Основні відомості про міцність і деформування полімерних та композиційних матеріалів при короткочасному навантаженні
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»
ПРАКТИКУМ З ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ
З ДИСЦИПЛІНИ «НОВІ МАТЕРІАЛИ»
Частина 1
Київ, НТУУ «КПІ», 2009 р.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСІТЕТ УКРАЇНИ
«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»
ПРАКТИКУМ З ЛАБОРОТОРНИХ РОБІТ
З ДИСЦИПЛІНИ «НОВІ МАТЕРІАЛИ»
Частина 1
«міцність і деформування полімерних та композиційних
матеріалів при короткочасному навантаженні»
Для студентів спеціальності
«Динаміка та міцність машин»
Затверджено
на засіданні Методичної Комісії
ММІ НТУУ "КПІ".
Протокол № 9 від 25.05.2009 р.
Київ, НТУУ «КПІ», 2009 р.
Шидловський М.С. Шпак Д.Ю. Практикум з лабороторних робіт з дисципліни «Нові матеріали». Частина 1. «Міцність і деформування полімерних та композиційних матеріалів при короткочасному навантаженні» Для студентів спеціальності «Динаміка та міцність машин».-К.: НТУУ «КПІ», 2009.-37 с.
Навчальне видання
Практикум з лабороторних робіт
з дисципліни «Нові матеріали»
Частина 1
«Міцність і деформування полімерних та композіційних
матеріалів при короткочасному навантаженні».
Для студентів спеціальності
«Динаміка та міцність машин»
Відповідальний редактор М.І. Бобир
Рецензент О.Ф. Луговський
Загальні положення.
Сучасний технічний прогрес тісно пов’язаний із застосуванням великої кількості нових конструкційних матеріалів, серед яких одне з чільних місць займають композиційні матеріали на полімерних основах. Унікальні фізико-механічні характеристики таких матеріалів (мала вага, висока питома міцність, композиційна стійкість) роблять їх незамінними в багатьох галузях промисловості та сприяє зниженню матеріаломісткості виробів.
Для коректного проведення розрахунків на міцність необхідно знати механічні властивості нових матеріалів, більшість з яких є дослідженими до теперішнього часу недостатньо повно. Тому кваліфікованим спеціалістам в області міцності та надійності необхідно оволодіти сучасними методами досліджень з урахуванням супутніх факторів.
В лабораторних роботах з дисципліни “Нові матеріали” проводяться вимірювання міцності та деформації матеріалів, визначаються основні в’язкопружні та реологічні характеристики, вивчаються динамічні властивості й анізотропія механічних показників. В більшості робіт враховується температурний фактор.
Протокол випробувань складається студентами індивідуально відповідно до діючих стандартів. Він оформлюється на аркушах паперу формату А4 (210 х 297 мм). Схеми та графіки виконуються на міліметровому папері того ж формату. До протоколів лабораторних робіт, виконаних на ЕОМ, додаються програми і результати розрахунків (роздруки). Всі фізичні величини, що зустрічаються в роботі, повинні бути виражені в міжнародній системі одиниць СІ.
У кожному протоколі обов’язково повинні бути відображенні
так відомості:
1. Назва роботи.
2. Мета роботи.
3. Прилади та обладнання, що використовуються, режими випробовування (швидкість навантаження, температура, час випробовування та ін.)
4. Конкретна назва випробуваного матеріалу (або матеріалів), шифр або марка матеріалу, тип і розміри зразків.
5. Стислий опис методики проведення випробувань.
6. Таблиці із заголовками, в яких подаються виміряні або обчислені величини та їх розмірності.
7. Графіки із зазначенням на координатних осях величин, що відбиваються, та їх розмірностей. Під кожним графіком повинен бути пояснюючий підпис (назва матеріалів, стислий опис досліджуваних процесів, умови випробовувань та ін.)
8. Описання методів розрахунку, формули та результати розрахунків. Остаточні результати підкреслити.
9. Стислі відомості про випробувані матеріали:
клас матеріалу (лінійний, сітчастий, наповнений тощо);
фазовий стан (кристалічний, аморфний, частково-кристалічний);
фізичний стан (склоподібний, високоеластичний та ін.);
області застосування;
методи отримання, режими обробки;
довідкові дані (границя міцності, максимальне видовження, модуль пружності, ударна в’язкість, температурні характеристики, густина, твердість та ін.);
10. Висновки по проведеній роботі.
ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО МІЦНІСТЬ І ДЕФОРМУВАННЯ ПОЛІМЕРНИХ ТА КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ПРИ КОРОТКОЧАСНОМУ НАВАНТАЖЕННІ.
ДЕФОРМУВАННЯ АМОРФНИХ ТА КРИСТАЛІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ
Однією з найбільш характерних властивостей більшості полімерних матеріалів є здатність до великих оборотних і необоротних деформацій. Зміна розмірів і форми зразків матеріалу характеризує внутрішню реакцію полімера на зовнішній вплив. Процеси деформації полімерів при відносно повільно змінюваному навантаженні вивчають за експериментально одержаними діаграмами деформування. Тобто залежностями між прикладеними напруженнями σ і виникаючими при цьому деформаціями ε. Ці діаграми одержують на розривних машинах, обладнаних пристроєм для вимірювання і запису навантажень і видовжень зразків. Вигляд діаграми ε=f(σ) залежить від фазового та фізичного стану полімеру в момент випробувань.
Лінійні аморфні полімери в залежності від температури можуть знаходитися в трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластичному і в’язкотекучому.
На рис.1 наведені діаграми деформацій таких полімерів у різних станах.
Початкова ділянка діаграми, що є прямими лініями, відповідають пружним деформаціям, які малі й підкоряються закону Гука.
Нижче температури крихкості Ткр склоподібного полімеру, коли гнучкість молекулярного ланцюга дуже низька, полімер здатний розвивати тільки пружну деформацію, як і низькомолекулярні тверді тіла (рис.1 крива 1). Подальше деформування зразка полімеру, що знаходиться в
такому стані, приводить до його руйнування. В склоподібному стані
під дією зусиль здатні розвивати при певних умовах значні
деформації ( до декількох сотень відсотків).
Цю здатність називають вимушеною еластичністю, а деформацію - вимушено-еластичною. Вказана деформація розвивається в температурному інтервалі між Ткр і температурою скловання полімеру Тс. На рис.1 крива 2 є типовою для склоподібного полімеру при Т>Ткр. В початковий момент розвитку вимушено-еластичної деформації в зразку утворюється “шийка” (ділянка a-b-c), яка в процесі розвитку деформації збільшується (ділянка c-d). Напруження, при якому починає розвиватися вимушено-еластична деформація, називається границею текучості σт або границею вимушеної еластичності σв.е. Вимушена еластичність обумовлена зміною конформації макромолекул.
Після припинення дії навантаження при Т<Тс вимушено-еластична деформація не знімається, а при наступному нагріванні (Т>Тс), коли полімер переходить у високоеластичний стан, зразок відновлює свої розміри. Тому така деформація носить зворотний характер.
Полімери, які знаходяться у високоеластичному стані при Т>Тс, називаються еластомерами. Суть високоеластичності полягає у випрямленні згорнутих гнучких молекулярних ланцюгів під дією прикладених навантажень і повернення ланцюгів до первинної форми після зняття навантаження. У високоеластичному стані полімер розвиває великі зворотні деформації під дією навіть невеликих прикладених напружень. Типова крива деформації для еластомерів наведена на рис. 1 крива 3.
Загальна деформація полімеру складається з пружної деформації εпр, високоеластичної деформації εв.e. і деформації течії εтеч.
Течія – це необоротне переміщення макромолекул відносно одна одної
під дією зовнішньо прикладеного зусилля. Внаслідок течії при деформуванні полімерів повного відновлення розмірів зразка після зняття навантаження не виникає.
Кристалічні полімери, так само як і аморфні, під дією прикладених навантажень здатні розвивати значні деформації (до декількох сотень відсотків).
Крім пружної деформації, кристалічні полімери при великих навантаженнях виявляють вимушено-еластичну деформацію. Деформація кристалічних полімерів супроводжується не тільки випрямленням згорнутих ланцюгів макромолекул в аморфних областях, але й орієнтацією кристалів і частковою їх рекристалізацією.
Внаслідок орієнтації макромолекул їх властивості в різних напрямках істотно відрізняються, тобто спостерігається анізотропія властивостей. Остання також виявляється і в деформованих склоподібних полімерах.
На процес деформування та руйнування полімерів значно впливають такі фактори як тривалість деформування, температура, характер напруженого стану, дія світла, хімічно-активних середовищ.
Рис. 1 Криві розтянгу полімерів
1 – полімери при температурі нижче температури крихкості;
2 – полімери в интервалі від температури крихкості до температури скловання; 3 – полімери у високоеластичному стані.