X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

ВВЕДЕНИЕ

Прочность полимерных материалов приобретает все более актуальное значение. До появления кинетической точки зрения на разрушение полимеров придерживались представлений о разру­шении исключительно с позиций механики упругих твердых тел, имеющих дефекты. Однако экспериментальные факты доказывают существенную роль вязкоупругих релаксационных явлений при разрушении полимеров. При этом описание релаксационных явлений в полимерных материалах связывается с рассмотрением их как сплошных сред, которые по своим механическим свойствам занимают промежуточное положе­ние между упругими твердыми телами и вязкими жидкостями (что приводит к возникновению явлений вязкоупругости).

Исключи­тельное сочетание прочностных свойств зависит от специфического строения полимеров — наличия двух видов связей, резко различающихся энергией и длиной прочных химических связей между атомами в цепи и значительно более слабых межмолекулярных связей ме­жду цепями. Прочность реальных кристаллических тел иногда в сотни раз меньше теоретических значений, рассчитанных по энергиям связей между атомами или ионами. Это объясняется дефектным строением реальных кристаллов, наличием в каждом материале большого числа дефектных мест и трещин. Разрыв про­исходит в самом опасном (дефектном) месте. Механические свойства твердых тел в течение длительного вре­мени изучались главным образом на поликристаллических объек­тах (металлах), при исследовании которых были установлены ос­новные закономерности разрушения твердого тела.

В то же время такой важнейший показатель механических свойств, как прочность, у полимеров значительно ниже, чем, например, у металлов. Это обстоятельство существенно ограни­чивает применение полимерных материалов в каче­стве конструкционных.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ (РЕЖИМЫ ИСПЫТАНИЙ)

1.  
   Испытание полимерных материалов на долговечность при

постоянном деформирующем напряжении

Прочность, деформация и модуль упругости при растяжении

ISO R527 (ASTM D638M, ГОСТ 11262-80)

Рисунок 1 - Устройство для быстрого нагружения

1 — катушка с алюминиевой обмоткой; 2 — электромагнит;

3 — обмотка электромагнита; 4 — демпфер; 5 — испытуемый образец

Удобная и строгая методика определения долговечности была разработана С. Н. Журковым и Э. Е. Томашевским, которые проводили быстрое нагружение с помощью электродина­мического устройства, показанного на рис. 1. Легкая пластмас­совая катушка 1 с обмоткой из алюминиевой эмалированной проволоки свободно перемещается в кольцевом зазоре электро­магнита 2. Индукция магнитного поля в зазоре, создаваемого обмоткой 3, достигает 1 Т. Изменяя силу тока в ка­тушке, можно прикладывать к испытуе­мому образцу 5, присоединенному к по­движной системе, растягивающую силу необходимой величины. Чтобы иметь воз­можность управлять формой силового им­пульса при ударном нагружении, между образцом и подвижной катушкой включен жидкостный демпфер 4, выполненный в виде трех легких дюралюминиевых дисков с отверстиями, помещенных в стакан с маслом. Необходимый коэффициент затухания подбирают, поворачивая один диск относительно другого и изменяя степень открытия отверстий. Вме­сто механического демпфера можно при­менить электрическое устройство [1].

Кратковременные усилия, действу­ющие на образец, удобно регистриро­вать осциллографическим методом. Схема состоит из емкост­ного датчика, производящего амплитудную модуляцию тока вы­сокой частоты, усилителя, детектора и катодного осциллографа. Благодаря высокой частоте собственных колебаний датчика (до 100 кГц) достигается неискаженная запись усилий в диапазоне частот от 0 до 5000 - 10000 Гц. Прибор работает следующим образом. Усилие, действующее на образец, вызывает прогиб мембраны датчика, изменение емкости которого преобразуется в изменение электрического напряжения. Полученный электри­ческий сигнал усиливается и производит вертикальное смещение луча на экране трубки осциллографа. Одновременно с подачей тока на катушку 1 включается временная разверстка, которая осуществляет горизонтальное смещение луча осцил­лографа. На экране трубки осциллографа регистрируется изме­нение приложенного к образцу усилия во времени [1].

