литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

Сравнение поведения полимерного материала при растяжении и сжатии

Кривые кратковременной зависимости напряжения от деформации обычно по­ лучают, растягивая контрольные образцы, что приводит к возникновению растягива­ ющих напряжений и деформаций. Для большинства полимерных материалов без на­ полнителей поведение при сжатии аналогично их поведению при растяжении, но существуют .материалы, поведение которых при сжатии будет сильно отличаться. Особенно это заметно у образцов из армированных пластмасс. Лучше получить до­ полнительные данные о свойствах таких материалов при сжатии, чем считать, что их поведение при сжатии аналогично поведению при растяжении.

Прочность и модуль при изгибе

Поставщики материалов обычно предоставляют данные о кратковременной зави­ симости напряжения от деформации при изгибе. Свойства при изгибе особенно важ­ ны, поскольку очень большое число изделий из пластмассы в процессе эксплуатации испытывают изгибающие нагрузки. Следует отметить, что результаты тестирования на изгиб еще в большей степени зависят от используемого оборудования и геометри­ ческой формы образца. Тестирование на изгиб проводится на относительно длинных тонких образцах, имеющих прямоугольное сечение. Условия испытаний и способы нагружсния могут быть консольными (одна опора, одна нагрузка), трехточечными (две опоры, одна нагрузка) или четырхточечными (две опоры, две нагрузки).

В процессе тестирования изучается максимальный прогиб образца как функция приложенной нагрузки. В отличие от испытаний при одноосном растяжении или сжатии при изгибе у контрольных образцов одна часть поверхности сжимается, а другая растягивается. При этом существует нейтральный слой, разделяющий об­ ласти растяжения и сжатия, на котором напряжения или деформации равны нулю. Значения напряжений и деформации при изгибе могут быть рассчитаны на основе экспериментальных данных, а также с помощью соответствующих уравнений. Эти формулы получены исходя из предположения, что материал изотропный, упругий, и деформации его малы. В качестве характеристик свойств материалов при изгибе приводятся модуль изгиба, определенный по начальному наклону зависимости на­ грузки от прогиба, и прочность на изгиб. Для хрупких материалов прочность на изгиб соотносится с максимальным разрушающим напряжением растяжения или сжатия внешнего слоя образца. Для более пластичных материалов прочность на изгиб соот­ ветствует пределу текучести внешнего слоя или рассчитывается как напряжение во внешних поверхностных слоях при заданной деформации этих слоев (обычно при 5 % деформации внешних слоев)-

Прочность и модуль при сдвиге

Модуль сдвига G полимерного материала определяется по наклону начального участка зависимости напряжения от деформации сдвига.

Значения таких характеристик, как предел текучести при сдвиге, предел проч­ ности при сдвиге, деформация текучести при сдвиге и предельная разрушающая

184 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

деформация при сдвиге могут быть получены с помощью прямого анализа зависимо­ сти напряжения сдвига от деформации сдвига. Способы получения указанных харак­ теристик во многом аналогичны определению соответствующих характеристик ма-" териала при сжатии и растяжении. Если предположить, что материал изотропный и упругий, то можно вычислить модуль сдвига пластмассы с помощью модуля упру­ гости, Е, и коэффициента Пуассона, v.

Поскольку полимерные материалы являются вязкоупругими, начальные значе­ ния модулей растяжения, сжатия или изгиба, которые обозначаются буквой Е в уравнении (3.4), используются на практике для определения приближенной вели­ чины модуля сдвига.

Коэффициент Пуассона

При растяжении или сжатии изделия из пластмассы (или контрольного образца) происходят одновременно деформирующие как вдоль оси приложения нагрузки (про­ дольная деформация), так и перпендикулярно оси нагрузки (поперечная деформа­ ция). Коэффициент Пуассона определяется как отношение относительной попереч­ ной деформации к относительной продольной в области упругости материала. Знак минус означает, что деформация в поперечном направлении происходит в направле­ нии, противоположном направлению продольной деформации. Например, когда из­ делие растягивается в продольном направлении, то его ширина и толщина (попереч­ ные размеры) уменьшаются.

