Многоосное нагружение пластиков

06.06.2015

Первая часть этой главы была посвящена текучести и деформации при одноосном растяжении, что, естественно, очень важно. Однако не менее интересно исследование текучести при многоосном нагружении, включая деформацию при сжатии. В частности, это интересно с точки зрения холодного формования изделий из листов АБС-пластика: для качественной штамповки нужно, чтобы полимер мог течь без разрывов и не происходило бы быстрого восстановления после удаления материала из-под пресса. Текучесть за счет крейзообразования нежелательна, так как крейзы быстро регенерируются при снятии нагрузки. Образование крейз нежелательно и по другим причинам: крейзы проницаемы и являются очагами для последующего растрескивания, особенно в присутствии активных жидкостей.
На рис. 8.15 приведены зависимости напряжение — деформация при растяжении и сжатии для УПС, содержащего 13 % эластомера. При сжатии предел текучести более чем в 3 раза выше, чем при растяжении, частично из-за того, что модифицированная огибающая фон Мизеса смещается в квадрант сжатия, но главным образом за счет того, что критическое напряжение крейзообразования гораздо ниже, чем предел текучести при сдвиге. При сжатии подавляется образование крейз и, как следствие, возрастает предел текучести.
Многоосное нагружение пластиков

Биглионе с сотрудниками исследовали текучесть полистирола и УПС в квадранте сжатие — сжатие. Образцы подвергались гидростатическому давлению до 600 МПа, а затем осевое растягивающее напряжение налагалось на напряжение сжатия. Это накладываемое переменное напряжение, представленное на рис. 8.16, уменьшает напряжение сжатия в осевом направлении, которое, тем не менее, остается сжимающим в испытаниях при высоких давлениях. Например, при испытании полистирола под давлением 600 МПа основные напряжения, действующие на образец в точке предела текучести, были -390, -600, -600 МПа, где знак минус означает сжатие. Исследования показали, что полистирол и УПС обладают текучестью под давлением и, следовательно, относительно большими удлинениями. УПС течет при более низких напряжениях, чем полистирол, но в условиях сжатия различие между этими полимерами гораздо меньше, чем при растяжении. При проведении эксперимента под давлением частицы эластомера действуют как концентраторы напряжений, но инициируют возникновение полос сдвига, а не крейз. Описанные в гл. 6 исследования температурно-временной зависимости прочности (огибающей кривой разрушения) показывают, что при гидростатическом давлении крейзы не образуются.
На рис. 8.17 представлен микроснимок (в отраженном свете) сдвиговых полос, образовавшихся в образце из смеси УПС с полифениленоксидом при плоскодеформирующем сжатии. Для достижения условий плоского деформирования давление передавалось полоске полимера посредством параллельных прямоугольных матриц. Течение имело место в средней части образца, находящегося между пуансонами. Образец нарезали для получения блока с полированной поверхностью, как описано ранее, и протравливали в смеси хромовой и фосфорной кислот. В протравленном образце ясно видны сдвиговые полосы, инициированные частицами эластомера и проходящие под углом 45° к направлению сжатия.
Оксборо и Боуден использовали плоскодеформирующее сжатие и протравливание для исследования текучести УПС в квадранте растяжение — сжатие при двухосном напряжении: образцы по длине подвергались действию растягивающего напряжения, и в то же время за счет пуансонов поддерживалось постоянное напряжение сжатия в перпендикулярном направлении. Эта работа продемонстрировала переход механизма текучести от множественного крейзообразования при одноосном растяжении к образованию сдвиговых полос при одноосном сжатии. Форма огибающей кривой разрушения отражает этот переход, но точное определение положения перехода затруднительно, так как оба механизма действуют одновременно в какой-то части квадранта напряжения.
Многоосное нагружение пластиков

По другой методике исследования текучести при многоосном нагружении действию растягивающего напряжения подвергались образцы с наклонными канавками. Напряжения внутри канавки определяются углом между канавкой и осью растяжения образца. Кривые напряжение — деформация по основным направлениям нагружения получали путем определения соотношения нагрузка — смещение в канавке и направления относительного движения материала на каждой стороне канавки. Ли использовал эту методику для изучения текучести УПС при многоосном нагружении и пришел к выводу, что тензор скорости деформации связан с тензором напряжения, как и следует по теории пластичности. В случае полимеров, упрочненных эластомерами, анализ очень сложен, так как нельзя предположить, что течение может происходить при постоянном объеме, в силу чего теория пластичности неприменима при всех условиях нагружения. Возможно, метод, предусматривающий использование образцов с канавками, более подходит для испытаний, проводимых в камере под давлением, т. е. при условии подавления крейзообразования.
Механизмы текучести определяют возможность переработки полимера путем холодного формования. В процессе формования неизбежно возникают растягивающие напряжения, и такие материалы, как изотропный УПС, который растрескивается в квадранте растяжение — растяжение, непригодны для такой переработки. АБС-Пластики, полученные эмульсионным методом, более подходят, так как они могут быть сильно деформированы без образования крейз, если скорость деформации достаточно низка. Чтобы облегчить процесс протекания холодной вытяжки, можно несколько повысить температуру формования или подвергнуть листы АБС-пластика двухосной холодной прокатке перед формованием. Достигнутая двухосная ориентация подавляет крейзообразование, поэтому вытяжка происходит за счет сдвиговой текучести. Таким образом, поведение полимеров, упрочненных эластомерами, при холодном формовании согласуется с объемно-деформационными данными, полученными при испытаниях на ползучесть: небольшая крутизна графика зависимости объема от удлинения указывает на возможность осуществления вытяжки.