Время тепловой деформации и релаксация напряжений

Предшествующее обсуждение касалось единственного аспекта теплового поведения в многочисленных применениях — зависимости модуля от температуры в масштабе постоянного времени, связанного с частотой. Другим аспектом, который часто игнорируется в термическом анализе, является зависимость модуля от времени при постоянной температуре. Данные для такого анализа можно получить в экспериментах по релаксации напряжения.
На рис. 29.21 показана зависимость модуля от времени для смеси найлона-66 и ПФО, построенная в виде обобщенных кривых для нескольких температур сравнения. Диапазон температур на этом графике представляет разумную область использования сушильных печей в процессе покраски автомобильных деталей. Следует оговориться, что хотя использование температурно-временной суперпозиции не вполне применимо к многофазным системам, графики такового типа полезны для сравнения относительного поведения. Падение модуля, наблюдаемое на этих графиках, отражает размягчение фазы ПФО. В этом температурном диапазоне смесь находится достаточно высоко над температурами стеклования найлона и частиц каучука (в состав входит ударный модификатор) и значительно ниже температуры плавления найлона, так что эти переходы мало влияют на ход кривых.

Очевидной чертой графиков рис. 29.21 является резкое различие в скорости релаксации (скорости размягчения) между тестами, проведенными при 180 и при 200 °С. При 200 °C фаза ПФО размягчается почти мгновенно, что можно было ожидать, просмотрев кривые зависимости модуля от температуры. Однако при 180 °C требуется 1000 мин, чтобы произошло такое же размягчение, как за 1 мин при 200 °С. На рис. 29.22 этот эффект виден четче за счет перестроения графиков рис. 29.21 в виде изохронных кривых (то есть построением зависимостей модуля от температуры при постоянном времени). График типа показанного на рис. 29.22 может быть исключительно полезным, что мы сейчас обсудим.

Допустим, что существует критерий тепловой функциональности, подобный ТДД. Однако, если ТДД, в основном, характеризует температуру, этот новый критерий будет учитывать как температуру, так и время. Как и в случае ТДД, такое испытание должно определять, подходит ли материал для данного применения. Пусть, скажем, модуль сдвига материала G смягчается при 100 МПа; тогда мы заключим что материал слишком мягок или гибок для этого применения. (Именно такая концепция лежит в основе измерений ТДД.) Ho теперь взглянем на этот процесс в контексте рис. 29.22. При получении кривых модуль-температура можно провести линию через график для нашего условного критерия размягчения G = 100 МПа. Вновь при уменьшении модуля до этого уровня материал перестает удовлетворять критерию термической функциональности (рис. 29.22). На этом рисунке видно, как быстро материал будет становиться непригодным при конкретных температурных условиях. Например, если смесь найлон-ПФО удовлетворяет этому критерию, то требуется лишь 1 мин, чтобы материал утратил функциональные способности при температуре 193 °С. Однако при 184 °С, лишь на 9 °C ниже, это время растягивается до 30 мин. Информацию о такой временной зависимости невозможно получить из испытаний на ТДД.
Показанный пример иллюстрирует следующий пункт: при высокой температуре окружающей среды — как в автомобильных печах для сушки краски — следует принимать в расчет не только температуру печи, но также время, в течение которого компонент из пластика находится в печи. Теоретически, короткие подъемы температуры могут быть столь же вредными для изделия, как длительные экспозиции, возникающие, например, при остановках производственной линии при весьма умеренных температурах. Рассмотрение этого вопроса важно не только для внешнего вида автомобильных деталей, но для многих применений, в которых материал подвергается воздействию повышенной температуры на какой-то период времени.
Изменения состава материала изменяют ход обобщенной кривой релаксации напряжений во многом так же, как это происходит с кривыми «модуль-температура». Например, более высокая температура стеклования диспергированной фазы может смещать кривые вправо.
В любом материале, при прочих равных условиях, более высокая температура стеклования задерживает размягчение. В случае композитных материалов кривые смещаются вверх и уплощаются (рис. 29.23). В сущности, все расчетные параметры, которые можно использовать для улучшения зависимости модуля от температуры смеси, и которые мы обсуждали на протяжении всей этой главы, применимы к составлению смесей с улучшенными свойствами в отношении зависимости «модуль-время».