316 KB

10 примеров для понимания
механических свойств полимеров
(Окончание.
Начало в ИБ ПМ № 9 (76), 2005)
1. Классификация полимеров.
2. Зависимость механических и реологических свойств ПМ
от молекулярной массы.
3. Влияние температуры и скорости деформации на свойства
ПМ
3.1. Ползучесть ПМ.
3.2. Пластическая деформация ПМ под нагрузкой и образование волосяных трещин.
4. Ударная вязкость ПМ.
5. Долговечность ПМ.
3.2. Пластическая деформация ПМ под нагрузкой и
образование волосяных трещин
Важным механизмом деформации в полимерах является смещение макромолекулярных цепей с образованием
фибрилл (пучков вытянутых или, иначе, ориентированных
молекул).
Пластическая деформация при сдвиговой нагрузке
у полимеров происходит в плоскостях, расположенных под
углом 45° к направлению действия однонаправленных растягивающих или сжимающих напряжений (рис. 8,а).
Хрупкому разрушению предшествует образование волосяных трещин в направлении, перпендикулярном направлению
действия растягивающих или сжимающих напряжений (рис.
8,б). Если же под действием нагрузки протекает пластическая
деформация, то деформироваться будет значительный объем
материала, что потребует большего количества энергии, чем
появление трещин, которые охватывают небольшие объемы
материала.
У большинства аморфно-кристаллических термопластов
пластическая деформация под действием растяжения или
сдвига происходит чаще, чем растрескивание. Одним из
немногих аморфных полимеров, которые демонстрируют
пластическую деформацию под нагрузкой на сдвиг при
растяжении, является ПК, однако из-за резкого изменения
геометрической формы или наличия дефектов и у ПК может
происходить разрушение по хрупкому механизму.
Начальная стадия образования микротрещин сопровождается возникновением
пустот, поверхности которых
соединяются при этом фибриллами (рис. 8,б). При увеличении
уровня напряжения или при длительном воздействии нагрузки
на полимер фибриллы растягиваются и рвутся. Это приводит
к возникновению микротрещин
и их устойчивому распространению до достижения значения
критического коэффициента
интенсивности напряжений K1c.
Такое растрескивание представляет собой местное явление, и
энергия требуется только для
формирования, расширения и
распространения нескольких
трещин. Изготовленные из ПК
изделия с глубокими пазами или
дефектами будут очень хрупкими
на излом.
Микротрещины продолжают
устойчиво расти в результате
разрыва натянутых фибрилл. Это
а
б
Рис. 8. Напряженно-деформированное состояние сдвига в
растягиваемом ПМ (а) и формирование волосяных трещин
у полимеров (б): 1 - растягивающая сила; 2 – натянутые
фибриллы; 3 – ненатянутые фибриллы; 4 - неориентированные цепи; 5 – ориентированные фибриллы; 6 - разрушенные
фибриллы; 7 - растрескавшиеся фибриллы; σv – напряжение
в устье трещины
материалы
25
2
100
Ударная вязкость, кДж/м
2
10
1
Стандарт ISO
1
0.25
0.1
0.01
1
Радиус надреза, мм
Рис. 9. Зависимость ударной вязкости
АБС-пластика (1) и ПК (2) от радиуса
надреза
30
20
10
8
10
0
20
0
C
C
0
30
C
6
40
0
Напряжение, МПа
15
C
4
50
0
C
3
60
0
C
C
C
0
0
80
70
2
1.5
10�2
10
102
104
Время, часы
106
Рис. 10. Взаимосвязь напряжения и времени действия статической нагрузки на
ПЭВП при различных температурах
происходит при напряжении, которое
гораздо ниже предела текучести. Такое явление носит
название растрескивания при статической нагрузке и
может привести к
неожиданному отказу детали из ПМ.
«Множественное растрескивание» возникает у
полимеров со сравнительно невысоким модулем упругости, например
у АБС-пластиков,
содержащих полибутадиен, или у
ударопрочного ПС.
Включения полибутадиена находятся в относительно
жестком ПС или
полиакрилонитриле и могут служить
инициаторами появления трещин в
обширной области, на что также будет затрачиваться
большое количество энергии. Такое
упрочнение называется эластомерным упрочнением.
4. Ударная вязкость ПМ
Максимальные скорость приложения нагрузки и деформации полимеров наблюдаются при высокоскоростном
ударном нагружении полимеров, устойчивость к которому
оценивают работой, затрачиваемой на разрушение образца.
