dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

Transkrypt

1 6. WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE POLIMERÓW dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG Politechnika Gdaoska, 2011 r. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE POLIMERÓW: temperatura warunki pomiaru struktura chemiczna i fizyczna polimeru NISKIE TEMPERATURY LUB DUŻE SZYBKOŚCI ODKSZTAŁCEŃ polimery zachowują się jak kruche ciała szkliste o dużej sztywności, ulegające zniszczeniu już przy niewielkich odkształceniach, wykazują cechy charakterystyczne dla ciał sprężystych, a zwłaszcza istnienie odkształceń odwracalnych, rosnących najczęściej proporcjonalnie ze wzrostem naprężenia WZROST TEMPERATURY LUB ZMNIEJSZENIE SZYBKOŚCI ODKSZTAŁCENIA wzrost odkształcalności do chwili zniszczenia, występowanie odkształceń nieodwracalnych oraz zależność naprężeń od szybkości odkształceń POLIMERY TRAKTUJE SIĘ NA OGÓŁ JAKO TZW. MATERIAŁY LEPKOSPRĘŻYSTE, POŚREDNIE POMIĘDZY SPRĘŻYSTYMI CIAŁAMI STAŁYMI A LEPKIMI CIECZAMI. 2

3 Stany fizyczne polimerów w zależności od temperatury: I stan szklisty-kruchy II stan szklisty-lepkospreżysty (wymuszonej sprężystości) IIl stan kauczukopodobny (wysokoelastyczny) IV stan upłynniania (płynięcia kauczukopodobnego) V stan płynny (ciekły) 3

4 NAPRĘŻENIE I ODKSZTAŁCENIE W odróżnieniu od wielu innych wielkości, takich jak temperatura i ciśnienie będące skalarami lub prędkość i siła stanowiące wektory, zarówno naprężenie jak i odkształcenie są tensorami drugiego rzędu. W ogólności prawo Hooke a ma postać prawa tensorowego, o 21 stałych elastycznych. Tensor uogólnienie pojęcia wektora; wielkość, której własności pozostają identyczne niezależnie od wybranego układu współrzędnych. 4

5 Pod wpływem działających naprężeń normalnych i stycznych elementarny sześcian może zmienić swe wymiary i kształt. Odkształcenie rozciągającościskające Odkształcenie postaciowe (ścinające) 5

6 Odkształcenie rozciągająco-ściskające Zmiany długości poszczególnych krawędzi sześcianu, tzn. sześcian zamieni się w prostopadłościan. Odkształcenie jest opisywane składowymi e ii, leżącymi na głównej przekątnej tensora odkształcenia. Ich wielkość zależy od przyjętej miary odkształcenia, która najczęściej jest funkcją względnego wydłużenia l określanego jako: gdzie: l długość danej krawędzi po odkształceniu 1 0 pierwotna długość danej krawędzi 6

7 Odkształcenie rozciągająco-ściskające Do najpopularniejszych miar tego typu odkształceń, zwłaszcza przy ocenie wielkości odkształceń przy rozciąganiu i ściskaniu polimerów, należą: miara Cauchy ego e c = l-1 miara Hencky ego e H = lnl 7

8 Odkształcenie postaciowe (ścinające) Zmiana kątów pomiędzy pierwotnie prostopadłymi krawędziami, tzn. sześcian zamienia się w równoległościan. Ten rodzaj odkształceń opisywany jest w pierwszym rzędzie składowymi e ij, leżącymi poza przekątną główną. Ich miarą jest najczęściej kąt a (lub wielkości z nim związane np. tg a) określający odchylenie określonych krawędzi od położenia wyjściowego. Istnienie odkształceń ścinających może wywoływać nie tylko pochylenie lecz i zmianę długości określonych krawędzi (O A < O A'), tzn. wywoływać odkształcenie rozciągającościskające. 8

9 Odkształcenie postaciowe (ścinające) Dla małych odkształceń ścinających (małego kąta a) zmiany długości krawędzi są pomijalnie małe, tzn. odkształcenia rozciągające można zaniedbać. Uproszczenie to występuje w tensorach małych deformacji stosowanych do opisu odkształceń polimerów w stanie szklistym lub stanie wymuszonej sprężystości. 9

