1.2 Выбор полимера для процесса формования деталей методом штамповки
Штамповкой можно формовать детали только из полимеров, которые отвечают требованиям данного метода. В процессе формования штамповкой полимер должен проявлять достаточно большие эластические деформации, обеспечивающие получение детали заданной конфигурации без разрушения заготовки. Параметрами оценки при выборе полимера служат величины молекулярной массы, температуры стеклования, относительного удлинения при разрыве, прочности при растяжении полимера [1].
Для проявления эластической деформации необходимы два условия: наличие цепных молекул достаточно большой гибкости и высокая скорость изменения их конформации, т.е. полимер должен обладать высокой кинетической гибкостью. Такими полимерами являются каучуки, сополимеры бутадиена со стиролом и другие полимеры, находящиеся в эластическом состоянии в большом интервале температур. У полимеров с более жесткими цепями при обычных температурах эластические деформации не проявляются, они находятся в стеклообразном состоянии и переходят в эластическое состояние только при нагревании. Однако энергия активации эластической деформации у них больше, чем у каучукоподобных полимеров. Например, для полиметилметакрилата при 130°С ΔUЭЛ.≈105 кДж/моль. Следовательно, процессы эластической деформации замедлены.
У аморфных полимеров, таких, как полиметилметакрилат (ПММА), полистирол (ПС), область эластичного состояния, в которой следует проводить формование, значительна., например для ПММА 120-180°С. Полимеры же с преобладанием кристаллической структуры типа полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП) имеют меньшую область эластичного состояния, например для ПП 150-160°С. С увеличением молекулярной массы полимера температура стеклования повышается сначала быстро, потом замедляется и достигает постоянного значения. Типичная зависимость Тс от молекулярной массы полимера приведена на рисунке 1.2.
Молекулярная масса, при которой достигается постоянство температуры стеклования, зависит от кинетической гибкости цепи полимера. У полимеров с очень гибкими цепями Тс приобретает постоянное значение, начиная с М=1000. У полимеров, цепи которых обладают малой кинетической гибкостью, Тс становится постоянной при М=12000-40000 и более.
В отличие от низкомолекулярных веществ высокомолекулярные вещества из стеклообразного состояния переходят в эластическое состояние и только при дальнейшем нагревании - в вязкотекучее. Поэтому у полимеров температуры текучести и стеклования не совпадают.
Рисунок 1.2 - Зависимость температуры стеклования от молекулярной массы полимера [1].
Переход полимера из эластического состояния в вязкотекучее можно оценить по температурной зависимости деформации.
Для аморфных линейных полимеров высокой молекулярной массы термомеханическая кривая имеет три участка (рисунок 1.3), соответствующие трем физическим состояниям. Первый участок соответствует стеклообразному состоянию, для которого характерны малые деформации при небольших значениях напряжения. Второй – эластическому состоянию с большими обратимыми деформациями. На эти деформации накладывается деформация течения, которая с повышением температуры увеличивается. При достаточно высоких температурах перемещения цепей как единого целого настолько облегчаются, что полимер переходит в вязкотекучее состояние. Этот переход сопровождается резким увеличением деформации и за него отвечает третий участок.
Рисунок 1.3 - Термомеханическая кривая аморфного линейного полимера [1].
Температура текучести, так же как и температура стеклования, зависят от режима деформирования, поэтому сравнивать эти температуры у полимеров разного строения можно только в том случае, если они определены в одних и тех же условиях (одинаковые напряжения, скорости нагрева и т.д.).
Влияние молекулярной массы на температуру текучести можно проследить по рисунку 1.4. Низкомолекулярные полимергомологи могут находиться в двух состояниях - стеклообразном и жидком, причем их температуры стеклования и текучести совпадают. Переход из стеклообразного состояния в жидкое сопровождается резким возрастанием деформации. По мере увеличения молекулярной массы кривая смещается в сторону более высоких температур, т.е. температура стеклования повышается. При некоторой молекулярной массе температура перехода «расщепляется» на ТС и ТТ - на кривой появляются три участка. С дальнейшим увеличением молекулярной массы температура стеклования остается постоянной, а температура текучести продолжает повышаться, следовательно, разность ТТ - ТС, характеризующая диапазон эластичности, тем больше, чем больше молекулярная масса полимера. Закономерность, представленная на рисунке 1.4, является общей для всех аморфных линейных полимеров. При этом молекулярная масса, начиная с которой температура перехода «расщепляется на ТС и ТТ , зависит от кинетической гибкости цепи – чем жестче цепь, тем выше молекулярная масса, соответствующая «расщеплению» температурного перехода. Так, у полиизобутилена участок эластической деформации наблюдается уже при М=1000, а у полистирола при М=40000.