Ударная вязкость определяется, как правило, испытаниями образцов без надреза или с надрезом по Изоду или по
Шарпи. К образцам прилагается ударная нагрузка на изгиб,
при этом скорость деформации в наружных слоях образца
без надреза составляет около 500 %/с, а у образцов с надрезом скорость деформации намного выше.
Радиус надреза при испытаниях по Шарпи составляет
0,25 мм и обеспечивает пластическую деформацию под
нагрузкой и высокую ударную вязкость. На практике же радиус надреза может быть гораздо меньше этого значения
(царапины, начальные поверхностные микротрещины), что
приводит, в соответствии с законами механики разрушения,
к более или менее резкому снижению ударной прочности
полимера. Например, ударная вязкость образца АБС-пластика (рис. 9) не сильно зависит от радиуса надреза из-за
множественного растрескивания, связанного с присутствием небольших включений полибутадиена и соответственно
с большой энергией, затрачиваемой на этот процесс. У ПК
же эта зависимость проявляется более четко (см. рис. 9),
потому что при радиусах надреза менее 0,2 мм характер
деформации меняется с пластической деформации на локальное растрескивание.
Подобные результаты (см. рис. 9) очень важны для определения чувствительности полимеров к надрезу. Чувствительность ПК к надрезу также зависит и от молекулярной
массы полимера. Чем больше молекулярная масса, тем
26
материалы
больше кривая для ПК смещается влево. Это связано с
большей переплетенностью молекулярных цепей и возможностью «опоры» на соседние молекулярные цепи.
5. Долговечность ПМ
Долговечность термопластов характеризует их длительную работоспособность под нагрузкой и оценивается интервалом времени от начала нагружения до потери материалом
работоспособности при заданном статическом напряжении
(длительная прочность) и температуре. Потеря работоспособности термопластами может быть обусловлена:
• достижением допустимой деформации (деформационная долговечность);
• разрушением материала (проч-ностная долговечность).
Долговечность ПМ зависит от его типа, вида и уровня
напряжений, а также от условий испытаний (температура,
влажность и другие факторы окружающей среды). При этом
наряду с развитием вязкоупругих деформаций в полимере
протекают процессы накопления повреждений, приводящие
в конечном счете к разрушению. Скорость протекания этих
процессов определяет долговечность полимера.
При длительных динамических нагружениях накопление
повреждений приводит к усталостному разрушению, устойчивость к которому характеризует усталостную прочность.
При статических нагрузках разрушение может произойти
в результате действия двух возможных механизмов:
• третьей, ускоренной стадии ползучести (описывается
с позиций термофлуктуационной теории прочности ПМ);
• устойчивого распросранения трещин (описывается с
позиций механики разрушения).
На рис. 10 это проиллюстрировано на примере труб,
находящихся под действием внутреннего давления.
При высоких нагрузках третья стадия ползучести
доминирует и приводит к большей чувствительности полимера к дефектам как инициаторам зарождения микротрещин. В стенке трубы образуется местное расширение
в виде раскрытия, и она разрушается. Такое разрушение
называется вязкий отказ, поскольку пластическая деформация происходит в относительно большом объеме
полимера. При увеличении температуры наблюдается
уменьшение долговечности термопластов (при одинаковом напряжении).
Из рис. 10 видно, что экстраполяция разрушающего
напряжения при вязком разрушении может быть ошибочной (на кривых имеются два участка с различным наклоном), поскольку при более низких уровнях напряжений
наблюдается иной механизм разрушения – устойчивый
рост трещин вплоть до внезапного хрупкого разрушения.
Царапины и различные включения служат инициаторами
зарождения микротрещин, которые со временем медленно прорастают до макротрещин, и при достижении макротрещиной критических размеров происходит хрупкое
разрушение.
Ян Л. Спормакер,
А.Х. Хайдвайлер
Делфтский технологический университет, Нидерланды
10 Examples to Understand the Mechanical
Behaviour of Plastics
(Ended from IB PM No. 9 (76), 2005)
J.L. Spoormaker, A.H. Heidweiller
Many designers working with plastics find it difficult to understand
their complex behavior in conditions of long operation. Usually they
are better acquainted with metals whose mechanical characteristics are relatively clear till the temperature of 200 0C is reached.
The mechanical properties of plastics are defined by the material
structure and, unlike those of the metals, to a large extend depend
upon temperature and duration of the load affecting it.