Вынужденная высокоэластичность

Одной из особенностей полимерных стеклообразных тел является их способность к большим деформациям при воздействии значительных по величине напряжений. При действии постепенно увеличивающейся нагрузки сначала развиваются сравнительно малые удлинения, пропорциональные напряжению. Этот этап описывается на графической зависимости «нагрузка – деформация» прямой линией (рис.4, участок оа). что характерно для упругой деформации. При возрастании нагрузки возникают отклонения деформации от закона Гука и прямая переходит в кривую. Дальнейший вид этой кривой зависит от природы полимера. Некоторые разрушаются уже по достижению сравнительно небольших деформаций (кривая 1, рис. 4). Подобным образом ведут себя уже при комнатной температуре полистирол и некоторые другие хрупкие пластмассы. Но большинство проявляет весьма значительную по величине деформацию, которая практически не изменяется после снятия нагрузки, но полностью исчезает при нагревании до температур, близких к температуре стеклования (Т_с). Такую деформацию называют вынужденной высокоэластической.

Вынужденная высокоэластическая или вынужденно-эластическая деформация - специфический вид высокоэластической деформации. Особенностью вынужденно-эластической деформации, отличающей её от высокоэластической, является прежде всего то, что она развивается в полимерах, находящихся в стеклообразном или кристаллическом состояниях. Во-вторых, для её проявления необходимы большие напряжения, значительно превышающие предел упругости.

Вынужденная эластичность наблюдается обычно в полимерах с определённой рыхлостью молекулярной упаковки, при которой может проявляться гибкость цепных макромолекул или надмолекулярных образований. Для полимеров в ориентированном состоянии данный вид деформации не характерен.

Наиболее типичное поведение термопластичных полимеров при действии больших нагрузок описывается на диаграмме «нагрузка - деформация» кривыми 3 и 4 (рис. 4). На них ордината точки с указывает величину нагрузки, инициирующей вынужденно-эластическую деформацию. Величины такой деформации при растяжении могут составлять десятки и сотни процентов. Столь большие деформации имеют высокоэластическую природу и обусловлены изменением конформации макромолекул. Однако, и в стеклообразных, и в кристаллических материалах макромолекулы связаны довольно значительным межмолекулярным взаимодействием и перевод их в растянутую форму требует значительных усилий. Межмолекулярные взаимодействия фиксируют и новые конформации, образовавшиеся после деформации, и одного только теплового движения молекул в стеклообразном или кристаллическом полимере недостаточно для возвращения их в энергетически выгодную свёрнутую форму. Активизация этого движения производится за счёт подвода тепловой энергии со стороны и перевода материала в высокоэластическое состояние.

Ряд полимеров с «жёсткими» макромолекулами и высоким значением модуля упругости проявляют при растяжении особый характер. Таковы полиметилметакрилат, поливинилхлорид и некоторые другие. Их кривые растяжения имеют в области перехода от упругой к вынужденно-эластической деформации чётко выраженный максимум (рис. 4, кривая 4). Подобные кривые можно разделить на несколько участков, характеризующих различные стадии процесса деформации. Начальная область (область оа) соответствует деформации, формально подчиняющейся закону Гука. В области aс тангенс угла наклона кривой к оси абсцисс с увеличением наклона уменьшается. Это соответствует началу развития вынужденно-эластиче­ской деформации. При этом на образце внезапно (скачком) возникает шейка. Область cd –область спада напряжений, соответствующая завершению процесса образования шейки. Далее (область de) при практи­чески неизменном напряжении шейка удлиняется за счёт соседних мало деформированных частей образца. В точке е рост шейки прекращается, так как толщина всего образца становится равной толщине шейки и на участке еb деформируется до разрушения (точка b) образец уже уменьшенного сечения.

В каждой из выделенных областей происходят изменения молекулярной структуры материала. Вначале молекулы под влиянием приложенного механического напряжения распрямляются (отрезок ос). Далее происходит упорядочивание и ориентация цепей (отрезок cd). Затем ориентированные элементы макромолекулы сближаются, в результате чего увеличиваются межмолекулярные взаимодействия и соответственно возрастает прочность (отрезок de).

 

Значения ординат и абсцисс точек перегиба кривых зависимостей «напряжение – деформация» используются для вычислений характеристик деформации (прочности). Стандартами регламентируется положение точек, используемых для таких расчётов. ГОСТ 11262 предлагает для расчётов основных характеристик при деформации растяжением использовать точки, указанные на рис 8.

Согласно ГОСТ 11262 определяются:

Разрушающее напряжение при растяжении (σ_р) – отношение нагрузки, при которой разрушился образец, к площади первоначального поперечного сечения образца. Измеряется в Мпа или Н/ мм². В литературе величину разрушающего напряжения при разрыве иногда именуют «прочность при растяжении».

Предел текучести при растяжении (σ_тр) – напряжение, при котором образец удлиняется без существенного увеличения нагрузки.

Величину напряжения, при котором вынужденная эластическая деформация достигает максимального значения (точка с,рис. 8), в литературе иногда называют пределом вынужденной эластичности и обозначают σ_в или σ_вэ.

Условный предел текучести при растяжении (σ_усл.тр) – напряжение, рассчитанное как отношение нагрузки к площади первоначального поперечного сечения образца. Условный предел текучести определяется в случаях, когда испытуемый образец не имеет предела текучести (кривая 2, рис. 4).

Нагрузка, при которой рассчитывается условный предел текучести, должна соответствовать точке с (рис. 8, кривая 2) – точке пересечения кривой «нагрузка – удлинение» с прямой, проведенной параллельно начальному участку кривой с и отсекающей от оси удлинения значение е,величинакоторого указывается в нормативно-технической документации на полимерный материал. При отсутствии указаний значение е принимается равным 0,2 %.

Максимальное напряжение при растяжении (σ_pmax) – отношение максимальной нагрузки, которую выдерживает образе при растяжении, к площади первоначального поперечного сечения.

Максимальное напряжение при разрыве в Н/мм² вычисляется по формуле:

σ_pmax = P_pmax/S, где:

P_pmax - максимальная нагрузка, которую выдерживает образец при растяжения, Н;

S - наименьшая площадь первоначального поперечного сечения образца, которую рассчитывают как

произведение толщины и ширины образца, мм.

Относительное удлинение при пределе текучести (ε_тр) - отношение приращения расчётной длины образца, измеренное в момент достижения нагрузки, при которой рассчитывают предел текучести, к начальной расчётной длине образца.

Относительное удлинение при разрыве (ε_р) – отношение приращения длины образца, измеренное в момент разрыва, к начальной расчётной длине образца.

Относительные удлинения при пределе текучести и разрыве в процентах рассчитываются по формулам:

где: Δ_тр – приращение расчётной длины образца при достижении предела текучести, мм;

Δ_р - приращение расчётной длины образца при разрыве, мм;

l₀ - начальная расчётная длина образца, мм.

Испытания на сжатие регламентируются положениями ГОСТ 4651. Определение величин характеристик производится подобно описанному выше.