はじめに
金属に力が加わると、通常はすぐに変形し、長い時間が経っても同じ形状を保つ。荷重がそれほど大きくなければ、荷重を取り除くと金属は弾性的に元の状態に戻る。ポリマーに力が加わると、ポリマーもすぐに変形するが、長時間経つと、さらに変形していることがよくある。この挙動をクリープと呼ぶ。基本的に金属もクリープを起こすが、ポリマーの場合、この挙動はより顕著であり、機械的挙動を記述する際に考慮に入れておかなければならない。このため、金属では準静的応力-ひずみダイアグラムで十分な場合が多いのですが、ポリマーの場合は時間依存性変形も考慮する必要があります。
ここで、クリープと緩和を基本的に区別することが重要である：クリープでは、本体に一定の荷重が作用し、その結果本体が変形する。緩和では、本体の変形は一定のままだが、時間の経過とともに必要な力が減少する。緩和は、シールのような特定の用途では非常に興味深いものですが、多くの部品では、むしろ一定の荷重と変形の時間的挙動に関心があります。
材料試験においては、実際のクリープ測定は、材料が再び元の形状を得るための回復段階（クリープ回復）と組み合わされることが多い。このようにして、弾性クリープと不可逆クリープを区別することができる。不可逆的な変形は、温度と荷重のレベル（large ）に依存する。これらの関係については、本書でさらに詳しく調べる予定である。
PE-HDのクリープ回復測定
ここでは、半結晶性高密度ポリエチレン（PE-HD）を例に、ポリマーのクリープ挙動を調べた。寸法55 x 5 x 2 mmの試料を、動的機械的高負荷NETZSCH DMA Gabo Eplexor® 500 Nの引張モードで試験する（図1）。
Eplexor® では、-160℃から+500℃の温度範囲で1500 Nまでの静的荷重を加えることができる。
適用範囲に応じて、さまざまな引張試料ホルダーを用意しています：標準の引張試料ホルダーの場合、試料によっては700 Nまで加えることができます。より高荷重の場合は、1500 Nまでの強力バージョンもあります。
クリープの力依存性を特に調査するため、荷重を増加させながら個々の測定値を比較します。この方法では、再クランプの必要なく、1回の測定で異なる荷重レベルを調べることができます。
ただし、この方法では、実際の荷重をかける前に試料を変形させる必要があります。基準形状からの偏差が大きくなりすぎないようにするため、ひずみが10%に達した後は、それ以上荷重を増加させることはありません。測定は、それぞれ決められた試料温度で行われます。50℃では、2MPaから6MPaまで5段階の荷重をかけ、それぞれのケースで安定した状態が確立できることを保証するため、2時間の待機時間を設けます。
100℃の高温では、最大ひずみに達した時点で荷重を4MPaまでしか増加させない。
図2に示すように、クリープは一般的 に、各荷重ステップで3つの段階からなる。まず、試料が比較的急激に引き伸ばされ、続いて粘弾性クリープが起こります。これら2つの過程は一般的 に可逆的である。その後、試料はむしろ粘性流動（ひずみ速度一定）へと変化し、この流動は応力と温度が高いほど顕著になることがはっきりとわかります。この粘性流動は可逆的ではないため、その後の除荷段階でも残留変形が残る。この粘塑性挙動は、温度と応力が高いほど強度が増す。
DIN ISO 899 [4]には、クリープ挙動を決定するための引張クリープ試験が記載されています。DIN ISO 899 [4]には、クリープ挙動を決定するための引張クリープ試験について記載されており、ここで採用したクリープ回復実験については特に触れていませんが、それぞれのクリープ相にも使用できる一般的な評価が示されています。図3 a)とb)は、上記の測定に関連した等時性応力-ひずみ線図である。ひずみは、一定時間後の応力ごとに記録され、図に記入されます。この一連の試験では、試料にさまざまな荷重が加えられているため、ひずみはいずれの場合も荷重ステップの直前の状態を指しています。結果として得られる応力は、所定の荷重に対する古典的な応力-ひずみ線図と完全に類似して読み取ることができるため、このプレゼンテーションは、コンポーネントの設計にとって特に興味深いものです。一般的 に、ひずみは、ここで記録した時間よりもはるかに長い時間経過後にも注目され ます。上で見たように、長い時間では主に粘性挙動が支配的です。
もうひとつの一般的な表現として、DIN ISO 899 には時間依存性クリープ弾性率が記載されています（図 3 c および d）。弾性率の逆数、すなわちクリープコンプライアンス が代わりに使われることが多いが、ここでは規格に従っ てクリープ弾性率を示す。クリープ弾性率の表示は、特に材料の非直線性を調べるのに適しています。応力が高いほど一般的にクリープ弾性率は低くなり、従ってコンプライアンスも高くなることが明らかです。
アイリングによるクリープ率の説明
ポリマーのクリープは、多くの場合、4パラメータのレオロジーモデル（図4）で表されます。このモデルは、直列に接続されたスプリングとダンピング要素（マクスウェル要素）から構成されます。バネは瞬間的なひずみジャンプを、ダンパーは粘性流をモデル化するために使用することができます。粘弾性挙動は、並列のバネ-ダンピング要素によって記述されます。このように、過去に実施されたクリープ回復実験のそれぞれについて、対応するモデルを特定することができます。
上述したように、長期クリープに関連する粘塑性成分は、 主に粘性流動によるものである。粘性流動の温度と応力に対する依存性は、分 子がある障害物を乗り越える確率から、モデルに基づいて導 き出すことができる。詳細は、例えば[2]に記載されている。ここでは、このモデルによると、応力と温度の関係は、ひずみ速度の対数に線形に依存することが結果として述べられている。したがって、応力の増加はひずみ速度の指数関数的増加につながる。
図5に示すのは、それぞれの応力に対して求めたひずみ率である。上記ですでに示した測定に加え、110℃での実験も行った。すなわち、応力と対数ひずみ速度の間にはほぼ直線関係がある。より高い温度と応力では、さらなる分子過程が起こり、対数ひずみ速度が曲がる可能性があります。
アイリングプロット[1]では、各温度について別々の線が記録される。この点で、このプロットは他の応力に対するひずみ率の外挿を提示することができます。しかし、時間-温度の重ね合わせを追加する、より高度なアプローチもあることに留意する必要があります。
結論
クリープ挙動は温度と荷重レベルに大きく依存する。弾性クリープ成分は小さな荷重でも測定可能ですが、多くの用途では高荷重と応力が発生します。このクリープ試験機（DMA Gabo Eplexor® ）により、実際の多くのケースにおいて、荷重に依存した塑性クリープの特性を評価することができる。これにより、長期クリープ挙動は主にポリマーの粘性流動によって決定されることが示された。この応力に対するひずみ速度の依存性は、アイリングプロットで明確に示すことができます。