48. Динамическая усталость пластмасс и резин.

17.2. Динамическая усталость полимеров

Динамическая усталость или утомление полимера – это снижение его прочности под действием многократных периодических нагрузок или деформаций. Существует два основных режима нагружения полимеров при испытаниях на динамическую усталость:

1) и (аналогичен опытам по релаксации напряжения);

2) и (аналогичен испытанию на ползучесть).

П ри утомлении полимера снижается как , так и амплитудное значение напряжения . Основным признаком утомления является снижение прочности. Когда прочность окажется равной суммарному напряжению , произойдет разрушение. Усталостную прочность (сопротивление утомлению) удобно характеризовать не временем до разрушения, а числом циклов деформации до разрушения .

Рассмотрим поведение резины и пластмассы в разных режимах утомления. Пусть пластмасса испытывается в режиме I. Пластмасса – жесткий материал, ее модуль велик, поэтому при заданной деформации в образце возникает значительное напряжение. Работа деформации . Значительные и обусловливают большую работу , а следовательно и быстрое развитие утомления. Очевидно, что при этом число циклов будет невелико, т.е. образец разрушится быстро.

Пусть пластмасса испытывается в режиме II. Даже при достаточно большом заданном значении из-за высокого модуля упругости окажется небольшим (пластмасса мало деформируется), величина небольшая и число циклов до разрушения велико. Отсюда пластмассы при циклических нагрузках лучше работают в режиме II ( ) и хуже работают в режиме I ( ).

Резина в режиме I: Даже при большом значении , поскольку модуль упругости резины мал, в ней развиваются малые напряжения, мала, невелико. Обратная картина при испытаниях резины по режиму П. Задав большое при малом значении получим большое значение , а, следовательно, и большую работу , подводимую в каждом цикле. Это приведет к быстрому разрушению. Отсюда: резиновый (низкомодульный) образец более долговечен при нагружении в режиме постоянной деформации ( ). Причиной снижения прочности в процессе утомления служат следующие факторы:

1. Механодеструкция макромолекул в местах концентрации напряжений;

2. Перегруппировка надмолекулярных структур, рекристаллизация, приводящие к необратимому изменению размеров образца;

3. Выделение теплоты, локальный перегрев;

4. Процессы окисления в местах саморазогрева материала.

Зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды разрушения, как для пластмасс, так и для резин (см. рис.) аналогична зависимостям долговечности при статических испытаниях.

Формула Резниковского для резин:

.

где - прочность полимера; - коэффициент выносливости, показывающий темп снижения прочности при утомлении.

Чем больше , тем лучше сопротивляется полимер развитию усталостных процессов в нем.

Менее прочный полимер, но имеющий большее значение (кривые 2 на рис. б) может быть более динамически выносливым. Резина 2 при малых амплитудах напряжения может выдерживать большее число циклов до разрушения, чем более прочная резина 1, обладающая меньшим значением коэффициента .

13