Упрочнение кристаллических термопластов

13.08.2015

Кристаллические полимеры обладают высоким напряжением крэйзообразования и легко деформируются при сдвиге, однако при наличии надреза почти все они разрушаются по хрупкому типу. Эффективным способом упрочнения этих материалов является внедрение дисперсной каучуковой фазы, которая увеличивает энергию разрушения в несколько раз ценой определенной потери в модуле и сдвиговой прочности. Такие смеси, сплавы и сополимеры используются в инженерных применениях (например, для изготовления автомобильных бамперов), для которых требуется очень высокая ударная вязкость. Энергия разрушения этих упрочненных материалов, измеренная по Изоду на образцах с надрезом, составляет 50-100 кДж/м2. В обычных условиях эксплуатации материалы деформируются по пластическому типу. Существенными параметрами, влияющими на пластическое разрушение, являются следующие:
а) материал матрицы
• молекулярный вес
• кристалличность
• плотность зацеплений
б) материал дисперсной фазы
• кавитационное поведение
• концентрация
• размер частиц
в) условия испытаний
• размеры образца
• размеры надреза
• скорость испытания
• температура испытания
Для смесей кристаллических полимеров с каучуком принято считать, что функция эластомерной фазы заключается в кавитации и через нее — в изменении напряженного состояния материала матрицы вблизи полости. Другой эффект частиц с полостями состоит в перекрывании полей напряжения с соседними кавитированными частицами. В результате кавитации состояние плоскостной деформации перед надрезом изменяется в сторону плосконапряженного состояния, что способствует сдвиговому течению матрицы.
Упрочнение  кристаллических термопластов

Деформационное поведение кристаллических полимеров, как и некоторых полупластичных аморфных полимеров, сильно зависит от температуры (рис. 25.1). При низких температурах эти полимеры разрушаются по хрупкому механизму с относительно низкой энергией разрушения. При увеличении температуры энергия разрушения непрерывно возрастает в результате увеличения деформации в области надреза. При определенной температуре, называемой температурой хрупкопластичного перехода, энергия разрушения резко возрастает. При этом переходе оказывается, что некоторые образцы разрушаются хрупко, а другие — пластично. В отдельных образцах сочетания частично хрупкого и частично пластичного разрушения не наблюдаются. При модификации каучуком энергия разрушения при низких температурах выше, и деформация в надрезе при данной температуре более значительна. При добавлении каучука температура хрупкопластичного перехода Tbd значительно ниже, а переход по-прежнему прерывистый. Выше Tbd энергия разрушения уменьшается с увеличением температуры, и уровень энергии разрушения также уменьшается с увеличением концентрации каучука. Это уменьшение энергия разрушения в пластичной области с увеличением концентрации каучука, по-видимому, связано с уменьшением имеющегося материала матрицы.
Упрочнение  кристаллических термопластов

Образцы, демонстрирующие хрупкое разрушение, проявляют относительно низкую энергию разрушения (1-20 кДж/м2 в методе Изода на образцах с надрезом), побеление в надрезе, слабую видимую деформацию ниже плоскости разрушения (тонкая зона побеления, индуцированного напряжением) и высокую скорость разрушения (> 200 м/с). Образцы, разрушенные по пластическому механизму, имеют намного более высокую энергию разрушения, пластично деформированную зону вблизи плоскости разрушения (например, толстую зону побеления) и низкую скорость разрушения (< 50 м/с). Уровень ударной прочности в пластической области связан с толщиной зоны деформации (индуцированной напряжением побеления) вблизи плоскости разрушения. Хрупкопластичный переход описывается критерием Людвига-Давиденкова-Орована (ЛДО) (см. рис. 25.2). В этом критерии хрупкопластичный переход расположен там, где предел текучести и напряжение разрушения имеют одинаковую величину. Температура хрупкопластичного перехода Tbd очень чувствительна к изменениям параметров материала и условий испытаний, таких как скорость испытания и температура испытания.
Смеси, испытавшие пластичное разрушение, демонстрируют сильную пластическую деформацию. Большое количество механической энергии диссипируется в виде тепла, а в области надреза имеет место значительное повышение температуры (см. рис. 25.3). Если пластическая деформация происходит при адиабатических условиях (например, при высоких скоростях испытаний), то можно ожидать еще большего подъема температуры.
Для получения прочностных характеристик этих пластичных материалов широко используются метод Шарпи с надрезом и метод Изода с надрезом. Другим очень полезным методом исследования процесса разрушения этих материалов является тест с односторонним боковым надрезом (SENT). Этот инструментальный метод дает информацию о напряжении разрушения, развитии деформации и после зарождения трещины. Для некоторых смесей энергия разрушения определялась с помощью линейной упругой механики разрушения (ЛУМР).
Упрочнение  кристаллических термопластов