Современное оборудование для проведения испытаний на долговечность при постоянном деформирующем напряжении представлено на рис. 2.

Рисунок 2 - Универсальная испытательная машина для проведения

механических испытаний фирмы «Galdabini»

1.  
   Испытание прочности полимерных материалов

при постоянной скорости нагружения

Прочность, деформация и модуль упругости при растяжении

ISO R527 (ASTM D638M, ГОСТ 11262-80)

Испытание с постоянной скоростью нагружения со­стоит в определении разрушающей силы при растяжении образца под действием постепенно увеличивающейся нагрузки. Определе­ние прочности пластмасс при постоянной скорости перемещения зажимов можно проводить с помощью разрывной машины, поз­воляющей обычно измерять нагрузки на образец с погрешностью от 1 до 10% и варьировать скорость растяжения от 0,05 до 1000 мм/мин. При испытании резин применяются разрывные машины, обеспечивающие скорости растяжения от 1,67 до 16,7 мм/с. Разрушающее напряжение при растяжении вычисляют по формуле

= , (1)

где Р - разрушающая нагрузка, Н; b - ширина образца до испытания, м; h - тол­щина образца до испытания, м.

Испытания по различным описанным выше программам могут проводиться на различных установках. Одной из наиболее совре­менных испытательных машин является модель фирмы «Инстрон» [1].

Если тело подвергается действию изменяющихся во времени напряжений, то его разрушение происходит непрерывно в соот­ветствии с характером изменений действующего напряжения. Если напряжение действовало в течение времени, то вслед­ствие необратимости процесса разрушения долговечность после испытания уменьшится. Можно принять это относительное умень­шение долговечности равным/. При дальнейшем воздей­ствии деформирующей нагрузки происходит дальнейшее умень­шение долговечности, соответствующее /, и т.д. Когда сумма относительных уменьшений долговечности станет равной единице, произойдет разрушение. Эта схема, по-видимому, справедлива в тех случаях, когда при деформации не происходит значитель­ного изменения структуры материала, так как в противном слу­чае каждому состоянию деформированного материала будет соответствовать свое, отличное от других состояний, значение относительного уменьшения долговечности.

Интересно, что как в случае растяжения, так и в случае сжатия гидростатическое давление значительно увеличивает прочность и пластичность полимерных материалов, разрушающихся хрупко при одноосном растяжении [1].

Следует отметить, что полимер можно разорвать не увеличивая, а уменьшая нагрузку. Если в образце в начальный момент создано напряжение , которому соответствует долговечность , то можно подобрать такую скорость нагружения, чтобы в определенный момент истекло время, в течение которого образец может находиться под нагрузкой, не разрываясь. В этот момент образец разорвется. Такой режим соответствует режиму постоянной скорости разгружения [1].

Современное оборудование для проведения испытаний на долговечность при постоянной скорости нагружения представлено на рис. 3.

Рисунок 3 - Разрывная машина фирмы «Инстрон» для

проведения испытаний при постоянной скорости нагружения

1.  
   Испытание прочности полимерных материалов

при циклическом нагружении

Пластмассы. Метод определения ползучести при растяжении

ISO 899-1:2003,MOD (ASTM E292, ГОСТ 18197-2014)

Схема прибора, представляющего собой модификацию устройства для опреде­ления ползучести при циклических нагрузках представлена на рис. 4.

Прибор состоит из электродвигателя 2, клиноременной передачи 3, редуктора 4 (с набором передаточных чисел 1 = 1, 10, 100, 1000, 10 000), механизма возвратно-поступательного движения 5, 6; захватов 7, 8 для крепления образца 1, термостата 9, 10, в который по­мещается образец, нагрузочного устройства 13, 14, 15, 16 (или узла регулируемого торможения тяги нижнего захвата 8), со­суда 18 с жидкостью, в который погружается фигурный груз 17. Прибор позволяет проводить испытания в интервале темпера­тур от – 200° С до +200° С в различных газовых средах.

