Релаксацию напряжения

При статической нагрузке концентрация напряжений зависит главным образом от пластичности материала и для пластичных материалов относительно невелика. .При повышении напряжений материал в зоне ослабления приходит в состояние текучести; образуется пластический шарнир, способствующий передаче усилий на смежные, менее напряженные, участки и вызывающий релаксацию напряжений. У высоко-пластичных материалов » условиях статической нагрузки fe, близок к 1, т. е. концентрации напряжений не происходит. У хрупких материалов выравнивающий эффект локальной пластической деформации отсутствует и коэффициент концентрации ka > 1. '

механических испытаний металлов. Методы испытаний на релаксацию напряжений.

Сейчас при контроле механических свойств материалов для испытаний на растяжение, сжатие, изгиб, скручивание, длительную прочность, ползучесть, релаксацию напряжений применяют громоздкое и дорогое механическое оборудование. Пределы прочности, текучести, упругости, относительного удлинения, ударной вязкости определяют на образцах выборочным путем. Но даже у материалов одной марки, плавки, партии механические характеристики могут разниться. Выход подсказывает применение магнитных коэрцитиметров, позволяющих оценивать качество термообработки, твердость и другие механические параметры через коэрцитивную силу ферромагнитного материала. Так проверяется качество углеродистых сталей и других содержащих железо сплавов после термообработки.

Увеличение частоты равносильно повышению скорости приложения нагрузки. Повышение скорости нагружения способно ослабить релаксацию напряжений в процессе разрушения в том случае, когда скорость разрушения меньше скорости нагружения. При приложении же нагрузки к неподвижной трещине подобное ослабление неизбежно.

Теория, предложенная Плюдеманом [34, 38], включает в себя основные положения теории химической связи, теории твердой поверхности раздела связанного слоя и теории деформируемого слоя (см. гл. 6). -Согласно теории Плюдемана, обратимое\разру-шение и восстановление напряженных связей между аппретом и стеклом в присутствии воды допускают релаксацию напряжений без ухудшения адгезии. • :

Согласно новой рабочей гипотезе относительно механизма адгезии полимеров к минеральным наполнителям, силановые аппреты обеспечивают релаксацию напряжений на поверхности раздела

Механизм адгезионного взаимодействия усложняется также из-за усадочных и термических напряжений, появляющихся [Вследствие различия коэффициентов термического линейного расширения полимера и наполнителя. Динамическое равновесие процесса образования и разрыва связей в присутствии воды определяет релаксацию напряжений на поверхности раздела на молекулярном уровне. Поэтому вода является необходимым ингредиентом при образовании адгезионной связи между жесткими полимерами и поверхностью минеральных веществ. Высокая адгезия сохраняется только до тех пор, пока гидролиз на поверхности раздела является обратимым процессом.

Испытания-на релаксацию напряжений показали (рис. 1.20), что наибольшей релаксационной стойкостью обладают образцы, прошедшие термическую обработку по режиму нормализации с отпуском. Вместе с тем старение нивелирует эту разницу. После закалки и нормализации с последующим отпуском величина оставшегося напряжения за 104 ч в обоих случаях одинакова

Деформаций. Подобным образом, например, измеренная величина контактной разности потенциалов проходила через максимум с ростом плотности дислокаций даже у г. ц. к. металлов, так как на заключительной стадии динамического возврата плотность дислокаций становилась достаточно большой, чтобы усилилось упругое взаимодействие между ними и вызвало частичную релаксацию напряжений вследствие их выстраивания в более равновесные субструктуры типа полигональных субграниц.

Эффективность применения указанных технологических приемов для сглаживания электрохимической гетерогенности сварного соединения во многом зависит от способности основного металла и релаксации остаточных напряжений. В этом направлении представляются весьма перспективными малоуглеродистые стали мар-тенситного класса, обладающие высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью, например, сталь 07ХЗГНМ (0,1% С; 3,0% Сг; 0,8—1,2% Ni; 0,3—0,35% Mo). Малоуглеродистый мартенсит этой стали имеет тонкую субмикроструктуру, состоящую из пакетов параллельных пластин с высокой плотностью дислокаций, обеспечивающей высокие прочностные характеристики (ав = 1150 МПа, а0]2 = 900 МПа). Однако низкое содержание углерода (от 0,05 до 0,1%) обусловливает сохранение подвижности значительной доли дислокаций, образующихся в процессе 7 -* «-превращения, и облегчает релаксацию напряжений путем микропластических деформаций. Релаксации напряжений способствует высокая температура начала мартенситного превращения (480 °С и выше). Сталь имеет низкую критическую скорость закалки. Она закаливается с прокатного нагрева, сохраняя при этом высокие технологические свойства (б = 20%, at20 = - 130 Дж/см2, а?° = 80 Дж/см2).

тает из-за развития деформаций ползучести в каждом цикле и более быстрого исчерпания ресурса пластичности материала. Иногда релаксацией циклических термических напряжений называют уменьшение максимальных напряжений от цикла к циклу, однако этот процесс не является релаксацией в обычном смысле и характеризует циклическое разупрочнение материала. Рассмотрим релаксацию напряжений, происходящую в каждом цикле в условиях постоянства суммарной деформации: es = = ee+ep+'ec=iconst.

. Основной особенностью высокоэластической деформации является v ее релаксационный характер. Различают релаксацию напряжения ' и релаксацию деформации.

