Содержание
Введение
1. Механические свойстваконструкционных пластмасс 1.1 Зависимостьдеформационных свойств пластмасс от температуры 1.2Зависимость прочности полимеров от скорости нагружения 1.3Усталостные свойства пластмасс
2. Проектированиеэкономически эффективных изделий из пластмасс
Заключение
Литература
Введение
Тема реферата«Механические свойства конструкционных пластмасс».
Изделия из пластмасс и резины в настоящее время настолькораспространены, что по своему объему и ассортименту превосходят все другиеизделия, применяемые человечеством в своей повседневной жизни. Специальность«Технология переработки полимеров» — одна из новых специальностей. Она готовитспециалистов в области изготовления полимерных изделий. Полимеры – уникальныевещества с целым рядом особенностей строения и свойств, которые обязательнонадо учитывать при создании технологий и оборудования переработки полимерныхматериалов в изделия. Полимерные изделия в зависимости от назначения могутиметь самую разнообразную форму и размеры, поэтому перед изготовлением изделиенадо спроектировать.
Полимерные изделия – этоизделия из пластмасс или резины. При сходной высокомолекулярной природесвойства этих материалов настолько различаются, что принципы проектирования ирасчета изделий не могут быть одинаковыми. Пластмассы должны иметь достаточнуюжесткость, а резины – эластичность.
1. Механическиесвойства конструкционных пластмасс
Для изделий из пластмассважно не только обеспечить их способность сопротивляться разрушению, т.е.прочность, но и способность сохранять форму и размеры под действиеммеханической нагрузки, т.е. иметь необходимые деформационные свойства.Прочностные и деформационные свойства составляют механические свойства, или,как чаще их называют, — физико-механические свойства. Физико-механическиесвойства пластмасс, как и других полимерных материалов, зависят от многихфакторов: от их химического строения, степени полимеризации или молекулярноймассы, структуры макромолекул и их взаимного расположения, а также отнадмолекулярной структуры твердого полимера. Особенности строения пластмассобусловливают реологические явления, такие как релаксацию, механическийгистерезис, последействие и течение. Все это приводит к тому, чтодеформационные свойства пластмасс отличаются от свойств традиционныхконструкционных материалов. Деформационные свойства пластмасс выражают наобобщенных индикаторных диаграммах, связывающих деформации и напряжения вовремени.
I квадрант индикаторной диаграммыпостроен в координатах напряжение σ и относительная деформация ε (рис.1). При растяжении на участке ОА наблюдается практически линейная зависимостьσ – ε, т.е. выполняется закон Гука. Деформация на этом участкеявляется упругой, восстанавливаемой. Постепенный переход на криволинейныйучасток АВ соответствует характерной для полимерных материаловвысокоэластической деформации. Если в точке В прекратить нагружение материала ипроводить наблюдение во времени при ε = const, то протекаемый процесс релаксации напряжений вовремени от σ0до σ∞ может быть показан в IV квадранте. Скорость релаксацииопределяется скоростью перехода макромолекул и их сегментов из неравновесногосостояния в равновесное в результате их теплового движения. В связи с этимскорость релаксации зависит от температуры, размеров кинетических единиц иэнергии их взаимодействия, т.е. от температуры и природы полимера.
На участкеВ´В´´ происходит изменение деформации во времени, котороеможно представить кривой А´Е во втором квадранте. Скорость деформациипостепенно уменьшается на участке А´Д до постоянного значения,характеризующего условия вязкого течения материала. Участок ДЕ соответствуетвязкому течению материала при σ = const. За точкой Е начинается участок упругого упрочненияЕЕ´, после чего происходит разрушение.
/>σ
/>/>σ = const x
В В´ В´´
/>/>/>/>/>/>/>ε = const σ0А
/>/>C
σ∞
/>/>/>τ О ε0´А0А0´ε´ E´´ E1´ ε
A´
Д
σ = const
Е
Е´Рисунок 1 — Индикаторнаядиаграмма
Общая деформацияскладывается из упругой ОА0, высокоэластической А0А0´,течения А0Е´´ и упрочнения перед разрушениемЕ´´Е1´.
