Испытания на растяжение

13.08.2015

Меры ударной вязкости

Из всех стандартных методов измерения сопротивления разрушению самым простым в проведении и анализе результата является испытание на растяжение. Три стандарта ASTM определяют условия для испытаний этого типа — при умеренной, высокой и ударной скоростях соответственно. Образцы имеют параллельную калиброванную часть прямоугольного сечения и утолщения по краям, чтобы фиксировать их в зажимах, которые расходятся в противоположные стороны с постоянной скоростью. В большинстве крупных лабораторий имеются контактные или дистанционные экстензометры, которые служат для измерения расстояния L между двумя точками на длине испытуемой части с площадью начального поперечного сечения Ao; при этом узел нагружения записывает приложенную силу F. Более современное оборудование включает компьютер для записи и анализа результатов, которые обычно представляются в виде графиков зависимости расчетного напряжения σ (= F/Aо) от номинальной деформации ε (= ΔL/Lo). Истинное напряжение σ*, которое определяется как F/А, где А — площадь текущего сечения бруска, всегда выше, чем расчетное сечение, но его невозможно рассчитать, пока не будет проведено независимое измерение величины А. Для расчета модуля Юнга, расчетного напряжения и деформации при разрушении, а также работы разрушения никакой дополнительной информации не требуется.
Из перечисленных величин работа разрушения на единицу объема wv дает наиболее эффективную меру ударной вязкости в пластичном материале, если обеспечены надлежащие меры предосторожности. При определении wc подразумевается допущение о том, что растяжение до разрыва εb является воспроизводимым собственным свойством материала при выбранных условиях испытания, и что правильная работа разрушения на единицу объема может быть получена интегрированием площади под кривой сила-растяжение. Этот метод применим, только если вся часть, отслеживаемая экстензометром, будет испытывать течение и растяжение примерно в одинаковой степени до полного разрыва образца. Если течение ограничено локальной шейкой или другими областями высокой деформации, то необходим более подробный анализ данных для определения wc,
Локализация деформаций

Общепризнано, что расчет деформации, исходя из процента удлинения, который измеряется в испытании на растяжение, допустим только при малых деформациях. За пределами максимальной нагрузки (расчетный предел текучести σTY где индекс TY (tensile yield) обозначает предел текучести при растяжении) многие полимеры образуют шейку, так что (локальная) осевая деформация заметно изменяется вдоль длины испытуемой части. Площадь поперечного сечения в шейке обычно ниже половины сечения в остальной испытуемой части, что означает, что материал в шейке приобретает в результате течения более чем удвоенную длину. Увеличение этой величины лучше выражается в терминах отношения растяжения А, которое для материала, деформирующегося с небольшим изменением плотности может быть записано в виде:
Испытания на растяжение

где L и Lo — текущая и исходная длины рассматриваемого элемента соответственно.
В некоторых пластичных материалах, в особенности в полукристаллических термопластах, таких как найлон и полипропилен, шейка распространяется в обоих направлениях, причем при постоянном приложенном напряжении до тех пор, пока она займет всю длину испытуемой части образца и дойдет до выступов образца. В этот момент нагрузка увеличивается; материал шейки с повышенной твердостью вследствие деформации растягивается дальше и, наконец, разрывается — часто при удлинении свыше 200%. В этих условиях, процент удлинения при разрыве εb и работа разрушения на единицу объема wc являются значимыми величинами. Однако в других случаях, когда образец разрывается в шейке на значительно более ранней стадии, то есть раньше, чем шейка пройдет всю длину испытуемой части, номинальная величина εb оказывается низкой — существенно ниже способности поглощения энергии полимера.
Если материал шейки сплошной и потому не происходит значительного уменьшения плотности, (локальное) растяжение при разрыве может по-прежнему определяться из измеренной минимальной площади поперечного сечения Amin с помощью уравнения (21.1). В этом случае может быть использовано построение Консидера для определения предела текучести и степени холодной вытяжки в шейке путем построения графика зависимости истинного напряжения σ* от λ (рис. 22.1). Однако течение полимерных смесей часто сопровождается внутренним когезионным разрушением через кавитацию частиц каучука, отрыва жестких включений или растрескивания матрицы, так что текущую площадь А нельзя использовать для определения λ. Хорошим примером поведения такого типа может служить ударопрочный полистирол (УПС), который течет и тянется через кавитацию частиц каучука в растрескивание матрицы с небольшим изменением площади поперечного сечения или вообще без изменений сечения. Еще более сложное поведение проявляет АБС (сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирол), который при комнатной температуре течет за счет сочетания кавитации частиц каучука, растрескивания и сдвигового течения, в результате чего образуется шейка при растяжении, но разрушение наступает в шейке при относительно низком растяжении (если считать по полной длине рабочего участка), как правило, около 20%.
Испытания на растяжение

