Úvod
Když je kov vystaven působení síly, obvykle se okamžitě deformuje a pak zůstává ve stejném tvaru i po delší době. Pokud zatížení nebylo příliš velké, kov se po odstranění zatížení rovněž pružně vrátí do původního stavu. Když jsou polymery zatíženy silou, také se okamžitě deformují; po delší době se však často zjistí, že se těleso deformovalo ještě více. Toto chování se nazývá CreepCreep popisuje plastickou deformaci závislou na čase a teplotě při působení konstantní síly. Při působení konstantní síly na pryžovou směs není počáteční deformace vzniklá působením síly pevně daná. Deformace se s časem zvětšuje.creep. V zásadě platí, že kovy také tečou, ale u polymerů je toto chování mnohem výraznější a je třeba ho při popisu mechanického chování brát v úvahu. Z tohoto důvodu u kovů často postačuje kvazistatický diagram napětí a deformace; u polymerů je však třeba zohlednit i časově závislou deformaci.
Zde je důležité zásadně rozlišovat mezi tečením a relaxací: Při creepu působí na těleso konstantní zatížení, které se následně deformuje. Při relaxaci zůstává deformace tělesa konstantní, ale v průběhu času se potřebná síla snižuje. RelaxacePokud na pryžovou směs působí konstantní deformace, síla potřebná k udržení této deformace není konstantní, ale s časem klesá; toto chování se nazývá relaxace napětí. Proces odpovědný za relaxaci napětí může být fyzikální nebo chemický a za normálních podmínek probíhají oba současně. Relaxace je velmi zajímavá pro některé aplikace, např. pro těsnění; u mnoha součástí je však zajímavé spíše konstantní zatížení a časové chování deformace.
Při zkoušení materiálů se vlastní měření creepu často kombinuje s fází zotavení (CreepCreep popisuje plastickou deformaci závislou na čase a teplotě při působení konstantní síly. Při působení konstantní síly na pryžovou směs není počáteční deformace vzniklá působením síly pevně daná. Deformace se s časem zvětšuje.creep recovery), ve které může materiál opět získat svůj původní tvar. Tímto způsobem lze rozlišovat mezi pružným a nevratným tečením. Nevratná deformace závisí v large rozsahu na teplotě a úrovni zatížení. Tyto vztahy budou podrobněji zkoumány v této publikaci.
Měření zotavení z tečení na PE-HD
Chování polymerů při tečení je zde zkoumáno na příkladu semikrystalického polyethylenu s vysokou hustotou (PE-HD). Vzorky o rozměrech 55 x 5 x 2 mm jsou testovány pomocí dynamicko-mechanického přístroje s vysokým zatížením NETZSCH DMA Gabo Eplexor® 500 N v tahovém režimu (obr. 1).
Pomocí přístroje Eplexor® lze působit statickou silou až 1500 N v teplotním rozsahu od -160 °C do +500 °C.
V závislosti na rozsahu použití jsou k dispozici různé držáky vzorků v tahu: Se standardním držákem vzorků v tahu lze aplikovat až 700 N v závislosti na vzorku. Pro vyšší síly je k dispozici silnější verze až do 1500 N.
Protože je třeba zkoumat zejména závislost creepu na síle, porovnávají se jednotlivá měření při rostoucím zatížení. Tímto způsobem lze v jedné sérii měření zkoumat různé úrovně zatížení bez nutnosti opětovného upnutí.
Při tomto postupu však může být vzorek v zásadě deformován před vlastním zatěžovacím krokem. Aby se zabránilo přílišným odchylkám od referenční geometrie, neprovádí se zde další zvyšování zatížení, jakmile je dosaženo deformace 10 %. Měření se provádí vždy při definované teplotě vzorku. Při teplotě 50 °C se provede pět zatěžovacích kroků od 2 do 6 MPa, přičemž se čeká 2 hodiny, aby bylo zaručeno, že v každém případě lze vytvořit stabilní stav.
Při zvýšené teplotě 100 °C se zatížení zvýší pouze na 4 MPa při dosažení maximální deformace.
Jak je znázorněno na obrázku 2, CreepCreep popisuje plastickou deformaci závislou na čase a teplotě při působení konstantní síly. Při působení konstantní síly na pryžovou směs není počáteční deformace vzniklá působením síly pevně daná. Deformace se s časem zvětšuje.creep se obvykle skládá ze tří fází pro každý stupeň zatížení. Nejprve se vzorek poměrně prudce natáhne, poté následuje viskoelastické tečení. Tyto dva procesy jsou obvykle vratné. Poté vzorek přechází spíše ve viskózní tok (konstantní rychlost deformace) a je jasně vidět, že tento tok je výraznější při vyšších napětích a teplotách. Protože toto viskózní proudění není vratné, zůstává remanentní deformace i po následné fázi odlehčení. Toto viskoplastické chování se vyskytuje se zvýšenou intenzitou při vyšších teplotách a napětích.