Если в точке В´освободить материал от нагрузки, то процесс разгружения будет происходитьпо-другому. Разгрузка характеризуется запаздыванием деформации по отношению кнапряжению. Сначала происходит упругое восстановление (участокА´А´´ во втором квадранте), а затем деформация восстановленияпервоначального размера протекает с запаздыванием (упругое последействие).Петля на индикаторной диаграмме показывает работу, затраченную на потери внутриматериала вследствие механического гистерезиса.
Установление критическихточек и построение таких диаграмм для различных пластиков позволяет правильновыбрать режим допустимого деформирования при проектировании изделий ихпластмасс.
1.1 Зависимость деформационных свойствпластмасс от температуры
При температурах ниже Тхрразрушающие деформации являются упругими и не превышают одного процента. Винтервале температур от Тхр до Тс деформации складываютсяиз упругих, высокоэластических и вязкотекучих и достигают до разрушениянескольких десятков процентов. В этом интервале прочность пластмассхарактеризуется пределом текучести – напряжением вынужденной эластичности длястеклообразных полимеров или напряжением рекристаллизации для кристаллическихполимеров. Предел текучести определяется по образованию шейки при растяженииобразцов.
В интервале Тс– Тт в полимере развиваются высокоэластические деформации, равныенескольким сотням процентов. Выше Тт происходит течение расплава.Различные полимеры характеризуются разными температурами хрупкости истеклования.
ПолимерТхр, 0СТс0С
Полистирол90100
Полиметилметакрилат10110
Поливинилхлорид-9081
Полипропиленот -10 до-20-30
ПВС -86
Прочность полимеров повышаетсяс понижением температуры. Наибольшая термостойкость, т.е. способность сохранятьпрочность при повышенных температурах, характерна для стеклопластиков иполимерных материалов с минеральными наполнителями.1.2 Зависимость прочности полимеров от скорости нагружения
Прочность полимерныхматериалов с ростом скорости нагружения растет. Журков вывел уравнение:
σв = ln(A-α)/α + ½ ln v,
где σв –разрушающее напряжение (прочность);
А и α – постоянныеэмпирические коэффициенты;
v – скорость нагружения.
Это уравнение справедливотолько для пластмасс. В отличие от них у эластомеров при больших скоростяхдеформации предел прочности снижается.
1.3 Усталостные свойства пластмасс
При действиипериодической нагрузки малой величины, не приводящей к разрушению материала,основным фактором является величина внутреннего трения, обусловливающегорассеяние энергии (механический гистерезис). Сдвиг по фазе между напряжением идеформацией учитывается динамическим модулем. Он зависит как от структурыпластмассы, так и от скорости нагружения. Так, для полистирола при скоростинагружения 0,002 м/c динамическиймодуль равен 4 МПа, а при 0,06 м/с – 3,4 МПа. При этих же скоростях нагружениядинамический модуль для ПММА равняется соответственно: 4,8 и 3 МПа, для ПЭНП –0,3 и 0,29 МПа.
На усталостные свойствапластмасс влияют температура, влажность, агрессивность среды, вид периодическиповторяющегося переменного напряженного состояния, частота колебаний, форма иразмеры изделия.
Предельное значениеусталостных напряжений, ниже которого разрушение не происходит, называетсяпределом выносливости (σ-1). Он существует только для чистыхполимеров. Наполненные полимерные материалы не имеют истинного пределавыносливости (или он очень низок). Поэтому для них за предел выносливостипринимают разрушающее напряжение, соответствующее 107 – 108циклов.
Стойкость к усталостихарактеризуется коэффициентом усталости:
К = σ-1·100/ σв, %,
где σв –предел прочности при статической нагрузке.
Коэффициент усталостиравен 0,717 для ПВХ, 0,715 для полистирола, 0,142 для полиэтилена низкойплотности.
При переменных и ударныхнагрузках долговечность изделий зависит от демпфирующей способности применяемыхматериалов. Пластмассы имеют более высокую демпфирующую способность, чемметаллы.
