Влияние времени и температуры на деформацию. Механические свойства пластмасс (стр. 1 из 2)
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра инженерной графики
РЕФЕРАТ
На тему:
«Влияние времени и температуры на деформацию. Механические свойства пластмасс»
МИНСК, 2008
1. Влияние времени на деформацию. Упругое последействие.
Ползучесть. Релаксация
Опыты показывают, что деформация под нагрузкой проявляется не сразу, а в течение определенного периода времени.
Если при напряжениях, соответствующих точке 5 (рис. 2.13), прекратить нагружение и оставить образец на некоторое время под нагрузкой, то деформация будет расти (отрезок ST), причем вначале быстрее, а затем медленнее. При разгрузке часть деформации, соответствующая отрезку GJ, исчезнет почти мгновенно, другая часть деформации, изображаемая отрезком OG, исчезнет не сразу, а спустя некоторое время.
Это явление изменения упругих деформаций во времени носит название упругого последействия. Чем однороднее материал, тем меньше упругое последействие. Для тугоплавких материалов при обычных температурах оно настолько невелико, что его можно не учитывать.
Наоборот, в материалах органического происхождения упругое последействие велико, и с ним нельзя не считаться.
У многих материалов под нагрузкой при высоких температурах наблюдается другое явление — непрерывный рост остаточных деформаций, заканчивающийся в определенных условиях разрушением материала.
Например, стальная труба, являющаяся паропроводом и работающая при определенном давлении и температуре пара, непрерывно увеличивает свой диаметр.
Изменение во времени пластических деформаций в нагруженной детали носит название ползучести.
У металлов с низкой температурой плавления (например, цинка, свинца), а также у бетона ползучесть наблюдается уже при нормальных температурах. У стали заметная ползучесть проявляется при температурах, превышающих 300° С.
Напряжение, при котором скорость пластической деформации при заданной температуре и постоянной нагрузке составляет определенную, наперед заданную величину, например 0,0001% в час, называется пределом ползучести σпз и является важной механической характеристикой.
Тесно связано с ползучестью другое явление, при котором упругие деформации тела со временем переходят в пластические. Результатом этого является изменение действующих напряжений при сохранении полной величины деформации. Такое явление называется релаксацией. Вследствие релаксации соединения, выполненные с натягом, при длительной работе в условиях высоких температур ослабевают.
2. Влияние температуры
Опыты показывают, что свойства материалов сильно зависят от температуры.
На рис. 2.14 представлено несколько диаграмм растяжения малоуглеродистой стали (0,15% С) при разных температурах, а на рис. 2.15 и 2.16 — графики зависимости упругих постоянных (Е и μ) и механических характеристик (σп, σт и σв), а также ψ и δ от температуры для той же стали.
Из графиков видно, какое большое влияние оказывает температура на свойства стали. До температуры 300° С временное сопротивление σв повышается (на 20—30%), а при дальнейшем повышении температуры резко снижается.
Величина предела текучести σТи предела пропорциональности σп с повышением температуры уменьшается. При температуре 400°- предел текучести составляет 60—70% его величины при комнатной температуре. С повышением температуры длина площадки текучести сокращается и при температуре около 400° площадка вовсе исчезает. Пластические свойства (относительное остаточное удлинение при разрыве δ и сужение площади поперечного сечения ψ|)) с повышениемтемпературы до 300º снижаются, а при дальнейшем ее повышении увеличиваются (рис. 2.16).
Механические свойства материалов зависят от продолжительности испытания.При некоторых температурах (например, для малоуглеродистой стали при температуре выше 800º С) испытуемый образец может быть разрушен при напряжении меньшем, чем предел пропорциональности, соответствующий комнатной температуре,если это напряжение будет действовать достаточно продолжительное время.
Поэтому прочность металлов при высоких температурах характеризуют не величиной обычного предела прочности, определяемого путем кратковременных испытаний, а величиной так называемого предела длительной прочности (σBt). Предел длительной прочности — это то напряжение, воздействие которого в течение определенного промежутка времени при постоянной температуре приводит к разрушению образца.
Детали, предназначенные для работы при высоких температурах, изготовляют из специальных теплоустойчивых (жаропрочных) и жаростойких сталей, содержащих примеси специальных легирующих элемонтов.
Под теплоустойчивостью (жаропрочностью) стали понимают ее способность сохранять высокую прочность при повышенных температурах, в частности высокую сопротивляемость ползучести. Для повышения теплоустойчивости сталь легируют вольфрамом, молибденом, ванадием.
