Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\ARCHIWUM-lata-78-71\MTS71_t9z1_4\mts71_t9z2.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I  STOSOWANA 2,  9  (1971) PRZYCZYNEK  DO MECHANIZMU   ZNISZCZENIA  ZMĘ CZENIOWECO Ż YŁEK POLIAMIDOWYCH AN D R Z E J  W Ł O C H O W I C Z ,  Z YG M U N T  K U B A C K I  ( Ł Ó D Ź ) 1.  Wprowadzenie P oszukiwanie  zwią zków,  jakie  istnieją   pom ię dzy  fizyczną   m ikro st ru kt u rą   polim eru a  wł asnoś ciami  wytrzym ał oś ciowymi  jest  jedn ym  z  bardziej  istotn ych  problem ów  w  bad a- niach  zwią zków  wielkoczą steczkowych.  P rzykł adem  tych  poszukiwań  m oże  być  współ - zależ ność  mię dzy  zm ian am i  struktury  czą steczkowej  i  n adczą steczkowej  wł ó kn a  poli- amidowego  w  miejscu  zerwania,  wywoł anymi  dekohezją   zmę czeniową   [1],  czy  ogóln ie reoterm okin etyczn e  aspekty  wytę ż enia  i  zmę czenia  tworzyw  sztucznych  [2- 4]. Zjawiska  pę knięć  zmę czeniowych  wł ókien  i  polim erów  p o d  dział an iem  wielokrotn ie powtarzają cych  się   obcią ż eń  są   przedm iotem  coraz  wię kszego  zain teresowan ia  t ech n o lo - gów  i  kon struktorów  [5]. Z  p u n kt u  widzenia  przezn aczen ia  pro wadzo n e  są   dwa  rodzaje ba d a ń : —  badan ia,  których  celem  jest  dokł adniejsze  pozn an ie  warun ków  i  m ech an izm u zm ę - czenia ; —  badan ia  m ateriał ów  n a  pró bkach  w  celu  ocen y  i  p o ró wn an ia  wł aś ciwoś ci  zmę cze- niowych  róż n ych  rodzajów  tworzyw,  wpł ywu  skł adu  chem iczn ego,  wpł ywu  o bró bki termicznej  itp. W  niniejszym  opracowan iu  pragn ie  się   zwrócić  uwagę   n a  n iektóre zjawiska  zach odzą ce w  strukturze  m on ofilam en tu poliam idowego  przy jego  zm ę czen iu. Z agadn ien ie  reoefektów  rozwoju  dekohezji  zmę czeniowej  oraz  an aliza  fizycznej  m ikro - struktury  obszarów  szczelin  i  pę kn ięć  zmę czeniowych  znajduje  się   w  krę gu  zain t eresowań szeregu  badaczy.  R ozwój  ba d a ń  mają cych  n a  celu  wyjaś nienie  m ech an izm u p ro cesu  zm ę - czenia  opierał   się   gł ównie  n a  m et odach  rentgenograficznych.  C h odził o  przede  wszystkim o  pozn an ie  zm ian  m ikrost ru kt u ry  fizycznej  tworzywa  w  procesie  zm ę czen ia.  W  pracy niniejszej  gł ówny n acisk  bę dzie poł oż ony n a  bad an ia  elektron om ikroskopowe,  a  zwł aszcza analizę   zł omów zmę czeniowych  ż ył ki. 2. Przeglą d literatury P un ktem wyjś cia  rozważ ań  dotyczą cych zjawiska  zm ę czenia jest n iejed n o ro d n o ść  struk- tury  ciał   polikrystaliczn ych,  jakim i  są   polim ery.  P roblem  sprowadza  się   w  pierwszym rzę dzie  do  zagadn ien ia  dwufazowej  czy  też  jednofazowej  struktury  p o lim eró w.  W  pierw- 286  A.  WLOCH OWICZ,  Z.  KU BACKI szym  p r zyp a d ku  przyjmuje  się ,  zgodn ie  ze  stwierdzeniami  M EYERA  i  M AR KA  [6],  H EAR LE'A [7],  STATTON A  [8], KI TAJG OR OD SKI EG O,  K AR G I N A  i  SŁON IM SKIEG O  [9] i  innych  [10],  że  poli- m ery  są  u t wo rzo n e  z  dwóch  czę ś ciowo  niezależ nych  od  siebie  faz:  krystalicznej  i  amorfi- czn ej.  W  drugim  zaś,  wedł ug  koncepcji  BEN ARTA  [11]  i  H OSEM AN N A  [12],  polim er  jest u t wo rzo n y  z  m akroczą steczek  tworzą cych  lokaln e  stany  skupienia  o  róż nym  stopn iu d o sko n ał o ś ci  u po rzą dko wan ia,  kt ó re  z p u n kt u  widzenia  term odyn am iczn ego  są  ukł adem jedn ofazowym .  R ozpatrują c  zatem  zjawisko  zmę czenia  wł ókn a,  a  zwł aszcza  zm ian  jego m ikro st ru kt u ry  fizycznej  w  strefie  zerwania,  z  tych  róż nych  koncepcji  budowy  fizycznej n ależy  zdawać  sobie  sprawę .  