Растяжение пластиков

06.06.2015

Стандартные испытания на растяжение проводятся не при постоянном напряжении, как испытания на ползучесть, а при постоянной скорости раздвижения зажимов. В первом приближении этот вид испытания на разрыв можно считать испытанием при постоянной скорости деформирования.

На рис. 7.1 была приведена зависимость напряжение—деформация, полученная при стандартном испытании на разрыв ударопрочного полистирола. Начальная часть графика практически линейна, и отражает упругие характеристики полимера при напряжениях более низких, чем те, при которых образуются крейзы. Образование последних становится значительным при относительно высоких напряжениях: материал начинает заметно белеть, и график напряжение—деформация становится нелинейным. Напряжение продолжает расти и вызывает быстрое увеличение скорости образования крейз, пока не достигается верхний предел текучести, после чего напряжение спадает довольно круто и выравнивается на нижнем пределе текучести. Оставшийся участок графика сравнительно плоский: напряжение постепенно возрастает с увеличением деформации, пока образец не разрушится.

Спад напряжения от верхнего к нижнему пределу текучести не обусловлен просто уменьшением поперечного сечения образца, как в некоторых других материалах. В ударопрочном полистироле поперечная усадка образца между началом крейзообразования и достижением нижнего предела текучести составляет лишь 0,5 %; таким образом, разница между истинным напряжением и номинальным составляет только 1 %. Поэтому на кривой зависимости истинного напряжения от деформации также будет спад в области текучести, подобный показанному на рис. 7.1, но не идентичный с ним. Истинной причиной спада является деформационное размягчение ударопрочного полистирола в результате образования крейз.

В точках верхнего и нижнего пределов текучести скорость образования крейз соизмерима с приложенной скоростью деформации. На начальной стадии деформирования для достижения нужной скорости крейзообразования требуется относительно высокое напряжение, так как число имеющихся крейз сравнительно мало. Поэтому верхний предел текучести соответствует начальной стадии испытания на ползучесть, а именно до окончания индукционного периода, когда скорость деформации за счет приложенного напряжения низка. По уравнению (7.12) на этой стадии деформирования число крейз N и средний объем крейзы v относительно невелики. По мере роста числа и размера крейз уменьшается напряжение, требуемое для получения данной скорости деформации, до тех пор, пока кривая напряжение— деформация не выровняется на нижнем пределе текучести. Этот относительно плоский участок графика соответствует линейной части графика ползучести за пределами индукционного периода, когда скорость образования крейз максимальна. Последняя стадия испытания на растяжение сводится к условиям испытания на ползучесть, так как напряжение меняется медленно. При исследовании АБС-пластиков показано, что верхний предел текучести σт возрастает линейно с lg ε, где ε — скорость деформации. Используя уравнение Эйринга, Трасс и Чедвик показали, что кажущийся объем активации γV*, определяемый по уравнению (6.3) составляет 10 нм3 для АБС-пластика, содержащего низкомолекулярную матрицу сополимера стирола с акрилонитрилом, и 12,7 нм3 — для АБС-пластика, содержащего высокомолекулярный сополимер.
В материалах, которые начинают ужесточаться на начальной стадии деформирования, не наблюдается спада напряжения в области текучести. Для смеси полифениленоксида и УПС при испытании на ползучесть имеет место непрерывное падение скорости деформации при постоянном приложенном напряжении (см. рис. 8.6). Вывод из этого следующий: при испытании на растяжение напряжение, требуемое для сохранения постоянной скорости деформации, должно непрерывно возрастать (рис. 8.12). Для смесей А и В, содержащих большое количество полистирола в матрице, характерен спад в области текучести, тогда как для смесей С, D, E этот эффект отсутствует. Эти различия отражают различия поведения при ползучести.
Растяжение пластиков

На рис. 8.12 показано также, что предел текучести возрастает с увеличением содержания полифениленоксида, хотя изменение состава матрицы приводит в действие второй механизм деформации. Более того, добавление полифениленоксида приводит к сильному возрастанию относительного удлинения при разрыве. Причина этих явлений заключается в том, что полосы сдвига препятствуют росту крейз: для достижения определенной скорости образования крейз требуются более высокие напряжения; образуются более короткие крейзы, так что разрушение происходит при значительно более высокой плотности энергии деформации. Однако следует заметить, что ударопрочный полистирол, использованный в экспериментах по смешению, содержал очень маленькие частицы эластомера. Поскольку сдвиговые полосы обеспечивали ограничение роста крейз, то это компенсировало небольшой размер частиц наполнителя.
Механизм деформации растяжения