Изменяя передаточное число редуктора, можно определять усталость при различных частотах; частоту мо­жно изменять в пределах пяти порядков (= 1420; 142; 14,2; 1,42; 0,142 колебаний/мин). Максималь­ная допустимая нагрузка на об­разец составляет 2 кН (200 кг).

Прибор приводится в действие электродвигателем 2 мощностью 1 кВт и частотой вращения 14 220 об/мин. Среднее напряже­ние , действующее на обра­зец 1, определяется профилиро­ванным грузом 17, а амплитудное напряжение задается нагру­зочным устройством 13, 14, 15, 16. Цикличность испытания осущест­вляется за счет кривошипно-шатунного механизма 5, 6. Измене­ние среднего напряжения осу­ществляется за счет изменения веса груза 17, а амплитудного напряжения — за счет изме­нения степени сжатия пружины 16 [1].

Рисунок 4 - Схема установки для циклических испытаний

в режимах = const, = const

1 — образец; 2 — электродвигатель; 3 — клиноременная передача; 4— редуктор; 5 — эксцентрик; 6 – пружина; 7, 8 – зажимы;

9 - электронагреватель; 10 – холодильник; 11 – тяга;

12 – динамометр; 13 – гибкая лента; 14, 15 – блоки; 16 – пружина;

17 – профилированный груз; 18 – резервуар с жидкостью;

19 – балка с тензометрами; 20, 22 – прибор В-2-3;

21 – катодный осциллограф; 23 – потенциометр

За основу устрой­ства, обеспечивающего соответствующее уменьшение деформиру­ющей силы, в спроектированном приборе взято устройство Андраде. По мере вытягивания образца профи­лированный груз 17 опускается в сосуд 18 с жидкостью. Вес груза будет уменьшаться (согласно закону Архимеда) во столько раз, во сколько уменьшилось поперечное сечение образца [1].

Образец 1 из полимерного материала толщиной 20 - 500 мкм закрепляется в захватах 7, 8. Затем включается электродвигатель 2, вращение от которого передается с помощью клиноременной передачи 3 на редуктор 4, а затем на эксцентрик 5. При вращении эксцентрика 5 и за счет пружины 6 верхний захват 7 совершает возвратно-поступательное движение. При перемещении верхнего захвата 7 вниз образец нагружен только грузом 17, вес которого равен G (за вычетом потерь на трение в блоках 14, 15), а при перемещении вверх — на образец добавляется нагрузка Р при помощи нагрузочного устройства 13, 14, 16 (т.е. узла регулируемого торможения), состоящего из блока 14, гибкой ленты 13 и пружины 16. При испытании образец значительно деформируется, поэтому пе­ремещение верхнего захвата 7 отличается от перемещения нижнего захвата 8. За счет подбора эксцентрика 5, груза 17 и величины можно добиться перемеще­ния нижнего захвата равного нулю, поэтому инерционными силами системы можно пренебречь.

Для сопоставления временных зависимостей прочности твердых тел при статическом и циклических режимах нагружения была предложена установка, принципиальная схема которой изображена на рис. 5. Мотор 1 с эксцентриком 2 на валу с помощью кривошипно-шатунного механизма 3 ра­стягивает пружину 4, которая с помощью тяги 5, соединенной с демпфером 6, передает усиление образцу 7 и динамо­метру 8 [1].

Устройство для измерения усилий представляет собой мембранный конденсатор с емкостью, зависящей от прилагаемом к нему силы. Изменение емкости конденсатора, включенного в один из контактов связи генератора синусоидальных колебаний, сопровождается изменением на выходе величины сигнала, регистрируемого с помощью осциллографа. Градуировка дина-мометра производится с помощью рычажного устройства 9. Масляный демпфер 6 в основном гасит паразитные пики напряжения. Система нагружения обеспечивает в течение опыта приблизительно постоянную амплитуду напряжения при циклическом нагружении [1].