W  każ dej  z  przytoczon ych  koncepcji  budowy  polim erów zakł ad a  się  wystę powan ie  obszarów  krystalicznych  bą dź  parakrystaliczn ych  o  duż ej  do- skon ał oś ci  u porzą dkowan ia  (lamel),  kt ó re  są   oddzielone  wzajemnie  obszaram i  n ieupo- rzą dko wan ymi  bą dź  parakrystaliczn ym i  o niskiej  doskon ał oś ci,  róż nego  rodzaju  wtrą ce- n iam i  i  szczelin am i.  Mają   one rozm aitą   sprę ż ystoś ć,  plastyczność  oraz  wytrzym ał ość i  dlatego  p o d  obcią ż en iem  powstaje  n iejedn orodn y  stan  n aprę ż en ia. W zwią zku  z  efektami reoterm okin etyczn ym i  wytwarzają   się  w  nich  róż nice  potencjał ów  pól  sił owych,  których relaksacja  powoduje  n ieodwracaln ą   przem ian ę   energii  obcią ż eń.  W n iektórych  obszarach u p o rzą d ko wan ych  m ogą   zach odzić  odkształ cenia  plastyczn e  ju ż  wówczas,  kiedy  naprę ż e- n ia  n o m in aln e  są  mniejsze  od  gran icy  sprę ż ystoś ci.  Przy  dostateczn ie  duż ej  liczbie  zmian obcią ż eń  m oże  n astą pić  przekroczen ie  granicy  plastycznoś ci  i um ocn ien ie n iektórych  ob- szarów  u po rzą dko wan ych,  co prowadzi  do utworzen ia  się  pojedynczych  m ikropę kn ięć wewn ą trz  n ich .  P ojedyncze  powstał e  m ikropę kn ię cia  są  n iejedn orodn oś ciami  tego  samego rzę du,  co n iejedn orodn oś ci  m ikrostruktury  tworzywa  polim eru.  Rozwój  czy  też  przerwa- n ie  wzro st u  m ikropę kn ięć  zależy  od sprę ż ystego  otoczen ia  obszarów  uporzą dkowan ych, w  kt ó rych  t e  m ikropę kn ię cia  powstał y,  czyli  od  rozkł adu n aprę ż eń. Ba d a n ia  ren tgen ograficzn e  zdają   się   wskazywać  [13],  że  m echanizm y  odkształ cen ia plastyczn ego  i  pę kn ię cia  przy  obcią ż eniach  statycznych  i  dynam icznych  mają   jedn akową n a t u r ę .  Bad an ia  za  pom ocą   m ikroskopu  elektronowego  zaczynają   wnosić  bardziej  wnikli- we  in form acje.  Stwierdza  się  mię dzy  in n ym i  wystę powanie  dyslokacji  i poś lizgów  w ob- szarach  u po rzą dko wan ych  [14]  oraz  odkształ cenia  siatki  krystalicznej  [15].  P o  przył oż e- n iu  n aprę ż en ia  gę stość  dyslokacji  zwię ksza  się   [16],  wzrasta  zatem  energia  swobodn a u kł ad u .  N ie jest  wykluczon e,  że dyslokacje  mogą   się   skupiać  n a przypadkowej  powierzchni rozdział u  faz  i obn iż ać  energię   odkształ cen ia, zwią zaną   z pojedynczym i  dyslokacjam i  [17], co  z kolei  m oże  prowadzić  d o  zmniejszenia  energii  swobodn ej  ukł adu. P owst awan ie  poś lizgów  przy  obcią ż eniach  zmiennych  może  być  tylko  wynikiem  dzia- ł an ia  n aprę ż eń  styczn ych,  są   one  przyczyną   zmiennego  plastycznego  m ikroodkształ cen ia p rzy  zm ę czen iu.  D ział an ie  ich sprowadza  się  do um acn ian ia  najsł abszych  krystalitów, d o p ó ki  p o d  wpł ywem,  coraz  wię kszego  obcią ż enia  n ie  zaczną   pę kać.  Osł abienie  wskutek pę kn ię cia  n ajsł abszych  krystalitów  m oże  być kom pen sowan e  um acn ian iem  krystalitów bardziej  wytrzym ał ych .  D alszy  wzrost  m ikropę kn ięć  i powstawan ie  nowych  zostaje  wów- czas  za h a m o wa n e.  Jest  moż liwe  jed n ak  i zjawisko  odwrotn e — postę pują cy  rozwój  m ikro- pę kn ięć i ich  ł ą czenie się   w jedn ą   wspóln ą   szczelinę .  Od  tego  m om en tu zostaje  przerwan e p o wst awan ie  in n ych  szczelin. Wzro st  postę pują cej  makroszczeliny  przez  stopn iowe  ł ą czenie  się  mikroszczelin m a zwykle  kieru n ek  pro st o pad ł y  do kierun ku  dział an ia  gł ównych  n aprę ż eń  rozcią gają cych. PRZYCZYN EK  DO  MECHANIZMU   ZN ISZCZEN IA  ZMĘ CZENIOWEGO  287 P roecs powstawan ia,  rozwoju  i ł ą czenia się  mikroszczelin  stan owi drugie  stadium  zm ę czen ia. P ę knię cia  zmę czeniowe  rozprzestrzeniają   się   nie w  cał ej  obję toś ci  m on ofilam en tu  p o d d a - wanego  obcią ż eniom  zm iennym ,  lecz  tylko  w jedn ym  z  przekrojów,  w  których  ł ą cząc  się przechodzą   przez  najsł absze  skł adn iki n iejedn orodn ej  struktury. Przy  pewnym  stanie  odkształ cen ia i n aprę ż en ia m ateriał u n astę puje  kres jego  n asycen ia energetycznego  i  dalsze  dział an ie  sił   zewnę trznych  prowadzić  m oże  tylko  do  dekoh ezji. Badan ia  prowadzon e  przez  O D I N G A  [18],  P ETERLIN A  [19],  ZEU KELIESA  [14],  K U R O K AWE [20],  YOKOBORI  [21],  OR OWAN A  [22],  AF AN ASIEWA  [23],  N I SH I H AR E  i  KOBAYASH I  [24], F REU D EN TH ALA  [25]  i  in n ych  [26]  dowodzą   zł oż on oś ci  zniszczenia  zm ę czen iowego  ciał polikrystalicznych.  