9.2. Особенности деформации полимеров
Для полимерных материалов под действием внешних прикладываемых напряжений деформация протекает в три стадии: рис.61.
I – стадия истинноупругой деформации, связанная с изменением расстояния между атомами в макромолекулах;
II – стадия высокоэластической деформации, связанная с раскручиванием макромолекулярных клубков;
III – стадия вязкотекучей деформации, обусловленная взаимным перемещением центров тяжести отдельных макромолекул.
Как было сказано выше, полимерные материалы могут быть в аморфном и кристаллическом состоянии. Состояние полимеров в сильной степени зависит от переохлаждения полимеров. Ввиду малой подвижности макромолекул полимеры можно весьма легко переохладить до температуры стеклования без кристаллизации и обеспечить аморфное состояние.
Реальная структура полимера может состоять из упорядоченных (кристаллических) и неупорядоченных (аморфных) частей. К аморфной части
относят сферолиты, незакристоллизовавшиеся пачки и области поворота пачек в лентах. Однако, даже в аморфных структурах полимеров имеется определенный порядок. Поэтому следует их называть не аморфными, а некристаллическими.
Применительно к полимерным материалам в аморфном состоянии стадии деформации можно объяснить следующим образом. В качестве примера рассмотрим линейный полимер, рис.62.
По мере повышения напряжения на участке ОА диаграммы растяжения будет иметь место упругая деформация, которая осуществляется за счет увеличения расстояния между атомами и распрямления валентных углов в молекулах, рис.62а. Это справедливо, когда температура испытания выше температуры стеклования и высокой скорости нагружения. Под действием внешних напряжений кроме упругой деформации происходит выпрямление участков – сегментов молекул без того, чтобы молекула в целом переместилась в новое положение, рис.62б. Если снять нагрузку произойдет обратный процесс скручивания молекул (II стадия деформации в интервале от точки А до В). Возврат деформаций будет определятся временем релаксации. На следующей стадии деформации макромолекулы под действием прикладываемой нагрузки передвигаются относительно друг друга, рис.62в. Деформация на этой стадии необратима после снятия нагрузки.
В случае кристаллического полимера на I стадии образец будет деформироваться моментально, на II стадии образуется местная шейка, которая будет увеличиваться по длине образца, рис.63.
Последняя III стадия деформации заключается в равномерном удлинении образца до разрушения.
Образование шейки сопровождается структурными превращениями в ранее существовавшем кристаллическом состоянии. В месте шейки происходит перекристаллизация сферического состояния полимера в фиблярные и пластинчатые надмолекулярные структуры. Образование и развитие шейки следует рассматривать как своеобразную рекристаллизацию в силовом поле. Величина напряжения, при которой происходит перестройка кристаллической структуры, зависит от исходной надмолекулярной структуры и режима деформации. Это напряжение называют напряжением рекристаллизации. Деформация на III стадии осуществляется в рекристаллизированном материале. Деформацию на II стадии деформации долгое время считали необратимой. Однако позже было показано, что при нагреве до температуры близкой к температуре плавления она полностью обратима.
Вид диаграммы растяжения в сильной мере зависит от температуры деформации. При температуре ниже температуры стеклования деформация закончится на I стадии разрушением, рис.64, при t=t1.
При t > tc на диаграмме проявляются все три стадии деформации.
Рис.62. Схематическое изображение молекулярных процессов при деформации линейного полимера
Рис.63. Схема деформации полимеров
Рис.64. Изменение вида диаграммы растяжения в зависимости от температуры деформации