Рисунок 5 - Схема установки для испытания материалов

на долговечность при циклическом нагружении

1 — мотор; 2 — эксцентрик; 3 — кривошипно-шатунный механизм; 4— пружина; 5 — тяга; 6 – масляный демпфер; 7 – образец;

8 – динамометр; 9 – рычажное устройство;

10 – съемный трубчатый нагреватель; 11 – трубка-держатель;

12 – охлаждающая жидкость; 13 – сосуд Дьюара

Необходимая для соблюдения условий деформации пру­жины задается эксцентриком 2. Изменение амплитуды напряжения при заданном значении эксцентриситета осуществляется сменой пружин 4 [1].

Термостатирование образцов проводится путем использования трубки-держателя 11. В дне трубки устанавливают динамометр 8, к мембране которого крепится неподвижный зажим. Такая кон­струкция позволяет применять методы термостатирования с ис­пользованием съемного трубчатого нагревателя 10 и сосуда Дьюара 13 с охлаждающей жидкостью 12.

Описанные выше установки позволяют испытывать образцы в виде пленок, фольги или волокон только на растяжение. Од­нако, применяя рессиверы, можно испытывать также малогаба­ритные образцы и при знакопеременном нагружении [1].

Современное оборудование для проведения испытаний на долговечность при циклическом нагружении представлено на рис. 6.

Рисунок 6 - Электромеханическая машина фирмы «Zwick/Roell»

для проведения испытаний на долговечность

при циклическом нагружении

1.  
   Испытание полимеров резанием

Пластмассы. Метод определения прочности на срез

ISO D828 (ASTM D638, ГОСТ 17302-71)

Резание является разновидностью регулируемого разрушения. Оно может проводиться в статических и динамических условиях. Рассмотрим резание полимерных материалов в статических условиях.

Разрезание образцов резины, предварительно растянутых и не­растянутых, осуществляли па при­боре, схема которого показана на рис. 7. Основными частями прибора являются подлож­ка 1 и клиновидный нож 2. Все под­вижные узлы прибора укреплены на штоке 4, их вес скомпенсирован противовесом.

Разрезание образцов происходит под действием постоянного груза. Для поддержания постоянной температуры в зоне разрезания прибор оборудован камерой, в полые стенки которой подается вода из ультратер­мостата или пары азота [1].

Кинетическая кривая разрезания записывалась автоматически с по­мощью фотодиода, который переме­шался вместе с ножом относительно неподвижного осветителя; изменяющееся при этом электрическое напряжение подавалось на самописец.

За основные параметры разрезания принимают сопротивление разрезанию и продолжительность разрезанияобразца, определяемое нагрузкой или условным контакт­ным напряжением определяемого по формуле

= , (2)

где S - площадь контакта режущей кромки ножа с образцом, м²; – нагрузка при разрезании, Н [1].

Современное оборудование для проведения испытаний на срез представлено на рис. 8.

Рисунок 7 - Схема прибора для исследования

процесса разрезания резины

1 — подложка; 2 — клиновидный нож; 3 — образец;

4 — шток; 5 — груз; 6 — фотодиод; 7 — осветитель

Рисунок 8 - Испытательная машина фирмы «ЮДжиЭнЛаб»

для проведения испытаний на срез

1.  
   Испытание при сложных типах напряженного состояния

Пластмассы. Методы механических испытаний

ISO 458-1:1985 (ASTM D5289-12, ГОСТ 14359-69)

В качестве примера рассмотрим прин­цип действия установки для испытания ползучести и прочности при кручении (рис. 9).

Рисунок 9 - Схема прибора для испытания материалов на

долговечность и ползучесть при кручении

1 — противовес; 2 — упорный подшипник; 3 — шкив;

4 — направляющие подшипники; 5 — образец; 6 — спираль;

7 — часовой барабан

Из представленной схемы (рис. 9) следует, что крутящий момент опре­деляется двумя грузами P/2 и радиусом r шкива 3, жестко связанного с образцом 5. Тщательное центрирование образцов в за­хватах и большое расстояние между направляющими подшип­никами 4, шкив 3 был выполнен из трех секций. Таким образом, нагрузка Р делилась на две части, уравновешивающие прижимы тяги к подшипникам. Для сохранения постоянного напряжения достаточно поддерживать постоянное значение крутящего мо­мента. Нагревание осуществляется посредством спирали 6, а за­пись деформации - с помощью часового барабана 7. Вес тяги, шкива и упорного подшипника 2 уравновешивается противове­сом 1 [1].