Brak  jest  zupeł n ie opracowań  opisują cych  zm ian y  st ru kt u raln e  zach o- dzą ce  w  miejscu  zerwan ia  ciał a  poddawan ego  wielokrotn em u  rozcią gan iu.  Wydaje  się , że  w  oparciu  o  dokon an ą   analizę   m ikrofraktograficzn ą   zł om ów  zm ę czeniowych  bę dzie moż liwe  lepsze  zrozum ien ie  m ech an izm u  zniszczenia  m on ofilam en tów  i  wł ókien . 3.  Charakterystyka materiału pomiarowego Analizę   m ikrofraktograficzn ą   i  badan ia  elektron om ikroskopowe  pro wad zo n o  n a ż ył ce  poliamidowej  z  poliam idu  6.  C h arakterystykę   wskaź n ików  fizyko- m echanicznych m onofilam entu  p o d an o  w  tablicy  1.  Badan ia  zmę czeniowe  ż ył ek  realizowan o  n a  pulsa- Tablica 1. Charakterystyka wskaź ników fizyko- chemicznych  włókna wyjś ciowego Wielkość mierzona  Wartość liczbowa Stopień  Jcrystalicznoś ci [%] Orientacja  ogólna  (dwójlomnoś ć) Ką t  orientacji  osi krystalitów  [stopnie] Wielkość krystalitów w kierunku  prostopadł ym  do  pł aszczyzny w  [A]: —  (200) —  (020)  +   (220) G ę stość  [M g/ m 3] Stopień  polimeryzacji Wytrzymał ość  na rozcią ganie [G ] Wydł uż enie  przy  zerwaniu w [%] Ś rednica wł ókna  [jj.m] 54,9±3,2 O,O516± O,O004 15°10' 35,0 49,0 1,1423 128,1 495,0+ 5,3 20,2  ± 1, 3 82,0 torze PK- 3 produkcji  radzieckiej  [27], pracują cym  przy  stał ej amplitudzie wydł uż eń w  każ- dym  cyklu  A X  =   const.  Badania  wykonano  przy  odległ oś ci  mię dzy  zaciskami  500  mm i  stał ym  wstę pnym  obcią ż eniu  próbki  równym  40  G . Pomiary  prowadzono  w  warunkach klimatycznych:  temperatura 20± 2°C ;  wilgotność  wzglę dna  powietrza  65+ _3%. Znuż enie ż yłek prowadzono  w  dwóch  wariantach,  stosują c: a) stał ą  czę stość  zmiany  naprę ż enia, a zmienną   amplitudę  wydł uż enia, b) stał ą   amplitudę   wydł uż enia,  a  róż ną   czę stość  zmiany  naprę ż enia. W  wariancie  pierwszym  czę stość  wynosił a  625  cykli/ min,  amplituda  natomiast  0,8 + +   1,8%,  w drugim  zaś  amplituda  był a równa  1,2%,  natomiast  czę stość  zmiany  naprę ż enia 225, 425, 525, 625  cykli/ min. 288  A.  WŁOCH OWICZ,  Z .  KU BACKI 4. M etodyka badań 4.1. Obserwacje  w mikroskopie elektronowym.  Bezpoś rednią   obserwację   struktury  powierzch- n i  zerwan ych  odcin ków  ż ył ek  w  miejscu  zł om u  oraz  w  pewnej  odległ os'ci  od  zł om u,  jak i  ż ył ek  n ie  p o d d an ych  zn uż en iu prowadzon o n a  m ikroskopie  elektron owym  typ  BS  242 D czechosł owackiej  firmy  Tesla.  Obserwacje  prowadzon o  n a  replikach  platyn o wo- wę glo- wych  uzyskiwan ych  m etodą   BRAD LEYA  [28]. 4.2. Obserwacje  w mikroskopie ś wietlnym.  P rowadzen ie  bezpoś redn ich  obserwacji  powierzch- n i  ż ył ek  o  duż ej  ś rednicy,  rzę du  kilkudziesię ciu  m ikrom etrów,  z  uwagi  n a  m ał ą   gł ę bię ostroś ci  m ikro sko p u  ś wietlnego  jest  bardzo  utrudn ion e,  a  dla  powię kszeń  rzę du  setek razy  prawie  n iem oż liwe.  T ru d n o ść  ta  wystę puje  zarówn o  przy  obserwacji  ż ył ki  w  ś wietle przech o dzą cym,  jak  i  odbitym  (przy  górn ym  skoś nym  oś wietleniu)  [29].  R adykaln ą   po- p rawę   u zyskan o  pro wadzą c  obserwację   odcin ków  ż ył ek  w  polistyrenie,  wykonanych w  spo só b  an alogiczn y  ja k  do  celów  m ikroskopii  elektron owej.  