Деформационные свойства полимерных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Деформационные свойства полимерных материалов

Из всех многочисленных свойств полимеров механические свойства являются основными. Это обусловлено тем, что они обеспечивают сохранение формы и размеров изделия при действии внешних механических сил. В зависимости от величины и продолжительности действия механических сил полимерные материалы подвергаются деформации или разрушению. Соответственно различают деформационные и прочностные свойства. Так, первые свойства характеризуют способность полимера деформироваться под воздействием механических напряжений, а прочностные - способность сопротивляться разрушению. Работоспособность полимерного материала во многом определяется режимом его деформирования, и, прежде всего, характером действия внешних механических сил. В соответствии с этим различают статические и динамические нагрузки. При этом к статическим относят воздействия при постоянных нагрузках или деформациях (е), а также при небольших скоростях нагрузок, а к динамическим - ударные или циклические воздействия.

2. Прочность и деформируемость в статических условиях

Статическими называются условия, при которых скорость приращения приложенной к физическому телу нагрузки или, соответственно, скорость развивающейся при этом деформации такова, что оно находится в равновесии, то есть действующие на него активные (внешние) и реактивные (внутренние) силы равны.

Последнее обстоятельство для длинноцепных веществ определяет необходимость согласования скорости нагружения с деформационной реакцией полимерного материала. Чем меньше деформируемость пластмассы, тем ниже должна быть скорость ее нагружения при испытании. Условия проведения статических испытаний пластмасс на прочность приведены в табл.1.

При испытании пластмасс стабильность и воспроизводимость результатов существенно зависят от методов изготовления образцов, которые также определяются стандартами (ГОСТ 12019 - метод изготовления образцов из термопластов; ГОСТ 12015 - метод изготовления образцов из реактопластов) [4].

Отклонение от стандартов в форме, конфигурации, скорости нагружения образцов нередко является причиной необычайных и несопоставимых результатов.

Табл. 1 Температурные характеристики конструкционных реактопластов и композиций на их основе

Растяжение

При испытании пластмасс на растяжение используются образцы в виде двухсторонних лопаток или гантелей. При испытании пленок допускается применение образцов в виде отрезков лент.

При испытании на разрывной машине получают диаграмму растяжения, записанную в координатах деформация-усилие. В зависимости от свойств полимерного материала диаграмма может иметь вид, представленный на рис. 1, или более простой, завершающийся в любой из точек записываемой линии, 0-а-Ь-с-i-е-f-g.

деформируемость реактопласт полимерный

Рис. 1 Схематическое изображение кривой деформация-усилие, приложенное к полимеру

Анализ зависимости N=ц(?l). 0-а - прямолинейный участок, на котором приращение деформации сопровождается прямо пропорциональным приращением приложенного усилия (прямая линия), что соответствует закону Гука. Следовательно, эта деформация упругая.

Упругие свойства проявляются пластмассами при очень малых численных значениях относительных деформаций (единицы процентов). Именно при таких значениях деформаций корректны измерения модуля упругости. Форма образца и размер сечения рабочей части лопатки не изменяются (рис. 2, а).

Рис. 2 Последовательность деформирования при растяжении рабочей части образца

Участок а--b криволинеен (см. рис. 1). Отклонение от прямолинейности свидетельствует о проявлении пластической составляющей, вклад которой по мере приближения к точке b возрастает. В точке b происходит резкое изменение хода зависимости N=ц(?l), когда приращение деформации происходит без увеличения силы N. Это вызвано изменением поперечного сечения образца, которое сужается (рис. 2, b). Конфигурация отрезка 0-b зависит от соотношения в макромолекулярной системе полимера физических сил межмолекулярного взаимодействия и сил ковалентных, действующих в основной карбо- или гетероцепи . Если , то при нагружении такого образца в момент происходит лавинное разрушение межмолекулярных связей, при этом остаются химические, ковалентные связи карбо- и гетероцепей, суммарная энергетика которых, меньше энергетики связей физических. Они не в состоянии противостоять внешнему силовому воздействию, в результате чего образец разрушается.

Такой характер разрушения наблюдается для полимеров, хрупких в стандартных условиях испытаний. Сама по себе хрупкость может быть следствием либо молекулярной структуры полимера (густосетчатые), либо определена физическим состоянием полимерного материала при температуре испытания.

