Эта серия статей предназначена для того, чтобы помочь формовщикам понять, как некоторые аналитические инструменты могут помочь в диагностике причин  брака при изготовлении детали.

Ключ к разгадке причин неудачи первой попытки замены металла полимером следует искать в основном различии между металлами и полимерами—молекулярной структуре.

Несколько лет тому назад мне довелось работать над созданием применения для формованного вентилятора для одного заказчика. Деталь должна была быть выполнена из 30% армированного стекловолокном полипропиленового гомополимера. В перечне данных прочность на разрыв для этого материала была указана как 12,000 фунтов на кв. дюйм (82.75 MПa). Геометрия детали была создана в соответствии с правилами надлежащего проектирования пластмассовых деталей, а регулировка литьевого отверстия была осуществлена так, чтобы обеспечить относительно равномерное распределение давления в гнезде пресс-формы и свести к минимуму возможность коробления.

Сначала производили детали и подвергали их испытаниям на вращение для того, чтобы определить функциональное поведение продукта. По прошествии пяти часов испытания показали первый брак. Это было на порядки меньше ожидаемого срока эксплуатации продукта. И, как это обычно бывает в подобных ситуациях, сразу же начали тщательно изучать технологию формования. Со всех сторон звучали предположения относительно температуры расплава, температуры пресс-формы, скорости впрыска, и давления уплотнения.

Однако, заказчик провел довольно обширный анализ методом конечных элементов (FEA), и мне захотелось посмотреть, совпадают ли те области, в которых произошел отказ, с теми, которые были указаны на модели как области присутствия наибольшего напряжения.  Я был несколько удивлен, когда увидел, что самым высоким прогнозируемым напряжением было напряжение 8200 фунтов на кв. дюйм (56.6 МПа), и я сказал заказчику, что, возможно, материал недостаточно прочен для того, чтобы выдерживать такие высокие напряжения на протяжении сколько-нибудь продолжительного периода времени. Это было применение, чувствительное в том, что касалось затрат, поэтому последнее, что хотел услышать заказчик, были новости о том, что может потребоваться более дорогой сырьевой материал для того, чтобы изготавливать деталь с нужным сроком эксплуатации. Они создали кривую «напряжения – деформации» для материала, которая  подтвердила опубликованные в перечне данных значения прочности на разрыв, и после этого считали вопрос более или менее закрытым.
Инженеры-проектировщики, которые разрабатывали эту деталь, привыкли работать с металлами, и всегда использовали основное правило, согласно которому максимальное рабочее напряжение в 70% от предела текучести было приемлемым порогом для обеспечения приемлемых эксплутационных характеристик. Они стали жертвами того, допущения, что поведение пластмассовых материалов следует тем же правилам, что и поведение металлов. Кроме того, даже если бы они знали о коренных отличиях между этими двумя классами материалов, у них не было количественной информации, которая необходима для принятия правильных решений относительно долговременного поведения полипропилена на протяжении предполагаемого срока эксплуатации продукта.

Молекулярные изменения

Если мы рассмотрим основные строительные блоки металлических и полимерных материалов, мы сможем понять причины различий в их поведении. На молекулярном уровне основные единицы, которые образуют металлическую структуру, относительно небольшие и однородные по размеру. Соответственно, они легко организуются в структуру, которая очень упорядочена и предсказуема. Материаловеды определяют такие структуры как кристаллические твердые тела. На этот тип структуры очень незначительно влияют изменения температуры до того момента, когда материалы данного класса достигают своих соответственных точек плавления. На металлы также не оказывают существенного воздействия длительного нагружения до тех пор, пока напряжения не достигнут точки, близкой к пределу текучести материала. Иными словами, они, как правило, не чувствительны к ползучести или же пластической деформации при низкой температуре.