10 Odkształcenie postaciowe (ścinające) Występowanie dużych odkształceń, jak przy deformacji elastomerów (kauczuków) lub przepływie cieczy polimerowych (stopionych i rozpuszczonych polimerów) efekty związane ze zmianami długości krawędzi elementarnego sześcianu. Składowe leżące na przekątnej głównej tensorów dużych odkształceń stosowanych do opisu tych układów muszą zawierać dodatkowe człony, uwzględniające występowanie niezerowych składowych deformacji rozciągająco-ściskąjących przy odkształceniach ścinających. Tensor szybkości odkształcenia czasowa pochodna dowolnego tensora deformacji w określonej chwili czasu. Niezerowa składowa tensora szybkości odkształcenia nie leżąca na przekątnej głównej nosi miano szybkości ścinania. 10

11 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Stan szklisty-kruchy sprężystość energetyczna. Stan szklisty-lepkosprężysty (wymuszonej sprężystości) powyżej temperatury kruchości: dominować zaczynają efekty lepkosprężyste i plastyczne. Stan kauczukopodobny: sprężystość entropowa, warunkowana innym mechanizmem zjawisk cząsteczkowych niż sprężystość energetyczna. 11

12 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Ciało sprężyste jest układem, w którym odkształcenie powstaje lub zanika natychmiast po przyłożeniu lub usunięciu naprężenia, przy czym wielkość tego odkształcenia zależy jedynie od wielkości przyłożonego naprężenia. Wynika stąd, że odkształcenie sprężyste ma dwie następujące właściwości: a) jest niezależne od czasu b) jest odwracalne. 12

13 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Przy takim ujęciu odkształcenie sprężyste można traktować jako zupełne przeciwieństwo (również w sensie logicznym) odkształcenia lepkiego, które: a) jest zależne od czasu b) jest nieodwracalne. Odkształcenie w ciele lepkim rozwija więc się stopniowo w czasie po przyłożeniu naprężenia, a po jego usunięciu nie ulega zanikowi. 13

14 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste W przypadku, gdy w ciele sprężystym istnieje liniowa zależność pomiędzy odpowiednimi składowymi tensora odkształcenia i naprężenia, tzn. spełnione jest prawo Hooke'a, mamy do czynienia ze sprężystością liniową. W przeciwnym razie układ określa się mianem nieliniowo-sprężystego. 14

15 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Składowe tensora odkształcenia opisują wielkość deformacji przy ścinaniu, ściskaniu i rozciąganiu. W złożonym stanie odkształcenia te elementarne rodzaje odkształceń mogą być ze sobą sprzężone nieraz w bardzo skomplikowany sposób. 15

16 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Zachowanie polimeru o właściwościach liniowo-sprężystych odpowiadające wymienionym trzem elementarnym deformacjom, jest określone, gdy znane są wielkości modułów sprężystości dla: a) ścinania prostego, w którym pod wpływem naprężenia stycznego t polimer ulega odkształcaniu postaciowemu g(= tg a), przy czym t=g g gdzie G moduł sprężystości postaciowej (Kirchoffa); moduł G nazywa się też czasami modułem sprężystości poprzecznej lub modułem ścinania b) ściskania objętościowego, w którym ciało pod wpływem ciśnienia zewnętrznego (hydrostatycznego) P zmniejsza swoją objętość o DV = V-V 0 przy czym gdzie K moduł sprężystości objętościowej (Hemholtza).W miejsce miary Cauchy'ego DV/V 0 we wzorze (10) można też użyć miary Hencky'ego ln V/V 0 16

17 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Zachowanie polimeru o właściwościach liniowo-sprężystych odpowiadające wymienionym trzem elementarnym deformacjom, jest określone, gdy znane są wielkości modułów sprężystości dla: c) rozciągania jednoosiowego, w którym prostopadłościenna próbka pod wpływem naprężenia rozciągającego s działającego w kierunku jednej z osi układu współrzędnych ulega wydłużeniu o wartość e wyrażoną za pomocą jednej z miar podanych poprzednio, przy czym s = E e gdzie E - moduł sprężystości podłużnej (Younga). 17

18 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Wielkości odpowiednich modułów, wyrażone najczęściej w MPa(=N/mm 2 ), są miarą sztywności materiału poddawanego określonemu odkształceniu. Można je interpretować np. jako siłę, która wywołuje 1% odkształcenie sprężyste próbki o przekroju l cm 2. Średnie wartości modułów G K i E dla tworzyw sztucznych wynoszą: - w stanie szklistym G: 5x Pa; K: x10 9 Pa; E: 5-x Pa, - w stanie wysokoelastycznym G: lo Pa; K Pa; E: 5x Pa. W różnych sytuacjach używa się niekiedy wielkości będących odwrotnościami modułów. Noszą one nazwę podatności. 18

