литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem
.pdf
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА |
193 |
Побеление при нагружении
Побеление при нагружении — это общий термин, который используется для опи сания явления, проявляющегося в виде помутнения или побеления в прозрачных или полупрозрачных полимерных материалах. Побеление обычно является результатом появления микропор, которое вызвано отслоением наполнителей или волокон, а также локализованным разрушением вблизи таких включений, как частицы каучука или других противоударных модификаторов [10].
Кривые ползучести
Кривые ползучести, аналогичные показанным на рис. 3.23-3.25, представляют собой графическое изображение экспериментальных данных, полученных после ис пытаний на ползучесть. Эти экспериментальные данные также могут быть предостав лены и в более удобном для конструкторов виде.
Рис. 327. Микропоры и микротрещины могут в конечном счете приводить к растрескиванию и хрупкому разрушению
Рис. 3.28. На снимке показано образование трещин в изделии из акрила
13 Зак. 593
194 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Кривые ползучести, аналогичные показанным на рис. 3.29, обычно получают при стандартных значениях времени (обычно 1,10,100,1000 ч и т. д.), чтобы затем полу чить зависимость напряжения от деформации в этих временных интервалах. На ос нове этих данных составляются графики изохронных зависимостей напряжения от деформации, как показано на рис. 3.30 [12]. Эти кривые используются вместо кри вых кратковременных зависимостей напряжения от деформации, когда осуществля ется проектирование изделий, эксплуатирующихся при долговременных статичес ких нагрузках.
Изохронные зависимости напряжения от деформации обычно получают при раз ных температурах, что дает возможность конструктору учесть влияние как времени, так и температуры на значение релаксирующего (изменяющегося) модуля ползуче сти полимера. Эти значения модуля ползучести обычно используются вместо моду ля Юнга в классических расчетных уравнениях для прогнозирования деформаций или изменения формы, вызванных длительным нагружением. Следует отметить, что значения этого модуля зависят от времени, температуры и уровня приложенной на грузки. На изохронных зависимостях напряжения от деформации (рис. 3.30-3.32) показаны пределы образования микротрещин или начало растрескивания для поли меров при различных температурах. Критическое значение напряжения на рисунке обозначено точкой пересечения изохронной кривой с пунктирной линией, обознача ющей начало образования микротрещин. Например, на изохронной зависимости напря жения от деформации для ПК при 60 °С и 50 % относительной влажности (рис. 3.31), видно, что микротрещины будут появляться примерно через 10 ч после приложения на грузки величиной 4000 фунт/дюйм2 (74 МПа). Приблизительно 10 000 ч потребуется для
Рис. 3.29. Кривые ползучести обычно пересекают при определенных значениях времени (1, 10,100,1000 ч и т. д.), чтобы иметь данные для построения изохронной зависимо сти напряжения от деформации. Точки пересечения соответствуют одинаковым значениям времени ползучести
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА |
195 |
того, чтобы появились микротрещины при нагрузке величиной 2000 фунт/дюйм2 (36 МПа). Следует учитывать, что информация о предельных значениях напряжений и деформаций, приводящих к образованию микротрещин, не всегда должна служить критерием при определении конструкторами верхнего предела допустимого напря жения.
Рис. 330. Набор изохронных зависимостей напряжения от деформации для ПК при комнат ной температуре и относительной влажности 50 %
Рис. 3.31. Набор изохронных зависимостей напряжения от деформации для ПК при 60 °С и 50 % относительной влажности
196 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 3.32. Набор изохронных зависимостей напряжения от деформации для ПК при 100 °С и 50 % относительной влажности
Данные о ползучести могут быть предоставлены в виде графиков, представляю щих значения модуля ползучести в определенные периоды времени при разных на пряжениях (рис. 3.33,3.34). Из кривых четко следует влияние уровня напряжения на значения релаксирующего модуля [12].
Рис. 3.33. Зависимость модуля ползучести от напряжения при заданных значениях времени для ПК при комнатной температуре и относительной влажности 50 %
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА |
197 |
Рис. 334. Зависимости модуля растяжения при ползучести от логарифма времени при раз личных уровнях нагрузки. Экстраполяцию на большие времена следует проводить в пределах одного логарифмического порядка
Данные о ползучести часто предоставляются в виде графиков зависимостей мо дуля ползучести от логарифма времени при различных уровнях нагрузки. Подобный графический способ представления данных очень удобен, поскольку он:
а) дает возможность конструкторам определить значения модуля ползучести при различных значениях времени;
б) облегчает задачу экстраполяции кривой па большие периоды времени. Однако следует еще раз заметить, что экстраполированными данными следует
пользоваться осторожно, и они должны быть ограничены одним логарифмическим порядком.
3.4.4. Механические свойства, зависящие от времени. Релаксация напряжений
Данные о ползучести используются для конструирования изделий из пластмас сы, испытывающих постоянную нагрузку или напряжение в течение продолжитель ного периода времени. Данные же о релаксации напряжения необходимы в тех случаях, когда изделие во время эксплуатации испытывает продолжительное время постоян ную деформацию. Когда изделия из пластмассы подвергаются растяжению, сжатию, изгибу или сдвигу при фиксированных значениях деформации или изменению фор мы, то значения напряжения, связанные с этой деформацией, уменьшаются во време ни из-за вязкости материала. Релаксация напряжений аналогична ползучести в том, что модуль релаксации ER (t, T ) уменьшается со временем:
(3.7)
198 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
где значение деформации постоянно, а значение напряжения является функцией как времени, так и температуры.
