8 Методы определения деформационно-прочностных свойств полимеров

Деформационные свойства полимеров исследуют при различных схемах нагружения. Наиболее распространенными вследствие простоты экспериментального оформления и наглядности интерпретации получаемых результатов являются методы изучения механических характеристик в режиме одноосного растяжения (или сжатия) при задании постоянной скорости движения одного конца образца и при фиксированном положении другого конца. Для проведения таких испытаний в настоящее время используют универсальные испытательные машины, которые по традиции называют разрывными машинами (в настоящее время они представляют собой универсальные испытательные приборы высокого класса и большой сложности).

Например, при испытании на растяжение образец закрепляется в зажимах разрывной машины и растягивается при постоянной скорости движения подвижного зажима. Экспериментально измеряют изменение нагрузки в зависимости от абсолютного удлинения образца. Для построения деформационно - прочностной кривой определяют напряжения и соответствующие им относительные деформации.

Под механической прочностью понимают свойства тел противостоять разрушению, происходящему в результате действия внешних усилий. Принципиальные особенности полимерного состояния вещества определяют характер развития деформации, т.е. ее зависимость от времени воздействия.

Различают следующие виды деформаций полимерных материалов: упругая, высокоэластическая и пластическая. Упругая деформация, связанная со способностью тела полностью восстанавливать свою исходную форму сразу после снятия нагрузки, описывается законом Гука. С некоторым приближением этот закон применим для начальных стадий нагружения полимерных образцов. С увеличением нагрузки проявляется высокоэластическая или вынужденная высокоэластическая деформация. Для данного вида деформации характерно медленное восстановление первоначальной формы образца после прекращения действия нагрузки. Наконец, при достижении определенного значения нагрузки полимерный образец может испытать необратимую пластическую деформацию. Прочностные и деформационные свойства пластмасс устанавливают с помощью механических испытаний.

В данной работе будут рассмотрены основные аспекты проведения испытаний полимерных образцов в режиме растяжения.

Типичные зависимости, характеризующие поведение полимерных материалов в режиме растяжения, представлены на рисунке

a — хрупкие материалы;

b, c – жесткие материалы с пределом текучести;

d – жесткие материалы без предела текучести

Рисунок 18 - Типы кривых напряжения и деформации

Характеристики материалов, испытанных в режиме растяжения:

1. Модуль упругости (E_t)

Модуль упругости рассчитывается в интервале между двумя значениями деформации. Кривая на диаграмме деформаций и напряжений находится в интервале между двумя значениями деформации в 0.05% и 0.25%.

Модуль упругости может быть вычислен при проведении секущей через две точки (легко использовать для ручного определения, статистически чувствительно к шумам) или через линейную регрессию (учитывает все измеренные точки и дает статистически более надежные результаты).

а) б)

а — секущая;

б — линейная регрессия

Рисунок 19 — Способы определения модуля упругости

2. Предел текучести (σ_y, ε_y,)

Ненаполненные термопласты, как правило, демонстрируют предел текучести, который проявляется в возникновении «шейки» на рабочей длине образца.

Рисунок 20 — Деформация образца при испытаниях на растяжение

Этапы развития деформации образца при испытаниях на растяжение:

• До достижения предела текучести деформация довольно равномерно распространяется в пределах параллельной части образца.

• По мере приближения к пределу текучести скорость деформации увеличивается в пределах ограниченного участка, в то время как на других участках она уменьшается.

• За пределом текучести в зонах текучести можно наблюдать очень большую скорость деформации. Эти локальные скорости деформации могут в 10 раз превышать среднюю скорость деформации.

Результаты деформации образцов, определенные за пределом текучести, определяются как «номинальная деформация».

Прямое измерение деформации за пределом текучести может привести к статистически ненадежным результатам.

3. Максимальное напряжение (σ_M, ε_M)

Точка максимального напряжения определяется как первый максимум.

Рисунок 21 — Определение максимального напряжения и точки разрушения

Определение первого максимума σ_M позволяет избежать неопределенности результата при выборе между пределом текучести и точкой разрушения в зависимости от формы кривой, как это было в прежних версиях.

