Въведение
Когато един метал е подложен на сила, той обикновено се деформира веднага и след това остава в същата форма дори след дълъг период от време. Ако натоварването не е било твърде голямо, металът ще се върне еластично в първоначалното си състояние, когато натоварването бъде премахнато. Когато полимерите се натоварват със сила, те също се деформират веднага; след по-дълъг период от време обаче често се установява, че тялото се е деформирало още повече. Това поведение се нарича пълзене. По принцип металите също пълзят, но при полимерите това поведение е много по-изразено и трябва да се има предвид, когато се описва механичното поведение. По тази причина за металите често е достатъчна квазистатична диаграма напрежение-деформация; за полимерите обаче трябва да се вземе предвид и деформацията, зависеща от времето.
Тук е важно да се прави основно разграничение между пълзене и релаксация: При пълзенето върху тялото действа постоянен товар, който в резултат на това се деформира. При релаксация деформацията на тялото остава постоянна, но с течение на времето необходимата сила намалява. Релаксацията представлява голям интерес за някои приложения, като например за уплътнения; но за много компоненти интерес представлява по-скоро постоянното натоварване и поведението на деформацията във времето.
При изпитването на материали измерването на действителното пълзене често се комбинира с фаза на възстановяване (CreepПълзенето описва зависима от времето и температурата пластична деформация при постоянна сила. Когато към каучукова смес се прилага постоянна сила, първоначалната деформация, получена в резултат на прилагането на силата, не е фиксирана. Деформацията се увеличава с времето.creep recovery), при която материалът може отново да придобие първоначалната си форма. По този начин може да се направи разграничение между еластично и необратимо пълзене. Необратимата деформация зависи до large степен от температурата и нивото на натоварване. Тези зависимости ще бъдат изследвани по-подробно в настоящата публикация.
Измервания на възстановяването при пълзене върху PE-HD
Поведението на полимерите при пълзене се изследва на примера на полукристален полиетилен с висока плътност (PE-HD). Образците с размери 55 x 5 x 2 mm са тествани с помощта на динамично-механичния уред за високо натоварване NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N в режим на опън (фигура 1).
С помощта на Eplexor® могат да се прилагат статични сили до 1500 N в температурния диапазон от -160°C до +500°C.
В зависимост от обхвата на приложение се предлагат различни държачи за проби на опън: Със стандартния държач за проби на опън могат да се прилагат до 700 N в зависимост от пробата. За по-големи сили се предлага по-силна версия с напрежение до 1500 N.
Тъй като трябва да се изследва по-специално зависимостта на пълзенето от силата, отделните измервания се сравняват при нарастващи натоварвания. По този начин в една серия от измервания могат да се изследват различни нива на натоварване, без да е необходимо повторно затягане.
При тази процедура обаче образецът може по принцип да се деформира преди действителната стъпка на натоварване. За да не се допусне твърде голямо отклонение от референтната геометрия, тук не се извършва по-нататъшно увеличаване на натоварването след достигане на деформация от 10 %. Измерванията се извършват при определена температура на образеца. При 50 °C се провеждат пет стъпки на натоварване от 2 до 6 MPa, като се изчаква 2 часа, за да се гарантира, че във всеки случай може да се установи стабилно състояние.
При повишена температура от 100°C натоварването се увеличава до 4 MPa само при достигане на максимална деформация.
Както е показано на фигура 2, пълзенето обикновено се състои от три фази за всяка стъпка на натоварване. Първо, образецът се разтяга сравнително рязко, последвано от вискоеластично пълзене. Тези два процеса обикновено са обратими. След това образецът по-скоро се превръща във вискозен поток (постоянна скорост на деформация) и ясно се вижда, че този поток е по-изразен при по-високи напрежения и температури. Тъй като това вискозно течение не е обратимо, дори след последващата фаза на разтоварване остава постоянна деформация. Това вискозно-пластично поведение се проявява с по-голяма интензивност при по-високи температури и напрежения.
