materialovedenie2 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение), страница 8

Преимушества пластмасс в сочетании с удобством переработки обеспечили им применение в машиностроении, несмотря на ограниченную теплостойкост>н малую жесткость и небольшую вязкость по сравнению с металлами. Механичесняе свойства термопластичных пластмасс. Термопластичные пластмассы (термопласты) в отличие ог термореактивных нашли более широкое применение и производятся в ббльших количествах. Значительная часть термопластичных полимеров перерабатывается в пленку, волокна и изделия из волокна, которые трудно или вовсе невозможно изготовить из термореактивнь>з полимеров.

Под нагрузкой полимеры ведут себя как вязкоупругие вещества, а их дефор. мация является суммой трех слагаемыж упругой деформации, высокоэластичной деформации и деформации вязкого течения. Соотношения между составными частями деформации непостоянны и зависят как от структуры полимера, так и от условий деформирования и температуры. Поведение пластмассы под нагрузкой имеет очень сложный характер. Стан- Мппзерналы с малой плотносьзыо 225 я 5 лб'Ф л! 'б) Рис. 12.14. Диаграммы рпсз яжения пластмасс Зппзтрззховпннпн облпсть — допустимые нптрузки и удлинения: я в вязкие аморфные н «рнстяллнческие ~егьзопласты; б — хрупкие термаплясзы; термон:звсзы с нолекуявми,ориензнровяннымн вэзоль нянрввлення Еястянення, и реяктопввсты дяртные испытания на растяжение и улар дают приближенную оценку механических свойств.

Эта оценка спрапеллива лишь для конкретаых условий испытания (определенная скорость нагружения, температура, состояние образца). При других условиях испытания результаты окажутся другими. Изменения внешних условий и скоростей доформирования, которые совсем не отражаются на механических свойствах металлических сплавов, резко изменяют механические свойства термопластичных полимеров и пластмасс. Чувавительпость механических свойств термопластов к скорости деформироваиия, времени действия нагрузки, температуре, структуре является их типичной особенностью.

Стеклообразные термопласты при растяжении, как правило, сильно вытягиваются. При разрыве остаточная деформация составляет десятки и сотни процентов. Эта деформация называется вынужденной высокоэластичной; она возникает в результате вытягивания скрученных макромолекул под действием нагрузки. При растяжении материал начинает течь, в образце появляется шейка. Пластическое течение образна иа участке изп (рис.

12.14) есть не что иное, как постепенное распространение шейки на весь образеп. При разрыве образца вынужденная высокоэластичная 8 Пол реп. Б. Н. Армыясовя деформация не пцдасг до нуля, так как в стеклообразном состоянии растянутые макромолекулы не могут скручиваться и сохранякзт полученную вытяжку. Чем больше молекулярная масса полимера, тем больше общая деформация перед разрывом.

Сходная картина наблюдаезся при растяжении кристаллических полимеров. При пластическом течении кристаллического полимера исходная кристаллическая структура заменяется новой, в которой кристаллы имеют друз.ую форму и преимущественно одинаковую ориентацию. Этот процесс называется рекристпллизазуией. Рекриста:зззизация состоит нз трех последовательных этапов: разрушения кристаллов пол действием напряжения; вьпятивания молекул по направлению растязивающей силы на участке с разрушенными кристаллами; появления новых кристаллов между параллельно расположенными макромолекулами.

Новые кристаллы закреплязот полученную высокоэластичную деформацию, поэтому вытяжка сохраняется после снятия нагрузки. зермопластичные пластмассы с ориентированной молекулярной структурой лри растяжении вдаль направления ориентации не обнаруживанп пластического течения. В этом щзучае диаграмма растяжения имеет вил, показанный на рис. !2.!4, а удлинение не превышает десятков процентов. Рис.

12.15. Зависимость прочности пластмасс от температуры: ! — полиэтилен: 2 . полнвинилхлорнл; 3 — фтопзз- пласт-4; 4 — нолинмнл; 5 — полнямил 22б 34атериогы, Плгменлелгме е машино- и ггрпборостроении Особенности механических свойств термопластов рассмотрены ниже. 1. Зависимость от температуры. При нагреве уменьшается прочность (рис. 12.15), пластмассы становятся более вязкими н склонными к ползучести.

Вблизи температуры стеклования (или температуры кристаллизации для кристаллических термопластов) теряется несущая способность. Полиэтилен, полистнрол, поливинилхлорид при температурах ниже 100'С теряют прочность так сильно, что нх нельзя использовать как конструкционные материалы уже и при 50'С.

При охлаждении ниже 25'С прочность растет, но одновременно увеличиваются хрупкость и чувствительность к надрезам (рнс. 12.16), 2. Зависимосп от длительности нагружения. При длительном действии нагрузки уменьшается прочность (рнс. 12.17), появляется остаточная деформация. Эта деформация прелставляет собой вынужденную высокозластичную деформацию. При статическом нагружении в течение года временное сопротивление понижается влвое. 3. Зависимость от скорости деформирования. При увеличении скорости деформирования повышается жесткость пластмасс, так как не успевает развиваться высокозластичная деформация, сг, ли)м )гг г л -ю ур 1т Рис. 12.1б.