4. Точка разрушения (σ_B, ε_B, ε_tB)

Вид кривой растяжения зависит от температуры испытания, физического и фазового состояния полимера. Типичные зависимости для аморфного полимера деформируемого при температурах ниже и выше температуры стеклования приведены на рисунке 22.

I – упругое деформирование;

II – холодное течение, образование шейки в точке С;

III – растягивается шейка по длине как единое целое.

Рисунок 22 - Кривая растяжения аморфного полимера

I – упругий характер;

II – ориентация молекул (перестройка);

III – рост напряжений

Рисунок 23 - Кривая растяжения аморфного полимера в высокоэластическом состоянии

I – упругая деформация;

II – перестройка исходной структуры (рекристаллизация шейки);

III – в точке С весь материал переходит в шейку

Рисунок 24 - Кривая растяжения полимера в кристаллическом состоянии

I – первый закон Ньютона, γ` - мала, σ=η· γ`, наибольшая ньютоновская вязкость (η);

II – аномалия вязкости σ=η_эф· γ`ⁿ ;

III – область наименьшей ньютоновской вязкости

Рисунок 25 – Кривые течения расплавов термопластов (вязкотекучее состояние)

Важная особенность полимерных стекол заключается в способности в определенном интервале температур ниже Т_с при приложении больших напряжений деформироваться на десятки процентов. Такие деформации, развивающиеся в стеклообразных полимерах под действием больших напряжений, были названы вынужденно эластическими, а само явление вынужденной эластичностью. При вынужденно эластической деформации не происходит смещения центров тяжести макромолекул друг относительно друга. Как и при высокоэластической деформации, изменение формы образца происходит за счет изменения конформаций макромолекул. Однако в отличие от высокоэластической деформации этот процесс при данной температуре практически необратим.

а — стеклообразный полимер выше (1) и ниже (2) температуры хрупкости, выше температуры стеклования (3);

б — образование и распространение шейки при растяжении стеклообразного полимера

Рисунок 26 - Кривые растяжения

Уменьшение наклона кривой σ = f(ε) по мере увеличения степени растяжения связано с началом развития в образце вынужденно эластической деформации. С возрастанием напряжения скорость вынужденно эластической деформации быстро увеличивается. В точке максимума на кривой σ = f(ε) скорость вынужденно эластической деформации становится равной скорости растяжения задаваемой прибором. Напряжение, при котором это наблюдается, называют пределом вынужденной эластичности (σ_в). По достижении σ_в происходит резкое сужение образца образование так называемой «шейки». При переходе в шейку полимер ориентируется, и его свойства существенно изменяются по сравнению со свойствами исходного материала. Ориентированный материал обладает в стеклообразном состоянии более высокими значениями модуля упругости и предела вынужденной эластичности в направлении ориентации, чем изотропный материал. Когда при образовании «шейки» достигается степень вытяжки, обеспечивающая заметное возрастание σ_в, развитие вынужденно эластической деформации в шейке резко замедляется. Процесс деформации продолжается у границ шейки, где сечение образца уменьшено, т.е. там, где напряжение повышено, а упрочнение еще мало. На пологом участке кривой растяжения (участок II) напряжение при удлинении остается практически постоянным. Поперечное сечение шейки изменятся мало, и удлинение образца происходит, главным образом, за счет вынужденно эластической деформации материала у границ шейки. Длина шейки при этом увеличивается. Растяжение с образованием шейки и дальнейшим ее распространением является особенностью твердых полимеров. После того, как границы распространяющейся шейки подойдут к концам рабочей части образца, полимер снова, как и на начальном участке кривой, деформируется однородно, как единое целое (участок III). Напряжения при этом снова начинают возрастать с увеличением удлинения. Удлинения, возникающие на участке II кривой растяжения, после снятия нагрузки уменьшаются незначительно. Однако, при нагревании полимера выше Т_с, когда подвижность участков макромолекул возрастает, вынужденно эластическая деформация полностью исчезает (релаксирует).

