Полимерные материалы сравнительно давно применяются для изготовления деталей машин и конструкций. Однако до 50-х годов эти материалы в основном использовались для корпусных деталей и декоративных изделий. Положение резко изменилось после разработки новых полимерных материалов, обладающих высокими прочностными и антифрикционными свойствами. Ежегодно производятся сотни миллионов подшипников из полимерных материалов, широко используются эти материалы для изготовления трубопроводов, емкостей, герметизирующих прокладок и деталей машин, несущих силовую нагрузку.

Как было показано в предыдущих главах, разработка методов расчета на прочность и жесткость полимерных материалов является весьма актуальной. Влияние температуры и времени действия нагрузки на свойства полимерных материалов постоянно изучается специалистами.

Значительно менее изучена другая важная особенность полимерных материалов — относительно низкие значения модуля объемного сжатия и модуля Юнга. Для большинства металлических материалов отношение предела прочности или текучести к модулю объемного сжатия составляет 10~3-104. Очевидно, что объемная деформация будет такого же порядка. Следовательно, при обычных рабочих напряжениях может иметь место изменение объема материала, выходящее далеко за пределы линейного деформирования.

В результате механические свойства деформируемых полимеров должны быть функцией вида напряженного состояния. Экспериментальные исследования, проведенные в последние годы, показали, что среднее напряжение или гидростатическое давление весьма существенно влияет на механические характеристики полимерных материалов. До сих пор при решении практических задач с учетом ползучести материалов в большинстве работ рассматриваются наследственные свойства лишь при деформации сдвига.

Считается, что по отношению к всестороннему растяжению (сжатию) полимерные материалы ведут себя упруго, иногда вообще тело считается несжимаемым. Во многих расчетных случаях неточности описания объемных свойств материала (под словом объемные понимаются свойства материала по отношению к деформациям всестороннего растяжения или сжатия) не оказывают существенного влияния исследуемую картину напряженно-деформированного состояния. Существуют, однако, задачи, в которых погрешности при выборе закона, описывающего объемные свойства, существенно сказываются на результатах.

Так, в задаче, рассмотренной Хуаном, и Роджерсом, показано, что поле напряжений зависит от того, в какой мере учитывается объемная ползучесть полимерного материала. Экспериментальных работ, посвященных исследованию объемной ползучести, опубликовано крайне мало, и они порой противоречивы.

Непосредственные измерения объемной ползучести на высоконаполненном сшитом полимере бутадиена и акриловой кислоты произвели Шарма и Маккарти, объемные ползучесть и релаксацию исследовал Теокарис. Изучение объемной ползучести ПЭВП провели Мацуока и Максвелл. Широкое исследование объемной ползучести ряда полимерных материалов при комнатной температуре выполнил В. Финдли с сотрудниками.

Эксперименты показали, что при приложении давления растет температура образцов, что сопровождается объемным расширением. Тепловое равновесие достигается примерно через 12 мин после приложения нагрузки, после чего и начинается изотермическая ползучесть.

При снятии нагрузки температура образца резко падает. Продолжительность установления теплового равновесия зависит от объема образцов и характеристик испытательного оборудования. Наблюдалось практически полное восстановление исходных размеров образцов после снятия нагрузки за довольно короткое время, равное времени установления теплового равновесия.

Этим объемная ползучесть принципиально отличается от линейной ползучести. Быстрое восстановление связано с тем, что объемная ползучесть, как правило, мала по сравнению с упругим сжатием, и снятие нагрузки ведет к быстрому появлению большого количества пустот, которые заполняются за короткое время сегментами молекул. Раньше других исследователей объемную ползучесть изучал Ковач.

Он показал, что кривые ползучести и восстановления для объемных деформаций в общем случае не будут зеркальным отображением друг друга, даже если не учитывать нелинейный характер соотношения между давлением и объемом при равновесии. Заметим, что в случае объемной деформации при исследовании кривых ползучести и восстановления возникают две трудности, которых нет при деформациях сдвига.

Отмеченные осложнения необходимо принимать во внимание независимо от того, вызывают я ли изменения объема механическим путем, за счет изменения давления или путем изменения температуру Первая трудность состоит в том, что для любых деформаций включающих изменение объема, область, в которой может быть применен линейный анализ, значительно меньше, чем в случае сдвига. Вторая трудность, также вносящая нелинейность, состоит в том, что свободный объем, который согласно современным теориям определяет временной масштаб измерений, сам изменяется в течение всего процесса измерений. Таким образом, кривые ползучести, полученные при всестороннем сжатии (объем уменьшается со временем), не будут совпадать с кривыми, полученными при всестороннем растяжении (объем увеличивается со временем).

В первом случае изменение объема при больших значениях времени будет происходить значительно медленнее, чем оно происходило, если бы свободный объем сохранял свое первоначальное значение. Во втором случае изменение объема в начальной части кривой будет происходить медленнее, чем при постоянном свободном объеме, равном его конечному значению.

С учетом сказанного нами в работах исследовалась объемная ползучесть сшитых аморфных и кристаллических полимеров. Вначале остановимся на методических вопросах.