Obserwację   odcinków w  ś wietle  przech odzą cym  prowadzon o  n a  radzieckim  m ikroskopie  M I N - 8  stosują c  polską n a sa d kę   fotograficzn ą   M N F  firmy  P Z O . 5. Wyniki  obserwacji Bezpoś redn ich  in form acji  o  niszczeniu  badan ych  ż ył ek  poliam idowych  w  procesie zn uż en ia  dostarczył a  an aliza  zdję ć  wykonanych  n a  m ikroskopach  ś wietlnym  i  elektrono- wym . M ikrofotografie  replik  powierzchn i  wykonanych  dla  ż ył ki  n ie  poddan ej  znuż eniu i  zn uż on ej  (rys.  1)  wykazują   istotn e  róż nice  w  ich  strukturze  m orfologicznej.  M onofila- m en t  n ie  n u ż o ny  charakteryzuje  się   podł uż n ym  sfalowaniem  elementów  strukturaln ych powierzch n i  z  jedn oczesn ym  wystę powaniem  szczelin  wzdł uż nych.  D la  ż ył ek  znuż onych powierzch n ia  staje  się   bardziej  gł adka,  a  n ierówn om iern oś ci  powierzchniowe  ulegają wyró wn an iu  i  zm niejszeniu  (rys.  lb,  c) .  Kolejne  fazy  rozrywan ia  w  procesie  zmę czenia z  uwypuklen iem  m o m en t u t u ż przed  rozerwaniem  i p o  rozerwan iu  zamieszczono  n a  rys. 2 i  3.  Z  c h a r a kt er u  uzyskan ych  zł om ów m oż na wn ioskować  o  przebiegu  niszczenia  w  zależ- n oś ci  od  wielkoś ci  am plit u dy  obcią ż enia  [1], co  tutaj  nie  bę dzie  an alizowan e. Z e  zdję ć  wykon an ych  n a  m ikroskopie  elektron owym ,  dla  fragmentów  m onofilam en- t ó w  n ie  p o d d an yc h  zn uż en iu  i  n uż on ych,  widać  wyraź nie  róż n ice  w  m ikrostrukturze m orfologiczn ej  (rys.  4) .  W  wyniku  procesu  zmę czeniowego  nastę puje  zn aczn e  wygł a- dzen ie  m ikrorzeź by  powierzch n i  ż ył ki, co jest ju ż  zauważ alne  p o d  zwykł ym  m ikroskopem (rys.  lb ,  c)  dla  duż ych  powię kszeń.  R epliki  powierzchn i  zerwanych  fragmentów  znuż o- n ych  m on ofilam en t ó w  (rys.  5)  pokazują   wyraź ne  róż nice  morfologiczne  ż ył ki  znuż onej i  n u ż o n ej  aż  d o  zerwan ia.  C ał kowicie  zniknę ły  n ierówn om iern oś ci.  N a  ich  miejscu  po- jawił y  się   odgran iczon e  prostym i  lin iam i  gł adkie  pasm a  poś lizgu  o  krawę dziach  wzdł uż- n ych  p rawie  równ oległ ych  d o  osi  ż ył ki,  to jest  prawie  równoległ e do  kierun ku  deformacji. P a sm a  t e  o dgran iczo n e  są   krawę dziami  uskoku  w  przybliż eniu  do  siebie  równoległ ymi, a  p r o st o p a d ł ym i  do  osi  m on ofilam en tu.  Są   one  m ikroskopowym  odbiciem  pę knię cia zm ę czen iowego.  N a  n iektórych  m ikrofotografiach  widać  zanieczyszczenia  ś rodkiem  ma- tują cym  —  dwutlen kiem  t yt an u .  C zarn e,  bezkształ tn e  plam y  zauważ alne  n a  n iektórych zdję ciach  są   art efakt am i  powstał ym i  podczas  n apylan ia  wę glem  m atrycy  polistyrenowej w  p ro cesie  przygotowywan ia  p rep arat ó w.  Oś  ż ył ki  zazn aczon a jest  strzał ką   cią gł ą. Rys.  1.  M ikrofotografie  replik  powierzchni  monofilamentu:  a —n i e  poddanego  znuż eniu  zmę czenio- wemu,  b , c  —  znuż onego 5  M ech an ika  Teoretyczn a [289] Rys.  2.  M ikrofotografie  kolejnych  faz  rozrywania  monofilamentu:  a —faza  począ tkowa,  b—po wst an ie klinowego  wgł ę bienia, c — nastę pna faza,  d —  rozerwane fragmenty  wł ókna Rys.  3.  M ikrofotografie  replik  powierzchni  monofilamentu:  a — tuż  przed  zerwaniem,  b —  rozerwanego [290] . * • - •   •   : - • - . .• "• K- 5S '- :  f JJt • ••   ł . - 'K. • 8 ŁĄ  '"•   - -̂ • Rys.  4.  Mikrofotografie  replik  powierzchni  monofilamentu:  a —  nie  poddanego  znuż eniu  zmę czeniowemu, b — znuż onego, na którym  widoczne  są   zanieczyszczenia  siarczanem  baru,  zaznaczone strzał ką   przerywaną ' 291. I / ^ - J [292] Rys.  5.  Mikrofotografie  replik  powierzchni  zerwanych  fragmentów  znuż onego  monofilamentu.  N a  n ie- których  mikrofotografiach  strzał ką   przerywaną   zaznaczono  liczne  zanieczyszczenia  dwutlenkiem  tytan u [293] 294 A.  