Рисунок 27 - Зависимость разрушающего напряжения (σ_п) и предела вынужденной эластичности (σ_в) при растяжении аморфного полимера от температуры

Температурная зависимость σ_в при постоянной скорости деформирования представлена на рисунке 27. Прямая σ_в = f(Т) пересекается с осью абсцисс в точке, соответствующей температуре стеклования полимера. При температуре стеклования значение σ_в близко к 0, и в образце уже при малых напряжениях развивается высокоэластическая деформация.

По мере понижения температуры σ_в возрастает, поскольку для перегруппировок участков цепей требуются все большие напряжения, и становится выше прочности испытываемого полимера (σ_п). Иными словами, при достаточно низкой температуре под действием приложенной силы нарушение целостности материала происходит раньше, чем успевает развиться заметная вынужденно - эластическая деформация. Эта температура называется температурой хрупкости полимера (Т_хр). Дальнейшее понижение температуры несколько увеличивает напряжение, необходимое для разрыва (σ_п), но разрыву уже не предшествуют заметные вынужденно - эластические деформации материала. Температура хрупкости соответствует точке пересечения температурных зависимостей σ_п и σ_в. Ниже температуры хрупкости образец хрупко разрушается.

В температурном интервале Т_с - Т_хр полимерные стекла чрезвычайно стойки к ударным воздействиям, т.к. протекание процессов вынужденно - эластической деформации обеспечивает поглощение энергии при ударе и хрупкое разрушение полимерного стекла либо предотвращается, либо, если оно происходит, то не приводит к появлению большого количества осколков.

В отличие от полимерных стекол каучук (т.е. полимер, находящийся в высокоэластическом состоянии) способен претерпевать очень большие нелинейные деформации (до сотен процентов и выше) при весьма умеренных нагрузках. При этом для слабо сшитого каучука вплоть до разрыва деформации полностью обратимы, а для линейного каучука реализуется дополнительно необратимая пластическая деформация течения. Модуль упругости каучука в области небольших деформаций, в которой соблюдается закон Гука, составляет порядка 1 МПа. Для сравнения заметим, что модули упругости типичных низкомолекулярных твердых тел достигают примерно 10⁵ МПа, а их наибольшая упругая (обратимая) деформация редко превышает 1 %.

Если аморфный полимер переходит в кристаллическое состояние, то модуль упругости (E) повышается на один - два десятичных порядка. Кристаллические полимеры обладают достаточно высокими модулями упругости вплоть до температуры плавления кристаллитов. Поскольку полимеры, в отличие от низкомолекулярных веществ, не способны закристаллизовываться полностью, то в них области высокой упорядоченности (кристаллические области) всегда сосуществуют с областями меньшей упорядоченности, т.е. с аморфными областями. Из-за высокого содержания аморфных областей понятие Т_с сохраняет определенный физический смысл и для кристаллических полимеров. Ниже Т_с кристаллический полимер, как правило, представляет собой более хрупкий материал, чем аналогичный полимер в аморфном стеклообразном состоянии. При температурах, превышающих Т_с, аморфные области частично-кристаллического полимера находятся в высокоэластическом состоянии. Поэтому в области между Т_пл и Т_с такие полимеры значительно более эластичны и менее хрупки по сравнению с обычными поликристаллическими материалами (например, металлическими), а также стеклообразными полимерами. В этом температурном интервале кристаллические полимеры при растяжении способны к развитию больших вынужденно - эластических деформаций. Развитие больших деформаций («холодного течения») кристаллических полимеров, так же как и развитие вынужденно эластических деформаций стеклообразных полимеров происходит через образование шейки с постепенным переходом всего материала в шейку. При образовании шейки и в аморфных и в кристаллических полимерах происходит переход от изотропного к анизотропному ориентированному состоянию. Такой переход в кристаллическом полимере сопровождается плавлением (разрушением) исходных кристаллических областей под действием механических напряжений, переориентацией участков макромолекул, которые ориентируются в направлении растяжения и рекристаллизацией. Вновь образующиеся кристаллиты в отличие от кристаллитов исходного материала располагаются анизотропно. Напряжение, соответствующее максимуму на кривой растяжения кристаллического полимера, называют напряжением рекристаллизации (σ_р).