Способ исследования анизотропии материала

Изобретение относится к области исследований структурных изменений материалов, в частности полимеров, и может быть использовано для определения структурной анизотропии и анизотропии механических свойств таких полимеров, как полиэтилентерефталат, для послойного изучения напряженно-деформированного состояния изделий из этого полимера, для прогнозирования поведения материала полимера в изделии в зависимости от условий эксплуатации. В качестве исследуемого материала-полимера используют преимущественно предварительно ориентированный полиэтилентерефталат. На поверхность исследуемого изделия наносят царапины режущим инструментом, выполненным из закаленной стали в виде стержня переменного сечения, в котором цилиндрическая форма переходит в коническую. Вершину конуса развальцовывают, полируют и используют кромку развальцованной части как рабочую, режущую часть инструмента. При этом режущий инструмент нагружают в пределах 0,5-1 кг и в процессе царапания дополнительно выявляют структуру полимера на надмолекулярном уровне организации элементов, а также послойно в зоне деформирования, т.е. в царапине. Изучение структуры осуществляют визуально или при помощи оптического микроскопа. Анизотропию структурного состояния фиксируют, исходя из разницы выявленной структурной организации в царапинах, нанесенных в разных направлениях, а также из разницы деформируемости структурных элементов вдоль царапины или в различных царапинах. Оценивают структурную анизотропию количественно на поверхности или по слоям по формуле:

, при Р_с=const,

где А_с - структурная анизотропия полиэтилентерефталата, в %; П₁ - протяженность вдоль оси деформирования структурного элемента в царапине по направлению предварительной ориентации полимера или заданного направления исследования, в мкм; П₂ - протяженность вдоль оси деформирования структурного элемента в царапине, нанесенной в другом направлении, в мкм; Р_с - нагрузка на режущий инструмент в момент нанесения царапины, в г. Технический результат изобретения заключается в возможности исследования анизотропии структурного состояния трудно обрабатываемого полимера - полиэтилентерефталата, обладающего антифрикционными свойствами и стойкого к травителям, расширение возможности способа царапания и послойное исследование структурной организации полимера. 1 табл., 12 ил.

 

Изобретение относится к области исследований полимеров, связанных с исследованиями послойных структурных изменений материалов.

Оно может быть использовано для определения структурной анизотропии, анизотропии механических свойств исследуемого полимера, преимущественно полиэтилентерефталата, послойного изучения напряженно-деформированного состояния изделий из этого полимера, прогнозирования поведения материала полимера в изделии в зависимости от условий эксплуатации.

Известен способ [1] исследования напряженно-деформированного состояния эластичного изделия путем нанесения на поверхность эластомера прямолинейных рисок (царапин) режущим инструментом на строгальном станке. Риски наносят во взаимоперпендикулярных направлениях, образуя нормальные и касательные сетки. Способ не применим для эластомеров, т.к. края рисок на эластичном материале после прохождения инструмента смыкаются, и риски неразличимы. При исследовании напряженно-деформированного состояния полиэтилентерефталата способ неэффективен, т.к. глубина рисок постоянна, и, следовательно, информацию получить невозможно. Способ предполагает использовать полученные риски на штамповой оснастке как шаблон для дальнейшего перенесения рисунка сетки на заготовку изготавливаемой детали из металла, подвергаемую в дальнейшем механической обработке (штамповке), при расчете напряженно-деформированного состояния путем сравнения исходного размера сетки с измененным при деформировании изделия. При этом уровень напряженно-деформированного состояния оценивают по поверхности в целом с учетом степени искажения сетки, без учета локальных изменений в элементах структуры и на границе структурных составляющих исследуемого материала.

Известен способ исследования анизотропии полимера - полиуретана [2], заключающийся в том, что получают делительную сетку на эластичном материале в виде системы соприкасающихся окружностей. Затем эластичный материал растягивают и заполняют риски контрастной жидкостью, после чего эластичный материал возвращают в исходное положение. Растяжению подвергают только одну сторону исследуемого материала с нанесенными на нее рисками путем его изгиба рисками наружу. Наносят сетку режущим инструментом, который по всей поверхности делает надрезы. Эластомер при этом становится «дефектным». В процессе деформирования риски открываются. После заполнения жидкостью сетчатая поверхность становится более пластичной и искажает картину исходного состояния сетки. Поэтому сетка не может служить шаблоном меры отсчета деформации изделия, а сам способ не дает точной информации о локальных изменениях в элементах структуры и не позволяет провести послойные исследования напряженно-деформированного состояния исследуемого материала.

