Краткое описание важности измерения релаксации напряжения
Для полимерных материалов и материалов на основе ДПК измерение релаксации напряжения позволяет определить реальную механическую работоспособность по следующим причинам. Если материал работает в условиях постоянной деформации, то напряжение в материале не остается постоянным, а снижется (релаксирует) со временем. Такая релаксация проходит достаточно глубоко: напряжение с течением времени может снизиться больше, чем наполовину. Иногда напряжение снижается вообще до нуля, и это означает, что материал становиться вообще ненагруженным. Изменение напряжения со временем при постоянной деформации (релаксация напряжения) схематически изображено на рисунке:
В качестве примера можно привести работу обжимных фитингов, соединяющих трубы. Если не учитывать процессы релаксации напряжения в обжатой фитингом трубе, то со временем это может привести к потере герметичности соединения вплоть до срыва соединительной детали с трубы. Такие же закономерности характерны для полимерных прокладок, напорных труб, напольных покрытий из террасных досок на основе ДПК и других конструкций, работающих в условиях постоянной деформации. Исходя из этого, можно сделать вывод, что для прогнозирования срока службы полимерных изделий и изделий из ДПК просто необходимо знать релаксационные зависимости напряжения от времени и температуры.
Процессы релаксации напряжения проходят и при переменных деформациях. Что касается температуры, то ее повышение способствует усилению релаксационных процессов. Если провести эксперименты по релаксации напряжения при разных температурах, то можно определить длительность истинной механической работоспособности материала.
В данной статье рассмотрены релаксационные свойства террасных досок, производимых компанией Savewood на основе комбинированного древесного и минерального наполнителя.
Для анализа нелинейного механического поведения материалов при разных деформациях построены зависимости релаксирующего напряжения от времени при разных постоянных деформациях (рис. 1), а также зависимости релаксирующего модуля от времени при разных деформациях (рис. 2). Образец № 1 – это стандартный образец, полученный компанией Savewood, содержащий в качестве матричного полимера поливинилхлорид (ПВХ). Образец № 3 – это материал, содержащий комбинированный наполнитель, состоящий из смеси мела и древесной муки в соотношении 40/60. Из рисунков 1 и 2 отчетливо видно, что с ростом деформации модуль упругости существенно снижается на всем протяжении релаксационной кривой. Это свидетельствует о том, что нелинейное поведение начинается уже при деформации 3%, и при деформациях 4 и 5% эта нелинейность усиливается. Напомним, что нелинейность механического поведения заключается в том, что параметры релаксационного процесса не являются постоянными при разных деформациях, а зависят от самого механического напряжения.
Теперь проанализируем влияние температуры. Из рисунка 3 видно, что кривые релаксации напряжения образца № 3 при постоянной деформации 3% практически не изменяются с ростом температуры от 20 до 35°С. Затем, при увеличении температуры до 50 и 70°С кривые релаксации напряжения смещаются в сторону меньших напряжений. То же самое наблюдается и при анализе релаксационного модуля (рис. 4).
Для более наглядного представления на рис. 5 показаны зависимости напряжения σ0.5, которое развивается за 0,5 мин, от величины деформации e0, а на рис.6 показаны зависимости релаксационных модулей от величины деформации при разных температурах. Релаксационный модуль E180 за 180 мин процесса релаксации сначала быстро уменьшается при переходе от деформации 2% к деформации 4%, а затем слабо уменьшается.
На рис. 5 и 6 показана зависимость релаксирующего напряжения σ0.5 и модуля E0.5 от температуры. Хорошо видно, что эти характеристики практически не изменяются при изменении температуры от 20 до 35°С, затем с повышением температуры до 50°С они резко падают, а затем уменьшается слабо.
По результатам измерения релаксации напряжения при разных температурах с помощью специальной ЭВМ-программы построена обобщенная релаксационная кривая для исследованного образца № 3 (рис. 7). На этом же рисунке показана обобщенная кривая для стандартного образца № 1.
Данные рисунка 7 показывают, что в интервале времен от logt = -0.5 до logt = 5 обобщенная кривая для образца № 3 располагается выше, чем для стандартного образца № 1. При более высоких временах обобщенные кривые практически совпадают. Следовательно, частичная замена древесного наполнителя на минеральный приводит не только к снижению водопоглощения, но и к увеличению релаксирующих напряжений, что в свою очередь свидетельствует об увеличении длительности механической работоспособности материала.