В двух недавних обзорах подробно обсуждается влияние образования шейки и других явлений, связанных с течением, на скорость локальной деформации, внутренний нагрев и прочие проявления реакции пластичных полимеров на проведение испытания, причем особое внимание уделяется полимерным стеклам. Одной из наиболее интересных разработок было внедрение видеоэкстензометрии с компьютерным управлением для отслеживания истинных напряжений и деформаций в цилиндрическом растягиваемом образце со скругленной (типа «часового стекла») центральной частью. Шейка возникала в средней точке и скорости локальной деформации поддерживались постоянными с помощью соответствующей компьютерной программы. Это устройство позволяет определять wi при высоких скоростях растягивающей деформации, при условии контроля отсутствия образования внутренних полостей в шейке.
Различные виды локализации деформации проявляет УПС. На ранних стадиях испытания на растяжение, проведенных на этом материале, возникали полосы побеления поперек образца в плоскости, примерно нормальной к направлению растягивающего напряжения, тем самым указывая области сильного растрескивания и кавитации частиц каучука. В идеальных условиях эти зоны стабилизируются механически фибриллированными каучуковыми частицами, действующими как деформационно-упрочненные элементы; вся испытуемая часть образца становится равномерно побелевшей, и материал достигает высокого удлинения (примерно до 60%). Однако поскольку растянутые частицы каучука разрушаются при достижении критического уровня локальных деформаций, можно наблюдать разрушение при весьма низких разрывных деформациях.
Съердсма и Бойенс показали, что имеется корреляция между вероятностью разрушения растягиваемого образца УПС и его деформацией при растяжении, которая, фактически, не чувствительна ни к напряжению, ни к температуре. Их эксперименты были проведены на больших партиях брусков, испытуемых на разрыв, при одинаковом постоянном напряжении; наблюдалось растяжение при разрыве εb для каждого бруска. Вероятность сохранения работоспособности Psv при любой заданной деформации в таких испытаниях на разрыв при ползучести определялась как доля образцов, оставшихся неразорванными при этой деформации. Они обнаружили линейную зависимость lg(Psv) от ε2b. В более позднем исследовании О’Коннор и Бакнелл также нашли корреляции между lg(Psv) и εxb для серии материалов УПС и АБС, отличающиеся величиной показателя степени х. Они пришли к выводу, что корреляции возникают в результате разрушения перегруженных каучуковых частиц, которые обусловливают распределение Вейбулла разрушающих деформаций в АБС и УПС. Рис. 21.1 демонстрирует взаимосвязь между Psv и ε2b для четырех образцов УПС, содержащих различные концентрации частиц каучука. Содержание каучука, изменялось при смешении исходного УПС с чистым полистиролом в смесительном экструдере. Результаты показывают, что существует максимальное растяжение при разрыве в УПС, которое растет с увеличением содержания каучука, но одновременно работа до разрыва при натяжении часто бывает намного ниже, чем максимальная достижимая величина.
Таким образом, очевидно, что wc — работа разрушения на единицу объема — является полезной мерой ударной вязкости пластичных полимерных смесей. Однако она достоверна только в том случае, когда разрушение имеет место при высоких деформациях и оно следует после того, как деформация захватывает всю измеренную длину испытуемой части без признаков локализации деформации в виде шейки или неравномерной внутренней кавитации.