Изменение механических свойств полиэтилена в естественных условиях средних широт качественно различается в зависимости от толщины образцов. При толщине 5 мм образцы в течение трех лет сохраняют первоначальное значение разрушающего напряжения при растяжении, а при 3 мм — только в течение 10 мес. Установлено, что в приповерхностных слоях концентрация карбонильных групп, особо чувствительных к окислительным процессам, наибольшая. По мере удаления от поверхности к центру образца она убывает.
Циклические механические воздействия (изгиб, растяжение) приводят постепенно к изменению механических свойств таких полимерных материалов, как полиэтилен, фторопласт-4, капролон и др.
С увеличением числа циклов деформация материалов возрастает для каждого из материалов по-разному. У фторопласта и капролона изменения с наибольшей быстротой происходят в начале испытаний. Затем деформация увеличивается примерно одинаково. Через некоторое число циклов деформация уменьшается и становится постоянной.
В образцах из ПЭВД также сначала происходит резкое увеличение деформации, но последующее увеличение не имеет такого равномерного характера, как у фторопласта и капролона, и затем полностью стабилизируется. Таким образом, в результате усталости происходит постепенное изменение структуры материалов, вследствие чего уменьшается прочность.
При отсутствии воздействия на материалы в течение 20... 24 ч их стойкость к циклическим воздействиям частично восстанавливается, деформация полимеров значительно уменьшается.
Механические свойства полиэтилена при растяжении обусловливаются релаксационными процессами и поэтому зависят от скорости нарастания усилий.
Зависимость разрушающего напряжения при растяжении и относительно удлинения при разрыве от температуры приведена в табл. 4.7.
Из табл. 4.7 видно, что разрушающее напряжение с ростом температуры от 40 до 80° С сокращается в 2 раза.
Рис. 4.9. Зависимости длительного временного сопротивления полиэтилена марки 153-09К от нагрузки при температуре 20° С (кривая 1), 40° С (кривая 2) и 60° С (кривая 3)
Рис. 4.10. Зависимость нагрева от уровня напряжения при пульсирующем напряжении (N= = 1 цикл/мин), равном 0,32 Па (кривая 1), 0,3 Па (кривая 2) 0,27 Па (кривая 3) и 0,25 Па (кривая 4)
Для кабельного светостабилизированного полиэтилена марки 153-09К были определены сроки службы в зависимости от нагрузки (рис. 4.9). Эксперименты показали, что для срока службы 3650 ч при температуре 40° С удельная нагрузка не должна превышать 0,30 МПа.
Таблица 4.7
| Разрушающее напряжение, МПа | Относительное удлинение, % | ||||
Температура, °С | ПЭВД | ПЭНД | ПЭНД (Т=350 000) | ПЭВД | ПЭНД (Т=30 000) | ПЭНД (Т—350 000) |
-60 | 35 |
| 50 | 100 |
|
|
-40 | 30 | — | 45 | 220 | — | 100 |
0 | 18 | 30 | 35 | 550 | — | 300 |
+40 | 9,5 | 19 | 29 | 520 | 300 | 1000 |
+80 | 5,0 | 10 | 20 | 350 | 1000 | 1800 |
+ 100 | 4,0 | 7,0 | 15 | 200 | 1400 | 2200 |
Примечание, т — молекулярная масса.
Такие же нагрузки рекомендуются и для других марок полиэтилена.
Длительная прочность полиэтилена в зависимости от нагрузки и температуры в логарифмическом масштабе приведена на рис. 4.10. Видно, что .срок службы сокращается с ростом температуры и нагрузки.
Прочность полиэтилена при знакопеременной нагрузке находится в прямой зависимости от количества циклов по симметричному циклу и уменьшается о ростом их количества.
Прочность при знакопеременном изгибе по симметричному циклу при t = 20° О приведена ниже:
Механические свойства фторопласта-4 также существенно зависят от температуры (табл. 4.8).
Таблица 4.8
Температура, °С | -60 | -40 | -20 | 0 | +20 | +40 | + 60 | +80 | +100 |
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа | — | 35 | 32,5 | 30 | 20 | 18 | — | 13,5 | 11,5 |
Относительное удлинение при разрыве, % | — | 70 | 100 | 150 | 470 | -- | — | 600 | 240 |
Модуль упругости при сжатии, МПа | 1800 | 1700 | 1500 | 1100 | 700 | 450 | 330 | 240 | 170 |
Из табл. 4.8 следует, что при воздействии положительных температур механические свойства фторопласта-4 значительно ухудшаются и при 100° С разрушающее напряжение при растяжении уменьшается практически в 2 раза по сравнению с нормальной температурой.
Одним из важных прочностных показателей является предел текучести при растяжении, т. е. напряжение, при котором возникают остаточные деформации. Он зависит от степени кристалличности, скорости растяжения и температуры (табл. 4.9).
Таблица 4.9
Деформация, % | Нагрузка, МПа, вызывающая деформацию при температуре. | °С, равной | ||||
-60 | 0 | 1-25 | +50 | +100 | + 150 | |
1 | 20,3 | 15,7 | 6,2 | 4,9 | 3,1 | 1,7 |
2 | 30,4 | 21,0 | 9,2 | 6,6 | 3,9 | 2,7 |
3 | 35,0 | 23,6 | 10,5 | 7,7 | 4,8 | 3,3 |
4 | 37,4 | 25,1 | 12,0 | 8,5 | 5,9 | 3,9 |
5 | 39,0 | 26,1 | 12,7 | 9,2 | 6,2 | 4,4 |
При использовании фторопласта-4 следует учитывать ползучесть (табл. 4.10), т. е. деформации при длительном воздействии нагрузки, которые рассчитываются по формуле
где γ — деформация за τ суток; γ4 — деформация за 1 сут; а — коэффициент, зависящий от температуры и в меньшей степени от нагрузки, если она не превышает 50% предела текучести.
Из табл. 4.10 следует, что деформация в зависимости от температуры увеличивается почти в 2 раза и при одинаковой температуре в течение 4 сут практически не меняется.
Таблица 4.10
Температура, °С | Нагрузка, МПа | Деформация, %, в течение | Коэффициент, а | |
1 сут | 4 сут | |||
40 | 2,8 | 2,72 | 2,87 | 0,038 |
100 | 2,8 | 5,58 | 5,90 | 0,040 |
140 | 2.1 | 4,67 | 4,94 | 0,042 |