Рисунок 10 - Схема прибора для испытания материалов на

долговечность при быстром кручении

1 — двигатель; 2 — шкив; 3 — электромагнитная муфта;

4 — тензодатчики; 5 — зажимы; 6 — бегунок; 7 — образец

На рис. 10 изображена схема установки для испытания на долговечность при быстром кручении. Электромагнитная муфта 3 включается после того, как двигатель 1 набирает заданную скорость. В этот момент крутящее усилие передается на образец 7, зажатый в зажимах 5. Тензодатчики 4, наклеенные под углом 45° к образующей на боковую поверхность тонкостенного (дюралюминиевого цилиндра, передают сигнал, пропорциональный крутящему моменту, через усилитель на шлейфовый осциллограф. Скорость закручивания рассчитывалась по меткам, которые давало контактное устройство при повороте на заданный угол. Это устройство представляет собой бегунок 6, приводимый в движение шкивом 2, скользящим по контактам, которые расположены по окружности и соединены последовательно друг с другом и с бегунком в одну электрическую цепь. При отходе бегунка от кон- такта цепь разрывается, что фиксируется на осциллограмме [1].

Современное оборудование для проведения испытаний при сложных типах напряженного состояния представлено на рис. 11.

Рисунок 11 - Испытательная машина фирмы «Zwick/Roell»

для проведения испытаний при сложных типах

напряженного состояния

1.  
   Испытание в условиях плоского напряженного состояния

Пластмассы. Машины для испытания материалов на ползучесть, длительную прочность и релаксацию ISO 899-1:2003

(ASTM E139, ГОСТ 28845-90)

Принципиальная схема установки для испытаний полимерных материалов на ползучесть и длительную прочность при сложном напряженном состоянии приведена на рис. 12. Стенд состоит из две­надцати испытательных ячеек, каждая из которых имеет автоном­ную систему нагружения опытного образца 1. Образцы с герме­тизирующими захватами размещаются внутри термокамеры 13 и обогреваются воздушным потоком, создаваемым вентилятором (на рисунке не показан). Постоянство температуры воздуха в тер­мокамере поддерживается автоматическим регулятором в интер­вале 20 - 120° С с точностью ± 2° С. Стенд позволяет нагрузить опытный образец внутренним гидростатическим давлением (до 50 кгс/) и осевым растяжением (до 600 кгс).

Внутреннее гидростатическое давление создается от напорного баллона со сжатым азотом 2 путем вытеснения под необходимым давлением определенного количества воды из дозировочного бачка 4 в пневморесивер 6, соединенный с полостью образца 1. Пневморесивер предназначен для поддержания постоянного дав­ления в образце в течение всего времени испытаний. Для герме­тизации образцов используются зажимы с резиновой вставкой. Требуемая величина испытательного давления регулируется воздушным редуктором 3 и фиксируется по образцовому манометру 5. Контроль за давлением в течение всего опыта осуще­ствляется по электроконтактному манометру 7 [3].

Рисунок 12 - Схема установки для испытаний полимерных

материалов на ползучесть и длительную прочность

1 — образец; 2 — напорный баллон; 3 — воздушный редуктор;

4 — дозировочный бачок; 5 — манометр; 6 – пневморесивер;

7 – электроконтактный манометр; 8 – шарнирная опора;

9 – набор грузов; 10 – рычажный механизм; 11 – трос;

12 – блок; 13 – термокамера; 14 – блок; 15 – набор грузов

Осевое растяжение передается на образец с помощью блока 14 и набора грузов 15, подвешиваемых на тросе к рычажному меха­низму 10. Последний связан с нижним захватом образца через блок 12 тросом 11. Верхний захват устанавливается в шарнирной опоре 8, обеспечивающей центрированное приложение нагрузки. Осевое растяжение устанавливается по тарировочным графикам, составленным на каждый рычажный механизм. Точность опре­деления нагрузки ± 0,05 кгс.