WLOCH OWICZ, Z.  KU BAC KI 6.  Dyskusja  wyników Analiza  replik  z  mikroskopu  elektronowego  dla  znuż onych,  a  zwł aszcza  dla  znuż o- nych  i  zerwanych  fragmentów  ż ył ek zdaje  się   wskazywać  na dyslokacyjny  charakter pę k- nię cia.  Ś wiadczy  o tym  w szczególnoś ci  wyraź nie  schodkowy  charakter zł omu  rys.  (5b,e). Obszar  krystaliczny  (bą dź  parakrystaliczny)  poliamidu, utworzony  przez  zespól  atomów leż ą cych  w  okreś lonych  wskaź nikami  Millera  pł aszczyznach  krystalograficznych,  może być nieuporzą dkowany, gdy  krystality  tworzą   róż ne ką ty  z osią   ż ył ki, lub zorientowany —• Rys.  6. Schemat tworzenia się  dyslokacji  w poliamidzie gdy  tworzą   okreś lone  ką ty.  Jeż eli  ż ył ka  zostanie  obcią ż ona,  wówczas  w pł aszczyznach (200)  czy  (020)+  (220), jako  najgę ś ciej  obsadzonych  i  o maksymalnym  liniowym  zagę sz- czeniu  atomami,  może  zajść  poś lizg  [1].  Pł aszczyzny  poś lizgu  powstają ,  gdy  tworzą   się dyslokacje  typu  krawę dziowego  bą dź  ś rubowego. Schemat  tworzenia  się   dyslokacji  krawę dziowej  podano  na  rys.  6. Prawpopodobień- stwo  powstawania  tego  rodzaju  dyslokacji  jest  duże  z uwagi  na moż liwość  wystę powania defektów  w  ł ań cuchu  makroczą steczki  [17]. Powstawaniu  defektów  w makroczą steczkach sprzyjają   fluktuacje  cieplne  atomów  oraz  oscylacje  deformacyjno- rotacyjne.  Ruch  dyslo- PRZYCZYN EK  DO  MECHANIZMU   ZN ISZCZEN IA  ZMĘ CZEN IOWEGO  29  5 kacji  w  normalnych  warunkach  nie  zachodzi.  Jest  do  tego  zawsze  potrzebne  pewne  na- prę ż enie  zewnę trzne.  Ruchowi  dyslokacji,  która  n a  swojej  drodze  napotyka  przeszkody, towarzyszą   — oprócz  przył oż onego  naprę ż enia  wywoł ują cego  ruch —  drgania  termiczne sieci  krystalicznej.  D rgania  te  dostarczają   dodatkowej  energii  niezbę dnej  na  pokonanie przez  dyslokację   przeszkody  i  jej  dalszy  ruch.  Prawdopodobień stwo  ruchów  dyslokacyj- nych  wzrasta,  gdy  pod  wpływem  cyklicznego  obcią ż enia  zewnę trznego,  które  wytwarza naprę ż enia  styczne  w  pł aszczyź nie  poś lizgu,  ulegają   zmniejszeniu  róż nice  energii  poten- cjalnej,  konieczne  do  wywoł ania  zmiany  poł oż enia dyslokacji.  Ruchy  te  powodują   two- rzenie  się   pierwszego  mikropę knię cia  w  obszarze  uporzą dkowanym.  W  począ tkowym stadium  niszczenia  pę knię cia  te  są   luź no  zwią zane  z pł aszczyzną   poś lizgu.  F akt, że poru- szają ce  się   dyslokacje  są   dwuwymiarowymi  tworami  geometrycznymi,  przemieszczają - cymi  się   wzdł uż  pł aszczyzn  poś lizgu  w  trójwymiarowej  sieci  krystalicznej  powoduje,  że napotykana  przeszkoda  oddział uje  z  dyslokacjami  w  zależ noś ci  od  ich  charakterystyk geometrycznych. Zatem,  gdy  mikroskopowe  pę knię cia  rozprzestrzeniają   się   w  obję toś ci  tworzywa  wł ók- na,  nastę puje  ich  wzajemne  przemieszczanie  się   lub  ł ą czenie  w  zespoł y.  Powstaje  wtedy pę knię cie  mikroskopowe.  To  ostatnie  pod  wpływem  stosunkowo  niewielkiej  sił y  zew- nę trznej prowadzi  do  pę knię cia  makroskopowego  i  zerwania  ż ył ki. Procesowi  odkształ cenia  zmę czeniowego  ż ył ek  poliamidowych  towarzyszy  nieodł ą cz- nie  stan  naprę ż enia.  Stan  ten jest  uwarunkowany  mię dzy  innymi  naprę ż eniami  w  obsza- rach  uporzą dkowanych,  a zwł aszcza w  obszarze  defektów.  W tym  obszarze jest zakł ócona prawidł owa  struktura  sieci  przez  wystę powanie  atomów  wł asnych  lub  atomów  wtrą ceń w niewł aś ciwych  pozycjach  mię dzywę zł owych  lub  wę zł owych. We  wszystkich  przypadkach energia  potencjalna  sieci  w  obszarze  defektu  jest  wyż sza  od  minimalnej  wartoś ci,  odpo- wiadają cej  poł oż eniu  równowagi,  co  objawia  się   wystę powaniem  pola  naprę ż eń  wokół defektu.  