall eller arbetshärdning av material.

Trötthet i nylon

När en nylonkomponent utsätts för förhållanden av dragutmattning uppstår fel när en minimal töjning uppnås. detta betyder att livslängden för nylonmaterial dikteras av tiden under belastning och inte av antalet cykler

Utmattning av kortfiberförstärkta plaster

Utmattningsbrott i dessa förstärkta polymerer beror på bildandet av mikrosprickor som lätt initieras och som smälter samman till en spricka, vilket orsakar det slutliga brottet

Slagfraktur

En bra polymer definieras generellt som en som kan absorbera en stor mängd energi innan den går sönder. Polykarbonater har ett av de högsta slagtålighetsvärdena. Emellertid uppvisar amorfa polymerer ett sprödt beteende vid stötar, speciellt om komponenten är skårad eller för tjock i förhållande till en hörnradie. Förekomsten av spröda brott kan minskas genom att: öka molekylvikten, inkludera gummifas, inducera orientering i polymeren och reducera inre defekter och föroreningar.

Mätning av slaghållfasthet

Konventionella Izod -tester används för att mäta den energi som krävs för att bryta ett skårat prov. detta anses dock inte vara ett tillfredsställande test. Stor begränsning är att de flesta polymerer är hackkänsliga och misslyckas lätt under izod-test.

Blandningar

Blandade material kan ha en ökad brottseghet med balanserad styvhet och styrka. Vanligtvis bildas dessa genom sampolymerisation eller modifiering med en lämplig elastomer. Voigt-modellen 'blandningsregel' och morfologierna visar grov spridning.