Рис. 3.18. Коэффициент Пуассона определяет отношение значений поперечной и продоль­ ной деформации материала. Этот коэффициент используется во многих уравне­ ниях для взаимосвязи таких параметров материалов, как модуль сдвига и модули растяжения (сжатия)

Для большинства обычных материалов коэффициент Пуассона колеблется в пре­ делах от 0,0 до 0,5. Существует несколько уникальных материалов, которые расширя­ ются в поперечном направлении под действием растягивающего напряжения. Мате­ риал, у которого коэффициент Пуассона равен 0,0, не сжимается в поперечном

направлении при растяжении (или не испытывает поперечного расширения при сжа­ тии). Материал, у которого коэффициент Пуассона 0,5 будет сжиматься в попереч­ ном направлении (из-за продольного растяжения), но в результате деформирования объем и плотность материала не меняются. Любой материал с коэффициентом Пуас­ сона между 0,0 и 0,5 меняет объем и плотность при деформировании. Значение коэф­ фициента Пуассона для данного материала может быть определено непосредственно из испытаний на одноосное растяжение или сжатие (с помощью поперечного и про­ дольного экстензометров) или может быть вычислено, если известны значения моду­ лей упругости или сдвига

Так же как значения модуля упругости и модуля сдвига, коэффициент Пуассона зависит от таких параметров, как температура, уровень деформации или напряже­ ния, а также скорости деформирования.

Значения коэффициента Пуассона используются для установления взаимосвязи значений модулей упругости и сдвига, а также для проведения конструкторских | >асчетов.

3.4.3.Механические свойства, зависящие от времени. Ползучесть

Механические характеристики пластмасс зависят от большого числа факторов, к которым относятся время, уровни напряжения или деформации, а также такие ха­ рактеристики окружающей среды, как температура и влажность воздуха (для гиг­ роскопичных полимеров). Набор кратковременных зависимостей напряжения от деформации, которые приведены на рис. 3.11, показывает, что при более высоких скоростях деформирования пластмассы становятся более жесткими и хрупкими. При низких скоростях деформирования полимерные материалы в большей степени про­ являют такие свойства, как упругость или пластичность, что связано с вязкостными эффектами. Подобным эффектам следует уделять особое внимание в тех случаях, когда изделие испытывает нагрузки в течение продолжительного периода времени (то есть статические нагрузки). Ситуация, в которой изделия из пластмассы непре­ рывно подвергаются длительным нагрузкам (возникающим в процессе эксплуатации

188 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Упругий элемент 2 не может удлиниться мгновенно, поскольку его перемещение ограничивается вязкостью поршня. Дальнейшее нагружение приводит к продолже­ нию деформации по мере перемещения поршня 1, поршня 2 и растяжения пружины 2. Таким образом, представляется ползучесть или запаздывающая деформация. В неко­ торой точке растяжения пружина 2 (а следовательно, и поршень 2) достигнет равно­ весия, но поршень 1 будет продолжать перемещаться от действия приложенной на­ грузки. При разгружении вследствие накопленной пружиной 1 энергии происходит мгновенное упругое восстановление, за которым следует запаздывающее восстанов­ ление, связанное с возвращением в исходное состояние пружины 2. Следует учесть, что эта часть восстановления регулируется поршнем 2. Перемещение поршня 1 нео­ братимо и представляет собой остаточную деформацию. Несмотря на то что реаль­ ные ползучесть и эластичность при восстановлении большинства пластмасс пред­ ставляет собой более сложный процесс, эта модель дает возможность лучше понять природу вязкоупругого поведения. В действительности, когда пластмассы нагружа­ ются, наблюдается мгновенная упругая деформация, за которой следует первый, вто­ рой и третий этапы ползучести [8].

На первом этапе процесс ползучести связывается с уменьшением ее скорости во времени, и этот процесс частично обратим. Ползучесть на втором этапе проис­ ходит с постоянной скоростью, а на третьем этапе перед разрушением наблюдает­ ся возрастание скорости ползучести. Скорость ползучести зависит от материала, напряжения и температуры, так же, как и значения разрушающей деформации при ползучести. Здесь следует заметить, что разрушение (или течение) будет проис­ ходить при значениях напряжения ниже соответствующих значений разрушаю­ щих напряжений, полученных при проведении кратковременных испытаний.