Wskutek  mał ego promienia  dział ania sił   atomowych  zasię g  takich  pól naprę ż eń wynosi  do  kilku  parametrów sieci. Wydaje  się ,  że  poza  powyż szymi  przyczynami  w  procesie  niszczenia  zmę czeniowego ż ył ek  poliamidowych  dużą   rolę   odgrywają   mikronaprę ż enia  orientacyjne  spowodowane defektami,  a  zwł aszcza  ich  spię trzenie  na  granicy  obszarów  uporzą dkowanych  i  nieupo- rzą dkowanych.  Mają   one okreś lony  kierunek,  zgodny  z  kierunkiem  odkształ cenia. G dy  odkształ cenia są   zgodne  co  do  kierunku  i  zwrotu  ich  dział ania, wówczas  mikro- naprę ż enia  się   sumują   i szybko  rosną .  W  innych  przypadkach  ma  miejsce  ich  odejmowa- nie.  Mikronaprę ż enia te  okreś lają   moment powstania  mikropę knię cia. W  przypadku  odkształ cenia jednokierunkowego,  z  jakim  mamy  do  czynienia  w  na- szych  badaniach  mechanizmu  niszczenia  zmę czeniowego  poliamidowych  ż ył ek  przy wielokrotnym  rozcią ganiu,  zapoczą tkowane  trwał e  mikropę knię cia  rozprzestrzeniają się   wzdł uż  krawę dzi  coraz  to  wię kszych  zespoł ów  uporzą dkowanych:  krystalitów,  lamel, mikrofibryl,  i fibryl.  Prowadzą   one  do  dyslokacji  typu  krawę dziowego  w  wyniku  róż nic energetycznych, istnieją cych  pomię dzy  fazami  krystaliczną   i  amorficzną . Przył oż one  makronaprę ż enia  dział ają ce,  jak  już  powiedziano  wyż ej,  stycznie  w pł asz- czyź nie  poś lizgu,  powodują   ł ą czenie  się   mikropę knięć  w  jedną   cał oś ć,  prowadzą c  do pę knię cia  mikroskopowego.  Tworzy  się   znaczny  skok  potencjał u  naprę ż eń  w  miejscu 296 A.  WŁOCH OWICZ, Z .  KU BACKI pę knię cia,  w  wyniku  czego  powstają   —  z  punktu  widzenia  energetycznego — dogodne warunki  do  przesunię cia  się   cał ego uporzą dkowanego  pakietu  wzdł uż kierunku  dział ania naprę ż eń  deformują cych,  w  przybliż eniu  o  dł ugość  równą   wielokrotnym  wymiarom krystalitów  próbek znuż onych. Przeprowadzone  obliczenia  porównawcze  wielkoś ci  uskoków  z  wymiarami  krysta- litów  w  kierunku  prostopadł ym  do  pł aszczyzny  (200) —  (rys.  5c, d)  wykazał y,  że  dla monofilamentu  nuż onego  przy  amplitudzie  1,6  mm  odległ oś ci  pomię dzy  krawę dziami uskoków  są   1600  razy,  a  dla  1,2  mm —  2200 razy  wię ksze  niż  wielkoś ci  krystalitu  okre- ś lone  na  drodze  rentgenowskiej.  N atomiast dla  bardzo  mał ej  amplitudy  0,8  mm —  (rys. 5a)  dochodzą   do  wielokrotnoś ci  3200  razy.  Z  powyż szego  wynika,  że  ż ył ki  nuż one przy mał ej  amplitudzie  wykazują   wię ksze  odległ oś ci  pomię dzy  krawę dziami  uskoków  niż nu- ż one przy  duż ych  amplitudach. Odległ oś ci te ulegają   zmniejszeniu  w miarę  wzrostu  ampli- tudy,  bę dąc odbiciem zmniejszenia  się  wymiarów  krystalitów  [1]. Rys.  7.  M ikrofotografia  repliki  przekroju  poprzecznego  zorientowanego  monofilamentu  poliamidowego, ś ciskanego  prostopadle  do  osi  wł ókna i nastę pnie walcowanego  (wg  [20]) Opisane  powierzchniowe  zmiany  ż ył ki  zrywanej  są   odbiciem  strukturalnych  zmian zachodzą cych  w  cał ym  przekroju  monofilamentu  w  wyniku  znuż enia zmę czeniowego  lub innych  czynników  fizycznych  deformują cych  strukturę   o  dość  znacznej  charakterystyce naprę ż eniowej. Potwierdzeniem  tego  jest  reprodukcja  japoń skiej  mikrofotografii  [20]  przekroju  po- przecznego  zorientowanego  monofilamentu  poliamidowego,  ś ciskanego  okoł o  30% pro- stopadle  do  kierunku  osi  ż ył ki,  a  nastę pnie  walcowanego  wzdł uż  pł aszczyzny  (010) — rys.  7. Strzał ką  zaznaczono kierunek zgniatania. Przekrój ten dobrze odpowiada  omawiane mikrorzeź bie powierzchni. PRZYCZYN EK  DO  MECHANIZMU   ZNISZCZENIA  ZMĘ CZENIOWEGO  297 7.  