Зависимость улнриой вязкости от температуры и остроты надреза: 1 — поливинилхлорид, г =-2 мм; 2 — го же, =0,25 мм; 3 — оргвннческсе стекло без надреза; 4 — го жс, г = 0,25 мм )о' )Р Ю' Рис. 12.17. Зпвнсимость прочности плнстмесс от времеии негружения: 1 — полисгирол; 2 — сополнмер сзиролв АБС; 3— поливинилхлорнд; 4 — оргвннчсское сгекло; )в полнэгилензеро)налвг с 30 % сзекллнного волоии: 6 — стеклотекстолиг нв эооксидноя основе (ллв сравнения) и возрастает склонность к хрупкому разрушению. 4.

Зависимость от структуры. Пластмассы с ориентированной молекулярной структурой анизотропны. Вытяжка тер. мопластов в 2 — 4 раза увш)ичивает нх прочность вдвое. Прочность максимальна вдоль ориентированных вытянутых молекул„а в поперечном направлении-уменьшена. Ориентация молекул-одна из причин растрескивания нз. делнй, особенно под влиянием некоторых растворителей и других активных сред.

В кристаллических полимерах механические свойства зависят от степени кристаллизации. Чем она больше, тем выше прочность и жесткость. У некоторых гюлнмеров прн увеличении степени кристаллизации свыше 855г проявляется хрупкость. Модули упругости термопластичных полимеров и пластмасс в 1Π— 100 раз меньше, чем у металлов и керамики. Наиболее жесткие полистирол и органическое стекло при 25'С имеют модули упругости соотнетственно 3,5.!О' н 3,3.10' МПв, а наименее жесткий полиэтилен имеет модуль упругости всего !,8. 1О МПа, да и то прн — 50'С. Прочность термопласгов находшся Маьперааам с малой ппаиипььпма 227 в пределах 10-100 МПа. Этого вполне достаточно для многих целей, несмотря яа то, что допускаемые напряжения не превышают 10 МПа.

Термопластичные пластмассы хорошо сопротивляются усталости, а долговечность пластмасс выше, чем у многих сталей и сплавов. Предел выносливости равен 0,2 — 0,3 временного сопротивления. Однако, когда ваьрузка изменяется с частотой выше 20 Гц, пластмассы разрушаются быстро яз-за поглощения энергии, разогрева я уменыпения прочности. Общими недостатками пластмасс являются невысокая теплосгойкость, нестабильность свойств из-за старения. волзучесть под действием нагрузки. Чем выше значения й„и г, тем лучше оказывается теплостойкость. Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в качесше наполнителя 20 — 30/ стеклянного волокна. При этом сохраняется возможность переработки термопластов с использованием литья под давлением я экструзии. Наполненные пластмассы отличаются высокой стабильностью уазмеров под действием нагрузки, повышенной прочностью, но хуже сопротивляются ударам.

Механические свойства термопластов изменяются под влиянием окружающей срецы: атмосферного старения под действием влаги, света и кислорода воздуха. Условия атмосферного старения типичны для многих изделий из волокон, шзенки, а также массивных изделий. Хорошую стойкость против старения имеет органическое стекло, большинство термопластов также достаточно устойчивы, хотя их прочность и уменьшается. Полиэтилен наименее стоек: за два-три года сильно разрушается, особенно на солнечном свету под действием ультрафиолетовых лучей.

Для замедления старения полиэтилена применяют особые противостарители. Их используют для сохранения естественного цвета и светопрозрачнссти материала Добавки сажи (2 — 3;~) также за- медляют скорость старения примерно в 30 раз, преобразуя жесткое ультрафиолетовое излучение в неогасное тепловое. Термопласты, как правило, не взаимодействуют с водой и не изменяют механические свойства под действием влаги. Исключением являются полиамицы, способные поглотить от 3 до 1О;/ НзО. Для них вода является своеобразным пласгификатором, сникающим прочность и увеличивающим сопротивление удару (табл. !2.6).

Водяной пар (выше 100'С) разрушает полиамиды, поэтому излелия изготовляют из сухого материала, а затем они в течение нескольких суток поглощают влагу из атмосферы до насышения. Насыщенное состояние достаточно устойчиво и мало изменяется даже при колебаниях влажности воздуха.

В своем большинстве термопласты нечувствительны к топливу и смазочным материалам и в контакте с ними прочность не снижают. При выборе термопластов учитывается их горючесть. Как правило, зермопласты самозатухаюз. после удаления из пламени. При нх ~орсини выделяются различные вредные вещества — НС1 и др. Одним из самых огнеопасных полимеров является полистирол и, особенно, пористые пластмассы на его основе. В необходимых случаях горючесть пластмасс уменьшают специальными добавками.