Коэффициент относительнойдемпфирующей способности может быть рассчитан по формуле:
ηд =2·Θ·Е·100 / Р2,
где Θ – работадемпфирования;
Е – модуль упругости;
Р – нагрузка.
Коэффициент демпфирующейспособности равен: для эбонита – 4; для стали – 0,2; для текстолита – 11; дляфибры – 21,5. Наполнители повышают демпфирующую способность.
По Журкову пределпрочности определяется не только механическим напряжением, но и тепловымдвижением. Приложенная нагрузка снижает внутреннюю энергию химических связей испособствует разрушению материала под действием теплового движения.
Время сопротивленияматериала нагружению (или долговечность):
τ = τ0·е(U–γ·σ)/k·T,
где τ0–постоянный коэффициент, равный 10-12 – 10-13;
U – энергия химических связей;
σ – напряжение;
k – постоянная Больцмана;
Т – абсолютнаятемпература.
При постояннойтемпературе:
τ = А·е–ά·σ,
где А и ά –постоянные коэффициенты.
Изделия из пластическихмасс имеют самое разнообразное назначение и эксплуатируются в самых различныхусловиях: при быстрых и медленных нагружениях, при низких и повышенныхтемпературах и т.п. При этом они должны сохранять свое функциональноеназначение в течение довольно длительного срока службы, быть долговечными инадежными. Знание механических свойств пластмасс и их зависимости от различныхэксплуатационных факторов является залогом правильного проектирования изделийиз этих уникальных материалов.
2. Проектированиеэкономически эффективных изделий из пластмасс
Цельразработки новых или улучшения существующих полимерных изделий состоит в том,чтобы достичь технического совершенства конструкции при условии минимизациииздержек производства. Главными задачами, решаемыми на этапе проектирования,являются выбор полимерного материала, выбор технологии изготовления, расчетпрочности и проектирование формы.
Высококачественноеи рентабельное полимерное изделие может быть изготовлено только при условииполного анализа всех перечисленных этапов проектирования и последовательного ихвыполнения. Функциональные возможности и рентабельность изделий из полимеровчасто вступают в противоречие, поэтому при проектировании необходимо учитыватькак технические, так и экономические параметры.
Необходимопомнить, что свойства полимерных материалов не являются неизменными. Они могутизменяться под влиянием окружающей среды, технологии переработки, конструкцииизделия и условий эксплуатации. Свойства определяют испытаниями в лабораторныхусловиях. Образцы для испытаний изготавливают в полированных формах приоптимальных технологических параметрах и испытывают стандартными методами.Однако реальные условия эксплуатации отличаются от приведенных в методиках, таккак нельзя предусмотреть все варианты условий эксплуатации. Поэтому, начинаяпроектирование нового полимерного изделия, необходимо проанализировать исоставить перечень технических требований и граничных условий. Его структураимеет вид:
1. Общаяинформация
1.1. Назначениеизделия
1.2. Возможностидля модификации и интеграции (увеличение функциональных возможностей)
2. Условияэксплуатации
2.1. Напряжения:тип, продолжительность действия, уровень
— статические, динамические
— кратковременные, долговременные, периодические
— максимальные и минимальные значения
2.2. Температураэксплуатации
— максимальные и минимальные значения
— продолжительность действия
2.3. Окружающаясреда при эксплуатации
— воздух – вода – влажность
— химические реагенты
— УФ-облучение
3. Конструктивныетребования
3.1. Допуски
3.2. Максимальнодопустимая деформация
3.3. Сборка– разборка (методы соединения)
3.4. Техническиетребования и согласования
— официальные нормативные документы
— внутренние документы производителя
3.5. Качествоповерхности
— допустимая шероховатость
4. Условия испытаний
Всеметоды испытаний, которые могут использоваться для определения эксплуатационныхпоказателей и оценки качества изделий из полимерных материалов, должны бытьвнесены в список технических требований.
