ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Деформационные эксперименты. Ступенчатые функции возбуждения из "Механические испытания пластмасс" Эксперименты по ползучести и релаксации напряжения равноценны по оценке деформационного поведения, особенно при значительном истечении времени с момента начала возбуждения. В первом случае для возбуждения используется ступенчатая функция напряжения, а откликом является деформация, которая возрастает со временем, и в последнем для возбуждения используется ступенчатая функция деформации, а откликом служит напряжение, которое спадает со временем. [c.77] Эксперимент по ползучести, в котором результирующая деформация всегда очень мала, определяет линейную функцию податливости при ползучести t) для определенного вида напряжения (растяжение, сдвиг и т. д.), и аналогично релаксационный эксперимент, в котором прикладываемая деформация мала, определяет линейную функцию релаксации модуля МтЦ). Уравнение (3.6) и обсуждение, предшествовавщее ему, показывают, что функция податливости при ползучести не об-ратна функции релаксации модуля, т. е. [c.77] Добавим, что, будучи функциями времени, релаксационные модули зависят от приложенной деформации, а податливость при ползучести — от приложенного напряжения или, по-видимому, более точно, от амплитуды деформационного отклика. При бесконечно малых деформациях нелинейное поведение незначительно, но его вклад возрастает по мере роста входной амплитуды в такой степени, что влияет на большинство деформационных явлений, с которыми сталкиваемся на практике. Конечно, имеются отдельные исключения из общего правила. Высокоориентированные волокна, резиноподобные полимеры и некоторые системы, усиленные волокнами, дают приблизительно линейные отклики в значительной части их динамического диапазона. В данной монографии будет рассмотрен только линейный случай. [c.78] Какова бы ни была степень нелинейности и степень приближения в равенстве модуля ползучести релаксационному модулю, в основных экспериментах со ступенчатым возбуждением определяются две неидентичные, но подобные функции модуля,. [c.78] Эти соотношения справедливы только в линейной вязкоупругой области, а из-за преобладания нелинейных явлений было бы удобно отказаться от преимущественно линейного представления о модуле и податливости и рассматривать данные как функции напряжения—деформации—времени, из которых В будущем можно будет получить специальные соотношения напряжения — деформации. Тем не менее, независимо от вида представления данных и их обработки, в любом запланированном эксперименте будут получаться результаты, соответствующие какой-то ограниченной, но определенной части зависимости. В противоположность этому в некоторых стандартных методах определения модуля используется ступенчатое возбуждение, а связь условно одноточечных данных с основной характеристической функцией нечеткая, так что даже если и получена какая-то корреляция, ничего нельзя сказать по поводу связи двух независимых переменных. Таким образом, имеется заметное преимущество использования методов ползучести и (или) релаксации, даже при стандартных определениях модуля. [c.79] Оба типа эксперимента возникли при испытании металлов и оба впервые были применены к пластмассам много лет назад. Судя по опубликованной литератре, имеется несколько таких работ, выполненных до начала 1940 г. Подобные методы стали широко использоваться в начале 1950 г., хотя лишь з последние годы разрабатывалась усовершенствованная аппаратура. Наиболее активно релаксацией напряжения занимался Тобольский и его сотрудники, в то время как Финдли был центральной фигурой при изучении ползучести. Хотя явления и подобны, характер аппаратуры и особенности исследований в большей степени различались. [c.79] Многие результаты Тобольского, по крайней мере наиболее важные из полученных в первые десять лет, собраны в книге [2] наследие Финдли заключено в солидной серии статей. Недавно обширные обзоры опубликованы Бергеном [3] по релаксации напряжения и Тернером [4], главным образом по ползучести в обоих обзорах содержится много ссылок на литературу, касающуюся как практических, так и теоретических сторон явления. [c.80] В принципе, эксперименты по ползучести и релаксации при растяжении особенно просты практически приемлемая степень упрощения зависит от типа исследуемого материала и необходимой точности. Образец пластифицированного ПВХ с модулем ползучести, резко спадающим примерно от 100 до 10 МПа или ниже, может быть растянут до деформации в несколько процентов неспосредственно под нагрузкой. Такое удлинение может быть измерено с высокой точностью оптическим компаратором. [c.80] Однако проблема не так проста для материалов с высоким-модулем. Во-первых, модуль 30 ООО—50 ООО МПа явление совсем обычное, и прямое нагружение не дает желаемых результатов, если не сделать поперечное сечение образца очень небольшим, что само по себе, в общем, нежелательно по многим причинам. Во-вторых, пластмассы с высоким модулем редко деформируются в процессе эксплуатации более чем на 0,04 (4%), а диапазон их обычной работы не превышает 0,01 т. е. относительно низкой деформации, которая не может быть измерена точно компаратором. Зажимы образца не всегда соответствуют гарантированным паспортным требованиям. Если их щеки недостаточно подогнаны одна к другой и по направлению, в котором приложена сила, и если контактная поверхность имеет удобную для образца геометрию, то приложенная сила не будет пересчитываться в однородное растягивающее напряжение. Отдельные практические недостатки устраняются для из-гибной моды деформации, с помощью которой простым расчетом может быть получен модуль растяжения, поскольку небольшие боковые усилия вызывают большой прогиб простых брусков. Практические преимущества компенсируются аналогичными недостатками, такими как трение в местах крепления, и относительно небольшим рабочим интервалом деформаций, который связан с ограничениями условий вывода формулы бруска. Теория больших прогибов допускает соответствующее распространение за исключением случаев, когда комбинация геометрической и системной нелинейности вносит неопределенность в расчеты, в частности, если максимум поверхностной деформации превышает 0,01. [c.81] Независимо от вида деформации, выясняются