Наименьшей единицей в полимерном материале является очень крупная молекула с удлиненной цепью, даже самая мелкая полимерная молекула будет примерно в 50 раз больше самой тяжелой образованной природой частицы металлической структуры. Эти полимерные молекулы, могут изгибаться, поворачивать, складываться и запутываться с практически бесконечным количеством вариантов. Кроме того, не все эти молекулы одного и того же размера, Самая мелкая молекула любого статистического образца пластмассы зачастую в тысячи раз меньше, чем самая большая, что увеличивает возможности образования местных вариантов структуры материала.

Все это имеет важные последствия для механических и тепловых свойств двух классов материалов. На Рисунке 1 представлены результаты сканирования для полипропилена и элементарного металла с низкой температурой плавления, известного как индий. Два материала имеют сопоставимые точки плавления. Если Вы справитесь в соответствующей литературе, то обнаружите, что температура плавления индия составляет 156.61°C, плюс минус несколько тысячных градуса. Это свойство настолько устойчиво, и настолько легко измеряется, что этот металл используется для температурной калибрации инструментов теплового анализа, таких как дифференциальные сканирующие калориметры (DSC) и термогравиметрические анализаторы (TGA). Точка плавления полипропилена примерно 165°C. Но если мы сравним собственно процессы плавления этих двух материалов, то увидим огромную разницу.

Плавление может считаться начавшимся тогда, когда кривая зависимости теплового потока от температуры начинает отклоняться от основной линии, и этот процесс считается завершившимся тогда, когда кривая возвращается к основной линии. На Рисунке 1 мы видим, что процесс плавления для индия имеет диапазон всего менее 2 градусов C при нагревании образца со скоростью 10 градусов C/мин. Это означает, что все кристаллы индия плавятся при примерно одной и той же температуре, поскольку они все примерно одного и того же размера и одной и той же формы.

Тем не менее, процесс плавления полипропилена имеет диапазон 45 градусов C. Это указывает на то, что размеры и формы кристаллов внутри полипропилена существенно различаются. В довершение всего практически все атомы индия, связанные с макроструктурой металла, являются частью кристалла. Но процесс плавления для полипропилена может затрагивать менее половины структуры. Поэтому, если о металлах мы можем говорить как о кристаллических твердых телах, в случае с полимерными материалами мы можем говорить только о некоторых степенях кристалличности.

Механические эксплуатационные характеристики и напряжения

На Рисунке 2 мы попытались дать общее концептуальное представление о том, как выглядит кристаллическая структура в полимере. Участки структуры организованы в относительно хорошо определенные модели. Это кристаллические области. В некоторых полимерах эти хорошо организованные области могут составлять до 90% материала. Тем не менее, в других полимерах этот процент может быть настолько незначительным, что он не имеет никакого существенного значения для каких-либо практических целей, а точку плавления даже невозможно определить.

Эта часть материала, которая не организуется в кристаллическую структуру, называется аморфной. Такие аморфные области приобретают существенную степень молекулярной мобильности при значительно более низких температурах, чем измеренная точка плавления. Мы воспринимаем эту мобильность как снижение прочности и жесткости материала. Кроме того, при появлении нагрузки эти аморфные области поддаются деформации при напряжениях значительно ниже любого измеренного верхнего предела, такого как предел текучести. Металлы, в отличие от этого, содержат немного или вообще никакого неупорядоченного материала. Поэтому при применении нагрузок, их поведение значительно более предсказуемо.

Эти различия имеют важные последствия для механических эксплутационных характеристик, и того, как на них влияют температура и время. На Рисунке 3 представлена классическая кривая «напряжения – деформации» для алюминия. На языке металлов, точка #2 характеризует предел текучести материала. Между исходной точкой этого графика и точкой предела текучести, соотношение между напряжением и деформацией, определяемое как модуль, остается, в целом, постоянным. Это поведение, о котором мы обычно говорим как об эластичном. До тех пор, пока мы не достигнем предела упругости, мы ожидаем от материала выполнения тех ожиданий, которые определены измерениями прочности и модуля.