В случае , участок 0-b имеет вид, близкий к прямолинейному, а полимерный материал проявляет преимущественно упругие свойства практически до момента разрушения.

Участок снижения приложенного усилия (b-с) сопровождается развитием деформации. К моменту с в образце появляется так называемая шейка. Ее сечение существенно, по крайней мере, в 10 раз меньше начального. Физическая организация полимера в шейке иная, чем в других частях образца. В области шейки надмолекулярная структура (НМС) как частично кристаллизующихся, так и аморфных полимеров становится более ориентированной.

В частично кристаллизующихся полимерах происходит процесс рекристаллизации. Если исходная НМС сферолитная, то в шейке она фибриллярно-ламеллярная. При дальнейшем развитии деформации ламели могут разрушиться до фибрилл, фибриллы - до пачек. Каждая из ступеней деформации сопровождается образованием новой, уменьшенной по сечению шейки. После образования шейки шириной k вся рабочая часть образца вытягивается до перехода по всей длине в ленту шириной k (рис. 2, с). К моменту d сферолитная НМС превратилась в ламелярно-фибриллярную. При этом произошло сближение соседних макроцепей полимера, усилилось межмолекулярное взаимодействие и развитие деформации на участке d-е, что потребовало увеличения приложенного усилия. В точке e состоялся переход процесса рекристаллизации к следующей ступени - пачечно-фибриллярной с образованием новой, еще меньшей по сечению шейки шириной k' (рис.2,е). Отмеченная выше последовательность событий повторяется, на участке f -g происходит развитие шейки шириной k', сопровождающейся возрастанием приложенного усилия N. Как только размеры сечения перекристаллизованных НМС становятся соизмеримыми с размерами дефектов, происходит разрушение образца (рис. 2, f). [1,2].

В практике переработки пластмасс рассмотренный эффект ориентационного упрочнения широко используется при производстве волокон, пленок и погонажных изделий.

Ориентационные эффекты, рассмотренные в примере, не являются полностью необратимыми. После снятия нагрузки восстанавливаются упругие деформации, определяемые, действием физических сил межмолекулярного взаимодействия. Затем, в соответствии с релаксационными процессами, медленно будут восстанавливаться деформации, связанные с внутрицепными перемещениями (например, возврат вытянутой молекулы к морфологии пачки). При нагревании этот процесс ускоряется. Полного восстановления исходного размера не происходит вследствие развития при растяжении необратимых пластических деформаций. Это явление используется в полимерной практике, например, при производстве так называемых термоусаживающихся пленок или изделий (трубки, герметизирующие рукава, упаковка, кольца, втулки).

В аморфных полимерах также могут наблюдаться ориентационные эффекты, но, в меньшем объеме. Поэтому на диаграмме растяжения аморфных полимеров участок активной деформации заканчивается точками с или d, в которых и происходит разрушение.

Способность аморфных полимеров к большим деформациям принято называть вынужденной эластичностью, а сами деформации - вынужденно-эластическими [1]. Слово “вынужденно” подчеркивает способность аморфного полимера после снятия деформирующей нагрузки в большей или меньшей степени восстанавливать исходную конфигурацию образца. Скорость этого релаксационного процесса возрастает при нагреве.

Из анализа видно, что и частично кристаллизующиеся и аморфные полимеры деформируются по сходным физическим механизмам, степень проявления которых определяется физико-химическими особенностями полимерных материалов. В прикладном плане это определяет практическую невозможность установления только по испытаниям на растяжение того, с каким полимером аморфным или частично кристаллизующимся имеем дело. Исключение составляют лишь жесткие, малодеформативные в стеклообразном состоянии, непластифицированные и немодифицированные полимерные материалы, а именно ПС, ПК, ЭС, ФФП, АФП.

В рис. 1, прочность полимерных материалов, то есть разрушающее напряжение при растяжении , определяют по соотношению:

где - наибольшее усилие, приложенное к образцу в момент его разрушения, Н; S -плопнядь сечения рабочей части образца, замеренная до проведения испытания, м2.

