Главная --> Справочник терминов


Амплитуда деформации полимеров при малых амплитудах деформации и их разрушение

— при малых амплитудах деформации 228

8.1. Деформирование высокоориентированных полимеров при малых амплитудах деформации и их разрушение. 228

Подробное исследование усталостного поведения Си после РКУ-прессования было выполнено в работе [367]. Циклические испытания на растяжение-сжатие были проведены при амплитудах деформации в интервале 10~4-10~3 при комнатной температуре.

Испытания нескольких наноструктурных образцов при различных амплитудах деформации показали примерно равные величины напряжения насыщения <тн около 250 МПа (рис. 5.18а). После кратковременного отжига при 473 К стн также уменьшается и его значение достигает 150 МПа. Тем не менее это значение за-

Известно, что усталостные свойства коррелируют с формой петли гистерезиса при циклических испытаниях [373, 378]. Это утверждение становится более очевидным, если учесть, что параметр энергии Баушингера связан с упругой энергией, запасаемой в образце во время циклической деформации. Более наглядным является анализ формы петли гистерезиса за цикл испытаний при сравнимых амплитудах деформации. При этом чем выше среднее значение энергетического параметра, тем лучше усталостные свойства.

Большое значение для установления сроков службы покрытия имеют конкретные условия эксплуатации: температура, продолжительность контакта со средой, напряжения и другие факторы. Так, при циклических нагрузках в агрессивной среде долговечность покрытия будет зависеть от его жесткости и эластичности: при малых амплитудах деформации надежнее и долговечнее оказываются жесткие покрытия с высокими прочностными и адгезионными характеристиками (например, эпоксидные). При больших амплитудах целесообразнее, наоборот, менее прочные, но эластичные покрытия типа полиэтиленовых [30, 32].

Измерительные схемы- прибора позволяют регистрировать: касательные напряжения с помощью датчика перемещений и сменного торсиона; нормальные напряжения (эта система измерений здесь не описывается, поскольку проблема измерения нормальных напряжений при сдвиговом течении не рассматривается в данной книге); колебания нижней плоскости, т. е. задаваемые колебания. Прибор укомплектован набором торсионов с жесткостью от 0,1 до 103 Н-м/рад (106—1010 дин-см/рад), а индукционный датчик перемещений с соответствующим вторичным прибором может работать в шести пределах — от 5 до 2000 мкм. В целом система измерения крутящего момента пригодна для работы в довольно широких пределах— от 5-10~7 Н-м до 5 Н-м, что отвечает интервалу касательных напряжений (при использовании набора конусов, имеющихся в комплекте рабочих узлов прибора) от Ь10~' до 1 • 107 Па. Система задания колебаний позволяет варьировать амплитуду деформаций в пределах от 1,6-10~3 до 3,1 -\Сгг рад. При использовании измерительного узла типа конус — плоскость с углом между образующей конуса и плоскостью 2° эти смещения отвечают деформациям от 5 до 100%. Однако вблизи нижнего предела измерений возможны отклонения от синусоидальной формы колебаний, так что наиболее целесообразно проводить измерения при амплитудах деформации, больших 5-10~3 рад. В обычном исполнении реогониометра оба сигнала — от задатчика колебаний и от смещений верхнего конуса — подаются на двухканальный самописец (потенциометр или осциллограф) и их амплитуды, а также разность фаз находятся «вручную», по записи на ленте самописца. Однако изготовитель прибора поставляет также дополнительное электронное оборудование для автоматической регистрации амплитуд сигналов и разности фаз колебаний с выходом на цифровые показывающие приборы. Измерительные схемы реогониометра работают на несущей частоте 5000 Гц и снабжены системой фильтров, что позволяет получать довольно четкие сигналы, легко поддающиеся расшифровке. В то же время использование системы фильтров делает незаметным для экспериментатора возможные ошибки, связанные с недостатками механической части прибора (это удобно для серийных измерений, но может привести к серьезным ошибкам при научных исследованиях).

Общими достоинствами электромагнитных преобразователей являются: возможность плавного регулирования частоты в довольно широких пределах; проведение измерений при варьируемых, но малых амплитудах деформации (доли процента), что позволяет проводить измерения строго в линейной области механического поведения исследуемого материала; использование электрических методов измерений, позволяющих находить комплексное отношение напряжения к силе тока (Z*3) без прямого определения механических характеристик — амплитуд сил и смещений и разности фаз; возможность проведения измерений на образцах небольших размеров (с массой до 2—3 г). В то же время приборы такого типа весьма слож'ны в изготовлении, наладке и калибровке, а также требуют довольно длительной и трудоемкой обработки экспериментальных данных, если не использовать для этой цели вычислительную технику.