19 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Do oceny zachowania się polimeru w zakresie sprężystym niezbędna jest jeszcze jedna wielkość nazywana liczbą (ułamkiem) Poissona n. Wzrostowi długości próbki w kierunku rozciągania x towarzyszy zmniejszenie wymiarów tej próbki w kierunkach y i z, które są prostopadłe do kierunku rozciągania. Wielkość tego zmniejszenia wymiarów zależy od właściwości polimeru; opisywana jest liczbą Poissona, bedącą stosunkiem odkształcenia w kierunku prostopadłym do kierunku rozciągania do odkształcenie w kierunku rozciągania, zdefiniowaną wzorem: 19

20 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Dla materiałów anizotropowych wartości liczb Poissona dla obu kierunków prostopadłych mogą być różne. W takim przypadku do charakterystyki zachowania polimeru potrzebne są więc wartości dwóch liczb Poissona. Dla układów izotropowych, które odkształcają się przy rozciąganiu bez zmiany objętości (izochorycznie) wartość liczby Poissona v= 0,5. Można to bardzo łatwo wykazać rozpatrując objętość prostopadłościennej próbki przed i po rozciąganiu. 20

21 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Na podstawie definicji liczby Poissona oraz założenia izotropowości materiału (skrócenie wymiarów w obu kierunkach prostopadłych jest takie sarno) otrzymuje się: Przy braku zmian objętościowych, tzn. V- V 0 i ln(v/v 0 ) = 0 wynika wartość liczby Poissona n =0,5 (ważne dla jednoosiowego rozciągania i dla ściskania) 21

22 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste W przypadku trójosiowego ściskania polimeru izotropowego obserwowane zmiany objętości muszą być trzykrotnie wyższe, tzn. Umożliwia to bardzo łatwe wyznaczenie zależności między modułami Hemholtza i Younga 22

23 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste Niezależnie istnieje związek między modułami Kirchoffa i Younga: Po wyeliminowaniu z powyższych wzorów liczby Poissona uzyskuje się następująca zależność pomiędzy modułami G, K i E: Znając dowolne dwa moduły można więc zawsze wyznaczyć trzeci, bez konieczności wykonywania pomiarów. 23

24 MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI STAŁYCH POLIMERÓW Zachowanie sprężyste W przypadku polimerów o bardzo małej ściśliwości, do których zaliczają się np kauczuki lub tworzywa w stanie kauczukopodobnym (n równe ok. 0,5) moduł ściśliwość K jest bardzo duży w porównaniu z E i G i po pominięciu ostatniego członu z równania: otrzymuje się: E = 3G tzn. na podstawie pomiarów zachowania przy rozciąganiu można z bardzo dobrą dokładnością uzyskać informacje na temat zachowania się tworzywa podczas ścinania. 24

25 Struktura fazowa 1. Amorficzny/krystaliczny (homopolimer) Przykłady: poliamidy, PE, PP, PET Zeszklenie, topnienie 2. Amorficzne Jednofazowe o budowie liniowej: PS, PC, PMMA (zeszklenie, mięknienie) Jednofazowe, usieciowane (kauczuk naturalny i inne elastomery) Wielofazowe (butadien styren) Amorficzny/amorficzny/ Amorficzny/krystaliczny/amorficzny 25

26 SPRĘŻYSTE ZACHOWANIE POLIMERÓW Procesy przebiegające w polimerze na poziomie cząsteczkowym w czasie jego deformowania. dw = du-tds W praca sił zewnętrznych, związana z izotermicznoizochorycznym odkształceniem materiału polimerowego, równa zmianie energii swobodnej, U energia wewnętrzna S entropia 26

27 SPRĘŻYSTE ZACHOWANIE POLIMERÓW Procesy przebiegające w polimerze na poziomie cząsteczkowym w czasie jego deformowania. Poniżej temperatury zeszklenia łańcuchy polimerowe wykazują bardzo małą ruchliwość. W polimerze poddawanym deformacji w stanie szklistym mogą zachodzić jedynie stosunkowo niewielkie zmiany odległości międzyatomowych i odkształcenia kątów wartościowości bez zmiany konfiguracji makrocząsteczki jako całości. Procesy te wpływają w pierwszej kolejności na zmianę energii wewnętrznej przy pomijalnie małych zmianach entropii. Sprężystość polimerów w stanie szklistym związana z opisanymi procesami nosi nazwę sprężystości energetycznej. 27

