4. Физико-механические испытания полимеров

Известно, что высокое качество материалов обеспечивает как надёжность, так и долговечность срока различных изделий в эксплуатации, а это, в конечном счете, определяет их экономичность.

Качество материалов неразрывно связано с испытанием их механических свойств и, в первую очередь, с определением прочностных характеристик, которые характеризуют способность материала сопротивляться разрушению под действием механических напряжений. В свою очередь, деформационные свойства определяют способность материала к сопротивляться развитию деформации (обратимой и/или необратимой).

Эти исследования занимают значительное место в контроле качества промышленных изделий и научно-исследовательской работе. Важным в проведении испытаний является их единообразие и сравнимость с целью получения наиболее достоверных результатов.

4.1. Основные определения

Различают следующие методы испытания материалов:

Статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, которые проводят путём плавно и постепенно возрастающего нагружения образца до его разрушения. При этом периодически или непрерывно определяют значение усилия, приложенного к образцу и величину деформации.

Динамические испытания на ударную вязкость заключаются в приложении к образцу ударных нагрузок при значительных скоростях, в результате чего определяется работа, затраченная на разрушение образца, отнесённая к его сечению, являющаяся показателем ударной вязкости.

При испытаниях на твёрдость определяют сопротивление материала местной деформации посредством внедрения в него стандартного наконечника.

При испытаниях на ползучесть и длительную прочность определяют способность материала деформироваться при постоянной заданной нагрузке и температуре.

При испытаниях материалов, проводимых перечисленными методами, определяют следующие механические свойства:

Прочность – способность тела противостоять разрушению под действием внешней силы.

Упругость – способность материала восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузок.

Твёрдость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела.

Выносливость – свойство материала выдерживать, не разрушаясь, большое число переменных напряжений (циклов нагрузка – разгрузка до постоянного напряжения или постоянного удлинения). Постепенное разрушение материала при большом числе переменных напряжений называется усталостью.

Ползучесть – способность материала медленно и непрерывно деформироваться при постоянном напряжении или повышенной температуре.

Долговременная прочность – время от начала действия постоянного напряжение до момента разрушения.

При испытаниях на растяжение получают зависимость силы, возникающей в образце от удлинения в процессе его деформирования. Если относить величину силы к площади поперечного сечения нерастянутого образца, а деформацию отнести к начальной длине рабочей части образца, то полученную при испытании кривую можно перестроить в зависимость условное напряжение(σ) – относительная деформация().

Можно также относить силу к фактическому значению площади сечения в каждый момент деформации и определять истинное напряжение. В некоторых теориях прочности и инженерных расчётах используют эту характеристику. В дальнейшем мы будем рассматривать линейную деформацию и определять напряжение, отнесённое к начальному сечению образца.

Таким образом можно определить предел прочности или разрушающее напряжение σ_р – значение напряжения, при котором происходит разрушение образца.

σ_р= P_разр / S

Размерность σ_р – н/м ². Разрушающее напряжение зависит не только от свойств полимера, но также от температуры и скорости деформации. Поэтому при сравнении разных полимеров по значениям σ_р необходимо производить определение этой величины при одних и тех же температуре и скорости деформации.

Другой характеристикой прочности является максимальная деформация, развивающаяся к моменту разрыва. Эту величину называют максимальной относительной деформацией _р .

_{р =} (L_p - L_о) × 100 / L_о = L × 100 /L₀

где:

L_p - удлинение образца при разрыве;

L_о - длина рабочей части недеформированного.

Максимальную относительную деформацию обычно выражают в %.

Иногда используют термин степень вытяжки . Величину  получают, разделив удлинение при разрыве на длину рабочей части недеформированного образца.

 = L_p / L_о

Значение _р ( или ), как и значение σ_р зависит от температуры испытания и скорости деформации.

Большинство материалов на начальной стадии растяжения обнаруживают прямо пропорциональную зависимость между напряжением и деформацией. Коэффициент пропорциональности  между напряжением σ и относительным удлинением, выраженном через , называют модулем нормальной упругости или модулем Юнга.

=σ/

Так как =L/L₀ – безразмерная величина, то модуль упругости  должен выражаться в тех же единицах, что и σ (н/м ²). Начальный модуль упругости Е равен тангенсу угла наклона начального линейного участка упругой деформации.

Кроме того по зависимости условное напряжение – относительная деформация (по кривой нагружения) можно определить секущий модуль тангенс угла наклона между начальной точкой и какой – либо заданной деформацией. Эта характеристика применяется в промышленности для сравнения свойств материалов.