Иногда можно встретить величину, называемую по аналогии с металлами, пределом текучести полимерных материалов, . Она определяется соотношением:

где Nт - усилие образования ”горба”, Н.

Значение показывает величину напряжения, превышение которого будет сопровождаться активными пластическими деформациями.

Сжатие

В испытаниях на прочность при сжатии используются образцы в виде столбиков круглого или прямоугольного сечения. В зависимости от деформативности разрушение пластмассовых образцов происходит по-разному. При сжатии образцов из высокомолекулярных жестких полимерных материалов они разрушаются по плоскости наибольших касательных напряжений, располагающейся по диагонали продольного сечения (рис. 3, а). Разрушение образцов таких пластмасс начинается с образования микротрещин, оси которых тяготеют к вектору приложенного усилия или располагаются под углом к нему так, что в целом они образуют полосу, расположенную в плоскости косого сдвига по главным касательным напряжениям. При таком развитии событий материал вблизи трещин находится в сложнонапряженном состоянии одновременного действия сжатия, сдвига и частично растяжения. При слиянии микротрещин в магистральную трещину происходит разрушение образца.

Рис. 3 Схема деформирования при сжатии образца из пластмассы: а-- жесткой; б -- пластичной

Образцы пластмасс с развитой пластичностью при сжатии приобретают бочкообразную форму (рис. 3, б). В плоскости наибольшей деформации также, как и в предыдущем случае развивается сложнонапряженное состояние с одновременным действием как сжатия, так и растяжения в поперечном направлении[4].

Из вышеизложенного формулируем следующие выводы:

Внешне образец при сжатии находится в условиях одноосного нагружения, однако возникающее при этом напряженное состояние имеет сложный характер одновременного проявления деформации не только сжатия, но и растяжения и сдвига.

Это является причиной того, что значения прочности пластмасс при сжатии отличаются от значений прочности при одноосном растяжении.

Вследствие принципиальных особенностей испытаний, деформация сжимаемых образцов геометрически ограничена. В связи с этим процессы рекристаллизации или вынужденной высокоэластичности не успевают проявляться. Отсюда низкая структурная и технологическая чувствительность этого вида испытаний.

Образцы должны иметь определенное геометрическое соотношение ширины (диаметра) и высоты, а именно lо = (1,0-1,5)d или lо = (1,0-1,5)b, где b-наименьший размер прямоугольного сечения образца. При lо<1,5d или lо<1,5b отсутствуют условия для формирования плоскости наибольших касательных напряжений. Результаты имеют завышенное значение. Значение ?l может задаваться условиями испытаний.

Изгиб

Деформационно-прочностные особенности полимерных материалов при изгибе определяются двумя методами: двухопорным изгибом (рис. 4), когда образец располагается на двух опорах и нагружен усилием, действующим по оси симметрии опор, и консольным изгибом, когда нагрузка приложена к свободному концу защемленного образца. Первый метод испытаний получил преимущественное распространение.

С точки зрения классической механики образец, испытываемый в условиях двухопорного изгиба, представляет собой балку, лежащую на двух опорах, расстояние между которыми l, и нагруженную посередине усилием N (рис. 5).

Тогда в состоянии статического равновесия (УР(х, у) = 0; УМ(х, у) = 0) действует соотношение:

Отсюда при х = 0, М? = 0

При х =1/2

Напряжение изгиба согласно уравнению равно:

Рис. 4 Схема испытаний материалов па изгиб

Рис. 5 Схема расчета напряжений изгиба

Если образец имеет форму цилиндра с диаметром d, то:

Если форма сечения образца - прямоугольник шириной b и высотой h, то:

Прогиб балки Дl при испытаниях определяется с помощью измерительного устройства испытательной машины. По значению Дl определяют величину модуля упругости при изгибе (Еn).

С материаловедческой точки зрения деформация изгиба интересна тем, что вид и модуль напряжений по толщине изгибаемого образца или изделия не одинаковы. При изгибе бруса прямоугольного сечения b-h (рис.6,а) материал, находящийся над осевой линией 0'-0', сжимается, а часть его, расположенная ниже, растягивается (рис. 6, б).

