Влияние температуры и времени действия нагрузки на прочность

Температурно-времешгую зависимость обычно представляют в виде уравнения, связывающего между собой долговечность, напряжение и температуру:

где t - долговечность; s - напряжение; Т- абсолютная температура; k - постоянная Больцмана; U - начальная энергия активации процесса разрушения материала; Т₀ - константа, примерно равная 10^-13 с, что по порядку величины близко к периоду тепловых колебаний атомов; g- средний коэффициент перенапряжений, имеющий размерность объема.

Согласно термофлуктуационной теории прочности разрушение представляет собой кинетический, термофлуктуационный процесс постепенного накопления повреждений, развивающийся в теле с момента приложения нагрузки вплоть до его разрыва. Элементарными актами цроцесса разрушения являются термофлуктуационные разрывы межатомных связей, активируемые приложенным напряжением.

При повышении температуры испытаний в первую очередь разрушаются адгезионные связи на границах раздела стекло - связующее, и в связующем появляются трещины, параллельные, волокнам, так как значения U₀ для силикатных волокон примерно равны 350 - 385 кДж/моль, а значения энергии активации разрушения полимеров составляют 125 - 190 кДж/моль. Эти явления не приводят к разрушению стеклопластика, так как армирующий материал продолжает работать как пучок несвязанных волокон.

Зависимость разрушающего напряжения стеклопластиков от температуры оценивают коэффициентом условия работы m_т=R_T/R_b

Для оценки временной зависимости прочности применяют коэффициент условия работы материала m_t = R_t/R_b,где R_t - разрушающее напряжение через промежуток времени, соответствующий сроку службы изделия. Прямое экспериментальное определение. R_x связано со значительными трудностями.

Возможность учета совместного влияния нагрузки, времени ее действия и температуры реализуется путем использования так называемых параметрических методов, среди которых следует отметить методы Ларсона - Миллера и Голдфейна. В основе этих методов лежит объединение температуры Т и времени до разрушения σ_р в один параметр Р, с помощью которого определяют длительную прочность.

Параметр Ларсона - Миллера имеет вид:

где с — постоянная материала.

Параметр Голдфейна является уточнением параметра Ларсона- Миллера и определяется выражением:

где Т_о - температура, при которой бесконечно малое напряжение вызывает разрушение материала, т. е. температура нулевой прочности; с=20 для твердых материалов, в том числе и для стеклопластиков, связующее которых находится в стеклообразном состоянии.

Смысл параметрических уравнений заключается в возможности с помощью кратковременных испытаний при повышенных температурах построить зависимость R=f(P)и, изменяя Т и τ_Р вычислить длительное сопротивление при различных температурах R^T_t.

Рис. 9. Параметрические прямые Голдфейна для стеклопластиков на основе связующего ПН-10 и армирующих материалов в виде однонаправленных ровингов (1) и матов (2) при сжатии,3 - результаты кратковременных испытаний; 4 - результаты длительных испытаний.