В DIN ISO 899 [4] е описано изпитването на пълзене на опън за определяне на поведението при пълзене. Въпреки че не разглежда конкретно използваните тук експерименти за възстановяване при пълзене, са представени типични оценки, които могат да се използват и за съответните фази на пълзене. Така на фиг. 3 а) и б) са показани изохронните диаграми напрежение-деформация, свързани с горните измервания. Деформацията се отбелязва за всяко напрежение след определено време и се вписва в диаграмата. Тъй като в тази серия от изпитвания към един образец се прилагат различни натоварвания, деформацията във всеки случай се отнася до състоянието непосредствено преди стъпката на натоварване. Това представяне е от особен интерес за проектирането на компоненти, тъй като получената деформация може да се прочете напълно аналогично на класическата диаграма напрежение-деформация за дадено натоварване. Обикновено деформациите представляват интерес и след много по-дълги периоди от време от записаните тук. Както се вижда по-горе, за по-дълги периоди от време доминира главно вискозното поведение, което по-късно ще бъде разгледано по-подробно.
Като друго типично представяне, DIN ISO 899 описва зависимия от времето модул на пълзене (фигури 3 в и г). Вместо това често се използва реципрочната стойност на модула, т.е. съответствието на пълзене, но тук модулът на пълзене е показан в съответствие със стандарта. Представянето на модула на пълзене е особено подходящо за изследване на нелинейността на материала. Става ясно, че по-високите напрежения обикновено водят до по-нисък модул на пълзене и по този начин до по-високо съответствие.
Описание на скоростта на пълзене според Eyring
Пълзенето на полимерите често се описва с четирипараметричния реологичен модел (фигура 4). Моделът се състои от пружина и демпфиращ елемент (елемент на Максуел), свързани последователно. Пружината може да се използва за илюстриране на моментния скок на деформацията, а демпферът - за моделиране на вискозния поток. Вискозно-еластичното поведение се описва от паралелния пружинно-демпферен елемент. По този начин за всеки предварително проведен експеримент за възстановяване от пълзене може да се определи съответстващ модел.
Както е показано по-горе, вискозно-пластичният компонент, който е от значение за дългосрочното пълзене, се дължи главно на вискозния поток. Зависимостта на вискозния поток от температурата и напрежението може да се изведе на базата на модел от вероятностите, че дадена молекула ще преодолее определено препятствие. Подробности могат да бъдат намерени например в [2]. Тук като резултат се посочва, че според този модел зависимостта между напрежението и температурата зависи линейно от логаритъма на скоростта на деформация. Съответно увеличаването на напрежението води до експоненциално увеличаване на скоростта на деформация.
На фигура 5 са показани скоростите на деформация, определени за съответните напрежения. Заедно с вече представените по-горе измервания експериментът е проведен допълнително при 110 °C. При 50°C поведението между скоростта на деформация и напрежението се описва много добре от модела, т.е. съществува до голяма степен линейна зависимост между напрежението и логаритмичната скорост на деформация. При по-високи температури и напрежения са възможни допълнителни молекулярни процеси, които водят до огъване на логаритмичната скорост на деформация.
В графиката на Eyring [1] за всяка температура се записва отделна линия. В това отношение диаграмата позволява да се представи екстраполация на скоростта на деформация за други напрежения. Трябва да се отбележи обаче, че съществуват и по-усъвършенствани подходи за включване на допълнителна суперпозиция на времето и температурата; вж. например [3].
Заключение
Поведението на пълзене зависи в голяма степен от температурата и нивото на натоварване. Въпреки че еластичните компоненти на пълзене могат да бъдат измерени дори при по-малки сили, в много приложения се срещат по-големи сили и натоварвания. DMA GABO Eplexor® дава възможност за характеризиране на зависимото от натоварването пластично пълзене в много случаи, значими в практиката. По този начин се доказва, че дългосрочното поведение на пълзене се определя главно от вискозното течение на полимера. Точно тази зависимост на скоростта на деформация от действащото напрежение може ясно да се илюстрира в графиката на Ейринг.