Механические характеристики пластмасс
Механические характеристики изделия из пластмасс зависят от большого числа факторов, к которым относятся время, уровни напряжения или деформации, а также такие характеристики окружающей среды, как температура и влажность воздуха (для гигроскопичных полимеров). Набор кратковременных зависимостей напряжения от деформации, показывает, что при более высоких скоростях деформирования пластмассы становятся более жесткими и хрупкими. При низких скоростях деформирования полимерные материалы в большей степени проявляют такие свойства, как упругость или пластичность, что связано с вязкостными эффектами. Подобным эффектам следует уделять особое внимание в тех случаях, когда изделие испытывает нагрузки в течение продолжительного периода времени (то есть статические нагрузки). Ситуация, в которой изделия из пластмассы непрерывно подвергаются длительным нагрузкам (возникающим в процессе эксплуатации и/или из-за собственного веса изделия), довольно типична. В таких случаях в изделии возникает как упругая деформация в начальный момент времени из-за приложенной нагрузки, так и деформация, увеличивающаяся во времени из-за вязкостных свойств материала (то есть ползучесть). Кроме того, при продолжительной эксплуатации следует отдельно учитывать изменение свойств материала, связанное с его старением.
Чтобы сконструировать изделия, которые будут подвергаться нагрузкам в течение продолжительного периода времени, конструкторы должны получить и использовать данные о ползучести. В результате опасность разрушения изделий и существенного изменения их формы в течение срока эксплуатации (срок службы должен быть указан в процессе начальной стадии проектирования, поскольку деформации, связанные с ползучестью, зависят от времени) сводится к минимуму. Данные о текучести, которые используются в проектировании, должны соответствовать тип} напряжений или условиям окружающей среды, в которой изделия находятся в процессе эксплуатации.
К сожалению, величину эксплуатационной нагрузки, ее длительность и условия окружающей среды бывает трудно предсказать на долгий период времени. Может оказаться трудным найти данные тестирования, точно коррелирующие с конкретными условиями эксплуатации, особенно когда нагрузки носят прерывистый характер, и требуется учитывать периодическое восстановление материала в момент разгрузки. Из-за этого возникают трудности, связанные с точной оценкой эксплуатационных характеристик изделия из пластмассы, в котором происходит ползучесть. В ряде случаев в целях безопасности лучше предположить наличие непрерывной нагрузки при максимальной ожидаемой рабочей температуре. Ползучесть пластмассы часто анализируют с помощью модели, сочетающую пружину (упругий элемент) и поршень (вязкий элемент). Четырех-элементная модель, показанная на рисунке, представляет собой сочетание элементов Максвелла и Фойгта-Кельвина. При приложении к поршню растягивающего усилия упругий элемент мгновенно растягивается, что приводит к возникновению мгновенной упругой деформации обратно пропорциональной жесткости пружины и прямо пропорциональной величине нагрузки (это приводит к накоплению энергии).
На первом этапе процесс ползучести связывается с уменьшением ее скорости во времени, и этот процесс частично обратим. Ползучесть на втором этапе происходит с постоянной скоростью, а на третьем этапе перед разрушением наблюдается возрастание скорости ползучести. Скорость ползучести зависит от материала, напряжения и температуры, так же, как и значения разрушающей деформации при ползучести. Здесь следует заметить, что разрушение (или течение) будет происходить при значениях напряжения ниже соответствующих значений разрушающих напряжений, полученных при проведении кратковременных испытаний.