Рис. 6 Схема изгиба бруса с прямоугольным сечением

По нулевой линии напряжение материала равно нулю, по периферии -- возрастает до максимальных значений. Особенность вязкоупругих полимерных материалов, в которых напряжение развивается по степенному закону, состоит в том, что, во-первых, изменение модуля напряжений по мере удаления от нулевой линии нелинейно, и, во-вторых, сама нулевая линия при изгибе изменяет свое местоположение, смещаясь на Дz. (рис. 6, в).

По модулю напряжение сжатия при изгибе превышает напряжение растяжения, и, следовательно, разрушающее напряжение изгиба полимерных материалов может существенно отличаться от значений прочности при чистом сжатии или растяжении. В табл. 2 приведены свойства ряда наиболее характерных пластмасс, испытанных в одинаковых условиях[4].

Таблица 2 Механические свойства некоторых полимерных материалов

Кручение и срез

Напряжения кручения и среза относятся к группе касательных или тангенциальных.

Напряжение, возникающее при кручении, еще называют напряжением сдвига. Касательные напряжения действуют в нагруженных конструкциях различных технических устройств, в которых и применяются полимерные материалы с повышенным комплексом физико-механических характеристик. Это главным образом композиционные армированные пластики на основе густо-сетчатых полимерных связующих.

Напряжения кручения, фкр определяются по схеме, представленной на рис.7,а. Крутящий момент Мкр приложен к концу консольного стержня, например, трубчатой формы и закручивает его на угол ц. Величина Мкр постоянна по длине стержня l (рис.7,б), соответственно, постоянно и значение фкр.

Рис. 7 Схема испытания на кручение: а - установка и нагружение трубчатого образца; б - эпюра крутящего момента; в - зависимость напряжения кручения от угла закручивания для стеклопластиков на основе: 1 - эпокспорезольного связующего; 2,3 - полиэфирной смолы ПН-3 с различной по свойствам стеклотканью

Величина угла закручивания, может существенно влиять на получаемые результаты, особенно для материалов с выраженной пластичностью (рис.7,в). Большая деформируемость стеклопластиков на основе ненасыщенного полиэфира ПН-3 по сравнению с эпоксифенольным связующим является причиной нелинейности графической функции фкр от угла закручивания ц (кривые 2 и 3). Прочность пластмасс при касательных напряжениях кручения (сдвига) значительно ниже, чем прочность при одноосном нагружении. Если разрушающее напряжение при растяжении жесткого стеклопластика СТЭФ составляет 240 МПа, то прочность при кручении 123,5 МПа, то есть вдвое ниже. Для вязкоупругих пластмасс фкр ? (0,6 ч 0,7) ур. [3]

Рис. 8 Схема испытаний на срез: 1, 2 - верхняя и нижняя обоймы; 3 - образец

Напряжение среза определяют в условиях двойного среза в приспособлении, обеспечивающем практически беззазорное сопряжение деталей 1 и 2 (рис. 8), соединенных цилиндрическим образцом 3. Величина напряжения среза фср рассчитывается по уравнению:

где S ~ рdІ/2. Перед испытанием на срез образцы рекомендуется термостатировать при температуре 20°С в течение не менее 48 часов в воздушной среде с относительной влажностью 50-60%.

Прочность в динамических условиях

Динамическими называют условия, при которых внешнее энергетическое воздействие на полимерный материал изменяется по величине и знаку, причем импульс воздействия ф значительно меньше времени релаксации (ф < r).

В динамических условиях полимерный материал находится в неравновесном, нерелаксированном состоянии, в связи с чем ведет себя иначе, чем при статическом нагружении. Динамические условия внешнего воздействия создаются любым внешним энергетическим полем, а именно переменным электромагнитным, акустическим или тепловым. Под динамическим принято понимать - переменное механическое напряжение, то есть сжатие, изгиб и другие, изменяющиеся во времени по величине и, возможно, по знаку. Динамические нагружения могут быть многократными циклическими и однократными или ударными.

Циклические напряжения

Напряжения, действующие на полимерный материал длительное время и при этом не постоянные по величине изменяются синусоидально (рис. 9, кривые 1 и 2), но они могут иметь и более сложный, пульсирующий характер (кривая 3).