V normě DIN ISO 899 [4] je popsána zkouška tečení v tahu pro stanovení chování při tečení. Ačkoli se nezabývá konkrétně zde použitými experimenty s creepem a obnovou, jsou zde uvedena typická vyhodnocení, která lze použít i pro příslušné fáze creepu. Na obrázcích 3 a) a b) jsou tedy znázorněny izochronní diagramy napětí a deformace spojené s výše uvedenými měřeními. Pro každé napětí je zaznamenána deformace po uplynutí stanovené doby a zanesena do diagramu. Vzhledem k tomu, že v této sérii zkoušek jsou na vzorek aplikována různá zatížení, deformace se v každém případě vztahuje ke stavu bezprostředně před zatěžovacím krokem. Tato prezentace je zajímavá zejména pro konstrukci součástí, protože výslednou deformaci lze číst zcela analogicky ke klasickému diagramu napětí a deformace pro dané zatížení. Obvykle jsou také zajímavé deformace po mnohem delších časových úsecích, než jsou zde zaznamenané. Jak je patrné z výše uvedeného, pro delší časové úseky převládá především viskózní chování, kterému se budeme později věnovat podrobněji.
Jako další typické zobrazení popisuje norma DIN ISO 899 modul creepu v závislosti na čase (obr. 3 c a d). Často se místo toho používá reciproční hodnota modulu, tj. poddajnost při tečení, ale zde je v souladu s normou uveden modul tečení. Prezentace modulu creepu je vhodná zejména pro zkoumání nelinearity materiálu. Je zřejmé, že vyšší napětí obecně vedou k nižšímu modulu tečení, a tedy k vyšší poddajnosti.
Popis rychlosti plazivých pohybů podle Eyringa
CreepCreep popisuje plastickou deformaci závislou na čase a teplotě při působení konstantní síly. Při působení konstantní síly na pryžovou směs není počáteční deformace vzniklá působením síly pevně daná. Deformace se s časem zvětšuje.Creep polymerů se často popisuje pomocí čtyřparametrového reologického modelu (obr. 4). Model se skládá ze sériově zapojeného pružicího a tlumicího prvku (Maxwellův prvek). Pružinu lze použít k znázornění okamžitého skoku deformace a tlumicí prvek k modelování viskózního toku. Viskoelastické chování je popsáno paralelním pružinovým tlumicím prvkem. Pro každý dříve provedený experiment s creepovou regenerací tak lze identifikovat odpovídající model.
Jak je uvedeno výše, viskoplastická složka, která je důležitá pro dlouhodobé tečení, je způsobena především viskózním tokem. Závislost viskózního toku na teplotě a napětí lze modelově odvodit z pravděpodobnosti, že molekula překoná určitou překážku. Podrobnosti lze nalézt například v [2]. Zde se jako výsledek uvádí, že podle tohoto modelu závisí závislost mezi napětím a teplotou lineárně na logaritmu míry deformace. V souladu s tím vede zvýšení napětí k exponenciálnímu nárůstu rychlosti deformace.
Na obrázku 5 jsou znázorněny rychlosti deformace stanovené pro příslušná napětí. Vedle již výše uvedených měření byl experiment navíc proveden při teplotě 110 °C. Při teplotě 50 °C je chování mezi rychlostí deformace a napětím velmi dobře popsáno modelem, tj. existuje převážně lineární závislost mezi napětím a logaritmickou rychlostí deformace. Při vyšších teplotách a napětích jsou možné další molekulární procesy, které pak vedou k ohybu logaritmické rychlosti deformace.
V Eyringově grafu [1] je pro každou teplotu zaznamenána samostatná přímka. V tomto ohledu graf umožňuje prezentovat extrapolaci rychlosti deformace pro další napětí. Je však třeba poznamenat, že existují i pokročilejší přístupy pro zahrnutí další časově-teplotní superpozice; viz například [3].
Závěr
Chování při tečení je silně závislé na teplotě a úrovni zatížení. Zatímco pružné složky creepu lze měřit i při menších silách, v mnoha aplikacích se vyskytují vyšší síly a napětí. Stránka DMA Gabo Eplexor® umožňuje charakterizovat plastické tečení v závislosti na zatížení v mnoha případech relevantních v praxi. Ukazuje se tak, že dlouhodobé chování při creepu je určováno především viskózním tokem polymeru. Právě tuto závislost rychlosti deformace na působícím napětí lze přehledně znázornit na Eyringově grafu.