Описание лабораторной работы к дисциплине

 

«Физика полимеров»

 

Лабораторная работа № 4

 

«Физико-механические свойства полимеров »

 

Разработал: Козлов Н.А.

 

Москва, 2017 г.

Цель работы: Связать фазовую структуру и реологические состояния полимеров с их физико-механическими свойствами.

 

Деформационно-прочностные свойства

В зависимости от величины и продолжительности действия механических сил полимерные материалы подвергаются деформированию и разрушению. Соответственно различают деформационные и прочностные свойства.

Прочность – это свойство материала сопротивляться разрушению под действием механических напряжений или сопротивляться развитию остаточных деформаций. Показатели деформационно-прочностных свойств:

предел прочности (прочность) это напряжение, при котором происходит разрушение образца.

- предел текучести это напряжение, при котором возникают пластические (необратимые) деформации.

Знание прочностных свойств материалов важно с точки зрения практического использования, поскольку их значения закладывают в конструкционные расчеты и определяют работоспособность материалов и конструкций из них.

Определяют значения деформационно-прочностных свойств при различных видах испытании, которые можно классифицировать по следующим признакам:

1. По виду нагружения: растяжение, изгиб, сжатие, сдвиг;
2. По скорости: статические, высокоскоростные, ударные;
3. По длительности: коротко-временные, усталостные, циклические.

Описывается поведение материалов под нагрузкой диаграммой разрушения (рис. 1):

Рис. 1: Диаграмма разрушения: напряжение, ε – относительная деформация.

 

(1)

Где: F- сила, действующая на образец (кг, Н), имеющий площадь поперечного сечения ;

(2)

Где: -начальная длина образца, ΔL – удлинение.

Эта диаграмма дает информацию не только о прочности материала и его деформативности, но и о работе разрушения, которая оценивается как площадь под кривой. Хрупкие материалы (кривая 2 рис. 1) обладают малой работой разрушения.

Специфическая особенность разрушения полимерных материалов по сравнению с другими твердыми телами заключается в ярко выраженной зависимости прочности и деформации от времени действия нагрузки (скорости деформирования) и температуры, что обусловлено релаксационным характером поведения.

Наиболее наглядно описать влияние релаксационного поведения полимеров на характер их деформирования помогают механические модели, которые рассмотрим ниже:

1. Модель идеально упругого (гуковского) тела (рис. 2) и поведение под нагрузкой (рис.3).

а б

Рис. 2. Модель – пружина.

 

а б

Рис. 3. Поведение идеально упругого тела под нагрузкой: а - график изменения деформации от времени (пунктирная линия – момент сброса действующей нагрузки), б – диаграмма напряжение – деформация.

 

1. Модель пластичного тела (рис. 4) и поведение его под нагрузкой (рис.5).

Рис. 4. Модель – поршень (плунжер), перемещающийся в вязкой жидкости.

 

а б

Рис. 5. Поведение пластичного тела под нагрузкой: а - график изменения деформации от времени (пунктирная линия – момент сброса действующей нагрузки), б – диаграмма напряжение – деформация (υ – скорость деформирования).

 

1. Модель Кельвина-Фойхта (модель эластичного тела или параллельная модель) (рис. 6), описывает эластические деформации (рис. 7).

Рис. 6. Модель – параллельно закрепленные пружина и поршень (плунжер), перемещающийся в вязкой жидкости.

 

а б

Рис. 7. Поведение эластичного тела под нагрузкой: а - график изменения деформации от времени (пунктирная линия – момент сброса действующей нагрузки), б – диаграмма напряжение – деформация (υ – скорость деформирования).

 

1. Модель Максвелла (последовательная) (рис. 8) описывает поведение упруго пластичного тела (рис. 9).

Рис. 8. Модель – последовательно закрепленные пружина и поршень (плунжер), перемещающийся в вязкой жидкости.

 

а б

Рис. 9. Поведение упруго-пластичного тела под нагрузкой: а - график изменения деформации от времени (пунктирная линия – момент сброса действующей нагрузки), б – диаграмма напряжение – деформация (υ – скорость деформирования), α – угол наклона.

 

5. Обобщенная модель (рис. 10). Она хорошо описывает поведение реальных полимерных тел.

Рис. 8. Обобщенная модель – последовательно и параллельно закрепленные пружина и поршень (плунжер).

 

На рис. 11 показана зависимость деформации от времени для обобщенной модели.

Рис. 11. Зависимость деформации от времени для обобщенной модели

 

Суммарная деформация складывается из деформаций упругой, высокоэластической и вязкого течения (пластической)

(3)

Реальный вклад каждого типа деформации определяется условиями испытаний (времени или скорости), реологических и фазовых состояний полимера и его топологией (линейный или сетчатый).

связаны с деформированием когезионных связей в полимере, отвечают за хрупкое разрушение материала через развитие, рост и критические подрастания трещин. Они носят нерелаксационный характер и полностью обратимы.

связаны с деформированием макромолекул без смещения центра масс (в результате проявления сегментальной подвижности). Они развиваются во времени, носят релаксационный характер и полностью обратимы.

связаны с движением макромолекул со смещением центра масс. Они развиваются во времени, т.е. носят релаксационный характер, но необратимы.

 

Характерные диаграммы деформирования и разрушения реальных полимерных тел.

Вид диаграмм определяется условиями испытаний, реологическим состоянием аморфной фазы и фазовой структурой полимера.

1. Характерные диаграммы деформирования и разрушения хрупких, жестких, стеклообразных полимеров (рис. 12).