- Если амшштуда^деформацииу 0 увеличивается, то отклик системы яа нагружение постепенно перестает быть линейным, хотя он остается периодическим. Этому отвечает постепенное искажение формы фигуры, получаемой в координатах т — у, как показано на рис. 3.41. Можно ввести усредненные за цикл характеристики динамических свойств материала при больших амплитудах деформации, определяемые отношением амплитудных значений напряжения к деформации и площадью фигуры на рис. 3.41, которая имеет физический смысл механических потерь за цикл деформирования. Параметрами системы формы отклика на внешнее воздействие можно считать абсолютное значение модуля

Характер зависимости г\* оту0 при больпшх амплитудах деформации показывает, что влияние больпшх деформаций на релаксационные свойства полимера по своему характеру аналогично влиянию непрерывного стационарного деформирования на вязкость. Поэтому можно полагать, что повышение амплитуды скорости деформации у о приводит к изменению области релаксационного спектра, отвечающей большим значениям времен релаксации, а область быстрых релаксационных процессов при этом не затрагивается. Положение здесь такое же, как и при изменении релаксационных свойств системы под влиянием установившегося течения. Это показывает возможность качественного рассмотрения воздействия вибраций с большими

Динамические нормальные напряжения, рассматриваемые в обобщенных молекулярно-кинетических моделях полимерных систем, так же как и динамические функции, обсуждавшиеся для этих моделей в гл. 3, относятся к области малых амплитуд, когда коэффициенты нормальных напряжений, равно как и модули, не зависят от амплитуды деформации. Поэтому проверка теоретических результатов должна проводиться при измерениях динамических нормальных напряжений, возникающих при малых амплитудах деформации. Это оказывается весьма сложной экспериментальной задачей, поскольку сами нормальные напряжения при малых деформациях представляют собой эффект второго порядка по отношению к касательным напряжениям. Поэтому измерения динамических нормальных напряжений связаны с существенно большими экспериментальными ошибками и большей неопределенностью результатов, чем модуля упругости. Тем не менее эксперименты показывают, что возникающие при сдв^-говых малоамплитудных колебаниях динамические нормальные напряжения качественно неплохо описываются формулами, полученными для моделей статистических клубков.

Описанные процессы молекулярного деформирования влияют на макроскопическое разрушение полимера. Относительная амплитуда деформации полностью определяет:

— соответствующая периодическая амплитуда деформации АЕ;

Температуры структурного стеклования Т0 и механического стеклования Гм. с независимы между собой, так как первая определяется скоростью охлаждения, а вторая — временным режимом механического воздействия (периода действия силы 0, частоты упругих колебаний v). Различие между Тс и Гм.с четко наблюдалось, например, при изучении температурной зависимости динамического модуля сдвига G или модуля одноосного сжатия Е. Характерная зависимость IgE от температуры для полимера приведена на рис. II. 11. Ниже Тс полимер находится в стеклообразном состоянии и температурная зависимость lg? слабо выражена, как и у любого твердого тела вообще. Выше Тс логарифм модуля упругости изменяется с температурой несколько сильнее в связи С тем, что в структурно-жидком состоянии структура полимера изменяется с изменением температуры. При дальнейшем увеличении температуры, когда время релаксации снижается до величин, сравнимых с периодом колебаний, начинает возникать высокоэла-бтичёская деформация. С дальнейшим увеличением температуры амплитуда деформации полимера возрастает до предельного значения, а модуль упругости падает до весьма низкого значения (модуля высокоэластичности). Для полимеров модуль одноосного сжатия в стеклообразном состоянии ?0 примерно в 103—104 раз больше, чем 'соответствующий модуль Ех в высокоэластическом состоянии.

Переход от упругой деформации к высокоэластической у полимеров сопровождается возрастанием механических потерь и прохождением их через максимум (рис. II. 12). В соответствии с этим температура механического стеклования Тм. с определяется как температура, которой соответствует максимум механических потерь*. Ее следует рассматривать как температуру, при которой практически перестает проявляться высокоэластичность.. Амплитуда деформации не влияет на Гм. с, так как по условию деформация достаточно мала. При больших напряжениях и деформациях у полимеров возникают качественно новые явления (вынужденно-эластические деформации и разрушение). Закономерности, аналогичные представленным на рис. 11.11 и 11.12, наблюдаются, как было отмечено выше, при действии на полимеры переменных электрических полей. В этом случае роль модуля упругости играет диэлектрическая проницаемость, а механических потерь — диэлектрические потери. Электрические, поля действуют на те структурные

Различие между Тс и Тм отчетливо проявляется на температурной зависимости динамического модуля Юнга (рис. 2.6). Ниже Т0 полимер находится в стеклообразном состоянии и температурная зависимость lg? слабо выражена, как и у любого твердого тела. Выше Тс наблюдается более резкая зависимость логарифма модуля упругости от температуры в связи с тем, что в структурно-жидком состоянии структура полимера непрерывно изменяется с температурой. При дальнейшем увеличении температуры в области, где время релаксации снижается до величин, сравнимых с периодом колебаний, в полимерах проявляется высокоэластическая деформация. Амплитуда деформации полимера с увеличением температуры возрастает до тех пор, пока не достигнет предельного значения, а модуль — весьма низкого значения (например, для полимеров модуль одноосного сжатия в стеклообразном состоянии Е0 примерно в 103—104 раз больше, чем соответствующий модуль в высокоэластическом состоянии).