следующие общие, универсальные черты. Совершенствование испытаний в направлении повышения точности измерений обычно накладывает ограничения, которые, как правило, обусловливают свои ошибки, правда, меньшие, чем те, которые они исключают и тем не менее каждая последующая стадия улучшения менее эффективна, чем предыдущая. Так продолжается до тех пор, пока не достигается равновесие, когда дополнительные удобства не стоят затраченных усилий и средств. В равной степени справедливо и обратное. Упрощения, вносимые с целью уменьшения стоимости или физической сложности испытания, почти неизбежно вызывают снижение их точности и эффективности. Другой момент, представляющий интерес, заключается в том, что временная зависимость деформационного поведения, несмотря на ее фундаментальное значение, вносит значительно меньше экспериментальных сложностей и ошибок, чем физические ограничения, граничные условия и системная нелинейность. Нельзя сказать, что ее можно игнорировать, но по крайней мере в этой главе временные характеристики можно рассмотреть во вторую очередь. [c.81] При измерении деформации с помощью оптического компаратора удается избежать этих проблем, однако метод в применении утомителен и не очень точен во всем интервале, насколько об этом можно судить по рис. 5.1, на котором приведено сравнение между результатами, полученными С помощью экстензометра и компаратора, использованных опытным оператором в испытании на ползучесть. Некоторый разброс данных компаратора можно объяснить недостаточной разрешающей способностью либо прибора, либо глаза, причем основной вклад в плохую воспроизводимость данных связан с тем, что перекрестье окуляра следует устанавливать по совпадению с выбранной меткой при каждом считывании. Это обусловливает появление ошибки за счет оператора, поскольку критерий совпадения субъективен. [c.82] ВОЗМОЖНОСТЬ прикладывать растягивающее усилие плавно и резко. Первоначально время, требуемое для операции, редко занимало менее 0,5 с, и, следовательно, отклик, наблюдаемый в течение первых нескольких секунд, был недостоверен (см. рис. 3.4, а), но последние усовершенствования уменьшили это время в 5 раз. [c.83] Образец в эксперименте по релаксации может деформироваться в течение более короткого периода, например в течение нескольких миллисекунд, и тогда инерционную массу не следует делать большой. Если растяжение ограничивается жестким стопором, то система будет вибрировать после удара, но, если ввести резиновую прокладку или иную, подобную ей, то в эксперименте будет наблюдаться медленное, непрерывное нарастание до предельного растяжения системы образец — захват. В окончательном варианте лучше обходиться без прокладки и пожертвовать начальной частью релаксационной кривой, которая в этом случае затеняется наложенными вибрациями, чем иметь плавное и в значительной степени неконтролируемое изменение растяжения, особенно когда наблюдаемая кривая отличается от чистой функции ступенчатого отклика, во всяком случае сразу же после прекращения деформирования. [c.83] Шмитт и Кескула [7], используя аппаратуру, разработанную на основе изобретений Ватсона, Кеннеди и Армстронга [8], смогли наблюдать процесс релаксации напряжения от 0,01 с и искали связь между релаксационными характеристиками при ударе и вязкостью. Эта часть их программы была безуспешной. [c.83] Высокое геометрическое совершенство образца и правильное расположение отверстий получались относительно легко в результате соответствующей механической обработки [5]. Этот тип зажима всегда обеспечивает соосность системы напряжений без появления изгибающего момента. Приложенная сила передается образцу через шпильки, и возникает небольшое поперечное давление на собственно зажимающие пластины. Однако эта конструкция оказывается неудобной для сильно анизотропных образцов, таких как композиционные материалы с одноосно ориентированными волокнами. Например, у образца, ориентированного вдоль направления волокон, отсутствует сдвиговый механизм в шпильке зажима при наличии заметной упругой деформации (отношение сдвигового усилия на внутренних стенках к модулю упругости вдоль направления ориентации волокон грубо равно 1/2000 для типичного композиционного материала из углеродистых волокон, пропитанных эпоксидной смолой). На рис. 5.2 дана фотография такого типа зажима и образца композиционного материала с углеродистыми волокнами, у которого край разрушился подобным образом. [c.84] Однако эта форма образца обусловливает определенные трудности. Длинный тонкий образец сложно изготовить с высокой точностью, так как он имеет низкую жесткость изгиба и тенденцию искривляться под действием любых боковых усилий, которые возникают в процессе обработки. Его искажения также могут иметь место при креплении к нему экстензометра,. а основная цель применения экстензометра состоит в ослаблении этих неизбежных, но нежелательных сил без потери механической стабильности или снижения качества испытания. Ровно обрезанные ножом края экстензометра и равномерность давления, развиваемого в зонах контакта с образцом, являются важными факторами. Оптимум зависит от природы испытуемого материала, и, пока нет общих правил, наивысшей экспериментальной точности добивается только достаточно опытный оператор. [c.86] При испытании металлов одну и ту же машину с относительно небольшой модификацией обычно используют как для исследования ползучести, так и для исследования релаксации. Эта идея была заимствована исследователями полимеров сравнительно недавно. Прежнее же нежелание объединять отдельные исследования, вероятно, возникло из-за отмеченного выше различия методов. В работе Лея и Финдли [11] описываются модификации, которые допускает комплексная машина для испытания на ползучесть Финдли — Джелсвика [6], для применения ее, при необходимости, к релаксации напряжения. Техника обоих типов испытания подобна, хотя сами явления связаны сложной зависимостью [см. уравнение (3.6) и его нелинейные варианты]. Они, имеют свои относительные преимущества и недостатки, которые компенсируют и дополняют друг друга. [c.86] Для работы в пределах классов Б и В будут пригодны менее прецизионные машины. Вид испытания или минимум определяемой деформации должен быть указан на приводимых кривых ползучести. [c.88] Вернуться к основной статье