Деформационное разрушение пластиков

Крейзы значительно отличаются по свойствам от всей массы полимера. Ранее были приведены сведения о низком модуле Юнга и высокой пористости крейз, и эти свойства особенно ощутимы, когда крейзы образуются в больших количествах, как в случае деформации при растяжении УПС. Термин «разрушение при растяжении» не полностью отражает эффекты, возникающие при образовании крейз. Некоторые аспекты разрушения при растяжении рассматриваются ниже.
Полосы сдвига гораздо ближе по механическим свойствам к недеформированной массе материала, чем крейзы. Несмотря на это, образование сдвиговых полос также приводит к изменению свойств, так как происходит размягчение материала при деформации и, следовательно, уменьшение модуля Юнга. Образование сдвиговых полос почти не влияет на проницаемость материала.
Свойства полимеров, упрочненных эластомерами, вне вязко-упругой области сильно зависят от механизма и степени текучести. В некоторых областях применения пористость за счет образования крейз является серьезной проблемой (например, емкости для газированных напитков). Проницаемость АБС-пластиков и других упрочненных полимеров значительно возрастает в результате множественного образования крейз. Поэтому необходимо подавлять образование крейз путем подбора соответствующего материала и условий переработки: как уже упоминалось, биаксиально ориентированные полимеры менее подвержены крейзообразованию. Уменьшение модуля вследствие множественного крейзообразования нежелательно также в изделиях, которые эксплуатируются под нагрузкой.

Модуль материала крейзы уменьшается с увеличением деформации, так как площадь поперечного сечения фибрилл крейзы уменьшается в процессе раскрытия структуры крейзы при растягивающем напряжении. Другими словами, свойства крейзы зависят от ее плотности. Эта отмеченная нелинейность при испытании на растяжение особенно заметна в таких материалах, как УПС, который деформируется в основном за счет образования крейз. На рис. 8.18, а показана зависимость модуля Юнга от относительной деформации растяжения после нагружения в течение 100 с образца УПС при испытании на ползучесть при растяжении. До испытания на ползучесть для этого полимера характерна довольно значительная жесткость, и модуль Юнга уменьшается медленно с увеличением деформации. После достижения 5 %-ной деформации при испытании на ползучесть тот же образец проявляет иные свойства: модуль становится гораздо меньше, особенно при высоких деформациях, за счет низких модулей крейз, образовавшихся в процессе испытания на ползучесть. Эти результаты, полученные из экспериментов со смесью А, совершенно противоположны результатам, полученным из идентичных экспериментов со смесью E (смесь УПС с полифениленоксидом). В смеси Е, которая деформируется за счет как образования крейз, так и сдвиговой текучести, имеет место значительно меньшее понижение модуля Юнга в результате растяжения при испытании на ползучесть (рис. 8.18, б). Эти изменения свойств относятся лишь к испытаниям в направлении, совпадающем с направлением деформации ползучести при растяжении: на свойства в двух других направлениях присутствие крейз влияет мало.

Влияние образования крейз на свойства показано на рис. 8.19. Из циклических кривых напряжение—реформация видно явное уменьшение модуля Юнга с увеличением числа крейз. При разгружении происходит значительное восстановление, так как крейзы закрываются; этот процесс известен как «залечивание крейз». Залечивание крейз подтверждает, что образование крейз является в такой же степени вязкоупругим процессом, как и процессом пластичного течения. Вязкоупругие свойства проявляются и в больших петлях гистерезиса, которые линейно увеличиваются в размерах с возрастанием деформации в процессе испытания. Сходство между поведением УПС, отражающимся в циклических кривых напряжение—деформация, и свойствами крейз можно увидеть при сравнении рис. 8.19 и 8.20.


Эксперименты по циклическому нагружению, описанные выше, по существу являются испытаниями на усталость. На рис. 8.20 представлены результаты, полученные Бирдмором и Рабиновичем при обычном испытании на усталость АБС-пластика, при котором образцы подвергали циклическому нагружению в фиксированных пределах деформации в процессе растяжения и сжатия. В начале испытания как при растяжении,, так и при сжатии, пики напряжений спадали быстро, затем выравнивались. Этот эффект размягчения при деформировании, возможно, имеет место в силу некоторой сдвиговой текучести в матрице сополимера стирола и акрилонитрила, чему способствуют концентрации напряжений вокруг частиц эластомера. На более поздних стадиях испытания пик растягивающего напряжения продолжает резко спадать, в то время как пик напряжения — сжатия остается почти постоянным. Это второе изменение в свойствах происходит скорее всего за счет образования крейз. При растяжении крейзы открываются, и становится очевидным более низкий модуль заполняющего их материала. При сжатии ни крейзы, ни трещины не оказывают влияния на податливость образца, поэтому пик напряжения остается неизменным. После относительно небольшого числа циклов крейзы превращаются в трещины критических размеров, и образец разрушается. Наряду с изменениями максимального напряжения происходят изменения петли гистерезиса, которая становится больше и меняет форму, отражая, таким образом, изменения податливости в обеих частях деформационного цикла.

Увеличение размера петли гистерезиса означает, что образец рассеивает больше теплоты в одном цикле. Вследствие низкой теплопроводности полимеров может быстро подниматься температура во время испытания на усталость при частотах порядка 1 Гц. Более того, выделение теплоты локализуется внутри крейз и зон сдвиговой текучести, поэтому эти области подвергаются наибольшему воздействию. Самое главное в исследовании усталости упрочненных композиций — это выяснение механизма деформации и роли тепловых эффектов.

Крейзы быстро «залечиваются» не только сразу же после разгружения, но продолжают залечиваться и впоследствии. Степень восстановления видна из рисунка 8.19. Восстановление можно охарактеризовать несколькими способами. Возможно, наиболее точным является измерение объемной деформации, используемое для изучения механизма ползучести. Из рис. 7.10 и 8.3 следует, что объемная деформация вследствие образования крейз в УПС и АБС-пластиках падает при разгружении образца и продолжает медленно уменьшаться во времени. На рмс. 8.21 показана зависимость между объемной деформацией и приведенным временем восстановления t* для тройных смесей УПС, полистирола и полифениленоксида. Графики почти линейны, и, очевидно, необходимо значительное время, чтобы плотность крейз хотя бы приблизилась к плотности блочного полимера. Нагревание ускоряет восстановление, по необходимо нагревать полимер выше температуры стеклования матрицы, чтобы вернуть материал в первоначальное состояние.
Очень быстрое восстановление наблюдается, когда сильнодеформированный упрочненный эластомером полимер разрушается. Накопленная в крейзах энергия деформации 2,4 внезапно освобождается, и, возможно, генерируется количество 2,2 теплоты, достаточное для повышения температуры выше температуры стеклования. Чессна предположил, что явное отсутствие крейз в разрушенных образцах ударопрочного поливинилхлорида обусловлено быстрым восстановлением.

По мере того как объем образца, в котором произошло образование крейз, вновь уменьшается и плотность крейз приближается к плотности блочного полимера, соответственно изменяются свойства упрочненного эластомером полимера. Начальный модуль Юнга образца увеличивается, и предел текучести материала, определяемый на рис. 8.19 изгибом кривой напряжение — деформация, медленно возрастает. Измерения этих свойств показывают, что предел текучести возрастает линейно с логарифмом времени в области температур ниже температуры стеклования. Ни одно из этих изменений не является однако постоянным: при повторном нагружении крейзы снова раскрываются, и модуль, и предел текучести падают до значений, характерных для образца, в котором крейзы образовались впервые.