На рис. V. 13 показана зависимость амплитуды деформации от температуры при различных частотах (или периодах) действия силы. Из рисунка следует, что при низких температурах (в области стеклообразного состояния) амплитуда деформации очень мала и практически не зависит от частоты действия силы. В области стеклообразного состояния время релаксации намного больше времени деформации, поэтому практически сколь угодно длительный промежуток времени оказывается недостаточным для перегруппировки звеньев макромолекул. С повышением температуры время релаксации уменьшается, так как вследствие увеличения интенсивности теплового движения звеньев их перегруппировки происходят чаще. При высоких температурах в области высокоэластического состояния время релаксации звеньев очень мало и в образце практически при любом значении времени действия силы высокоэластическая деформация успевает развиться до значений, близких к равновесному. Поэтому в этой области температур амплитуда деформации также практически не зависит от частоты действия силы.

Однако для каждого полимера существует такой интервал температур, в котором время релаксации и время развития деформации соизмеримы. В этой промежуточной области температур (переходная область из стеклообразного в высокоэластическое состояние) наблюдается резкая зависимость амплитуды деформации от частоты действия силы. Если время действия силы больше времени релаксации т, деформация успевает развиться. Если время действия силы меньше времени релаксации т, высокоэластическая деформация не успевает развиться. Так, если при некоторой температуре и частоте действия силы юз в материале развивается деформация, близкая к равновесной, то при этой же температуре и частоте действия силы ом (рис. V. 13), амплитуда деформации может быть очень мала и материал ведет себя как стеклообразное тело.

ции отстает от синусоиды напряжения на угол я/2 (рис. 9.13, б), т. е. угол сдвига фаз напряжения и деформации равен я/2. Из рис. 9.13, б видно также, что максимальному напряжению соответствует нулевая амплитуда деформации, хотя в этой же точке мы наблюдаем максимальную скорость деформации.

Очевидно, что изменение D может происходить не только с изменением t (или со), но и с изменением т при постоянном t. Изменения т можно достичь, меняя температуру. На рис. 9.15 показано, как меняются G', tg6 и амплитуда деформации ео при изменении частоты со и температуры Т. Практически часто удобнее характеризовать гистерезисные потери не величиной G", а тангенсом угла потерь (9.28). Зависимость tg6 от Т или со также выражается кривой с максимумом. Положение максимума близко к точке, где D — 1.

Зависимости типа приведенных на рис. 9.15 можно объединить и построить, например график зависимости амплитуды деформации от температуры при разных частотах или от частоты при разных температурах. Такие графики, на которых отображается зависимость свойств и от температуры, и от частоты, приведены на рис. 9.16. Рассмотрим изменение амплитуды деформации от температуры при разных частотах. С повышением температуры образец при достижении Тс начинает размягчаться и амплитуда деформации при заданной частоте <а\ возрастает. При дальнейшем росте температуры наблюдается переход в область развитого высокоэластического состояния и амплитуда деформации практически не меняется, как мы уже наблюдали при снятии термомеханической кривой в условиях статического нагружения (см. гл. 7). Для полимеров особенно характерна относительность понятия «размягчение» полимера. В самом деле, при частоте действия силы оц полимер размягчается при температуре Тк. Если увеличить частоту действия силы, то при температуре Тс полимер не успевает реагировать на эту возросшую частоту: флуктуационная сетка не успевает перегруппироваться и деформация оказывается незначительной. Потребуется нагревание до более высокой температуры, чтобы обеспечить большую подвижность сегментов макромолекул. При этой более высокой температуре флуктуационная сетка сможет перестраиваться при большей частоте действия силы и развивать значительные деформации. Рост частоты действия силы приводит к росту температуры, при которой в полимере начинают развиваться большие деформации, т. е. к росту температуры стеклования.

мации в образце возникает значительное напряжение. Механическая энергия, которая накапливается в образце, или, иначе говоря, работа деформации, равна площади под кривой напряжение — деформация. Работа деформации поэтому тем больше, чем больше произведение ооео. Приближенно можно считать работу деформации Л = аово/2. Значительная амплитуда деформации и значительное GO обусловливают большую работу А. Чем больше подводимая в каждом цикле работа, тем быстрее происходят изменения в структуре полимера, быстрее развивается процесс утомления. Очевидно, что при этом число циклов до разрушения Np будет невелико, т. е. образец разрушится быстро.




Ангидрида добавляют Ангидрида перемешивают Ангидрида протекает Ангидриде получается Ацетиленовым углеводородам Ангидридов дикарбоновых Английских исследователей Анхимерное содействие Анилиновых красителей

-
Яндекс.Метрика