Mechanické vlastnosti polymerů – dynamické únavové namáhání

Celá řada polymerních materiálů v praxi je namáhána opakovanými deformacemi. Příkladem mohou být pneumatiky při jízdě nebo v zatáčkách, ozubená kola při opakovaných záběrech, pryžová těsnění, tlumiče, podešve na botách, podložky pod upevňovací šrouby kolejnic aj. Je-li součást z polymeru vystavena namáhání (např. tahovému, tlakovému, ohybovému apod.), jehož velikost se mění s časem, může se během jejího provozu objevit trhlinka, která se pomalu šíří až dojde k lomu součásti, resp. k dynamické únavě materiálu. Takovému lomu říkáme únavový lom. Tento lom je charakteristický tím, že mu nepředchází žádná plastická deformace, tedy nic se nedeformuje a součást praskne křehce. U polymerů s vysokou vrubovou houževnatostí se únavové trhliny šíří velmi pozvolna a někdy se jejich růst zcela zastaví.

Obr. 79: Obecná Wöhlerova křivka pro ocel a polymer


Tab. 5: Pevnost v ohybu a mez únavy při střídavém namáhání v ohybu pro vybrané polymery

Časově proměnné namáhání může být cyklické (pravidelné) nebo acyklické (nepravidelné). Při dynamickém namáhání je napětí, při kterém dochází k porušení materiálu, podstatně menší než hodnota získaná při statické zkoušce, viz tab. 5. Míru odolnosti materiálu proti dynamickému namáhání vyjadřujeme pomocí meze únavy (σ_c). U oceli vyjadřuje mez únavy nejvyšší amplitudou napětí, kterou vzorek materiálu vydrží teoreticky po nekonečný počet cyklů. Zkouška se provádí tak, že se těleso mnohonásobně opakovaně zatěžuje různým zatížením (například ohybem za rotace nebo na tzv. pulsátorech) a zjišťuje se počet zatěžovacích cyklů, které vzorek vydrží do okamžiku lomu. Tyto údaje se zaznamenávají do grafu, který se nazývá Wöhlerova křivka (viz obr. 79). U polymerních materiálů se však nevytvoří rovnováha mezi působícím napětím a vnitřními silami (se zvyšujícím se počtem cyklů má velikost napětí, které vyjadřuje odolnost únavovému lomu, neustále klesající tendenci) a proto u nich nelze stanovit hodnotu meze únavy ve stejném významu jako u oceli. U polymerů se stanoví tzv. časová mez únavy (σ_N) pro předem stanovený počet cyklů, zpravidla N=10⁷ (viz příklady v tab. 5).

U polymerních materiálů jsou únavové zkoušky prováděny při cyklickém namáhání zpravidla v tahu, tlaku, ohybu (na plochých tyčích či za rotace) anebo krutu, přičemž namáhání může mít charakter střídavý, pulsující nebo míjivý (viz obr. 80). Časový průběh namáhání má obvykle sinusový charakter. Únavové zkoušky probíhají při konstantním napětí anebo konstantní deformaci (vhodné pro elastomery jako vysoce deformovatelné materiály). Pro stanovení časové meze únavy se volí zatížení tak, aby spadalo do 5 % až 80 % meze pevnosti.

Obr. 80: Schéma časové závislosti cyklického namáhání
σ_m – střední napětí kmitu, σ_a – mezní výkmit napětí (amplituda),
σ_min, σ_max – minimální a maximální napětí

Při namáhání polymeru mu dodáváme energii. Zrušíme-li zatížení, je část dodané energie získána zpět, tuto schopnost nazýváme elasticitou. Určitá část dodané energie se však zpět nevrátí, ale promění se v teplo. Tomuto ději říkáme tlumení. Tlumení je zjišťováno zkušební metodou, která umožňuje při dynamickém namáhání (opakovaném zatěžování a odlehčování) zaznamenat deformační křivku napětí-deformace. Křivky pro zatěžování a odlehčení se kryjí pouze u ideálně pružného tělesa. U polymerů vytvoří křivky zatěžování a odlehčení po ustálení děje (po několika kmitech) hysterezní smyčku, viz obr. 81. Z hlediska energie vyjadřuje plocha pod křivkou zatěžování (S_zat) množství práce vynaložené na deformaci vzorku. Plocha pod odlehčovací křivkou (S_odl) naopak práci, která byla vrácena při odlehčování. Plocha mezi křivkami (S_hys) je práce hysterezní, která se přemění v jiný druh energie, převážně tepelnou. Přeměnu nevratné energie na jinou označujeme jako disipaci. Čím je struktura polymeru pevnější, tím jsou hysterezní ztráty nižší. Malé jsou proto například u polymerů pod teplotou skelného přechodu, reaktoplastů v důsledku sesítěné struktury nebo u termoplastů s vyztužujícími plnivy. Tlumení (D) lze vyjádřit rovnicí (23):

V důsledku ztráty mechanické energie a její přeměny na teplo dochází k zahřívání polymeru. Zvyšování teploty a hromadění energie při dynamickém namáhání polymerního dílu urychluje jeho mechanickou destrukci.

Charakteristickou veličinou cyklických dějů je dynamická tuhost, která je určena sklonem hysterezní smyčky (tangentou úhlu α, viz obr. 81).

Obr. 81: Obecná cyklická křivka napětí-deformace (hysterezní smyčka) polymerů

Mezi faktory ovlivňující životnost polymerů při dynamickém namáhání patří:

• typ polymeru,
• stárnutí polymerů,
• geometrie součásti,
• teplota a vlhkost prostředí,
• doba zatěžování,
• způsob namáhání,
• velikost amplitudy napětí / deformace, frekvence zatěžování apod.