ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ДЕФОРМАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ В СТЕКЛООБРАЗНОМ СОСТОЯНИИ Общие закономерности деформации полимеров в стеклообразном состоянии из "Деформация полимеров" Важнейшая особенность стеклообразных полимеров — способность к развитию больших обратимых деформаций при температурах, лежащих ниже температурного интервала перехода в стеклообразное состояние. Эти деформации получили название вынужденно эластических. [c.126] Основной способ исследования вынужденно-эластической деформации — построение кривых растяжения (зависимости напряжени5 от деформации). В большинстве случаев кривые растяжения аморфных стеклообразных полимеров имеют несколько характерных участков (рис. 11.1). На первом участке напряжение резко возрастае с деформацией, на втором образуется максимум, на третьем напряжение падает. Затем напряжение изменяется очень мало, хотя деформация возрастает иногда на сотни процентов (четвертый участок кривой растяжения) после этого напряжение вновь растет (пятый участок). Разрушение может произойти при таком состоянии полимерного материала, которому отвечает один из пяти участков кривой растяжения. Положение точки разрыва на кривой зависит от структуры полимера, от его молекулярного веса, температуры, скорости воздействия и других факторов. Для некоторых полимерных материалов максимума на кривой растяжения не образуется. [c.126] Многие, казалось бы, разные полимерные материалы, ведут себя аналогично при растяжении, если они находятся в стеклообразном состоянии Например, ненаполненная резина из СКН-40 и полиметилметакрилат имеют во многом сходные кривые растяжения (рис. П.2 и II.3). [c.126] Первый участок на тех и на других кривых растяжения является в основном линейным, если температура испытания на несколько десятков градусов ниже температуры стеклования Tg. Вблизи Tg отклонение от прямой становится ощутимым, так как высокоэластическая деформация добавляется к упругой и начинает оказывать заметное влияние. [c.126] Перейдем теперь ко второму участку кривой растяжения — области максимума. Незадолго до максимума (см. рис. 11.1) наклон кривой растяжения начинает заметно уменьшаться. Это связано с развитием в образце вынужденно-эластической деформации за счет больших напряжений сдвига. Они вызывают появление характерных линий, составляющих с осью растяжения угол 45° (иногда угол может быть несколько больше). [c.128] После прохождения через максимум напряжение в образце уменьшается (третий участок кривой растяжения). В одних случаях напряжение падает очень резко, в других плавно и на небольшую величину. Можно назвать много причин, вызывающих спад напряжения в образце быстрое уменьшение сечения в шейке, нагрев материала, образование микроразрывов и т. д. Чтобы выделить главную причину этого явления, нужно прежде всего тщательно измерить площадь поперечного сечения образца на всех стадиях зарождения и развития шейки, а затем рассчитать истинное напряжение. Возможно, что истинное напряжение и не уменьшается с развитием деформации. [c.129] Истинное напряжение в образце можно определить разными способами. Самый правильный — тщательно измерить сначала истинное сечение s t в месте образования шейки, а затем рассчитать истинное напряжение по формуле Оист = р/ ист. где р — сила, действующая на образец Иногда это делают более просто, но менее точно считая, что объем твердого образца при растяжении не изменяется, рассчитывают истинное напряжение по формуле t t = сго (1 -f е), где сто — напряжение, рассчитанное на начальное сечение, а 8 — относительная деформация. Однако формула предполагает также, что уменьшение площади поперечного сечения пропорционально деформации. Это в момент образования и развития шейки, вообще говоря, неверно. Опыты и прямые измерения показывают, что сечение в шейке может быть меньше, чем исходное, в 1,7 раза, хотя среднее удлинение образца составляет всего 20%. [c.129] Особый интерес представляет четвертый участок кривой растяжения (см. рис. II. 1). На этом участке напряжение остается практически постоянным, а удлинение образца происходит за счет вынужденно-эластической деформации у границ шейки. Материал переходит из толстой, недеформированной части в тонкую шейку. Процесс роста шейки — необыкновенно красивое зрелище. Шейка удлиняется гораздо быстрее, чем укорачивается толстая часть образца создается впечатление, что материал как бы плывет из одной части образца в другую. Не случайно этот процесс впоследствии описывался уравнением