Испытание на ползучесть

Производители материала получают данные о ползучести, проводя испытания на отлитых контрольных образцах при различных уровнях напряжения (обычно произ­ водят измерения при четырех и более значениях напряжения) и наблюдая за измене­ нием деформации как функции от времени.

Выбираются наиболее характерные для условий эксплуатации значения темпе­ ратуры. Испытания могут проводится при растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. В идеальном случае, для точного изучения процесса ползучести рассматриваемого материала, испытания должны проводиться в течение многих лет, но из-за понят­ ных ограничений испытания обычно проводятся в течение более коротких перио­ дов времени. Для конструкторов важно знать, являются ли используемые ими дан­ ные экспериментальными или эти данные получены расчетным путем из результатов кратковременных испытаний. Возможно теоретически рассчитывать кривые ползу­ чести и прогнозировать разрушения при ползучести, но подобными результатами следует пользоваться осторожно — их достоверность обычно ограничивается од­ ним логарифмическим порядком [9].

Экспериментальные данные используются для построения графика «кривой ползу­ чести», то есть зависимости деформации от логарифма времени при постоянных значе­ ниях температуры и относительной влажности и при разных уровнях напряжения (то есть

190 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 3.23. Экспериментальные данные из испытаний ползучести используются для постро­ ения зависимости деформации от логарифма времени при различных уровнях напряжения. На этом графике постоянны температура и относительная влаж­ ность

для получения «кривой ползучести»). Наклон кривой ползучести отражает стабиль­ ность размеров изделия из данного полимерного материала в зависимости от величины напряжения. Повышение уровня напряжения и температуры приводит к возраста­ нию ползучести.

Скорость ползучести для полимеров с наполнителями или армированных волок­ нами существенно ниже, чем у исходных материалов, при условии хорошей взаимо­ связи полимера с наполнителями. На рис. 3.24 показано, что значения деформации ползучести для ПА 6.6, армированного стекловолокнами, существенно ниже, чем у чистого ПЛ 6.6 даже в случае, если па армированный материал действуют более высокие напряжения. Ползучесть может быть уменьшена при использовании для ар­ мирования графитовых волокон (рис. 3.25) [10]. Кроме того, на ползучесть армиро­ ванных полимерных материалов влияют линии спая и ориентации волокон. При тес­ тировании ползучести также следует проверять образцы на текучесть, разрушение, трещинообразование, сморщивание и побеление под воздействием нагрузок.

Результаты испытаний разрушения при ползучести (или текучести) обычно используются для построения кривых, показывающих зависимость напряжения при разрушении или текучести от логарифма времени при различных температу­ рах (рис. 3.26).

В процессе ползучести может произойти как пластичное, так и хрупкое разруше­ ние, которое обычно различается по внешнему виду (на макроскопическом уровне). При пластическом разрушении наблюдаются такие виды макроскопической пласти­ ческой деформации, как течение, образование шейки и т. п., в результате которых

192 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 3.26. Напряжение, вызывающее у изделия текучесть или разрушение при ползучести, зависит от длительности нагружения и от температуры. Величины напряжения, вызывающие текучесть и разрушение при ползучести, приведены для ПК при различных температурах

происходит изменение формы. Хрупкие разрушения не приводят к большим дефор­ мациям, а только вызывают незначительные локальные пластические деформации в области разрушения [11].

Микротрещины (волосяные трещины)

У многих пластмасс разрушения начинается с образования микротрещин. Тре­ щины являются плоскостными дефектами, образующими взаимопроникающую сетку пустот внутри высокоориентированных полимеров. Образование микротре­ щин — это процесс образования пустот, который сопровождается увеличением объе­ ма (рис. 3.27) [11].

Образование микротрещин начинаются с образования микропор под действием растягивающего напряжения. Затем эти поры начинают увеличиваться в размере и удлиняться в направлении действия растягивающего усилия, принимая форму тон­ ких волокон (фибрилл), которые формируют поверхность покрытую трещинами. По­ явление микротрещин само по себе не означает разрушение в условиях статического нагружения, но может привести к хрупкому разрушению, если в процессе эксплуатации материал подвергается ударным, динамическим нагрузкам, особенно в присутствии агрессивных химических веществ.

Даже вода или мягкие моющие средства могут оказывать негативное воздействие на механические свойства изделий из пластмасс, которые подвергаются механиче­ ским нагрузкам [12].