На основе испытаний на ползучесть можно сказать, что, несомненно, деформация при растяжении изотропного УПС обусловливается образованием крейз. Объемные изменения в УПС были впервые отмечены Мерцем, но замеры проводились на ненагруженных образцах, в которых наблюдалось существенное восстановление объемной деформации. Целью более поздних исследований было измерение объемных изменений во время испытаний, особенно в АБС-пластиках. Для испытаний на растяжение при низких скоростях деформации пригоден метод дилатометрии, в условиях же испытания на ударную прочность при растяжении необходима высокоскоростная киносъемка.
Эти исследования показали, что изменения объема происходят в АБС-пластиках как при обычном испытании на разрыв, так и при испытании на ударную прочность при растяжении. Деформация при высоких скоростях определяется главным образом образованием крейз, особенно в начальный период испытания. В процессе определения ударной прочности при растяжении при деформациях порядка 10 % становится заметной сдвиговая текучесть, возможно, в результате замедленного образования шейки. Высокие деформации АБС-пластиков неоднородны по длине рабочей части образца и без дополнительной информации трудно анализировать полученные экспериментальные результаты. У некоторых типов АБС-пластиков относительные удлинения при разрыве невелики при низких скоростях деформации, что является результатом сдвиговой текучести с последующим разрушением по механизму образования шейки. Относительное удлинение при разрыве возрастает при высоких скоростях деформации из-за того, что образец может достигнуть больших деформаций в значительной степени за счет образования крейз, без существенного уменьшения площади поперечного сечения.
Температура

На рис. 8.13 представлены результаты, полученные Трассом и Чедвиком при испытании АБС-пластика в широком интервале температур. Из варианта уравнения Эйринга, приведенного ранее, следует, что при построении зависимости σт/Т от Ig ε должно получиться семейство параллельных прямых, что и подтверждается экспериментальными данными. Объемы активации, рассчитанные по этим данным, были уже приведены. Из уравнения Эйринга также следует, что при любой скорости деформации σт/Т должна линейно возрастать с Т-1, причем наклон прямой определяется как ΔН*/k. Графики Аррениуса для АБС-пластиков с низко- и высокомолекулярной матрицей дают значения кажущейся энергии активации 164 и 257 кДж/моль, соответственно. Волюмометрические данные показывают, что эти величины представляют собой энергии активации крейзообразования в АБС-пластиках.
Растяжение пластиков

Ориентация

Влияние ориентации на текучесть УПС показано на рис. 8.14. Листы изотропного УПС одноосно растягивали при различных температурах выше Tс и подвергали испытаниям на растяжение под различными углами к направлению вытяжки. Корреляция между пределом текучести и коэффициентом вытяжки практически не наблюдалась, так как релаксация при вытяжке изменялась в зависимости от температуры и скорости деформации. Однако оказалось возможным скоррелировать данные, когда в качестве характеристики ориентации использовали форму частиц эластомера. Срезы производили в направлении, вытяжки и протравливали, как было описано ранее. Соотношение осей эллиптических частиц каучука измеряли посредством оптической и электронной микроскопии. Наличие корреляции между напряжением пластического течения и формой частиц позволяет предположить, что ориентация матрицы непосредственно связана с формой частиц.
Таким образом, протравливание представляет собой быстрый метод изучения ориентационной картины, имеющей непосредственное отношение к механическим свойствам.
Гранчио сравнил влияние горячей вытяжки и холодной прокатки на свойства АБС-пластиков. При горячей вытяжке получаются сфероидальные с гладкими контурами частицы эластомера, тогда как при холодной прокатке получаются частицы более неправильных форм, с острыми зазубренными краями, возможно, за счет локализованной сдвиговой текучести при сжатии матрицы, состоящей из САН. При горячей вытяжке жесткие субвключения САН удлиняются и принимают сфероидальную форму, при холодной прокатке, т. е. при температурах ниже Tс, они сохраняют сферическую форму. Оба типа ориентации приводят к уменьшению побеления при испытании на растяжение и к увеличению напряжения пластического течения и напряжения разрыва.