диффузии. [c.130] Пологий участок кривой растяжения заканчивается, когда весь материал переходит в шейку, и при дальнейшем растяжении шейка начинает деформироват1 СЯ как одно целое. Напряжение снова начинает возрастать (пятый участок кривой растяжения). [c.130] Первое положение основано на концепции А. П. Александрова о резком (экспоненциальном) возрастании скорости вынужденноэластической деформации в стеклообразных полимерах при больших напряжениях (см. стр. 77). Это приводит, в частности, к появлению максимума на кривых растяжения, но не объясняет стабилизации шейки (т. е. широкого плато на кривых растяжения, когда усилие практически не изменяется). Стабилизация шейки после определенной вытяжки объясняется ориентационным упрочнением полимеров. [c.131] Стабилизация шейки наступает при /С = 1. [c.132] Все это подтверждает основное положение о том, что ход растяжения различных полимеров определяется их способностью к ориентационному упрочнению. [c.133] А — момент перед началом образования шейки Б — процесс вынужденно-эластической деформации протекает в тонкой части, ориентационное упрочнение мало В — процесс вынужденно-эластической деформации протекает в местах перехода от шейки к нерастянутым частям образца, в средней части ориентационное упрочнение велико. [c.133] Приведем схему иллюстрирующую процесс зарождения и развития шейки в образце (рис. П.8). Иными словами, рассмотрим различные стадии холодной вытяжки. Слева изображен образец, справа — кривые распределения истинного напряжения ст (сплошная линия) и предела вынужденной эластичности а э (пунктир) в различных сечениях образца. [c.133] Несмотря на то, что процесс зарождения и развития шейки в стеклообразных полимерах уже детально изучен Ю. С. Лазуркиным, интерес к этому явлению по-прежнему велик. В результате исследования этого процесса современными, более точными методами, в аморфных и кристаллических полимерах обнаружен ряд интересных особенностей, например медленное развитие небольших деформаций в толстых частях образца при быстром распространении шейки. [c.134] Другая интересная особенность — появление периодических колебаний напряжения в процессе развития шейки при одноосном растяжении стеклообразных полимеров например полиэтилентерефталата. В этом полимере, после того, как в процессе одноосного растяжения образовалась шейка, напряжение колеблется со сравнительно небольшим периодом при дальнейшем деформировании. Внешний вид образца свидетельствует о периодических изменениях материала в шейке, соответствующих периоду колебаний. [c.134] В последнее время трудно найти работы, в которых вынужденно-эластическая деформация трактуется как пластическая, или как вязкое течение. Однако недавно еще с такими утверждениями приходилось сталкиваться по-видимому, вследствие большого сходства в поведении стеклообразных полимеров и металлов, а также других поликристаллических материалов та же шейка, та же форма кривой растяжения и способность к большим деформациям, не исчезающим после снятия нагрузки. [c.134] И все же тщательная проверка геометрической обратимости была необходима. Она позволила, в частности, определить роль образования микрорадикалов (и уменьшения микровязкости под действием больших напряжений), или разрывов химических связей пространственной сетки. Оказалось, что эти эффекты играют второстепенную роль. Главное — это полная геометрическая обратимость всех полимерных материалов, если их удается нагреть выше температуры стеклования . Даже после предварительной вытяжки на 600—700% стеклообразные полимеры полностью принимают исходную форму после длительного отжига выше Tg. [c.135] После сокращения восстанавливается не только форма образцов, но и их механические свойства Если предварительная вытяжка не слишком велика (растяжение прекращается задолго до разрыва), повторные испытания после отжига и сокращения дают одинаковые значения механических показателей. Микротрещины, вызывающие побеление материала, при отжиге залечиваюягся , побеление исчезает. Даже после нескольких циклов холодной вытяжки и последующего отжига кривые растяжения ниже Tg одинаковы. [c.135] Только когда предварительная вытяжка проводится до удлинений, близких к разрывным (или равным им), возникшие макроскопические нарушения в структуре материала не исчезают полностью при отжиге. В этих случаях отклонения механических свойств хотя и наблюдаются, но они не столь заметны. В основном изменяются предельные свойства (удлинение при разрыве), а не характер кривой растяжения. [c.135] Вернуться к основной статье