Особенности механического поведения полимеров, рассмотренные в предыдущей главе, показывают, что полимерный материал может обнаруживать признаки стеклообразного, хрупкого твердого тела, высокоэластического каучука или вязкой жидкости в зависимости от интервала температур или продолжительности действия нагрузки. При низких температурах или высоких скоростях деформирования полимер может проявлять свойства стеклообразного материала и разрушаться или переходить в пластическое состояние при деформации не более 5%. При высоких температурах и низких скоростях испытаний тот же полимерный материал может быть каучукоподобным и накапливать большие удлинения без остаточной деформации. При дальнейшем повышении температуры в нагруженном состоянии возникают необратимые деформации и материал ведет себя как высоковязкая жидкость. Различные представления общих закономерностей механического поведения полимерного материала, такие, как ползучесть или упругое последействие, образование шейки или холодная вытяжка, хрупкое разрушение, рассматриваются обычно раздельно, путем сравнительного изучения различных полимеров.

Стало обычным, например, сравнивать хрупкий разрыв полиметилметакрилата, полистирола и других полимеров, которые обнаруживают подобные свойства при комнатной температуре. Аналогичное сравнительное исследование ползучести было проведено на примере полиэтилена, полипропилена и других полиолефинов. Такое сопоставление часто маскирует то обстоятельство, что полный комплекс явлений может наблюдаться на примере одного и того же полимера при достаточно широком изменении температуры.

Рентгенографические исследования показывают, что в области шейки молекулярные цепи ориентируются параллельно приложенному напряжению, и в этом состоянии полимерный материал обладает более высоким сопротивлением деформации, чем при неупорядоченной ориентации цепей. В отличие от обычной для металлов ситуации, при которой шейка является наиболее слабой зоной образца, у полимеров шейка является наиболее прочной зоной.

Если деформация происходит при температуре ниже, ориентированное расположение цепей макромолекулы замораживается и при снятии нагрузки уже не происходит полного восстановления. Однако если материал нагреть выше температуры стеклования, сегменты цепей вновь обретут подвижность, произойдет полный возврат деформации, и материал образца восстановит первоначальную форму.

При более низкой температуре, как и у металлов, наблюдается предел текучести, после которого начинается холодная вытяжка, но в этом случае разрушение происходит раньше, чем шейка распространяется на всю длину образца; при еще более низкой температуре разрушение происходит тотчас после образования шейки. Наконец, при достижении подсостояния хрупкости материал ведет себя вполне хрупко, и его диаграмма напоминает гуковскую прямую. Таким образом, можно сформулировать основные особенности влияния температуры на диаграммы растяжения аморфных полимеров: 1. При температуре выше материал вязкотекучий, деформации необратимы.

2. В интервале температур деформация при разгрузке полностью обратима. 3. В подсостоянии вынужденной эластичности в интервале температур наблюдается вынужденная высокоэластическая деформация, которая при разгрузке полностью необратима, однако при нагревании выше исходные размеры образца полностью восстанавливаются. 4. Ниже материал вполне хрупок.

Отметим, что температуры зависят от скорости деформации. С повышением последней материал становится более жестким и хрупким, и все три указанных перехода смещаются в область более высоких температур.

Например, в области стеклования материал может иметь свойства эластомера при низких скоростях и приобретать свойства стеклообразного полимера при высоких скоростях деформирования. Рассмотрение поведения аморфных полимеров выше температуры не входит в задачу настоящей книги. Многие явления могут быть объяснены на основе теории высоко эластичности, первоначально предложенной Майером, а затем претерпевшей различные уточнения.

Наиболее полный обзор этого вопроса можно найти в книге Л. Трелоара. При температуре значительно ниже аморфных областей полимеры обоих типов вполне хрупки, но если для аморфных полимеров возможны большие деформации в подсостоянии вынужденной эластичности, то у высококристаллических полимеров они отсутствуют.

При более высоких температурах холодная вытяжка происходит полностью, и напряжение возрастает при растяжении образца, полностью перешедшего в шейку уже за счет растяжения самих молекулярных цепей. Когда температура испытания приближается к температуре плавления, величина обратимой после разгрузки деформации возрастает, выше материал превращается в вязкую жидкость.

Характеристики кривых напряжение-деформация кристаллических полимеров можно обобщить следующим образом: 1. Температура хрупкости близка к температуре стеклования аморфных областей для высококристаллических полимеров, в то время как для низкокристаллических материалов может оказаться существенно ниже. 2. В интервале температур происходит холодная вытяжка, причем у низкокристаллических материалов этот процесс возможен и ниже в результате деформации аморфных областей. 3. Полученная холодной вытяжкой структура имеет высокую прочность.

4. Свойства и характерные температуры для кристаллических полимеров зависят от скорости деформации. Заметим, что образование шейки и холодная вытяжка имеют место как в частично кристаллических, так и аморфных полимерах, однако механизмы явлений в обоих случаях различны.

Для аморфных и кристаллических полимеров в эксплуатационной области температур наблюдаются участки диаграмм однородного растяжения, анализ которых чрезвычайно важен при использовании полимеров как конструкционных материалов.