M1< М2< М3< M4< M5; ε упр. = 0
Рисунок 1.4 - Термомеханическая кривая полимеров одного полимергомологического ряда [1].
Таким образом, высокомолекулярные полимеры с кинетически гибкими цепями характеризуются низкими температурами стеклования и высокими температурами текучести, т.е. широким температурным интервалом эластичности (от -70 до 200°С). Высокомолекулярные полимеры с более жесткими цепями имеют более высокие температуры стеклования и небольшой интервал эластичности (от 100 до 160°С).
Полимеры, обладающие еще меньшей гибкостью цепи, имеют очень высокие значения ТС, и разность ТТ – ТС у них настолько мала, что они почти не проявляют эластических свойств даже при повышенных температурах.
С увеличением молекулярной массы температура текучести аморфных линейных полимеров всегда повышается, что следует учитывать при их переработке.
Для кристаллизирующихся термопластов зависимость эластического состояния от молекулярной массы аналогична зависимости аморфных линейных термопластов, только температура стеклования заменяется температурой плавления, соответственно разность ТТ-ТПЛ характеризует диапазон эластичности.
Чем более кристалличен полимер, тем больше его жесткость, тем больше величина его модуля. Все аморфные полимеры, находящиеся в эластичном состоянии, характеризуются малой величиной модуля, модуль кристаллизующихся в этих условиях полимеров на порядок выше. Существует взаимосвязь между величиной модуля и степенью кристалличности полимеров. Нецелесообразно стремиться к возможно большему увеличению степени кристалличности для увеличения модуля и повышения прочности материала, поскольку прочность полимеров с увеличением степени кристалличности растет не монотонно. Относительное удлинение всегда уменьшается с ростом степени кристалличности [5].
При отсутствии зоны эластичности, возможно проявление вынужденной эластичности. При приложенных малых напряжениях деформация кристаллизующихся полимеров очень мала. Выше температуры плавления полимер переходит в эластическое или сразу в вязкотекучее состояние, при этом деформация резко возрастает.
Для стеклообразного состояния полимеров характерны малые деформации при небольших напряжениях. Однако в отличие от простых низкомолекулярных стекол стеклообразные полимеры сохраняют в некотором интервале температур способность подвергаться при приложении больших усилий значительным деформациям. Способность стеклообразных полимеров значительно деформироваться без разрушения обуславливает возможность их применения для штамповки [1].
Большие деформации, развивающиеся в стеклообразных полимерах лишь под влиянием значительных напряжений, но близкие по своей природе к эластическим, называются вынуждено - эластическими, а само явление вынужденной эластичностью рисунок 1.5.
Вынужденно эластические деформации могут проявляться только под действием больших напряжений. Поэтому после прекращения действия напряжения скорость исчезновения вынужденно эластических деформаций очень мала, и при Тс они не снимаются. При температурах выше Тс образец полностью восстанавливает свои размеры. Таким образом, большие деформации стеклообразных полимеров всегда носят обратимый характер.
При деформации многих стеклообразных полимеров (полистирол, поливинилхлорид и д.р.) при некотором значении напряжения в деформируемом образце образуется (скачкообразно) участок со значительным уменьшением поперечного сечения, получившего название шейки (рисунок 1.6).
т – предел вынужденной эластичности (предел текучести); * - показан момент разрушения.
Рисунок 1.5 – Схематическое изображение кривой напряжение-деформация
стеклообразного полимера [2].
а – исходный образец; б – незначительное уменьшение поперечного сечения за счет увеличения общей длины; в – начало образования шейки; г – весь образец перешел в шейку, кроме тех его частей, которые находятся в зажимах динамометра; д – разрушение образца.
Рисунок 1.6 – Различные стадии деформации стеклообразного полимера [2].
Для хрупких полимеров характерно отсутствие заметной шейки, что свидетельствует о незначительной величине эластических деформаций. Относительное удлинение при разрыве хрупких материалов составляет 8%, а упругопластичных - 200-300%. Хрупкость и пластичность полимеров в первую очередь определяют условия деформирования и разрушения. Так, например, хрупкое разрушение наступает всегда, когда скорость роста напряжений превышает скорость развития пластической деформации [3].
Механические характеристики полимеров в значительной степени зависят от температуры (рисунок 1.7).
Т1 Т2 Т3 Т4 Т5; 1 – при Т1 Тхр; 5 – при Т5 Тс.
Рисунок 1.7 - Влияние температуры на вид кривых напряжение-деформация
для стеклообразных полимеров [2].
