Долговечность. Усталостная прочность полимеров

Семчиков 173-176.

Представим, что некий груз поднят тросом из полимерного материала. Означает ли это, что груз может висеть в подвешенном состоянии к тросу сколь угодно долгое время? Нет, не означает. Хорошо известно, что нагруженный полимерный материал со временем может разрушиться. Время от начала нагружения полимера до его разрушения при σ_т = const называется долговечностью. В работах Журкова установлена связь между долговечностью полимера τ и величиной приложенного напряжения:

где а, А – постоянные, зависящие от природы материала и температуры.

Температурная зависимость долговечности описывается уравнением:

Длительное нагружение полимерного материала приводит не только к его разрушению, но и к постоянному изменению его размеров. Деформация во времени образца, находящегося под постоянной нагрузкой при σ<σ_т называется ползучестью. Типичная диаграмма ползучести приведена на рис. 4.19. Скачок деформации в начальный момент времени связан с распространением обратимой упругой деформации. Далее развивается необратимая деформация, скорость нарастания которой увеличивается со временем.

На практике количественно ползучесть характеризуют путем сравнения свойств полимеров, измеренных в начальный период нагружения полимера и по прошествии достаточно длительного времени.

Усталостная прочность. С точки зрения практического использования полимерных материалов очень важным является усталостное разрушение, т. е. разрушение, вызываемое изменяющимися во времени напряжением и деформацией. Усталостная прочность определяется многими факторами, в том числе и предысторией полимерного материала, однако, самым важным из этих факторов является амплитуда напряжения.

Зависимость между амплитудой напряжения σ и логарифмом числа циклов нагружения до разрушения полимерного материала называют кривой Вёлера. Такие кривые наиболее объективно характеризуют основные усталостные свойства материалов. На рис. 4.20 приведены кривые Вёлера для ряда полимеров, для некоторых из них число циклов нагружения слабо зависит от амплитуды напряжения. Для таких полимеров существует определенный предел амплитуды напряжения, ниже которого разрушения материала не наблюдается при увеличении числа циклов до бесконечности. Эта предельная амплитуда напряжения называется пределом выносливости. Именно эта величина должна использоваться в инженерных расчетах на усталостную прочность конструкции из полимерных материалов, подвергающихся длительным периодическим воздействиям. Наличие предела выносливости характерно не для всех полимеров. Аналогично для металлов черные металлы имеют предел выносливости, цветные - не имеют. При отсутствии предела выносливости полимерные материалы, как и металлы, характеризуются амплитудой напряжения, соответствующей 10⁷ циклам
испытаний до разрушения.