Введение
Когда на металл действует сила, он обычно сразу же деформируется, а затем сохраняет прежнюю форму даже через длительный промежуток времени. Если нагрузка была не слишком большой, то после ее снятия металл также упруго вернется в исходное состояние. Когда на полимеры действует сила, они также сразу же деформируются; однако по прошествии длительного времени часто оказывается, что тело деформировалось еще больше. Такое поведение называется ползучестью. В принципе, металлы тоже ползут, но у полимеров это поведение выражено гораздо сильнее и должно учитываться при описании механического поведения. Поэтому для металлов часто достаточно квазистатической диаграммы "напряжение-деформация"; для полимеров же необходимо учитывать деформацию, зависящую от времени.
Здесь важно провести различие между ползучестью и релаксацией: При ползучести на тело действует постоянная нагрузка, в результате чего оно деформируется. При релаксации деформация тела остается постоянной, но с течением времени требуемая сила уменьшается. Релаксация представляет большой интерес для некоторых применений, например, для уплотнений; но для многих компонентов интерес представляет скорее постоянная нагрузка и поведение деформации во времени.
При испытании материалов измерение фактической ползучести часто сочетается с фазой восстановления (ползучести), в ходе которой материал снова приобретает свою первоначальную форму. Таким образом, можно провести различие между упругой и необратимой ползучестью. Необратимая деформация зависит в large степени от температуры и уровня нагрузки. Более подробно эти зависимости будут рассмотрены в данной публикации.
Измерения восстановления при ползучести на PE-HD
Поведение полимеров при ползучести исследуется на примере полукристаллического полиэтилена высокой плотности (PE-HD). Образцы размером 55 x 5 x 2 мм испытываются с помощью динамико-механического высоконагрузочного NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 Н в режиме растяжения (рис. 1).
С помощью Eplexor® можно прикладывать статические усилия до 1500 Н в диапазоне температур от -160°C до +500°C.
В зависимости от области применения предлагаются различные держатели образцов на растяжение: К стандартному держателю образца на растяжение можно приложить усилие до 700 Н в зависимости от образца. Для более высоких усилий предлагается более прочная версия до 1500 Н.
Поскольку зависимость ползучести от силы должна быть исследована особенно тщательно, отдельные измерения сравниваются при возрастающих нагрузках. Таким образом, различные уровни нагрузки могут быть исследованы в одной серии измерений без необходимости повторного закрепления.
Однако при такой процедуре образец может быть деформирован до фактического нагружения. Чтобы отклонения от эталонной геометрии не были слишком значительными, при достижении деформации 10 % дальнейшее увеличение нагрузки не производится. Измерения проводятся при определенной температуре образца. При температуре 50°C выполняется пять ступеней нагрузки от 2 до 6 МПа с двумя часами ожидания, чтобы гарантировать установление стабильного состояния в каждом случае.
При повышенной температуре 100°C нагрузка увеличивается до 4 МПа только при достижении максимальной деформации.
Как показано на рисунке 2, ползучесть обычно состоит из трех фаз для каждого этапа нагружения. Сначала происходит относительно резкое растяжение образца, а затем вязко-упругая ползучесть. Эти два процесса, как правило, обратимы. После этого образец превращается в вязкое течение (постоянная скорость деформации), и хорошо видно, что это течение более выражено при более высоких напряжениях и температурах. Поскольку это вязкое течение не является обратимым, остаточная деформация сохраняется даже после последующей фазы разгрузки. Это вязко-пластическое поведение проявляется с большей интенсивностью при более высоких температурах и напряжениях.
В стандарте DIN ISO 899 [4] описано испытание на ползучесть при растяжении для определения характеристик ползучести. Хотя в нем не рассматриваются конкретно эксперименты по восстановлению ползучести, используемые в данном случае, представлены типичные оценки, которые также могут быть использованы для соответствующих фаз ползучести. На рисунках 3 a) и b) показаны изохронные диаграммы напряжение-деформация, полученные в результате вышеуказанных измерений. Деформация отмечается для каждого напряжения через фиксированное время и вносится в диаграмму. Поскольку в данной серии испытаний к образцу прикладываются различные нагрузки, деформация в каждом случае относится к состоянию непосредственно перед шагом нагрузки. Такое представление представляет особый интерес для проектирования компонентов, поскольку результирующую деформацию можно считать полностью аналогичной классической диаграмме "напряжение-деформация" для данной нагрузки. Как правило, интерес представляют также деформации за гораздо более длительные промежутки времени, чем те, которые были зарегистрированы здесь. Как видно из вышеизложенного, при больших временных интервалах в основном преобладает вязкое поведение, которое позже будет рассмотрено более подробно.
В качестве другого типичного представления DIN ISO 899 описывает модуль ползучести в зависимости от времени (рис. 3 c и d). Часто вместо этого используется обратное значение модуля, т.е. соответствие ползучести, но в данном случае модуль ползучести представлен в соответствии со стандартом. Представление модуля ползучести особенно удобно для исследования нелинейности материала. Становится ясно, что более высокие напряжения обычно приводят к снижению модуля ползучести и, следовательно, к повышению податливости.
Описание скорости ползучести по Эйрингу
Ползучесть полимеров часто описывается четырехпараметрической реологической моделью (рисунок 4). Модель состоит из пружины и демпфирующего элемента (элемента Максвелла), соединенных последовательно. Пружина может использоваться для иллюстрации мгновенного скачка деформации, а демпфер - для моделирования вязкого течения. Вязкоупругое поведение описывается параллельным пружинно-демпфирующим элементом. Таким образом, для каждого ранее проведенного эксперимента по восстановлению ползучести может быть определена соответствующая модель.
Как было показано выше, вязко-пластическая составляющая, имеющая отношение к долговременной ползучести, в основном обусловлена вязким течением. Зависимость вязкого течения от температуры и напряжения может быть получена на основе модели из вероятности того, что молекула преодолеет определенное препятствие. Подробности можно найти, например, в [2]. Здесь в качестве результата утверждается, что, согласно этой модели, зависимость между напряжением и температурой линейно зависит от логарифма скорости деформации. Соответственно, увеличение напряжения приводит к экспоненциальному росту скорости деформации.
На рисунке 5 показаны скорости деформации, определенные для соответствующих напряжений. Наряду с уже представленными выше измерениями, эксперимент был дополнительно проведен при температуре 110°C. При 50°C поведение между скоростью деформации и напряжением очень хорошо описывается моделью, т.е. существует в основном линейная зависимость между напряжением и логарифмической скоростью деформации. При более высоких температурах и напряжениях возможны дальнейшие молекулярные процессы, которые приводят к изгибу логарифмической скорости деформации.
На графике Эйринга [1] для каждой температуры проводится отдельная линия. В этом отношении график позволяет представить экстраполяцию скорости деформации для других напряжений. Следует, однако, отметить, что существуют и более сложные подходы, включающие дополнительную временно-температурную суперпозицию; см., например, [3].
Заключение
Поведение ползучести сильно зависит от температуры и уровня нагрузки. В то время как упругие компоненты ползучести можно измерить даже при небольших усилиях, во многих областях применения возникают более высокие усилия и напряжения. DMA GABO Eplexor® позволяет охарактеризовать пластическую ползучесть, зависящую от нагрузки, во многих случаях, имеющих практическое значение. Таким образом, показано, что долговременное поведение ползучести в основном определяется вязким течением полимера. Именно эта зависимость скорости деформации от действующего напряжения может быть наглядно проиллюстрирована на графике Эйринга.