Стенд снабжен контрольно-измерительной аппаратурой для регистрации температуры (технические термометры и термопары) и времени испытаний (электроимпульсные счетчики типа СЭИ, фиксирующие момент разрушения образца при разрыве электри­ческой цепи стрелкой электроконтактного манометра). Сигнал времени подавался на счетчики СЭИ от хронометра через каждую минуту [3].

Современное оборудование для проведения испытаний в условиях плоского напряженного состояния представлено на рис. 13.

Рисунок 13 - Электромеханическаяиспытательная машина

фирмы «ЗИП» для проведения испытаний в условиях

плоского напряженного состояния

1.  
   Испытание полимерных материалов при ударе

(определение удельной ударной вяз­кости)

Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи

ISO 179-82 (ASTM D256, ГОСТ 4647-80)

Определение основано на измерении работы, необ­ходимой для разрушения свободно лежащего на двух опорах стандартного образца при испытании его на изгиб при ударном нагружении. Обычно удельную ударную вязкость определяют на маятниковом копре (рис. 14). Образец свободно лежит на двух опорах, и ударная нагрузка прилагается к середине образца (между опора­ми) со скоростью 3,5 ± 0,5 м/с. Удельную ударную вязкость A (в кгссм/) вычисляют по формуле

A = , (3)

где а - работа, затраченная на излом образца, кгссм; b - ширина образца, см; h - толщина образца, см [2].

При определении удельной ударной вязкости следует учиты­вать, что работа деформации полимера до разрыва при прочих равных условиях немонотонно изменяется с изменением темпе­ратуры и скорости деформирования. В настоящее время боль­шое число изделий из полимеров эксплуатируется на режимах больших скоростей, между тем как стандартная скорость испыта­ния на маятниковом копре сравнительно мала [2].

Современное оборудование для проведения испытаний на удар представлено на рис. 15.

Рисунок 14 - Схема копра для испытания

полимерных материалов на удар

1 — станина; 2 — маятник; 3 — шкала; 4 — образец;

5 — ремень ручного тормоза; 6 — рычаг ручного тормоза

Рисунок 15 - Маятниковый копер фирмы «Galdabini»

для проведения испытаний на удар

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Задачей кон­структоров и технологов, работающих в области полимерных материалов, является учет общих закономерностей прочности при создании полимерных материалов с заданными свойствами. При этом необходимо учитывать как особенности строения полимеров, так и режимы эксплуатации изделий. Большое разнообразие хими­ческих структур различных полимерных материалов и разнообразие ингредиентов, применяемых в полимерных композициях, дает в этом отношении технологам-полимерщикам практически неогра­ниченные возможности.

Для выбора оптимальных методов синтеза полимеров ученые используют различные методики изучения протекания реакций, а также проводят множество экспериментов, в результате которых может быть разработана методика получения прочных полимеров.

Используя известные в настоящее время закономерности разрушения полимерных тел, технологи и конструкторы могут применять большой арсенал методов воздействия на прочностные характеристики полимерных материалов и определять наиболее эффективные условия эксплуатации каждого полимерного мате­риала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров [Текст]: книга для химико-техн. спец. вузов / В.Е. Гуль. – 3-е изд., перераб. и дополн.– М.: Химия, 1978. – 328 с.

Гуль В.Е. Прочность полимеров [Текст]: книга для химико-техн. спец. вузов / В.Е. Гуль. – М-Л.: Химия, 1964. – 228 с.

Гольдман А.Я. Прочность конструкционных пластмасс [Текст]: книга для инженерно-техн. спец. вузов / А.Я. Гольдман. – Л.: Машиностроение, 1979. – 320 с.

Код для цитирования: Скопировать