Ударная прочность полимеров
Разнообразные способы механического воздействия, приводящие к разрушению полимерного материала, можно отнести к трем типичным случаям:
ударные воздействия,
длительные воздействия при постоянной нагрузке,
периодические воздействия.
Ударное воздействие означает деформирование тела с большой скоростью. Если эта скорость превышает скорость распространения упругой деформации (скорость звука), то образец разрушается в месте приложения нагрузки, если не превышает, то образец разрушается по всему объему по механизму хрупкого разрушения. Пластическая деформация до разрушения образца не успевает развиться в сколько-нибудь значительной степени.
Сопротивление полимеров ударным нагрузкам характеризуется так называемой ударной вязкостью, величина которой, выражаемая в Дж/м2, численно равна работе разрушения ∆A, отнесенной к единице площади поперечного сечения образца S:
где а - ударная вязкость; S = b·h (b - ширина, h - толщина образца). Поскольку работа разрушения выражается интегралом напряжений по деформациям, то
где σр, εр - предельные напряжение и деформация образца при его разрушении, 0,5 < с < 1 - постоянная. Из (4.31) следует, что ударная вязкость определяется как прочностными (σр), так и деформационными (εр) характеристиками материала.
Ударную вязкость полимеров наиболее часто определяют, используя для разрушения образца кинетическую энергию маятника (рис. 4.17). Из схемы, приведенной на рис. 4.17, видно, что в исходном положении маятник массой M, плечом l0 обладает запасом потенциальной энергии, равной:
После разрушения образца и подъема маятника на угол Θ', энергия равна
следовательно, энергия, затраченная на разрушение, составляет:
Для расчета ударной вязкости из этой энергии необходимо вычесть кинетическую энергию разлетающихся осколков образца, которую можно рассчитать, исходя из закона сохранения импульса.
Значения ударной вязкости некоторых полимерных материалов приведены в табл. 4.4. Если сравнить ударную прочность различных полимеров с их структурой и свойствами, то можно сделать два вывода.
1. Полимеры с высокой ударной вязкостью имеют большие механические потери при низких температурах. К таким полимерам относятся полиэтилен, полиметиленоксид, поликарбонат, политетрафторэтилен, полибутадиен. Как было показано ранее, механические потери обусловлены релаксационными явлениями в полимерах, следовательно, отмеченная выше тенденция связана с частичной затратой энергии удара на перемещение сегментов макромолекул и ее рассеиванием в виде энергии в форме теплоты, выделяющейся при трении сегментов.
2. Смеси полимеров во многих случаях имеют существенно большую ударную вязкость по сравнению с гомополимерами.
Смесевые композиции широко используются на практике, наиболее известным из них является ударопрочный полистирол и ударопрочный АБС-пластик. В первом случае в жесткой матрице полистирола распределены частицы каучука размером несколько микрон, во втором - жесткой матрицей является сополимер стирола с акрилонитрилом, эластичной фазой - диеновый каучук, к которому привиты цепи сополимера акрилонитрил - стирол.
Основными причинами повышенной ударной вязкости смесевых композиций являются деформация частиц эластомера и образование вокруг них трещин серебра во время удара. На то и другое расходуется значительная часть энергии удара, что предотвращает разрушение образца.
Таблица 4.4 Ударная вязкость (по Изоду) некоторых полимерных материалов