Рис. 12. Разрушение хрупких материалов.

 

2. Характерные диаграммы деформирования и разрушения жестких, пластичных материалов (рис. 13).

Рис. 13. Разрушение жестких пластичных материалов

 

Предел текучести () это точка на кривой при которой происходит первое увеличение деформации образца без увеличения нагрузки (момент образования шейки на образце.

Характерные диаграммы деформирования и разрушения эластичных материалов (эластомеров, резин) (рис. 14). Для таких материалов сложно определить момент начала течения. Его определяют путем параллельного переноса касательной из нулевой точки к кривой деформирования, которую переносят параллельно на определенный процент относительной деформации (х) и такой предел текучести называется “условный” предел текучести (σ _ту).

 

Рис. 14. Разрушение эластичных материалов.

 

Влияние температуры и скорости деформирования на характер разрушения.

 

Если на один график нанести все выше приведенные кривые (рис. 12 – 14), а точки разрушения, объединить одной кривой, то получаем «огибающую разрывов» для конкретного полимерного материала (рис. 15).

Рис. 15. Огибающая разрывов

 

Для любых полимерных материалов вид диаграммы разрушения изменяется по стрелке, если увеличивать скорость при испытании (скорость движения траверсы разрывной машины) или уменьшать температуру испытания.

На рис. 16 изображена область, в которой идет образование шейки (область хладотекучести или вынужденной эластичности).

Рис. 16. Зависимость характера изменения температурных переходов от молекулярной массы полимера.

 

Методика испытаний полимеров

Испытания проводят по ГОСТ растяжение (11262-80), определение модуля упругости (9550-81). Наиболее распространенный тип образца (лопаточка) представлен на рис. 17.

Рис. 17. Схема образца для испытаний на растяжение: длина образца, расстояние между кромками разрывов машины, рабочая часть, расчётная, длина, ширина головки, ширина рабочей части, толщина.

 

Расчет показателей механических свойств ведут по диаграмме, полученной на разрывной машине марки Instron (рис. 18).

Рис. 18. Вид кривых деформирования и разрушения образцов на диаграммной ленте. F – нагрузка в кг (н), Δl – удлинение в мм.

 

Прочность при разрушении и напряжение при пределе текучести рассчитывают по формулам, соответственно:

и (4)

Где: F_p –усилие разрыва, F_{T –} усилие при пределе текучести, кг (н);

А₀ – площадь поперечного сечения (b₂ x d), м².

Относительное удлинение при разрушении и при пределе текучести рассчитывают по формулам, соответственно:

и (5)

 

Расчет модуля упругости

Расчетная формула для определения модуля упругости в соответствии с ГОСТ имеет вид:

(6)

Где: нагрузка соответствующая ;

нагрузка соответствую

расчетная длина;

А₀ – площадь поперечного сечения, м².

удлинение при

удлинение при .

 

Полимерные материалы по степени кристалличности и реологическому состоянию аморфной фазы условно делят на 3 группы:

1. Аморфные полимеры (трудно кристаллизуемые), которые характеризуются < 30% и Тс>>Т_комн. К ним относятся ПС, ПММА, ПВХ, ПК, т.е. полимеры, которые относятся к полимерным стеклам.
2. Полимеры со средней степенью кристалличности, которые характеризуются 30 < < 50% и Тс≈Т_комн. К ним относятся алифатические полиамиды ПА(капрон), политрифторхлорэтилен. Для них температура эксплуатации определяется степенью кристалличности и колеблется от Т_с до Т_пл.
3. Кристаллизующиеся с высокой степенью кристалличности, которые характеризуются > 60% и Тс<<Т_комн. ПЭ, ПП, ПТФЭ. Материалы при Т< Т_с хрупкие. Поведение в области Т_с<Т<Т_пл определяется степенью кристалличности.

 

Величины температурных переходов и значения степени кристалличности для наиболее широко распространенных термопластичных полимеров приведены в таблице 1.

Таблица 1

Температурные переходы и величины степени кристалличности некоторых термопластичных полимеров.

Полимер	Группа	%				Тβ, 0С
ПММА			-	100÷115	5÷20	80÷85
ПС			-	90÷110	40÷60	70÷80
ПВХжест		10÷25		70÷90	-30
ПК		до 30		140÷150	-100, -135	-135
ПА-6		50÷75		50÷70	-75, -120	-75
ПЭНП				-110	-50	-60
ПЭВП				-110	-70	-70
ПП		80÷95		-15		-15
Фторопласт		50÷95		-110		-190

 

Задание.

1. Рассчитать показатели деформационно-прочностных свойств полимерных материалов по диаграммам разрушения (предел прочности при разрушении и текучести - если он есть, относительное удлинение при разрушении и текучести - если она есть, модуль упругсти) и занести полученные данные в таблицу.

2. Проанализировать влияние фазового состава полимера и реологического состояния аморфной фазы на уровень деформационно-прочностных свойств.

Таблица 2

Поли- мер	Е, ГПа	σр, МПа	ε, %	σт, МПа	εт, %
Справ.	Экспер.	Справ.	Экспер.	Справ.	Экспер.
ПММА	3,0÷3,5		45÷55		2,0÷5,0
ПС	2,8÷3,5		30÷50		1,5÷2,4
ПВХжест	3,0÷4,0		40÷60		2,8
ПК	2,2÷2,6		50÷75		60÷100
ПА-6	1,8÷2,3		60÷90		150÷400
ПЭВП	1,2
ПЭНП	0,2
Резина