28 SPRĘŻYSTE ZACHOWANIE POLIMERÓW Procesy przebiegające w polimerze na poziomie cząsteczkowym w czasie jego deformowania. W stanie kauczukopodobnym powyżej temperatury zeszklenia makrocząsteczki polimeru mają już znacznie większą ruchliwość i naturalną tendencję do skłębiania się, zwiększającą entropię układu. Deformowanie polimeru w tych warunkach prowadzi z reguły do rozciągania (rozkłębiania) łańcuchów polimerowych, połączonego ze zmniejszeniem ich ruchliwości, co przede wszystkim wiąże się ze zmniejszeniem entropii układu przy pomijalnych zmianach jego energii wewnętrznej. SPRĘŻYSTOŚĆ ENTROPOWA Sprężystość polimerów w stanie wysokoelastycznym. 28

29 SPRĘŻYSTE ZACHOWANIE POLIMERÓW Podczas gdy wielkość odkształceń sprężystych w stanie szklistym nie przekracza 3%, odkształcenia sprężyste w stanie wysokoelastycznym przekraczają często 100%, a dla polimerów usieciowanych mogą dochodzić do 1000%. Obserwuje się przy tym nieliniową zależność pomiędzy naprężeniem a względnym wydłużeniem, która w przypadku jednoosiowego rozciągania przyjmuje postać wynikającą z molekularnych teorii stanu kauczukopodobnego 29

30 Zachowanie przy obciążeniach statycznych Polimery stałe stosowane jako materiały konstrukcyjne poddawane są w czasie eksploatacji działaniu różnych naprężeń i odkształceń. W celu sprawdzenia, czy dany polimer jest w stanie sprostać pod względem mechanicznym warunkom eksploatacji, poddaje się go różnym badaniom wytrzymałościowym, polegającym najczęściej na odkształceniu próbek z określoną szybkością aż do chwili zniszczenia. Badania statyczne stosunkowo mała i niezależna od czasu szybkość odkształcenia. Badaniach dynamicznych szybkość odkształcania bardzo duża lub zmienna się w czasie. 30

31 Zachowanie przy obciążeniach statycznych Wytrzymałość na rozciąganie W badaniach cech wytrzymałościowych przy rozciąganiu próbki mocuje się w zaciskach maszyny wytrzymałościowej i poddaje rozciąganiu z określoną szybkością (zwykle mm/min), mierząc wielkość odkształcenia oraz odpowiadające naprężenie aż do chwili zerwania. s = f(e) Krzywa rozciągania 31

32 Zachowanie przy obciążeniach statycznych Wytrzymałość na rozciąganie (I) W stanie szklistym-kruchym dzięki bardzo dużej sztywności naprężenie rozciągające wzrasta bardzo szybko ze wzrostem odkształcenia, przy czym zależność ta ma charakter liniowy prawie do momentu zniszczenia próbki. Ponadto praktycznie w całym zakresie odkształceń zachowanie polimeru ma charakter sprężysty, tzn. naprężenie powstaje natychmiastowo, jest odwracalne, więc i praktycznie niezależne od szybkości odkształcenia. 32

33 Zachowanie przy obciążeniach statycznych Wytrzymałość na rozciąganie II Stan wymuszonej sprężystości W zakresie małych odkształceń naprężenie narasta liniowo ze wzrostem odkształcenia, nachylnie prostej s=f(e) w tym zakresie jest mniejsze niż dla stanu szklisto-kruchego, co wskazuje na spadek sztywności (modułu Younga) polimeru na skutek wzrostu ogólnej ruchliwości cząsteczek polimeru. Równocześnie zaczyna uwidaczniać się pewien niewielki wpływ szybkości odkształcenia na wielkość modułu, co jest charakterystyczne dla zjawisk lepkosprężystości. 33