На Рисунке 4 приводится кривая «напряжения – деформации» для ацетального сополимера. В рамках шкалы от 1 до 10, где 1 означает отсутствие кристаллической структуры и 10 означает самый высокий уровень кристалличности, которого практически можно достигнуть в полимере, ацетали имеют значение 9. Тем не менее, даже такой материал проявляет существенный объем нелинейного поведения, по мере того, как осуществляется продвижение от начальной точки до точки текучести. Предел текучести может не реализоваться, пока материал не достигнет деформации почти в 15%, но даже зрительная оценка этой кривой показывает, что линейное соотношение между напряжением и деформацией нарушается до того, как кривая достигнет деформации в 1%.

Расширенное изображение кривой, которое представлено на Рисунке 5, показывает, что предел упругой  деформации, последняя точка на кривой «напряжение – деформация», где соотношение остается линейным, наступает при деформации менее чем 0.5%. Напряжения, которые находятся между пределом упругой деформации и пределом текучести, будут иметь всевозрастающее и постоянно меняющееся воздействие на получаемое напряжение в зависимости от того, в каком месте кривой мы находимся, а также насколько продолжительно будет воздействие напряжения. Мы здесь не выбирали специально ацетали; у всех пластмасс до той или иной степени та же самая общая модель поведения.

Воздействие температуры

Ситуация становится лучше. Эксплуатационная температура вентилятора составляла 60°C. На кривую «напряжения – деформации» для такого металла, как алюминий, изменение температуры не оказывает существенного влияния, по крайней мере, в разумных пределах. На Рисунке 6 представлены кривые «напряжение – деформация» для 15% полипропилена, наполненного стекловолокном, при комнатной температуре и при 43°C и 55°C. В пределах относительно небольшого температурного диапазона между 22°C и 55°C, напряжение текучести и модуль материала снизились примерно на 35%. Мы можем уменьшить воздействие повышенной температуры на механические свойства полимера за счет использования более высоких уровней армирования. Вентилятор был произведен из 30% армированного стекловолокном материала, который дал только 25% снижение кратковременных механических эксплуатационных характеристик в рамках сопоставимого температурного диапазона.

А теперь давайте вернемся к нашим проектировщикам вентиляторов. Из данных, приведенных на Рисунке 6, очевидно, что механические свойства полипропилена, даже при армировании стекловолокном, проявляют существенную чувствительность к воздействию температуры. Только представьте себе эксплуатацию при том, что считается 70% напряжения течения для такого материала, с последующим обнаружением того, что повышение температуры привело к повышению напряжений, которые моделировались в FEA, до почти 95% от кратковременного предела текучести.

Инженеры не понимали необходимости использования кривой «напряжения – деформации», генерированной при температуре эксплуатации устройства. Даже если бы они знали о важности этой информации, они бы, скорее всего, обнаружили, что необходимой им кривой не существует. И это до того, как мы начали рассматривать воздействия от расширения применения этих напряжений на сотни или тысячи часов.

Работа по преодолению этих воздействию будет рассматриваться в части 3. Тем не менее, до того, как выйдет этот выпуск, следует учитывать следующее: зависящие от времени воздействия, такие как утомление материала, ползучесть и релаксация напряжения, предъявляют дополнительные требования к пластмассовым материалам, которые обычно не требуют рассмотрения при работе с металлами. Плохие новости заключаются в том, что, в большинстве случаев, у нас нет надежной информации о таком зависящем от времени поведении пластмассовых материалов. А хорошие новости заключаются в том, что мы знаем, как измерить и оценить такие воздействия, если только мы удосужимся потратить на это немного времени. В следующем месяце мы продемонстрируем Вам эти возможности в количественном выражении, а также покажем, как отказ от использования этих технологий часто ведет к созданию продуктов, которые характеризуются либо недостаточным, либо избыточным конструированием.

www.newchemistry.ru