Прибор 2026РОС (рис. 6) предназначен для испытания резин на релаксацию напряжения при осевом сжатии. Прибор состоит из привода, подъемного винта /, механизма 2 перемещения струбцины 3, термокамеры 5 и силоиз-мерителя 6. В камере смонтированы трубчатые электронагреватели и установлен вентилятор, обеспечивающий улучшение теплообмена и выравнивание температуры.

свойств. Для описания деформации полимеров используют механические модели, представляющие собой набор различных сочетаний двух элементов: пружины и демпфера^ позволяющие имитировать деформационное поведение полимерных систем. Примерами простейших механических моделей являются модель Максвелла (рис. 4.2) и модель Кельвина — Фойхта (рис. 4.3). Они состоят из одной пружины, подчиняющейся закону Гука, и одного демпфера, деформирующегося по закону Ньютона, соединенных последовательно (модель Максвелла) и параллельно (модель Кельвина — Фойхта). Модель Максвелла в первом приближении описывает релаксацию напряжения упругого тела, а модель Кельвина — Фойхта — ползучесть, но ни одна из них не отражает общего положения вязкоупругого тела. Последовательное и параллельное соединения этих моделей с упругими и вязкими элементами позволили создать несколько обобщенных моделей, учитывающих различные сочетания всех видов деформации полимеров.

Температурная зависимость модуля упругости имеет важнейшее значение для понимания механического поведения полимеров. По этой зависимости можно предсказывать ползучесть, релаксацию напряжения и деформационно-прочностные свойства полимеров.

Методы испытаний на ползучесть и релаксацию напряжения являются в некотором роде обратными друг другу. Данные, полученные одним методом, могут быть пересчитаны в другие показатели. Это требует, однако, применения довольно сложных расчетов, которые будут рассмотрены позднее. Тем не менее в первом приближении перевод данных о ползучести в данные о релаксации напряжения, или наоборот, может быть осуществлен с использованием простого соотношения [31:

где е0 — начальная деформация при испытании на ползучесть; е (t) — деформация ползучести за время t; О"„ —начальное напряжение при испытании на релаксацию напряжения; 0 (t) — напряжение после релаксации в течение времени t.

Разветвление цепей влияет на вязкость полимера выше Тс последовательно, на скорость ползучести и релаксацию напряжения [105 — 109]. Это влияние трудно Выразить количественно, поскольку длина и число ответвлений могут сильно варьироваться—все ответвления могут начинаться из одной точки (макромолекулы Типа креста или ЗРезды) или они могут быть распреде-

Выше Тс влияние поперечных связей проявляется в уменьшении вклада вязкого течения в ползучесть и релаксацию напряжения и увеличении высокоэластичности полимера. Следовательно, сшивание макромолекул приводит к выравниванию кривых ползучести до уровня постоянной деформации при длительном действии силы и выравниванию кривых релаксации напряжений до некоторого постоянного остаточного напряжения. В идеальном сетчатом эластомере напряжение остается постоянным в течение любой длительности эксперимента. Ползучесть идеального эластомера при приложении нагрузки продолжается до достижения определенной деформации и эта деформация остается постоянной до снятия нагрузки, после чего восстанавливается исходная длина образца. Следовательно, идеальный сетчатый эластомер можно представить в виде идеальной пружины с малым модулем. Однако на практике сетчатые эластомеры могут иметь очень дефектную структуру сетки, которая содержит свободные концы цепей, петли и ответвления, только частично присоединенные к сетке, а также макромолекулы, захваченные сеткой, но не присоединенные к ней химическими связями [1, 119—123]. В этом случае-

кристаллиты действуют как жесткие частицы наполнителя [140— 142]. На рис. 3.19 и 3.20 схематически показано влияние степени кристалличности на ползучесть и релаксацию напряжения выше Тс. Форма и абсолютные значения этих кривых примерно соответствуют наблюдаемым для реальных полимеров, однако конкретные данные могут значительно изменяться при переходе от одного полимера к другому. Приведенные кривые

показывают только общие тенденции влияния степени кристалличности на свойства материала. Даже небольшая степень кристалличности может сильно уменьшить ползучесть или релаксацию напряжения без резкого возрастания модуля упругости полимера [147—149]. Пластифицированный ПВХ является типичным примером — он обладает высокой стабильностью размеров без заметного течения при длительных нагрузках [147]. При этом степень кристалличности столь мала или кристаллиты являются настолько несовершенными, что во многих случаях кристалличность просто не обнаруживается при использовании обычного метода дифракции рентгеновских лучей. Другим примером явля-.ются сополимеры ПВС с низким или средним содержанием гидр-оксильных групп [148]. Полимеры, содержащие 15—20% кристаллической фазы, ведут себя аналогично вулканизованным каучу-кам [40, 150, 151]. При степени кристалличности выше 40—50% кристаллиты могут образовывать жесткую непрерывную матрицу, а не быть дисперсной фазой в эластичной среде [146]. В этом случае модуль упругости полимеров высок и очень мало зависит от длительности нагружения. Температурная зависимость податливости и релаксационного модуля кристаллических полимеров при Т > Тс выражена сильнее, чем у аморфных сетчатых полимеров, но вблизи Тс эта зависимость становится слабее, чем для аморфных полимеров. Основной причиной такого поведения кристаллических полимеров является уменьшение степени кристалличности с повышением температуры. Другими причинами мо~

фторсодержащих полимеров — в [161]. Релаксацию напряжения в полиоксиметилене (полиформальдегиде) изучали в работе [162]. Вытяжка аморфных, но склонных к кристаллизации^полиме-ров, может в некоторых f случаях резко увеличивать^ скорость кристаллизации, как, например, в натуральном каучуке и ПЭТФ.