Рис. 9 Диаграмма циклических напряжений

Отношение минимального напряжения к максимальному называется коэффициентом асимметрии цикла r = уmin/уmах, циклические напряжения обозначают уr или фr, при уmin = 0 коэффициент r = 0 (кривая3). Такой цикл пульсирующий и обозначетсят уо(фо); при уmin = -уmах (кривая 2), r = -уmin/уmах = -1 и напряжение, называемое симметричным, обозначается у-1. Циклические напряжения могут быть знакопостоянными (кривые 1 и 3) и знакопеременными (кривая 2).

Знакопеременные напряжения могут быть вызваны усилием, постоянным по величине (рис. 10). Имеется фрагмент механической передачи (рис. 10, а), состоящий из вала (поз. 1) и установленного на нем шкива (поз. 2), к которому приложено окружное усилие Р0. После приведения силы Р0 к центру вращения, получаем пару сил, создающих крутящий момент Мкр = Р0r и силу Р, действующую на вал и изгибающую его (рис. 10, б). В сечении изогнутого вала, условно показанном (рис. 4.16, в), возникают напряжения растяжения (+) ниже оси вращения (зона заштрихована) и напряжения сжатия (-) выше этой оси. При повороте вала на угол ц = р рад растянутая зона попадает в зону сжатия, при ц = 2р рад - возвращается в зону растяжения и т. д. Такое изменение напряжений имеет синусоидальный характер уmin = -уmах, r = -1 при этом P=const.

Рис. 10 Цикличность напряжений при постоянной нагрузке: а -устройство узла и приведение окружного усилия к оси вращения; б - схема изгиба вала; в - цикличность напряжений в сечении вала при вращательном движении точки е

Разрушающее напряжение при циклических напряжениях называют пределом выносливости, а допускаемое напряжение - пределом усталости. Допускаемое циклическое напряжение при симметричном изгибе, [у?1], - есть предел усталости при симметричном изгибе.

Поведение полимерных материалов при циклических напряжениях описывается усталостными кривыми, построенными в координатах логарифм числа циклов-разрушающее напряжение. Предел выносливости всегда меньше разрушающего напряжения (уr<у).

В режиме усталостного нагружения могут эффективно эксплуатироваться только полимерные материалы с определенными деформацианно-прочностными характеристиками. Из термопластов на сегодняшний день лучше других зарекомендовал себя ПА (полиамид). Стеклонаполненный полиамид П68-ВС демонстрирует усталостную прочность на уровне металлов (рис. 11, кривая1). Характеристики ненаполненного ПА (кривая 2) ниже. Жесткий сетчатый эпоксидно-новолачный блоксополимер (ЭНБС), статические свойства которого выше, чем у ПА, в режиме симметричного изгиба существенно уступает ему (кривая 3). В то же время армированные стеклопластики на олигомерном связующем даже на базе n=10 циклов демонстрируют весьма высокие свойства, существенно превышающие усталостную прочность металлов. Так, если предел выносливости качественной углеродистой стали 35А в этих условиях составляет величину порядка у?1и = 60-70 МПа, то для реактопласта АГ-4Су?1и = 130 МПа, для стекловолокнистого армированного материала СВАМу?1и = 85-90 МПа, а для широко распространенного стеклонаполненного листового материала на основе СП-ПН-1 у?1и = 30-35 МПа (рис. 12).

Рис. 11 Усталостные кривые пластмасс

Рис. 12 Усталостные кривые армированных пластмасс

о - образец разрушился; * - образец не разрушился

Высокая усталостная прочность армированных пластиков сделало их незаменимыми для авиакосмической техники.

Особенности поведения полимерных материалов при циклических напряжениях определяются прежде всего их релаксационными особенностями. Циклические напряжения сопровождаются увеличением температуры образца. Причина саморазогрева - внутреннее трение, приводящее к отставанию деформации от приложенного напряжения и, в свою очередь, зависящее от физико-химических свойств полимера (молекулярная и надмолекулярная организации, межмолекулярное взаимодействие, сегментальная подвижность, наличие свободного кинетического объема) [4].

В целом усталостная прочность изделий существенно зависит не только от саморазогрева, но и от наличия у детали концентраторов напряжения, от частоты нагружения, от влажности окружающей среды, наличия в материале пластификаторов и их содержания, от свойств, морфологии и расположения в пластике наполнителей.