Характеристики релаксации напряжения полимера играют очень важную роль, например, в случаях его применений, показанных на рис. 3.35 .Часто при эксплуата ции изделия существенное значение имеют силы трения, возникающие при прессо вом соединении. Так, в случае прессовой втулки, возможности передачи крутящего момента определяются площадью контакта, коэффициентом трения и величиной на пряжения. По мере того как релаксируют напряжения в пластмассовой втулке, воз можность передачи крутящего момента уменьшается. В случае кольцевого соедине ния для предотвращения утечки необходимы сжимающие нормальные напряжения. Как только происходит релаксация напряжений, возможность утечки увеличивается.
Рис. 335. Типичные примеры условий использования изделий из пластмассы, при которых они находятся постоянно в деформированном состоянии. В этом случае необходимы дан ные о релаксации напряжений (в большей степени, чем данные о ползучести)
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА |
1 9 9 |
Характеристики релаксации напряжения полимерного материала играют очень важ ную роль, когда части изделия при сборке предварительно нагружаются или содержат пластмассовые пружинистые компоненты. Чтобы сконструировать изделия для дан ных вариантов эксплуатации, необходимо воспользоваться данными по релаксации напряжения при соответствующих значениях деформации, температуры и времени, которые предоставляются поставщиками материалов.
Данные по релаксации напряжений получают при фиксированном значении де формации отлитого образца, после чего производят измерение уменьшения напряже ния со временем. Испытания могут быть проведены при растяжении, сжатии, сдвиге и изгибе. Данные по релаксации напряжений могут быть использованы для построения изохронных зависимостей напряжения от деформации, которые аналогичны тем, ко торые были получены при обработке экспериментальных данных для ползучести [12].
Данные по релаксации напряжений могут быть также предоставлены в форме за висимости модуля релаксации от логарифма времени при различных постоянных значениях деформации (рис. 3.37) [12].
К сожалению, информация о релаксации напряжений не так доступна, как в слу чае ползучести, во многом из-за относительной сложности оборудования.
Если данные по релаксации напряжений недоступны, можно приблизительно оце нить уменьшение напряжения по данным о ползучести, однако на практике этого де лать не рекомендуется [6,7]. Установлено, что модули ползучести и релаксации могут быть аналогичными при небольших изменениях времени и низких уровнях деформа-
Рис. 336. Как и данные по ползучести, данные по релаксации напряжений используются для построения изохронных зависимостей напряжения от деформации. На графи ке приведены данные но релаксации ПК при комнатной температуре и относи тельной влажности 50 %
200 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 337. Зависимости модуля релаксации от времени при различных постоянных дефор мациях для ПК при комнатной температуре и относительной влажности 50 %
ции, но при увеличении времени и высоких уровнях деформации разность значений этих двух модулей возрастает [12].
3.5. Ударная прочность полимерных материалов
Ударная прочность определяется как возможность материала выдерживать боль шие по величине импульсные нагрузки [6]. Удар приводит к относительно высокой нагрузке, обычно большей, чем в условиях обычного тестирования механических свойств. В ряде случаев ударную нагрузку изучают, бросая изделия на жесткую по верхность или подвергая их воздействию брошенного тела. В этих случаях изделия из пластмассы должны быть в состоянии рассеять энергию, связанную с воздействи ем ударной нагрузки. Этого можно достигнуть как за счет конструкции изделия (например, за счет использования больших радиусов кривизны в углах изделий, амортизирующих креплений и т. п.), так и за счет правильного выбора материала. Ударные характеристики пластмасс в значительной степени зависят от скорости удар ного воздействия, температуры, типа нагружения, формы образца, его толщины и дру гих параметров. Ударные характеристики могут сильно отличаться от партии материа ла к партии, кроме того, следует учитывать, что проблемы с ударной прочностью обычно возникают, когда пластмассы используются при низких температурах. (Проблемы, свя занные с ползучестью и релаксацией напряжений, возникают в большей степени при повышенных температурах.)
Стандартные методы испытаний, обычно использующиеся для оценки ударной прочности пластмасс, как правило, не дают всех ударных характеристик. Данные о поведении материала при ударных нагрузках, полученные с помощью стандартных
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА |
201 |
Рис. 338. Ударная прочность у большинства полимерных материалов возрастает с увеличе нием температуры
испытаний, используются для оценки «относительной устойчивости» к удару и чув ствительности материала к надрезу, необходимые при начальном отборе материала. Некоторые, использующиеся на практике методы испытания на прочность к удару, описаны ниже [5—7,12].
Испытания по Изоду
Наиболее часто используемое испытание на удар — это испытание на маятнико вом копре по Изоду. Здесь измеряется энергия, необходимая для разрушения надре занного консольного образца маятником, отклоненным на фиксированную высоту. В образце предварительно делается надрез, выполняющий роль концентратора на пряжений и места образования трещины.
Рис. 339. Метод испытаний по Изоду — это испытание на удар на маятниковом копре при консольном закреплении образца
202 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Результаты метода ударных испытаний по Изоду характеризуют свойства надре занных образцов, которые могут существенно отличаться от свойств ненадрезанпых реальных изделий (в особенности при других скоростях удара и температурах). Ис пытание также можно проводить на образцах без надрезов, с надрезами на внутрен ней стороне и при разных радиусах закругления линии надреза. Такие испытания относятся к нестандартным.
Рис. ЗЛО. Толщина образца, радиус кривизны надреза и способ нанесения надреза, значи тельно влияют на результаты испытаний при ударе
Ударная прочность полимерных материалов возрастает при увеличении темпера туры и радиуса кривизны надреза. Поэтому очень важно следить за значениями ради усов кривизны у пластмассовых изделий, чтобы снизить эффект концентрации на пряжений. Однако на практике радиусы кривизны зависят от наличия пор, утяжин или усадочных напряжений [5,12].
Рис. 3.41. Процедура подготовки образца оказывает сильное воздействие на результаты ис пытания на ударную прочность