Wnioski 1. Pę knię cie  zmę czeniowe  w  ż ył kach poliamidowych  w  skali  makroskopowej  i  mikro- skopowej  zachodzi,  w  przybliż eniu,  prostopadle  do  kierunku  naprę ż enia,  natomiast w skali  submikroskopowej  przebiega  zgodnie z zasadą   «najmniejszego  oporu». 2. U skoki  i  sfał dowania  obserwowane  na  replikach  zerwanych  fragmentów  ż ył ek  wy- nikają   z  mechanizmu  propagacji  pę knięć  zmę czeniowych.  Pę knię cia  te  powstają   w  pas- mach poś lizgu  i mię dzy  nimi wytyczają c  drogę  pę knię cia  gł ównego. 3.  Odległ oś ci  mię dzy  krawę dziami  uskoków  zmieniają   się   ze  sposobem  znuż enia  i  są funkcją   amplitudy. Literatura  cytowana  W tekś cie 1.  A.  WŁOCH OWICZ, Zmiany fizycznej  mikrostruktury  wł ókna poliamidowego wywoł ane dekohezją   zmę cze- niową   w miejscu  zerwania,  Zeszyty  N aukowe  Pt. Wł ókiennictwo, 19/ 122,  5  (1969). 2.  J.  ZAWAD ZKI,  Reotermiczne aspekty  wytę ż enia i  znuż enia  tworzyw sztucznych,  I M P  P AN ,  Warszawa 1968,1021. 3.  J.  ZAWAD ZKI,  Ciś nienie  zredukowane jako  jeden z parametrów wytę ż enia, R ozpr.  I n ż ., 73,  357  (1957). 4.  J.  ZAWAD ZKI,  M .  N OWAK,  Badania zmę czeniowe  tworzyw sztucznych,  Przeglą d  M ech., 25,  382  (1966); W ytrzymał oś ć zmę czeniowa poliamidu,  Przeglą d  Mech., 26, 424  (1967). 5.  T.  KOSIEWICZ,  Materiał y  i pół wyroby w  budowie samochodów,  WN T,  Warszawa  1962;  W.  SU ROWIAK, S.  CH U D ZYŃ SKI,  T worzywa  Sztuczne w budowie maszyn,  PWT, Warszawa  1960. 6.  K. H .  M EYER,  H .  M AR K ,  Die  Aufbau  der  Hochpolymeren organischen  N aturstoffe,  Springer,  Leipzig 1930. 7.  J. W.  H EARLE,  T he  fine  structure of fibers  and  crystalline polymers,  3.  Appl.  Polym.  Sci.,  7,  1175, 1193,  1207(1963). 8.  W. O.  STATTON ,  T he meaning  of  crystallinity when  judged  by  X- rays,  J.  Polymer  Sci.,  P art  C ,  18,  33 (1967). 9.  I \   JI . CjioHHMCKiift,  B.  A.  K AI T H H ,  A.  KHTAftropoflCKHft,  KojinoHfl.  >Kyp.  19,  131  (1957). 10.  K.  H ESS,  H .  KIESSIN G ,  Vber L angperioden- Interferencen  bei  synthetischem  Fasern, Kolloid  Z . 130,  10 (1953);  K.  H ESS,  H .  M AH L,  E.  G OTTER ,  Electronenmikroskopische  Darstellung grosser L angsperioden in  ZelluloSefasern  und  ihr  Vergleich mit  den  Perioden anderer  Faserarten, Kolloid  Z . 155,  1  (1957). 11.  R.  BON ART,  R.  H OSEMAN N ,  Modellversuche zur  Deutung  der  Rontgen  L angperiodeninterferenzen, M akromol. Chem.,  39,  105  (1960). 12.  R.  HOSEMANN,  Crystallinity in high polymers especially fibers,  Polymer, 3, 349  (1962). 13.  A.  PETERLIN , Plastic deformation of  polyethylene by  rolling and drawing,  Kolloid,  Z .  233,  857  (1969); Band rupture  in highly oriented crystalline polimers, J.  Polymer  Sci., A1,  1151  (1969);  M . L.  WILLIAM S, T he  mechanical properties of  crystalline polymers interpreted  in  terms  of  dislocations,  An n .  N ew  York Acad.  Sci., 155, 539  (1969). 14.  D . A.  ZAU KELIES, Observation  of  slip in nylon 66 and 610  and its  interpretation  in terms  of  a  new model, J. Appl.  Phys., 33, 2797  (1962);  YOSH IKO  TAJIMA,  TSU N EO  SETO,  Studies  of  kind bands  in oriented poly- ethylene, Progress  in Polymer Phys., 12,  193  (1969). 15.  H . O. K E I T H , E.  PASSAG LIA,  Dislocations in polymer crystals,  J.  Res. N at. Bur.  Stand., 68A,  513  (1964); R. F .  BOYER,  Dependence  of  mechanical properties on  molecular motion in polymers,  Polymer  E n gn g. Sci., 8,  161  (1968). 16.  P.  PRAD ECKI, W. O.  STATTON ,  T he role of  dislocations  in  drawing,  Appl.  Polymer  Symposia  N o  6,  165 (1967);  P .  PRAD ECKI,  W.  O.  STATTON ,  A  dislocation mechanism  for  deformation  in  polyethylene.,  J. Appl.  Phys., 38, 4140  (1967). 17.  P . E.  M C M AC H ON ,  R.  L.  M C C U LLOU G H ,  A. A.  SCH LEG ER,  Molecular  mechanics  of  point  defects  in polyethylene,  J.  Appl.  Phys., 38, 4123  (1967); W. O.  