Ползучестью называется свойство полимерных материалов, в частности листового полипропилена, полиэтилена и т.д. постоянно деформироваться под воздействием постоянно приложенной нагрузки, в частности растягивающего, сжимающего или сдвигающего усилия. Данный показатель является функцией времени в течение продолжительного периода приложения нагрузки, которая меньше по величине показателя прочности материала на растяжение. Разрушение вследствие ползучести является результатом приложения нагрузок меньших по величине показателя прочности материала на разрыв. Согласно данным исследований, до четверти поломок пластиковых деталей и элементов вызваны эффектом ползучести. Расслабление это эффект, аналогичный ползучести, выражающийся в снижении напряжений в материале при постоянно приложенной нагрузке.
Достаточно частые случаи выхода из строя пластиковых деталей и элементов вследствие ползучести вызваны недостатками понимания данного механизма разрушения материала, особенно на стадии проектирования, а также различий между полимерными и традиционными материалами (прежде всего металлами).
Вязкоэластичные свойства полимерных материалов
Вязкоэластичная природа полимерных материалов выражается в зависимости их свойств от времени, в частности малые и умеренные величины приложенных нагрузок в течение длительного периода времени уменьшают эластичность материалов. Это часто выражается в появлении хрупких разломов и трещин в изначально эластичных материалах. Ключевой аспект данной временной зависимости это снижение модуля упругости под воздействием статических нагрузок, вследствие местной перестройки молекулярных цепочек. При нагрузках ниже уровня прочности материала на растяжение, перестройка молекулярных цепочек выражается, в частности, в их распутывании, что исключает дальнейшее растяжение материала.
Несмотря на то, что с течением времени модуль упругости материала уменьшается, это не приводит к снижению жесткости материала. Истинный коэффициент упругости, выражающий истинную жесткость материала, является величиной, описывающей эффект воздействия постоянной нагрузки на полимерный материал и соответствующий рост внутреннего напряжения. Результатом является снижение величины истинного модуля упругости, что во многом схоже с аналогичным эффектом, вызываемым повышением температуры материала.
Разрушение полимерных материалов, вследствие ползучести
Растрескивание, вызванное эффектом ползучести, происходит как механизм расслабления материала. Механизм хрупкого разрушения происходит на молекулярном уровне в местах, где эффект распутывания начинает превалировать над растяжением материала. Как и в иных случаях пластического разрушения, ковалентные связи структуры полимера не разрушаются. Вместо этого разрушение является результатом работы механизма разматывания молекул, при котором молекулярные цепочки как бы скользят и смещаются друг относительно друга. При этом напряжения в материале, как внутренние, так и приложенные извне, превосходят по величине силы межмолекулярных связей .
Классифицировать полимерные материалы по сопротивлению ползучести довольно затруднительно, по причине множества факторов, влияющих на данный механизм, и их связям между собой. Ключевые факторы, определяющие ползучесть и связанное с этим охрупчивание материала, следующие:
- Вид базового полимера
- Температура
- Концентрация напряжения
- Тип и величина напряжения
- Особенности окружающей среды
При этом, несмотря на многофакторность процесса ползучести, можно сделать некоторые общие выводы относительно стойкости материалов:
- У ударопрочных модификаций полимерных материалов, и материалов, содержащих пластифицирующие добавки, сопротивление ползучести, как правило, хуже, по сравнению с ненаполненными версиями
- Реактопласты (композиты) практически неподвержены ползучести
- Повышение температуры увеличивает скорость и величину эффекта ползучести
- Участки пластиковых деталей и компонентов полимерных материалов, являющиеся точками концентрации внутренних напряжений (острые углы, канавки, риски и т.д.) увеличивают риск разрушения материала вследствие ползучести.
- Воздействие агрессивных химических соединений и цикличность нагрузок ускоряют как растрескивание под нагрузкой, так и образование усталостных трещин.
Ключевым фактором в механизме разрушения вследствие ползучести, является величина нагрузки. Умеренные величины нагрузок, приложенных в течение длительного времени, вызывают образование трещин, как результат охрупчивания материала. При этом высокие величины нагрузок вызываю разрушение материала в эластичном состоянии в течение относительно короткого периода времени.
Тесты для определения ползучести.
Для определения ползучести конструкционных материалов существует различные тесты, в частности по стандарту ASTM D2990. По данной методике к образцам подвешивают грузы, после чего в условиях заданных температур и нагрузок проводят измерения величины их деформации, а также фиксируют период времени до их разрушения.
Каталог