Ударная прочность

Способность полимерных материалов сопротивляться нагрузкам, приложенным с большой скоростью, оценивается их ударной прочностью или, как ее чаще называют, ударной вязкостью. Физически этот термин к реологической вязкости не имеет никакого отношения. Ударная вязкость - это широко распространенная и стандартизованная технологическая характеристика материала, испытываемого на поперечный удар, ударное растяжение, ударное сжатие или на многократный удар, принципиально сходный с циклическими испытаниями, причем скорость приложения нагрузки более 1 м/с.

В практике оценки свойств пластмасс наибольшее применение нашел поперечный удар, который реализуется на маятниковых копрах. Образец в держателе копра может располагаться подобно балке при двухопорном изгибе (рис. 13, а) или консольно (рис. 13,б).

Основным является метод испытания по ГОСТу 4647-69. В этом случае образцы в виде стандартного бруска (6х6х60 или 10х15х120) с надрезом (метод Шарпи) или без него испытывают на маятниковом копре, например, типа КМ-0,5, имеющем две опоры для установки образца. Удар наносится маятником копра по середине образца. Расстояние между опорами l должно быть согласовано с сечением образца h.

Рис. 13 Схема испытаний по Шарпи (а) и по «Динстат» (б)

По второму методу образец закрепляется консольно. На образце изготавливают надрез (метод Изода) или обходятся без него (метод «Динстат», ГОСТ 14235-69). Размеры образца для испытаний на приборе Динстат 10х15х4,5 мм.

На сопротивление пластмасс ударным нагрузкам большое влияние оказывают концентраторы напряжений. Ими могут быть дефекты поверхности образца (шероховатости, резкие переходы расположения поверхностей), внутренние дефекты образца (пустоты, чужеродные включения), дефекты материала (внутренние напряжения, дефекты физической структуры). К качеству образцов предъявляются повышенные требования, чем меньше размеры образца, тем качественнее он должен быть изготовлен. Особенно требовательно необходимо относиться к изготовлениям надрезов, искусственно уменьшающих живое сечение образца механической обработкой.

Полученные на приборе «Динстат» или по Изоду результаты нельзя сопоставлять с двухопорным ударным изгибом. Они могут использоваться только для сравнительных характеристик, что удобно в лабораторной практике при ограниченных количествах получаемых материалов.

Ударной вязкостью называют отношение энергии разрушения образца к площади его поперечного сечения:

Рис. 14 Схема действия маятникового копра

Работа разрушения оценивается по изменению энергии маятника 9 (рис.14). Перед испытанием маятник взводят на определенный угол б, предельное значение которого составляет р радиан, а образец 4 закрепляют в держателе. При разрушении образца маятником затрачивается часть накопленной энергии, поэтому угол взлета маятника меньше угла установки (в< б). По показаниям измерительного устройства (2, 3) оценивают энергию разрушения. Для приведенной на рисунке 14 схемы:

где G -- сила веса маятника; r -- радиус дуги движения бойка.

В современных копрах измерительное устройство располагается в маятнике: оно фиксирует усилие разрушения и длительность импульса, которые передаются на микропроцессор и далее на экран дисплея. При развертке показателей по времени ф от реального масштаба 1:1 до масштабов 3:1 и 10:1 можно видеть, что и при ударном разрушении полимер успевает продемонстрировать вязкоупругие свойства, наблюдаемые обычно лишь в статических условиях.

При испытаниях в стандартизованных условиях скорость нагружения должна составлять 3,5 м/с.

Стандартные копры типа КМ-0,5 для испытания пластмасс на ударную вязкость не обеспечивают скорости удара 3,5 м/с и дают некорректные показатели [3].

Список литературы

1. Аскадский А.А. Деформация полимеров. - М.: Химия, 1973. - 448 с.

2. Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров. - М.: Высшая школа, 1988. - 312 с.

3. Огибалов П.М. Конструкционные полимеры: Методы экспериментального исследования - М.: Издательство МГУ, 1972. - Кн. 1 и 2.

4. Крыжановский В.К., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д. Технические свойства полимерных материалов. - СПб.: Профессия, 2005. - 248 с.

Размещено на Allbest.ru