STATTON ,  Coherence  and  deformation of  lamellar crystals after  annealing,  J. Appl.  Phys., 38, 4149  (1967). 298  A.  WŁ OC H OWI C Z ,  Z .  KU BAC KI 18.  H . A.  OflH H r,  T copun  duc/ wKaijuii  e  Aiema/ uiax u  ee  npUMenenue, H3.11.  AH   C C C P ,  M ocKBa 1959. 19.  P . I N G R AM ,  H . K I H O , A.  PETERLIN ,  T he  morphology  of fibers  from  deformed polymer  crystals  J. Polymer Sci.,  P a r t  C ,  16,  1857  (1967); A.  P ETERLIN ,  M an- M ade  F iber  Science  and Technology,  I n ter. P ub., N ew  York  1967, vol.  1, 283; A.  P ETERLIN ,  J.  Polymer  Sci., Bl, 279  (1963). 20.  M ,  K U R OK AWA,  Compressed biaxially  oriented 6.10  nylon filaments,  T h e World th rough  th e  Electron M icroscope,  C hem .,  4,  99  (1969);  M .  KU ROKAWA,  T.  BAN ,  Slip  deformation  in  drawn  polyethylene films,  J . Appl.  P olymer  Sci., 8, 971  (1964). 21.  T .  YOKOBORT,  T he strength,  fracture  and  fatique  of  materials, N oordhoff  1965, N eth erlan ds;  J.  P hys. Soc.  J a p a n ,  10, 368  (1955). 22.  E .  O R O WAN ,  P roc.  R o y.  Soc. Lon don  A  171, 79  (1939); Dislocations in metals, AI M M E , 69  (1954). 23.  H . H .  A»AH AC H E B,  3 C T O ,  10,  1553  (1940),  6wi.  11,  349 (1941). 24.  T .  N I SH I H AR A,  T . KOBAYASH I,  T ran s.  M ech.  Soc. Japan ,  12, 52, 65  (1946). 25.  A.  M .  F R E U D E N TH AL,  P ro c.  R oy. Soc. Lon don ,  A  187, 416  (1946). 26.  M . N n- JOHl,  K .  AB E ,  H .  T AK AYAN AG I ,  Mechanism  of  formation  of  the  interlamella  dislocation  network in  polyethylene  single  crystals,  J.  M acrom ol.  Sci., P art  B, 2, 649  (1965); E. T.  WH I T E ,  B. H .  M U R P H Y, R.  N . HAVVARD,  T he effect  of  orientation on  the internal crazing of polystyrene,  J. Polymer  Sci., P art  B, 7,  157  (1969); P . H .  LIN D EN M EYER,  Imperfection in polymer  crystals, Kolloid Z .,  231,  593 (1967). 27.  I \   H .  KyKiiH ,  M . n .  H O C O B ,  FIpuSopu  OAR  ucnumauun  meKcmiuiHbix  Mamepiiajioe  na  ycma/ iocnib, MocKBa  1959. 28.  D . E.  BR AD LEY,  Simultaneous  evaporation of  platinum  a  carbon for  possible  in  high- resolution  shadow- casting-  for  the  electron  microscope,  N ature,  181,  875  (1958). 29.  E. F .  WAG N E R ,  K.  N ETTELN STRATH ,  Quecksiberporosimetrie  und Elektronenmikroskopische an Viskose- fasern,  C hemiefasem,  12, 995  (1967); F . M .  SCHIMMEL,  Die  Aenderung  von  Faseroberfldchen  durch W aschehandlungen, Textilveredlung,  5, 293 (1969). P  e  3  10  M  e O  M E XAH H 3M E  YC T AJ I O C T H O r O  P A3P yiI I E H H fl  I"IOJIH AMH ,IJ,H bIX  JIECOK B  paSoTe  oScyjKfleH Łi  pe3yjiŁTaTfci  H aSmofleiniił   ycran ocT H oro  pa3pyu ieH n «  nojiHaiwHflHLix  necoK. H nH LtH H poBaH H e  H   pa3BH Tne pa3pyuieH H 5j  iiccjieflOBaHO  n p a  noiwomH   CBeTOBoro  11 3JieieKTŁi  a  ^H CJioKaurin  KpncTaJuiiraecKOH   perueTKH . H a  ocHOBaKHii  n o ji y i e m a i x  pe3yjibTaT0B3  npefljioweH   BepoaTH brii  MexamraM   yciaJiocTH oro  pa3py- JiecoK  H3 nojiHaiviHfla  6 . S u m m a r y A  C O N T R I BU T I O N   T O  TH E  M EC H AN ISM  OF   TH E  F ATI G U E  F RAC TU RE O F  POLYAMID E 6  F IBRES The  paper  presents  some  observations  concerning the  fatigue  fracture  of  the  Polyamide 6 fibres.  The process  of  initiation and  development  of  fracture  were  investigated  by  means  of  the optical  and electron microscopy. Various  reasons for  the fatigue  fracture are considered and the role of  dislocations and  deffects of  crystal  lattices  is  discussed  at  the first  plane. On the basis  of  the obtained results a probable mechanism responsible  for  the observed  fatigue  fracture  of  the Polyamide 6 fibres  is proposed. ZAKŁAD   WŁÓKNOZNAWSTWA  POLITECH N IKI  ŁÓD ZKIEJ Praca został a zł oż ona w Redakcji dnia 15 lipca 1970 r.