5. Себестоимость/ рентабельность
5.1. Себестоимостьизделия или детали прежней конструкции
5.2. Объемпроизводства
6. Прочее
6.1. Законодательство по охране окружающей среды
6.2. Факторы безопасности охраны труда
6.3. Вся дополнительная информация, необходимая для полногопонимания назначения изделия и условий эксплуатации, механических нагрузок,внешних воздействий и возможных нарушений правил пользования, которые изделиедолжно выдерживать
Приразработке изделия от стадии проектирования до промышленного выпуска, какправило, необходимо изготавливать опытные образцы для испытаний и оптимизацииизделия. При этом важно обеспечить соответствие метода изготовления прототипа итехнологии серийного производства. Опытные образцы, которые будутизготавливаться методом литья под давлением, необходимо изготавливать этим жеметодом.
Еслиотсутствует соответствующая форма, иногда для получения прототипов приходитсяприбегать к механической обработке заготовок. Этот метод, однако, не всегдаадекватно отражает характеристики реального изделия по следующим причинам:
— невозможнопрогнозировать влияние линии холодного спая на прочность изделия;
— пазы,выполненные методом механической обработки, могут значительно сильнее понизитьпрочность, чем пазы, полученные формованием из расплава;
— прочностьи жесткость листов, изготовленных экструзионным формованием, могут быть выше,чем при литье под давлением из-за более высокой степени ориентации иликристаллизации полимера;
— невозможноисследовать влияние ориентации волокнистого наполнителя.
Например,изготовленные путем механической обработки из экструдированного материалаопытный образец пружины выключателя освещения выдерживает 180 тыс. рабочихциклов, тогда как такая же деталь, изготовленная литьем под давлением,разрушилась вследствие усталости материала через 80 тыс. циклов. Причинойразрушения является различная кристаллическая структура полимерного материала визделии, изготовленном различными методами.
Еслииспытания в реальных эксплуатационных условиях невозможны, то следуетсмоделировать такие условия. Однако ценность таких испытаний полностью зависитот совпадения реальных и модельных режимов.
Длительныеиспытания для оценки долговременного поведения полимерных изделий под нагрузкойили при нагревании часто невозможны или экономически неоправданны. С другойстороны, прогноз длительного поведения материал на основе ускоренных испытанийпри более жестких условиях не всегда точен и должен рассматриваться только какориентировочный. Поведение полимерного материала под нагрузкой при длительныхиспытаниях может полностью отличаться от поведения при ускоренном испытании.
Наоснове вышеизложенного можно дать краткие рекомендации, которые, безусловно,необходимо использовать при проектировании изделий из пластмасс:
1. Избегатьутолщенных элементов
2. Стремитьсяк одинаковой толщине стенок
3. Проектироватькак можно более тонкие стенки с учетом требуемой прочности
4. Применятьребра жесткости вместо увеличения толщины стенок
5. Предусмотретьзакругления углов и кромок
6. Избегатьплоских областей
7. Предусмотретьтехнологические уклоны
8. Избегатьпазов
9. Непроектировать изделие с большей точностью, чем требуется
10. Проектироватьмногофункциональные изделия
11. Использоватьэкономичные методы сборки
12. Располагатьлитник на самой толстой стенке
13. Призамене металла на полимерный материал необходимо обязательно пересмотретьконструкцию изделия.
Заключение
Впроцессе написания реферата были раскрыты следующие вопросы, касающиесямеханических свойств конструкционных пластмасс, а именно:— зависимостьдеформационных свойств пластмасс от температуры;— зависимость прочности полимеров от скорости нагружения;— усталостные свойства пластмасс, так же рекомендации касающиесяпроектирования экономически эффективных изделий из пластмасс.
Литература
1. Альшиц И.Я. и др.Проектирование изделий их пластмасс. – М.: Машиностроение, 1979. – 248 с.
2. Зенкин А.С. и др.Допуски и посадки в машиностроении. К.: Техніка, 1990. –320 с.
3. Штейнберг Б.И. идр. Справочник молодого инженера-конструктора. – К.: Техніка, 1979. – 150 с.
4. Лепетов В.А.,Юрцев Л.И. Расчет и конструирование резиновых изделий. М.: Химия, 1987. – 408с.