Ползучесть полимеров
Технические характеристики
Полимер представляет собой вязкоупругую систему. При постоянном напряжении его деформация складывается из мгновенной упругой, запаздывающей упругой и вязкой составляющих:
$\varepsilon(t) = \varepsilon_0 + \varepsilon_d(t) + \varepsilon_v(t)$
Для оценки ползучести применяют относительную деформацию $\varepsilon(t)$ податливость при ползучести J(t) и скорость деформации. Податливость определяют как отношение деформации к постоянному напряжению:
$J(t)=\frac{\varepsilon(t)}{\sigma_0}$
Испытания проводят при заданной температуре, влажности, напряжении и продолжительности выдержки. Методика должна фиксировать не только начальную нагрузку, но и изменение размеров во времени. Общие подходы к механическим испытаниям пластмасс устанавливает ГОСТ 14359-69, испытания на растяжение регламентирует ГОСТ 11262-2017, а модуль упругости определяют по ГОСТ 9550-81. Для сопоставления данных используют также ISO 899-1 и ISO 899-2.
Химический состав: термопласты на основе полиамида, полиоксиметилена, политетрафторэтилена, полиэфирэфиркетона и других полимеров имеют различную скорость релаксации и ползучести. Стекловолокно, углеродное волокно, минеральные наполнители и твердосмазочные добавки обычно снижают деформацию, но могут повысить анизотропию и хрупкость.
Предел текучести: для полимеров это условная характеристика, зависящая от скорости нагружения, температуры и времени выдержки. Напряжение, допустимое при испытании в течение минуты, может вызвать заметную деформацию за несколько тысяч часов.
Модуль упругости: у конструкционных термопластов обычно находится в диапазоне от одной до нескольких десятков тысяч мегапаскалей. При приближении к температуре стеклования модуль резко снижается, поэтому одинаковая нагрузка вызывает значительно большую деформацию.
Гигроскопичность: полиамиды способны поглощать влагу до нескольких процентов от массы. Вода действует как пластификатор, снижает модуль и повышает ползучесть. Полиацетали и PEEK поглощают существенно меньше влаги, но нулевая влагопроницаемость для них также не гарантируется.
Температура: скорость ползучести резко возрастает при повышении температуры. Для аморфных полимеров критической зоной считается область около температуры стеклования, для частично кристаллических материалов — переход через температуру стеклования аморфной фазы и дальнейший нагрев вплоть до начала плавления.
Нагрузка: при постоянном напряжении деформация обычно развивается в три стадии — первичная с уменьшающейся скоростью, установившаяся и ускоренная перед разрушением. Нелинейная зависимость особенно заметна при нагрузках, превышающих 20–40% кратковременной прочности.
Время выдержки: кратковременное испытание не заменяет ресурсную проверку. Для ответственных деталей рассчитывают эквивалентную деформацию на заданный срок службы, например 10 000, 30 000 или 100 000 часов.
Механообработка: после точения и фрезерования полимерной заготовке требуется выдержка для снятия остаточных напряжений. При обработке массивных деталей из полиамида особенно учитывают влагопоглощение, тепловое расширение и изменение размеров после выхода из станка.
На ползучесть влияет не только марка материала, но и технология изготовления. Литьё под давлением формирует ориентацию макромолекул и наполнителя, а также остаточные напряжения. Деталь, вырезанная из прессованной плиты, и деталь, полученная литьём, могут иметь одинаковый паспортный модуль, но разную долговременную стабильность.
Для инженерного расчёта используют изохронные кривые «напряжение — деформация», мастер-кривые времени и температуры, а также эмпирические зависимости типа Нортона — Бейли. Перенос кратковременных испытаний на длительный срок допустим только при подтверждённой температурно-временной аналогии. Ускоренное испытание при чрезмерной температуре способно изменить механизм деформации и дать непригодный прогноз.
