Упругость и высокоэластичность

Упругость - свойство твёрдых тел обратимо и полностью восстанавливать свою исходную форму или объём сразу после снятия деформирующих сил. Если тело или материал проявляют это свойство, они называются упругими. Соответственно, обратимая деформация упругого тела называется упругой деформацией. Такая деформация характерна для любых твёрдых тел. Обусловлена она изменениями средних межатомных расстояний и деформацией валентных углов в полимерной цепи. Работа внешних сил расходуется здесь на преодоление внутренних взаимодействий.

Упругая деформация проявляется при напряжениях, не превышающих определённых для каждого материала величин (ордината точек а). Внутри такого интервала напряжений (в упругой области деформаций) чаще всего имеет место прямая пропорциональность между приложенным напряжением (σ;) и относительной деформацией (ε;) и зависимость ε = f (σ) на диаграмме напряжений выражается прямой линией. Упругая деформация невелика и формально подчиняется закону (уравнению) Гука, который устанавливает связь между величинами относительной деформации и напряжения. Математическое выражение закона Гука для деформации в продольном направлении

σ = Е ε, где

ε - относительная деформация;

Е – коэффициент пропорциональности.

Коэффициент Е здесь называется модулем Юнга или модулем нормальной упругости (модулем упругости). Численно модуль упругости равен нормальному напряжению при = 1. При таком условии величина Е является постоянной и характеризует одно из важнейших механических свойств материала - устойчивость его к деформациям под действием внешней нагрузки.

Модуль упругости – мера жёсткости материала, характеризующая сопротивление развитию упругих (обратимых) деформаций.

В таблице 3 представлены значения модулей упругости некоторых материалов при испытаниях на растяжение (Е_р), статический изгиб (Е_и), сжатие (Е_сж).

Таблица 3. Значения модулей упругости (модулей Юнга)

Некоторая разница в значениях модулей упругости, полученных при разных испытаниях, объясняется специфичностью поведения материалов при разных видах нагрузки. Полистирол, например, хрупко разрушается при растяжении, но при сжатии ведёт себя как пластичный материал, накапливающий большую деформацию до момента разрушения (рис. 5). Такое различие объяс няется тем, что при разрыве хрупких полимеров их поведение определяется главным образом наличием дефектов или субмикротрещин и ростом этих трещин. При сжатии роль таких трещин невелика, так как сжатие приводит к их закрытию. В итоге, модуль упругости, определяемый при сжатии, как правило выше, чем при растяжении. Подобная специфичность поведения материалов вызывает необходимость использования для объективной оценки упругости материала значений всех трёх модулей – при растяжении, сжатии и изгибе. В инженерной практике, однако, чаще всего используется оценка по двум модулям - растяжения и изгиба.

Пропорциональность относительной деформации напряжению сохраняется до определённого значения напряжения (рис. 4, точки а), выше которого она нарушается. Значение такого напряжения называют пределом пропорциональности или пределом упругости (σ_у). Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает у низкомолекулярных тел, а в определенных условиях и у некоторых полимеров, небольшое необратимое удлинение образца, заканчивающееся при определённом дополнительном усилии его разрушением (рис.4, кривая 1, точка b).

В отдельных случаях уже на начальном участке диаграммы прямая пропорциональность между напряжением и деформацией отсутствует (рис. 6, кривая 2) и их величины связаны более сложным образом. Тогда характеристика упругости через значение модуля Юнга становится неприемлемой и за меру сопротивляемости материала развитию упругих деформаций принимается так называемый условно-мгновенный модуль упругости. Его значение определяется как тангенс угла касательной к кривой «нагрузка-удлинение» в точке кривой, совпадающей с началом координат.

Величина модуля упругости находится из диаграмм «напряжение – от­носительная деформация», тогда как экспериментально обычно получают диаграммы «нагрузка – абсолютное удлинение». Следовательно, экспери­ментальные данные требуют пересчёта.

Высокоэластичность (или эластичность), как и упругость, - свойство полимерных тел восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия деформирующих усилий. Основное отличие высокоэластичности от упругости в том, что она проявляетсяпод действием небольших по величине усилий, а обратимая деформация может составлять при этом несколько сотен процентов. Это свойство проявляется только у полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии. Обязательными условиями проявления высокоэластичности являются определённая химическая структура макромолекул материала и его температура. Полимеры, находящиеся в высокоэластическом состоянии при комнатных температурах, называются эластомерами. Это, в основном, каучуки и наполненные резины. Обусловлена высокоэластичность перемещением под действием внешних сил отдельных участков макромолекул, приводящих к изменениям конформаций. На рис. 7 приведена типичная кривая зависимости деформации от напряжения каучукоподобного полимера. Её форма показывает, что развитие деформации происходит нелинейно во всей области приложения нагрузки и значения отношений напряжения к деформации переменны. Имеется и ряд других особенностей поведения эластомеров при нагружении и после снятия напряжений, которые делают некорректным применение к ним термина «упругость» и послужили причиной ведения термина «высокоэластичность». Для характеристики сопротивляемости высокоэластичных тел деформированию используется величина равновесного модуля высокоэластичности, вычисляемого при малых значениях деформации. Его величина составляет около 0,1 – 1,0 Мпа. При нарастании деформации модуль высокоэластичности меняется в зависимости от величины деформации.

1.1.2. Жёсткость и мягкость

Жёсткость и мягкость - качественные характеристики деформируемости полимеров. Подразделение полимеров на жёсткие и мягкие достаточно условно. За критерий такого подразделения принята величина модуля упругости. Обычно жёсткими называют материалы с модулем Юнга выше 10³ МПа, а мягкими – менее 10² МПа. К мягким, например можно отнести (табл. 3) полиэтилен высокого давления.