10.3. Основные теоретические положения

Термопластические пластмассы отличаются от других материалов способностью к высокоэластической деформации, которая обуславливается структурой линейного полимера.

Молекулы линейных полимеров, являющиеся связующим звеном в термопластах, представляют собой цепи, в которых элементарные звенья связаны химическими связями. Между отдельными молекулами действуют межмолекулярные силы физической природы. Прочность химических связей значительно превосходит межмолекулярное взаимодействие.

Молекулы линейных полимеров не представляют собой жестких систем; их элементарные звенья все время меняют свое положение, вследствие чего меняется вид цепи: она может принимать форму спиралей, запутанных зигзагов, клубков. Наличие двух видов связи и подвижность элементов цепи определяют своеобразные свойства полимеров линейной структуры. При повышении температуры они становятся жидкими, проходя стеклообразную, высокоэластическую и вязко-текучую стадии, отличающиеся характером преобладающей деформации. При охлаждении эти полимеры затвердевают.

В стеклообразном состоянии у термопластов преобладают упругие деформации, в высокоэластическом – эластичные, в вязко-текучем – пластичные.

Упругая деформация значительно меньше остальных, устанавливается мгновенно и мало зависит от температуры, так как она вызывается изменением расстояния между молекулами.

Эластическая деформация связана с перегруппировкой звеньев молекулы, которая совершается медленно, поэтому эластическая деформация релаксационна (т. е. установление равновесной деформации наступает через некоторое время после приложения нагрузки). При перегруппировке элементарных звеньев молекула распрямляется и высокоэластическая деформация достигает значительной величины. После снятия нагрузки образец восстанавливает свой первоначальный размер, но для этого также требуется некоторое время. Упругие и эластические деформации могут быть и у полимеров редкосетчатой структуры.

Пластическая деформация связана с необратимым перемещением молекул. Она неограничена и величина ее зависит от внутренней вязкости полимера и времени. После снятия нагрузки деформация не исчезает. При любой температуре у полимеров линейной структуры наблюдаются все три вида деформаций, а температурные интервалы стеклования (t_ст) или текучести (t_тек) указывают на появление преобладающей деформации. При постоянной температуре под воздействием определённого напряжения в деталях из термопластов наблюдается явление ползучести. Оно представляет собой постепенное увеличение деформации во времени. Если по условиям эксплуатации в пластмассовых деталях имеют место упругие и высокоэластические деформации, то через некоторое время изменение размеров прекращается. При наличии всех трех видов деформаций изменение размеров продолжается до разрушения.

В любом состоянии общая деформация

,

где -упругая, -эластическая, -пластическая деформация.

Их можно определить, анализируя зависимость общей относительной деформации от времени (рис. 9.1)

рис. 9.1. Зависимость общей относительной деформации от времени при постоянной нагрузке.

Представленная зависимость состоит из двух участков: участка OAD, показывающего развитие деформации образца в случае приложения постоянной нагрузки, и участка DF, показывающего течение деформаций после снятия нагрузки.

На участке нагружения хорошо виден участок упругой деформации OA, дальнейшее развитие деформации (участок AD) показывает одновременное развитие эластической и пластической деформаций, разделение последних на данном участке не представляется возможным.

После снятия нагрузки часть деформации (участок DC) снялась почти сразу, что характеризует наличие и величину упругой деформации ; другая часть деформации снялась постепенно с течением времени (участок CF), что характеризует эластичность материала. Часть же деформации осталась в сохраняется в течение длительного времени, что характеризует остаточную пластическую деформацию, равную (OF₁).

Таким образом, общая деформация складывается из всех трех видов деформаций. Анализируя представленную зависимость, можно легко определить упругую и пластическую деформацию. Зная общую деформацию, можно вычислить величину эластической деформации:

.