В качестве прототипа выбран способ исследования анизотропии путем царапания [3] как наиболее близкий по технической сущности и положительному эффекту к заявляемому изделию. Способ царапания заключается в том, что на поверхность исследуемого материала наносят царапины алмазным конусом с углом девяносто градусов при вершине. Царапины наносят с разными нагрузками на конус, затем строят график зависимости ширины царапин от нагрузки, с помощью которого можно найти нагрузку, соответствующую ширине царапины 10 мкм. Нагрузка, необходимая для получения царапины 10 мкм, является мерой твердости исследуемого материала. Затем изучают деформированные зоны, возникающие вокруг царапин, подбирая состав травителя, выявляющего дислокационные зоны царапин, проведенных в различных направлениях при различных скоростях царапания.

Недостатками способа являются ограниченные возможности исследования: только на металлах и монокристаллах; царапины дают информацию только о микротвердости и твердости исследуемого материала, а также о дислокационных зонах вокруг царапин. А изучение анизотропии микро- и макроструктуры и исследование деформированных зон в пределах структурного образования в таком эластомере, как полиэтилентерефталат, нереально, так как полиэтилентерефталат химически стоек и антифрикционен, а использование ранее предлагаемых нагрузок на индентор (Р = до 200 г) не позволяет выявить структуру исследуемого материала.

Задачей изобретения является возможность исследования анизотропии структурного состояния трудно обрабатываемого полимера - полиэтилентерефталата, обладающего антифрикционными свойствами и стойкого к травителям, расширение возможности способа царапания, послойное исследование структурной организации полимера.

Технический результат изобретения достигается тем, что способ исследования анизотропии материала заключается, как и в известном, в нанесении на поверхность исследуемого материала царапин режущим инструментом в различных направлениях под нагрузкой на режущий инструмент, изучении зон деформирования, возникающих вокруг царапин, определении анизотропии твердости исследуемого материала по формуле:

,

где b - ширина царапины, в мкм,

или по формуле:

,

где Р - нагрузка на индентор, в г.

Согласно изобретению, в качестве исследуемого материала используют полиэтилентерефталат (ПЭТФ), преимущественно в ориентированном состоянии, на поверхность изделия из которого наносят царапины режущим инструментом из закаленной стали, выполненным в виде стержня переменного сечения: цилиндрическая форма переходит в коническую, вершину конуса режущего инструмента развальцовывают, полируют и используют как рабочую режущую часть инструмента, при этом режущий инструмент нагружают в пределах 500-1000 г - 1 кг, дополнительно выявляя структуру полиэтилентерефталата по слоям в зоне деформирования, т.е. в царапине, наблюдают структурное состояние визуально и в оптический микроскоп, фиксируют анизотропию исследуемого полимера, исходя из разницы структурной организации в царапинах, нанесенных в разных направлениях, из разницы в степени деформируемости структурных элементов вдоль царапины или в различных царапинах, оценивают количественно по слоям структурную анизотропию полимера по формуле:

, при P_c=const,

где П₁ - протяженность вдоль оси деформирования структурного элемента в царапине по направлению предварительной ориентации полимера, в мкм;

П₂ - протяженность вдоль оси деформирования структурного элемента в царапине, нанесенной в другом направлении, в мкм;

А_с - структурная анизотропия полиэтилентерефталата, в %;

Р_с - нагрузка на режущий инструмент в момент нанесения царапины, в г.

Возможен вариант количественной оценки структурной неоднородности исследуемого полимера с учетом различий П₁ и П₂ протяженности деформированных царапанием элементов структуры в пределах одной и той же царапины.

Сопоставление предлагаемого способа исследования анизотропии материала с прототипом показало, что предлагаемое изобретение имеет следующие отличия: в материале исследования, в конструкции режущего инструмента, в нагрузке на режущий инструмент, в выявлении структурной анизотропии трудно деформируемого полимера, обладающего антифрикционными свойствами, стойкого к воздействию травителей.

