Zachowanie tworzyw sztucznych przy obciążeniach niszczących

5 podstawowych typów zachowania polimerów podczas rozciągania aż do zerwania:

- jednorodne rozciąganie

- zimne rozciąganie

- zrywanie z tworzeniem szyjki

- kruche zrywanie

- drugiego rodzaju zrywanie z

tworzeniem szyjki

Zrywanie z tworzeniem szyjki:

Wykres!

Cechą charakterystyczną takiego zachowania jest, że próbka początkowo rozciąga się równomiernie, a następnie ulega przewężeniu, które doprowadza do zerwania próbki bez wyrównania się szerokości próbki, czyli bez stabilizacji przewężenia.

Siła najpierw rośnie, osiąga maksimum i maleje do zerwania. W odróżnieniu od zimnego rozciągania ten typ zachowania się materiału nie posiada na krzywej σ-ε punktu D, od którego następuje ponowny wzrost naprężenia.

Kruche zrywanie

Wykres!

Cechą tego zachowania jest, że σ rośnie aż do zerwania się próbki, podobnie jak w przypadku jednorodnego (równomiernego) rozciągania.

Jako umowną linię podziału uznaje się, że dla kruchego zrywania naprężenie musi rosnąć monotonicznie aż do zerwania, a odkształcenie przy zerwaniu musi być małe, mniejsze niż 20%. Zwykle jednak wynosi mniej niż 5%.

Wytrzymałościowe własności mechaniczne

Przy zerwaniu kruchym powierzchnie pęknięcia są prostopadłe do naprężeń rozciągających i tylko nieznacznie zdeformowane.

Przy zerwaniu plastycznym zachodzi płynięcie i zerwaniu ciała towarzyszą odkształcenia postaciowe.

Własności wytrzymałościowe zmieniają się z temperaturą, gdyż lepkość wewnętrzna

(albo współczynnik tarcia cząsteczkowego)

zmienia się z temperaturą.

Własności wytrzymałościowe zmieniają się z szybkością odkształcania ponieważ opór lepki związany z odkształcaniem siatki rośnie z szybkością odkształcania

MECHANIZMY MIKROMECHANICZNE

W POLIMERACH

Mechanizm powstawania destrukcji materiału jest zróżnicowany i zależy zarówno od struktury molekularnej i supramolekularnej polimeru, jak również od warunków obciążenia, np. temperatury, szybkości i częstotliwości przykładanego naprężenia. Nazywane są ogólnie mechanizmami mikromechanicznymi.

WYKRES ODKSZTAŁCENIA OD NAPRĘŻENIA DLA POLIMERÓW AMORFICZNYCH:

Odkształcenie polimeru pod wpływem naprężenia początkowo ma charakter liniowy, a następnie zaznacza się zakrzywienie. Jednocześnie z wystąpieniem nieliniowości obserwuje się zbielenie, w wyniku powstawania pustych miejsc i rys naprężeniowych w strefie mikrozdeformowanej. Jest to mechanizm odkształcenia z tworzeniem się rys naprężeniowych (ang. crazing) i jest on typowy dla polimerów amorficznych, np. PS.

WYKRES ODKSZTAŁCENIA OD NAPRĘŻENIA DLA POLIMERÓW KRYSTALICZNYCH.

Polimer jest rozciągany ze stałą szybkością. W początkowym okresie naprężenie jest proporcjonalne do wywołanego odkształcenia, do momentu osiągnięcia granicy plastyczności. Naprężenie maleje, a polimer nadal odkształca się - płynie na zimno, przy stałym naprężeniu, co powoduje tworzenie się przewężenia. Dalsze rozciąganie jest przyczyną zwiększenia naprężenia do momentu zerwania prób­ki. Przedstawiony mechanizm odkształcenia, polegający na wytwarzaniu pasm ścinania (ang. shear yielding), jest typowy dla polimerów krystalicznych, np. PE i niektórych polimerów amorficznych, np. PC

Związek miedzy craazingiem a shear Fieldingiem: Oba przedstawione mechanizmy zniszczenia, tj. crazing i shear yielding, nie wykluczają się wzajemnie; niekiedy obserwuje się taki charakter zależności naprężenia od odkształcenia, [s = f(e)], który wskazuje, że oba mechanizmy zachodzą równocześnie. A to, który z nich dominuje, jest uzależnione od warunków obciążenia i temperatury.

WYKRES:

1 - kruche pękanie w temperaturze poniżej temperatury zeszklenia,

2 - z początkiem granicy plastyczności w temperaturze T < T_g

3 - z granicą plastyczności i płynięciem na zimno w zakresie temperatury zeszklenia, T » T_g.

4 - płyniecie quasilepkie, w temperaturze powyżej temperatury zeszklenia, T> l,05T_g

Kawitacja:

Kawitacja zachodzi wtedy, gdy energia sprężystości zmagazynowana w cząstce elastomeru jest większa, niż energia potrzebna do utworzenia nowej powierzchni.

Cząstki elastomeru muszą kawitować przy poziomie napręzeń niższym, niż wymagany dla spowodowania rys naprężeniowych w matrycy.

Jeśli dwie kawitacje są wystarczające blisko siebie, to matryca pomiędzy nimi ulega odkształceniu plastycznemu

Udarność tworzyw sztucznych można podwyższyć poprzez:

- Optymalizację morfologii fazy krystalicznej (polimery semikrystaliczne)

- Wzmocnienie matrycy polimeru przez napełniacz (zwykle włóknisty)

- Wprowadzenie zdyspergowanej fazy elastomeru (mała krystaliczność, niska temp. zeszklenia, dobra kohezja do matrycy - ewentualnie kompatybilizacja)