Введение

Тонкие трещины на поверхности материала
крейзинг в полимерах

Крейзинг – это тонкая сеть линейных элементов, которая часто предшествует разрушению в аморфных термопластичных полимерах. Крейзинг возникает в областях высокого гидростатического напряжения или в областях очень локализованной пластической деформации, что приводит к образованию взаимно проникающих микрополостей и мелких фибрилл. Если приложенная растягивающая нагрузка достаточна, эти перемычки удлиняются и разрушаются, вызывая рост и объединение микрополостей; по мере объединения микрополостей начинают формироваться трещины.

Полимеры

Растрескивание (или кразинг) происходит в полимерах, поскольку материал удерживается вместе комбинацией слабых сил Ван-дер-Ваальса и более прочных ковалентных связей. Достаточное локальное напряжение преодолевает силу Ван-дер-Ваальса, образуя узкий зазор. Как только основная цепь расслабляется, ковалентные связи, удерживающие цепь вместе, препятствуют дальнейшему расширению зазора. Зазоры при растрескивании имеют микроскопический размер. Растрескивание наблюдается благодаря отражению света от поверхностей этих зазоров. Зазоры перекрыты тонкими нитевидными образованиями, называемыми фибриллами, которые представляют собой молекулы растянутой основной цепи. Диаметр фибрилл составляет всего несколько нанометров, поэтому они не видны в световой микроскоп, но различимы в электронный микроскоп. Профиль толщины при растрескивании напоминает острие швейной иглы: самая вершина может быть тоньше нескольких атомов. По мере удаления от вершины толщина постепенно увеличивается, причем скорость увеличения уменьшается с расстоянием. Следовательно, рост растрескивания имеет критическое расстояние от вершины. Угол раскрытия растрескивания составляет от 2° до 10°. Граница между зоной растрескивания и окружающей полимерной матрицей очень четкая, ее микроструктура может достигать 20 Å или меньше, что позволяет наблюдать ее только с помощью электронной микроскопии. Растрескивание отличается от трещины тем, что его нельзя почувствовать на поверхности, и оно способно выдерживать нагрузку. Кроме того, процесс роста растрескивания перед образованием трещины поглощает энергию разрушения и эффективно повышает вязкость разрушения полимера. Начальное поглощение энергии на квадратный метр в зоне растрескивания может быть в несколько сотен раз больше, чем в нерастрескавшейся области, но быстро уменьшается и стабилизируется. Растрескивание возникает в областях с высокой концентрацией напряжений, связанных с царапинами, дефектами, концентраторами напряжений и молекулярной неоднородностью. Растрескивание обычно распространяется перпендикулярно направлению приложенного напряжения. Растрескивание чаще всего наблюдается в аморфных, хрупких полимерах, таких как полистирол (PS), акрил (PMMA) и поликарбонат; оно характеризуется побелением растрескавшейся области. Белый цвет обусловлен рассеянием света на растрескиваниях. Процесс растрескивания обратим: после снятия компрессионного напряжения или повышения температуры (выше температуры стеклования) оно может исчезнуть, и материал вернется в оптически однородное состояние. Полоса сдвига – это узкая область с высоким уровнем деформации сдвига, возникающая из-за локального смягчения при деформации; она также часто встречается при деформации термопластичных материалов. Одно из основных различий между растрескиванием и полосой сдвига заключается в том, что растрескивание происходит с увеличением объема, чего не происходит при образовании полосы сдвига. Это означает, что при сжатии многие из этих хрупких аморфных полимеров будут деформироваться полосой сдвига, а не растрескиваться, поскольку происходит уменьшение объема, а не увеличение. Кроме того, при растрескивании обычно не наблюдается "шейки" или концентрации напряжения в одной точке материала. Скорее, растрескивание происходит однородно по всему материалу.

Твердость резины

Резиновые частицы часто используются для повышения ударной вязкости термопластичных материалов. Частицы с большей податливостью, которые, соответственно, мягче окружающей матрицы, выступают в роли концентраторов напряжений. В этих областях концентрированного напряжения инициируются микротрещины, распространяющиеся перпендикулярно направлению приложенной силы. Это описывает явление, называемое "множественным микротрещинообразованием", которое, например, в HIPS, является источником пластичности для иначе хрупких полимерных матриц. После модификации способность поглощать энергию значительно возрастает. Некоторые хрупкие пластиковые материалы могут даже претерпевать переход от хрупкого к пластичному разрушению. Ранее резиновые частицы считались основным фактором увеличения поглощения энергии. Предполагалось, что резиновые частицы могут собираться вокруг вершин трещин при растяжении и препятствовать их росту, или сжатие резиновых частиц приводит к снижению температуры стеклования матрицы. Однако эксперименты показали, что энергия, поглощаемая резиновыми частицами, составляла лишь 10% от общей энергии, а снижение температуры стеклования, вызванное резиной, составляло всего около 10 К, чего было недостаточно для текучести матрицы при комнатной температуре. Шмитт и Бакналл разработали механизм упрочнения резиной, основываясь на наличии побеления под напряжением и сдвижного течения при напряжениях ниже прочности на разрыв. Они предположили, что резиновые частицы служат центром концентрации напряжений, тем самым инициируя хрупко-пластичный переход и текучесть материала матрицы. В частности, текучесть происходит в форме микротрещин или полос сдвига, которые могут поглощать значительную часть энергии деформации.

Эффект на окружающую среду

Растрескивание может происходить в стекловидных полимерах под воздействием факторов окружающей среды. Это представляет проблему, поскольку для его возникновения требуется значительно меньшее напряжение, и оно иногда проявляется после длительной задержки, что затрудняет его обнаружение и предотвращение. Например, контейнеры из ПММА в повседневном использовании достаточно устойчивы к воздействию влажности и температуры и не имеют видимых дефектов. Однако после машинной стирки и высыхания на воздухе в течение одного-двух дней они внезапно становятся хрупкими при контакте с джином. В процессе этого напряжение, которому подвергаются контейнеры, пренебрежимо мало, но на них все равно обнаруживается растрескивание. Существует множество теорий, пытающихся объяснить влияние окружающей среды на образование растрескивания, среди которых широко признаны и хорошо изучены снижение поверхностной энергии и пластификация. Для устранения растрескивания и трещин, вызванных воздействием окружающей среды, применяются различные методы, такие как нанесение покрытий и снижение напряжений. Однако из-за сложности воздействия факторов окружающей среды, особенно органических сред, трудно найти универсальное решение и полностью устранить этот эффект.

Стоматология

В стоматологии термин "crazing" также используется для описания тонких трещин в эмали зубов.

Метафора

Изначальное значение слова "craze" в английском языке, означающее "разбивать, сокрушать или ломать", восходит к 1300-м годам. Современные метафорические значения произошли от трещин на глазури керамики: значение "сумасшедший" в смысле "больной или нездоровый" появилось примерно в 1570 году, а "не в себе" – примерно в 1610 году.