Вид напряженно-деформированного состояния, а также скорость деформирования оказывают большое влияние на способность материалов к сопротивлению при воздействии нагрузки. От температуры в значительной степени изменяются также твердость, ударная вязкость и другие характеристики пластмасс.
Все хрупкие листовые термопласты очень чувствительны к надрезу, имеют невысокую ударную вязкость; под действием переменных по величине и направлению нагрузок они разрушаются при относительно более низких напряжениях. Следует учесть, что в листах имеются трещины различной величины и другие дефекты. В каждом микрообъеме деформируемого материала расположено не менее одной опасной трещины, которая при деформировании определяет техническую прочность материала. Следовательно, механическое разрушение полимеров сводится к развитию и слиянию отдельных трещин в напряженной деформируемой среде.
Таким образом, процесс разрушения полимерных материалов происходит в несколько стадий и начинается с развития трещин. При этом каждый из видов материалов имеет свои характерные особенности. Так, процесс разрушения винипласта сопровождается одновременным изменением цвета материала в зоне действия растягивающих напряжений. Цвет материала зависит от интенсивности напряжений и может изменяться от темно-коричневого до светло-розового и белого. Подобное поведение материала наблюдается в зоне растяжения и при других процессах (отбортовке, вытяжке, гибке, пробивке и т.д.). Такая же зависимость цвета материала от интенсивности растягивающих напряжений характерна и для других материалов (СНП, полиэтилен и т.д.) [4].
При растяжении некоторых видов термопластов на растягиваемых образцах получается несколько шеек; при растяжении образцов из органического стекла на их поверхности появляются специфические линии первичных сдвигов, имеющих вид гипербол или парабол, которые при накладывании их друг на друга образуют чешуйчатые поверхности разрыва, примером служит полиметилметакрилат.
Изменение относительной деформации термопласта при разрыве, является одной из основных зависимостей определяющих пригодность полимеров для формования их методом штамповки (рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 - Изменение относительной деформации ε термопласта при разрыве
в зависимости от температуры [1].
Таковы некоторые особенности разрушения листовых термопластов, знание которых необходимо при изучении закономерностей их деформирования в условиях различных технологических процессов штампования, а также при выборе полимера для его последующего формования данным методом.
Особенностью эластического состояния термопластов является возможность больших обратимых деформаций. При этом под воздействием усилий материал может принимать ту или иную форму. Усилие, которое требуется для оформления детали, зависит от многих факторов, и в первую очередь от температуры при которой проводится формование, конфигурации и глубины будущей детали, толщины и природы заготовки термопласта. Чем выше температура нагревания листа, тем меньше усилий потребуется при формовании.
Следует учесть, что температура формования оказывает влияние на эксплутационные характеристики получаемых изделий. Формование при более низкой температуре ведет, как правило, к увеличению таких механических характеристик как удельная ударная вязкость, прочность при растяжении, но в тоже время вследствие ориентационного напряжения и к возможным деформационным изменениям во время эксплуатации деталей (рисунок 1.9). В связи с этим при выборе оптимальных режимов формования учитываются и эксплуатационные свойства будущего изделия.
Рисунок 1.9 - Изменение максимального напряжения в термопласте при растяжении
с повышением температуры [1].
Жесткие листовые материалы, у которых напряжение при растяжении в интервале температур формования относительно высоко (ПММА, ПВХ), требуют больших усилий для формования, потому их рекомендуется перерабатывать пневмоформованием. Этот метод также пригоден для переработки листов толщиной не более 5 мм, для получения глубоких изделий и изделий со сложным тисненым рисунком на поверхности. Материалы же, обладающие высоким относительным удлинением, низкими напряжениями при растяжении в эластическом состоянии, легко перерабатываются методом вакуумформования [3].
Узкий интервал температур формования вносит определенную сложность в переработку материалов: после нагревания листовой заготовки до определенной температуры в процессе ее формования температура не остается постоянной, а постепенно понижается, в связи с чем у материала должен быть тепловой запас, который расходуется в момент формовочных операций [1- 4].
Незначительный перегрев или неравномерное остывание, неизбежно возникающее в процессе формования, приводят к неравномерной вытяжке материала и получению значительной разнотолщинности, особенно для полимеров с высоким относительным удлинением.
Сочетание вышеперечисленных зависимостей позволяет подобрать полимер, удовлетворяющий условиям штамповки, а также выбрать необходимую температуру формования(рисунок 1.10).
1-термомеханическая кривая; 2-кривая зависимости удлинения при разрыве от температуры; 3-кривая зависимости предела пластичности от температуры; 4-максимальное удлинение, которое претерпевает заготовка полимера в процессе формования детали;
T1-T2-температурный диапазон формования.
Рисунок 1.10.Методика определения температуры формования заготовок