KATEDRA TECHNOLOGII POLIMERÓW

STRUKTURA POLIMERÓW

LABORATORIUM:

HISTEREZA ODKSZTAŁCENIA

Opracował: dr inż. T. Łazarewicz

Histereza to zjawisko zależności zmiany parametrów (charakteryzujących stan układu lub jego właściwości), wywołanej zmianami czynników zewnętrznych, od historii układu (tzn. stanów poprzedzających dany stan).

Histereza to opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny.

Zjawisko odkrył i nazwał James Alfred Ewing w roku 1890. Histereza towarzyszy takim procesom, jak zmiany namagnesowania ferromagnetyków (histereza magnetyczna), odkształcanie sprężyste ciał rzeczywistych (histereza odkształcenia, sprężysta), zmiany polaryzacji ferroelektryków (histereza dielektryczna), adsorpcja.

Histereza odkształcenia (histereza sprężysta) to zjawisko niejednoznacznej zależności odkształcenia ciała (np. przy rozciąganiu lub ściskaniu) od wartości naprężeń (sił).

Następstwem histerezy odkształcenia jest niezupełna odwracalność pracy odkształcenia występująca dla większości materiałów.

Podczas deformacji dostarczana jest do materiału z zewnątrz energia mechaniczna. Podczas powrotu tylko część energii mechanicznej jest oddawana przez materiał. Część energii mechanicznej zamienia się w ciepło na skutek tarcia wewnętrznego i ulega rozproszeniu.

Przy większych wydłużeniach linia powrotu nie przechodzi przez początek układu współrzędnych ze względu na wydłużenie trwałe (Rys. 1).

Rys. 1. Wykres histerezy odkształcenia: A - energia tracona, B - energia powrotu, A + B - energia rozciągania.

Histerezę wyraża się jako procent energii traconej podczas cyklu deformacji:

Gdzie:

W_H- energia tracona,

W_DEF - energia zużyta na deformacje próbki - energia rozciągania

W_POWR - energia powrotu

Powierzchnia A_ROZC pod linią rozciągania to energia (praca) rozciągania W_ROZC pochłonięta przez próbkę:

Energia ta to suma powierzchni pól A i B na Rys. 1.

Powierzchnia A_POWR pod linią powrotu to energia W_POWR oddana przez próbkę podczas powrotu:

Energia tracona (W_H) to pole B, które jest różnicą energii rozciągania i powrotu.

Histereza stanowi stosunek energii traconej do energii odkształcenia:

Wartości powierzchni pól można uzyskać całkując odpowiednie linie wykresowe w granicach wydłużenia maksymalnego i minimalnego, albo wycinając z wykresu odpowiednie pola i ważąc je.

W tym drugim przypadku należy skorzystać ze wzoru:

H = (m_H / m_ROZC )* 100%

gdzie:

m_H - masa wyciętego z wykresu pola odpowiadającego histerezie

m_ROZC - masa pola odpowiadającego pracy rozciągania próbki

Energia tracona właściwa - zależy od jej pola poprzecznego i od wydłużenia maksymalnego w czasie cyklu. Aby scharakteryzować badany materiał należy energię traconą próbki odnieść do pola przekroju poprzecznego i wydłużenia maksymalnego próbki zastosowanego podczas badań:

w_H = W_H / a*b*∆l

gdzie

w_H - energia tracona właściwa

a - szerokość próbki

b - grubość próbki

∆l - wydłużenie maksymalne w cyklu

Stosując ważenie wyciętych pół energię traconą oszacowujemy ze wzoru:

W_H = (m_H / m_WZ) * W_WZ

m_H - masa wyciętego z wykresu pola odpowiadającego histerezie

m_WZ - masa paska odniesienia

W_WZ - energia odpowiadająca powierzchni paska odniesienia

Wzrost temperatury - energia tracona zmieniająca się w ciepło powodująca wzrost temperatury badanej próbki.

∆t = W_H / a * b * l₀ * ρ * c_WŁ

W_H - energia tracona

ρ - gęstość

c_WŁ - ciepło właściwe

l_o - początkowa długość odcinka pomiarowego próbki.

Histereza jest zjawiskiem korzystnym, gdy materiał stosowany jest jako amortyzator, warstwa wyciszająca.

Dla elastomerów stosowanych do wyrobu opon jest to zjawisko niekorzystne, gdyż zwiększa straty energii i powoduje nagrzewanie się wyrobu w trakcie eksploatacji.

1