34 Zachowanie przy obciążeniach statycznych II Stan wymuszonej sprężystości Zachowanie polegające na występowaniu w polimerach w stanie wymuszonej sprężystości dużych odkształceń trwałych, po przekroczeniu określonej granicy naprężeń jest jakościowo podobne do zachowania innych układów (np. metali) i nosi nazwę plastyczności. W przypadku wielu polimerów powstałe odkształcenie trwałe w temperaturze rozciągania można w bardzo dużym stopniu odwrócić po szybkim podniesieniu temperatury powyżej temperatury zeszklenia. Ponieważ odwracalność odkształcenia jest jedną z cech sprężystości, opisane zjawisko i zakres temperatur, w którym występuje, nosi nazwę wymuszonej sprężystości. Określenie to można traktować jako zamienne w stosunku do plastyczności. Punkt A granica plastyczności lub wymuszonej sprężystości. 34

35 Zachowanie przy obciążeniach statycznych III Zakres wysokoelastyczny. Naprężenie wzrasta monotonicznie lecz nieliniowo z odkształcaniem, aż do zerwania. Dominującą rolę odgrywają tu efekty sprężyste związane ze sprężystością entropową oraz efekty lepkosprężyste. Krzywe (IV) i (V) odnoszą się do stanu ciekłego. 35

36 Zachowanie przy obciążeniach statycznych Wytrzymałość na ściskanie Stosuje się najczęściej próbki walcowe o wysokości porównywalnej ze średnicą, tzn. o niezbyt dużej smukłości. Przez pomiar odkształcenia oraz naprężenia ściskającego uzyskuje się odpowiednią krzywą ściskania. s = f(e) Krzywa ściskania 36

37 Zachowanie przy obciążeniach statycznych Wytrzymałość na zginanie Najczęściej realizowana próba zginania polega na obciążeniu prostopadłościennej beleczki umieszczonej na dwóch podporach w określonej odległości centralnie działającą siłą F i pomiarze strzałki ugięcia S. Zginanie stanowi przykład odkształcenia złożonego o charakterze ściskająco-rozciągającym. S strzałka ugięcia l odległość podpór F siła zginająca b szerokość próbki h wysokość próbki 37

38 Zachowanie przy obciążeniach statycznych Wytrzymałość na ścinanie Sposób I Odkształcanie kwadratowych płytek zamocowanych w uchwycie ramowym do postaci rombu i pomiar długości jego przekątnych. t = f(g) naprężenie odkształcenie postaciowe F siła rozciągająca uchwyt ramowy l długość krawędzi płytki, A, l 1,l 2 długości przekątnych rombu h grubość płytki 38

39 Zachowanie przy obciążeniach statycznych Wytrzymałość na ścinanie Sposób II Drugi sposób polega na skręcaniu umocowanego na jednym końcu pręta o danej długości i promieniu oraz pomiarze momentu skręcającego w zależności od kąta skręcenia Naprężenie styczne Odkształcenie postaciowe R promień pręta L długość pręta f kąt skręcenia M moment skręcający 39

40 Zachowanie przy obciążeniach statycznych Wytrzymałość na ścinanie R promień pręta, L długość pręta, f kąt skręcenia, M moment skręcający Wartość pochodnej obliczyć można na podstawie eksperymentalnej zależności M=f(f). Przy dużych odkształceniach skręcanej próbki mogą wystąpić także odkształcenia rozciągające, wyrażające się zmianą długości tworzącej OA (OA'>OA). W takim przypadku próba skręcania stanowi przykład odkształcenia złożonego ścinającorozciągąjącego. 40

41 Zachowanie przy obciążeniach dynamicznych UDARNOŚĆ Do najważniejszych cech wytrzymałościowych oznaczanych w warunkach dynamicznych należą udarność oraz wytrzymałość zmęczeniowa. Wzrost szybkości odkształcenia polimeru wywołuje efekt podobny jak obniżenie temperatury, tzn. w zachowaniu polimeru coraz intensywniej ujawniają się cechy stanu szklisto-kruchego, takie jak wzrost sztywności i zmniejszenie odkształcalności. Najbardziej popularną metodą oznaczania udarności polimerów jest metoda Charpy'ego, która przypomina oznaczenie wytrzymałości na zginanie prowadzone przy bardzo dużej szybkości zginania. 41

42 Zachowanie przy obciążeniach dynamicznych UDARNOŚĆ W metodzie Charpy ego próbka jest uderzana przez młot wahadłowy o określonej energii dokładnie w środku pomiędzy punktami podparcia. Miarą udarności U jest łatwo mierzalna energia (praca) potrzebna do zniszczenia próbki o jednostkowym przekroju. U udarność L zmiana energii całkowitej młota F 0 powierzchnia przekroju próbki 42

