6. Явление гистерезиса

Одним из важнейших проявлений релаксационных процессов является упругий гистерезис, сущность которого заключается в следующем. Если действовать на образец постепенно возрастающим напряжением, а затем уменьшать его с той же скоростью, то кривая «напряжение – деформация», отвечающая росту напряжения, не совпадет с кривой падения, т.е. изменение деформации D отстает от изменения напряжения σ.

Кривая убывания деформации при понижении напряжения не возвращается в начало координат и соответствует вполне определенному значению деформации D₁, которую формально можно принять за необратимую остаточную деформацию (рис. 27). Однако со временем эта деформация постепенно убывает, поэтому ее называют кажущейся остаточной деформацией. Явление упругого гистерезиса зависит от скорости нагружения и температуры. Если время действия нагрузки равно времени релаксации, t = τ, то петля вырождается в равновесную кривую.

Энергия, накопленная в образце, определяется площадью петли гистерезиса как разность удельной работы, затраченной при нагружении и разгружении образца:

,

,

где и – функция изменения напряжения при его возрастании и убывании соответственно.

О тсюда площадь петли гистерезиса

.

Эта накопленная невозвращенная энергия может превращаться только в тепло, вызывающее нагревание образца. Механическую энергию, которая теряется в виде тепла, называют механическими потерями.

При быстродействующих переменных нагрузках количество тепла, которое выделяется за счет механических потерь, очень велико и может вызвать сильный разогрев материала. Так, например, в автомобилях при больших скоростях температура в резиновых шинах может подниматься до 100°С. Следствием тепловыделения может быть активирование химических реакций, в частности, реакций окисления (старения) эластомеров.

Гистерезисные явления особенно часто наблюдаются при эксплуатации изделий при пониженных температурах (но выше температуры стеклования), когда время релаксации велико и процесс восстановления размеров изделия после снятия напряжения происходит очень медленно.

5. Вязкотекучее состояние полимеров

1. Характеристика состояния

Если знание особенностей свойств полимеров в стеклообразном и высокоэластическом состояниях связано большей частью с эксплуатационными характеристиками изделий из полимеров, то закономерности поведения полимеров в вязкотекучем состоянии необходимо знать для того, чтобы создавать высокоэффективные процессы переработки их в изделия.

В вязкотекучем состоянии полимеры находятся при температуре выше температуры текучести Т_т. Это состояние характеризуется отсутствием упорядоченности в расположении макромолекул и возможностью направленного перемещения центров тяжести макромолекул друг относительно друга. В вязкотекучем состоянии могут находиться линейные и разветвленные полимеры. Наличие даже редких химических сшивок препятствует перемещению макромолекул.

Граница между высокоэластическим и вязкотекучим состояниями условна и зависит от выбранного метода характеристики свойств материала.

При переходе в вязкотекучее состояние аморфных полимеров воздействие механической силы при температурах выше температуры текучести приводит к развитию необратимых деформаций течения.

Течение всегда сопровождается развитием необратимых пластических деформаций. Наука, изучающая течения и развивающиеся при этом деформации, называется реологией (от греческого «реос» – течь).

Важнейшими характеристиками полимера в вязкотекучем состоянии являются температура текучести, вязкость расплава и поведение под действием приложенного напряжения, т.е. деформации.

Особенности расплавов полимеров:

- высокая вязкость, возникающая вследствие длинноцепочечного строения полимеров;

- маскировка истинного вязкого течения сопутствующими ему процессами высокоэластической деформации;

- возрастание (при определенных условиях) вязкости расплавов полимеров в процессе их течения;

- специфический механизм процесса течения полимеров, отличный от механизма течения низкомолекулярной жидкости – сегментальный механизм;

- возможность протекания в процессе течения расплавов полимеров механохимических процессов.