Промышленное применение
Ползучесть приходится учитывать в полимерных втулках, подшипниках скольжения, опорных шайбах и направляющих. При постоянном радиальном давлении втулка постепенно увеличивает внутренний диаметр, теряет натяг или начинает работать с перекосом. В узлах, где требуется заменить бронзу на полиамид, POM или наполненный PTFE, рассчитывают не только коэффициент трения и износ, но и изменение зазора за весь срок службы.
В крепёжных соединениях из пластика длительная затяжка может привести к релаксации напряжений. Шайба теряет сжатие, герметизирующая прокладка проседает, а резьбовая деталь ослабляется. Простое увеличение момента затяжки проблему не решает — оно лишь ускоряет локальную деформацию материала и срез витков.
В пищевом машиностроении применяют POM, PE-UHMW и специальные полиамиды для звёздочек, роликов, скребков и форматных деталей. Здесь ползучесть суммируется с воздействием моющих растворов, горячей воды и циклов нагрева. Геометрию детали выбирают с запасом, а не по минимальной массе: тонкая пластиковая перемычка экономит материал, но быстро превращается в источник перекоса.
В химическом оборудовании полимерные элементы работают под действием растворителей, кислот, щелочей и масел. Среда может набухать материал, вымывать пластификаторы или снижать межмолекулярное взаимодействие. Поэтому данные о ползучести в сухом воздухе нельзя автоматически переносить на контакт с рабочей жидкостью.
В электротехнике ползучесть ограничивает применение термопластов в клеммах, держателях и корпусах, где требуется постоянное контактное давление. Для таких задач выбирают материалы с повышенной теплостойкостью, армированием или конструкцией, в которой нагрузку воспринимают металлические закладные элементы.
Плюсы и минусы
Преимущества учёта ползучести:
позволяет рассчитать реальный ресурс детали, а не только её кратковременную прочность;
помогает выбрать материал с армированием, наполнителем или более высокой теплостойкостью;
даёт возможность уменьшить массу детали за счёт корректного распределения напряжений;
позволяет заранее определить изменение зазора, натяга и контактного давления;
снижает риск внезапной потери работоспособности узла без видимого разрушения.
Ограничения и риски:
паспортный предел прочности не характеризует поведение детали при многолетней нагрузке;
повышение температуры на 10–20 °C может многократно увеличить скорость деформации;
влажность особенно сильно влияет на полиамиды и другие полярные полимеры;
стекловолоконное армирование уменьшает ползучесть вдоль волокон, но создаёт анизотропию и повышает риск разрушения поперёк них;
остаточные напряжения после литья и механообработки ускоряют изменение размеров;
постоянное сжатие вызывает релаксацию, поэтому деталь может сохранять форму, но перестать создавать требуемое усилие;
тонкие стенки, острые переходы и локальные концентраторы напряжений сокращают расчётный ресурс.
Совет технолога «ООО АВТЭКС»
При подборе пластика сначала задают не марку, а режим: напряжение, температуру, влажность, длительность нагрузки и допустимое изменение размера. Если эти параметры неизвестны, выбор по таблице коэффициента трения превращается в гадание с техническим уклоном.
Для втулок и направляющих рассчитывают изменение диаметра с учётом ползучести, теплового расширения и влагопоглощения. Коэффициент линейного расширения большинства термопластов на порядок выше, чем у стали. Поэтому посадка, рассчитанная «по металлическим правилам», после нагрева может заклинить, а после охлаждения — получить чрезмерный зазор.
При постоянном сжатии рекомендуется снижать удельное давление, увеличивать площадь опоры и исключать острые переходы. В крепёжных соединениях применяют металлические втулки, ограничители затяжки или пружинные элементы, которые компенсируют релаксацию полимера. Для деталей с длительной нагрузкой предпочтительнее PEEK, наполненные полиамиды, POM с армированием и другие стабилизированные композиции, но окончательный выбор подтверждают испытанием в фактической среде.
Заготовки из влагочувствительных материалов перед точной обработкой кондиционируют до стабильного состояния. После чернового прохода оставляют припуск и выдерживают деталь, затем выполняют чистовую обработку. Иначе размер, снятый на станке, будет точным только до первого нормального рабочего цикла.