43 Zachowanie przy obciążeniach dynamicznych UDARNOŚĆ U r praca potrzebna do zniszczenia próbki o jednostkowej długości i przekroju, np. w czasie rozciągania Ponieważ sens fizyczny udarności U oraz pracy zdefiniowanej wzorem j.w. jest taki sam, wytrzymałość udarową można interpretować jako pewien graniczny przypadek odpowiedniej wytrzymałości statycznej odpowiadającej bardzo dużej szybkości odkształceń. 43

44 Zachowanie przy obciążeniach dynamicznych UDARNOŚĆ Istnieją dwie zasadnicze odmiany wytrzymałości udarowej, określone jako tzw. udarność bez karbu oraz udarność z karbem. W drugim przypadku próbki pomiarowe mają w środkowej części poprzeczne nacięcie o określonej głębokości i szerokości, nazywane karbem. Wiele materiałów, w tym polimery, przy obciążeniach udarowych jest bardzo czułych na obecność nawet niewielkich zarysowań na powierzchni. Ich obecność powoduje, że materiał często pęka przy znacznie mniejszej energii uderzenia niż w przypadku materiału pozbawionego rys, będących rodzajem karbu. 44

45 Zachowanie przy obciążeniach dynamicznych UDARNOŚĆ Niekorzystny z punktu widzenia użytkowego efekt karbu spowodowany jest głównie zmianami rozkładu naprężeń (zwłaszcza ich koncentracją) w miejscu istnienia karbu. Ponieważ wytrzymałość udarowa polimerów bez karbu i z karbem jest sprawą indywidualną, tzn. polimer o dobrej udarności bez karbu wcale nie musi mieć dobrej udarności z karbem i odwrotnie, pomiary obu wielkości traktować trzeba niezależnie. 45

46 Zachowanie przy obciążeniach dynamicznych WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA W przypadku obciążeń lub odkształceń dynamicznych, zmieniających się w czasie (np. okresowo), zniszczenie próbki polimeru może nastąpić przy średnich naprężeniach lub odkształceniach nawet o 80% mniejszych niż w warunkach statycznych, jeśli tylko zmienne naprężenie lub odkształcenie działa dostatecznie długo. Proces ten określa się mianem zmęczenia materiału. Jego przyczyną są głównie mikropęknięcia powstające w próbce pod wpływem działających czynników. Liczba i wielkość tych mikropęknięć stopniowo wzrasta z czasem i może prowadzić do zniszczenia materiału. 46

47 Zachowanie przy obciążeniach dynamicznych WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA W badaniach wytrzymałości zmęczeniowej polimerów stosuje się różne metody. Jedna z nich polega na poddawaniu próbki działaniu periodycznych naprężeń lub odkształceń o zmiennej amplitudzie i stałej wartości średniej oraz pomiarze liczby cykli odkształceń niezbędnych do zniszczenia próbki w zależności od wielkości amplitudy. Otrzymuje się w ten sposób tzw. krzywą Wöhlera. 47

48 Zachowanie przy obciążeniach dynamicznych WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA Inną możliwość stanowi poddawanie próbki działaniu naprężeń lub odkształceń tętniących, tzn. zmieniających się periodycznie w czasie od wartości zerowej do pewnej ustalonej wartości oraz pomiar liczby cykli niezbędnych do zniszczenia próbki przy danej wielkości obciążenia lub naprężenia tętniącego. Przy takim sposobie pomiaru średnie naprężenie nie jest stałe. W obu jednak przypadkach wytrzymałość lub odkształcenie niszczące dla zerowej liczby cykli równe jest odkształceniu lub naprężeniu niszczącemu w warunkach statycznych, wartości graniczne uzyskiwane dla bardzo dużych liczby cykli można natomiast określić jako wytrzymałość zmęczeniową (długoczasową) danego polimeru. 48

49 Zachowanie przy obciążeniach dynamicznych WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWA W praktyce okazuje się, że dla większości polimerów nie istnieje asymptotyczna wartość określająca wytrzymałość zmęczeniową, tzn. nawet przy bardzo małych amplitudach zmian oraz niewielkich średnich wartościach naprężeń lub odkształceń próbki ulegają zniszczeniu (np. po l O 7 cyklach). Z tego względu często określa się wytrzymałość czasową jako czas potrzebny do zniszczenia próbki przy założonej charakterystyce naprężeń lub odkształceń. 49

50 50