Под жаростойкостью понимают способность стали сопротивляться химическому разрушению поверхности под воздействием горячего воздуха или газа (газовая коррозия). Для повышения жаростойкости сталь легируют хромом, кремнием и алюминием.
3. Некоторые особенности испытаний на сжатие
Для испытаний на сжатие берут образцы в форме кубиков или невысоких цилиндров высотой h≤3d, так как при более длинных образцах может произойти их изгиб.
Применение очень коротких образцов также нежелательно, так как развивающиеся по торцам образца силы трения препятствуют его расширению, в результате чего образец принимает бочкообразную форму (рис. 2.17, а, б).
Результаты испытания на сжатие зависят от величины сил трения и поэтому цилиндрические образцы целесообразнее кубических.
Влияние сил трения можно частично ослабить смазкой (например, парафином) торцов образца.
На рис. 2.17, б показан характер разрушения кубика камня при отсутствии смазки, а на рис. 2.17, в — при наличии смазки.
В последнее время для испытания на сжатие начинают применять полые образцы с конической торцевой поверхностью (рис. 2.17, г).
Выбором соответствующей величины угла конусности можно в значительной степени уменьшить влияние сил трения. Этот весьма важный вопрос о влиянии сил трения на прочность образца требует дальнейших экспериментальных и теоретических исследований.
Диаграмма сжатия хрупкого материала аналогична диаграмме его растяжения (см. рис. 2.11). Разрушение происходит при незначительных деформациях. Испытание дает возможность установить предел прочности σв. с и относительную остаточную деформацию при разрушении δ.
Для хрупких материалов предел прочности при сжатии σв. с значительно больше предела прочности при растяжении σв. р. Типичная диаграмма сжатия пластичного материала (малоуглеродистая сталь) показана на рис. 2.18, а. Вначале диаграмма имеет вид, аналогичный диаграмме растяжения. Дальше кривая идет круто вверх из-за увеличения площади сечения образца и упрочнения материала. Разрушения при этом не получается. Образец просто сплющивается (рис. 2.18, б), и опыт приходится прекращать. В результате испытания определяют предел текучести при сжатии. Для пластичных материалов пределы текучести при растяжении и при сжатии практически одинаковы, но площадка текучести при сжатии выявлена значительно меньше, чем при растяжении.
4. Механические свойства пластмасс
В последние годы в конструкциях получают все большее применение новые материалы на основе природных и синтетических полимеров, так называемые пластмассы или пластики.
Пластмассы Представляют собой или чистые смолы, или композицию из смолы и ряда компонентов — наполнителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и др.
В зависимости от применяемого наполнителя пластмассы разделяют на композиционные и слоистые. Композиционные в свою очередь разделяют на порошкообразные, волокнистые и с наполнителем в виде крошки.
Наполнители применяют органические инеорганические; они служат для модификации свойств материала, улучшения физико-механических, фрикционных и других свойств материала, а также для снижения его стоимости.
Органическими наполнителями являются древесная мука, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань. В качестве неорганических наполнителей используют асбест, графит, стеклоткань, слюду, кварц и другие материалы.
Наполнители в виде полотнищ (тканых или нетканых) позволяют получать слоистые пластики высокой прочности.
При использовании в качестве наполнителя хлопчатобумажной ткани получают текстолит, стеклоткани — стеклотекстолит, бумаги — гетинакс, асбестовой ткани — асботекстолит, древесного шпона — древеснослоистые пластики (ДСП), песка и щебня — пластобетон.
Особую группу наполнителей составляют армирующие материалы на основе стекловолокна, стекложгута, стекломата, которые могут обеспечить изготовление деталей, по прочности не уступающих стали (табл. 1).
Стеклопластики, полученные на основе полиамидов, поликарбонатов, используют для изготовления брони, не пробиваемой пулями.
Таблица 1
| Стеклонаполнитель | Предел прочности σв, кГ/см2в ' | Модуль упругости Е, кГ/см2 |
| Стекломат………………………Стекломат с ромбической структурой .......................................................................... Стеклоткань……………………Параллельные стекловолокна | 1400-21005000-60001800-35007800-10500 | (8-12)·104(18-23)·104(14-21)·104(23-40)·104 |
Из стеклопластиков изготовляют направляющие лопатки компрессоров, авиационных и ракетных двигателей, что дает возможность снизить вес этих аппаратов.