Диаграммы предельных состояний пластмасс

перехода подвижной части его структуры из одного равновесного состояния  в другое.

Сечения, параллельные плоскости напряжение — время, поз­воляют выделить при фиксированной температуре кривые дли­тельной прочности и статического сопротивления. Например, для Т=20° С линия ав соответствует кривой длительной прочно­сти, а линия вд — кривой статического сопротивления.

Кривые статического сопротивления и длительной прочности не отражают физическую сущность процесса деформирования при t ® 0 и t ® µ и являются эмпирическими приближениями некоторых общих закономерностей. Обе кривые должны асимп­тотически стремиться к некоторой прямой, отсекающей от оси напряжений значение , примерно соответствующее пересече­нию этих кривых.

Если действующее напряжение меньше при определен­ной температуре, то разрушение не происходит при любой про­должительности его действия; в противном случае рано или поздно разрушение наступает.

Проведенная на диаграмме плоскость а₁вгб₁ отсекает от объемной диаграммы нижнюю часть, являющуюся зоной, в которой расположены безопасные ординаты напряжений. Неограни­ченный срок действия этих напряжений не вызывает разрушения материала.

Другой разновидностью объемных диаграмм является диаг­рамма для полиэтилена высокой плотности, построенная в координатах напряжение - деформация - время (s—e—t) и изображенная на рис. 2. Из этой обобщенной диаграммы можно получить частные графики. Например, при s=const плоскость e—t , пересекаясь с поверхностью диаграммы, дает кривую ползучести типа абв, состоящую из двух участков: линия аб соответствует стадии неустановившейся ползучести и линия бв отвечает стадии прекратившейся ползучести.  

При t=const пересечение плоскости s—e с поверхностью диаграммы дает линии типа гд, которые показывают пропорциональное нарастание деформаций при увеличении напряжений.

Если на этой диаграмме провести плоскость, параллельную плоскости напряжение - время, на уровне, отвечающем безопасной величине деформации, то она отсечет нижнюю часть диаграммы, в которой находятся значения ординат деформаций, не превышающих указанный уровень деформации. Проведенная  на рис. 2 плоскость АБВГ соответствует уровню деформаций в 2%.

При напряжениях, отсекаемых плоскостью А₃А₂А₁Г₁Г₂ (s»42 кгс/см²) и меньших, начавшаяся деформация ползучести прекращается через определенное время, по достижении значения e<2%. При напряжениях s>42 кгс/см? начавшаяся  деформация может быть e   2% в зависимости от продолжительности нагружения. Границей 2%-ной деформации в зависимости от продолжительности нагружения является проекция линии Б₁А₁.

Приведенные на рисунках объемные диаграммы являются: диаграммами предельных состояний, так как они основаны на предельных значениях напряжений и деформаций. Указанные диаграммы предельных состояний построены по средним значениям напряжений и деформаций, не нанесенных на диаграммы, во избежание их затемнения.

Построение диаграмм предельных состояний для полимерного материала требует обширных испытаний при длительном нагружении и различных температурах. Однако будучи постро­енными они наглядно показывают прочностные и деформацион­ные резервы пластмассы как конструкционного материала. Воз­можности диаграмм огромны — они позволяют определять без­опасные и предельные значения напряжений, деформаций, тем­ператур и продолжительности нагружения, которые могут быть положены в основу прочностных расчетов несущих пластмассовых элементов различных конструкций. Каждая из названных величин определяется по диаграмме, если известны две другие.

ДИАГРАММЫ   ПРЕДЕЛЬНЫХ   СОСТОЯНИЙ ПЛАСТМАСС

М. Г. СУХАРЕВ

Механические характеристики пластмасс, полученные при длительных испытаниях в широком диапазоне температур и на­грузок, позволяют наиболее полно оценить их резервы прочно­сти как конструкционных материалов.

Можно утверждать, что механические свойства полимерных материалов являются функцией соотношения напряжение-деформация — время — температура (s-e-t-Т), Однако по­лучение диаграмм механических характеристик пластмасс со всеми компонентами этого соотношения является весьма слож­ной задачей. Наиболее приемлемы диаграммы, связывающие между собой только три компонента указанного соотношения при фиксированном четвертом.

Наиболее важными с практической точки зрения будут две диаграммы: одна с координатами напряжение – деформация – время (Т=const); другая с координатами напряжение – вре­мя – температура . Ниже приведены указанные диаграммы для одного из распространенных полимеров —полиэтилена высокой плотности.

На рис. 1 представлена объемная диаграмма для полиэтиле­на высокой плотности в координатах s—t—T, которая синтези­рована из полученных ранее графиков статического сопротивления и длительной прочности [1].

Графики статического сопротивления связывали между собой напряжения и деформации, прекращавшиеся после истече­ния определенных сроков действия этих напряжений. Говоря о прекращении деформации, имеется в виду, что использован­ные довольно точные измерительные приборы не отмечали даль­нейшего приращения деформаций за конечные промежутки времени [2, 3].

Здесь линия аб характеризует изменение предела прочности при кратковременном нагружении (t=0,1 часа); линия вг — из­менение предельного статического сопротивления () от температуры. Продолжая линию вг до пересечения с плоскостью Т – t, можно ориентировочно получить температуру (~100⁰С), соответствующую переходу полиэтилена из одного термомеханического состояния в другое. Таким образом, при указанном переходе состояний предельное статическое сопротивление полимера снижается до нуля и ценность полимера как конструкционного материала пропадает.

За предельное статическое сопротивление принималось то наибольшее напряжение, при котором ползучесть материала через некоторое время после нагружения еще может прекратиться. Полное прекращение ползучести полимера дает основание предполагать об отсутствии разрушения при чрезвычайно большой продолжительности действия указанного напряжения.