Предлагаемый способ позволяет в процессе нанесения царапины (механического воздействия) на исследуемую поверхность полиэтилентерефталата качественно (визуально или в оптический микроскоп) или количественно определить не только твердость по ширине царапине, как в прототипе, но и структурное состояние полимера, разницу в структурной организации элементов в зависимости от направления исследования, благодаря неожиданно выявленному эффекту - в процессе нанесения царапины режущим инструментом, имеющим режущую часть в виде кромки развальцованной вершины конуса, с оптимальной шириной рабочей части 2-3 мм, одновременно выявляется структурная организация надмолекулярного типа. Способ позволил впервые обнаружить при нагрузках на режущий инструмент в пределах 500-1000 г эффект слоистости полимера, т.е. до сих пор исследователями не было обнаружено, что полиэтилентерефталат имеет слоистую структурную организацию, что позволяет детализировать структурные исследования с целью более точного прогнозирования поведения полимера при воздействии на него различных факторов, документально подтверждая прогноз фотодокументами структурных изменений исследуемого материала по слоям. Отличие выявления структуры предлагаемым способом от ранее используемых способов, в том числе и в прототипе, в том, что предлагаемый способ демонстрирует выявленную структуру в ее истинном состоянии, а в известных - путем травления, с изменением его истинного состояния (с набуханием, аморфизацией и т.д.).

Предлагаемый способ позволяет определить остаточные напряжения в полимере, изучая в поляризованном свете напряжения в элементах структуры в зоне деформирования, а сравнивая картины напряжений в различных структурных элементах как в одной царапине, так и в разнонаправленных царапинах, получаем сведения об анизотропии напряженного состояния исследуемого полимера. Предлагаемые нагрузки на режущий инструмент (500-1000 г) позволяют при царапании «вскрывать» структуру нескольких слоев. Слои четко видны, их количественно можно определить. В прототипе нанесение режущим инструментом царапин под нагрузкой 3-200 г позволяет обнаружить только дефект вокруг царапин в виде трещин и бесструктурных навалов пластичного материала по краям царапины.

Поскольку предлагаемый способ исследования анизотропии «вскрывает» слои полимера, а они четко прослеживаются в местах «навалов», т.е. деформированных краях царапины, можно замерить твердость слоя или слоев. Более широкая рабочая часть режущего инструмента (более 3 мм) дает дискретную картину царапины, особенно при больших нагрузках - близких к 1 кг и более (за граничные значения). Более узкая рабочая часть режущего инструмента (менее 2 мм) усложняет процесс исследования из-за смыкания краев царапины. При малых нагрузках (менее 500 г) на режущий инструмент в царапинах не выявляются ни структура полимера, ни слоистость материала. Анизотропию при этом возможно исследовать только на механическом уровне определения разности ширины царапин в различных направлениях.

Предлагаемый способ расширяет диапазон возможностей способа царапания, позволяя обнаружить и зафиксировать анизотропию исследуемого полимера даже в пределах одной царапины - по ее длине, за счет обнаружения разницы в структурной организации вдоль царапины или в царапинах при одной и той же нагрузке на режущий инструмент или при разных нагрузках послойно. Учитывая то, что видны макро- и микроструктура, представляется возможность исследования анизотропии свойств полимера макро- и микроуровня (макро- и микромеханические свойства). Способность быстро и легко выявить структуру материала без травления, без набухания в токсичных растворителях, дает дополнительно возможность оперативно контролировать такой сложный полимер, как полиэтилентерефталат, который многократно изменяет свои свойства под действием температуры и механических воздействий.

Таким образом, заявленный способ представляет собой техническое решение и имеет «новизну». Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими решениями в данной области техники [1, 2, 4] позволило выявить признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа и других аналогов, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение промышленно применимо, так как прошло лабораторные испытания на кафедре вычислительной математики и механики Пермского государственного технического университета и в Институте механики сплошных сред УрО РАН и готово к применению как в учебных и исследовательских целях, так и в промышленности как способ контроля структурного состояния полимера и определения микротвердости, анизотропии свойств, а также остаточных напряжений в исследуемом полимере после заданного режима его обработки.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут исследуемый материал ПЭТФ - полиэтилентерефталат в виде емкости для напитков и в виде заготовок (преформ), из которых выдувают эти емкости. Из преформы нарезают образцы в виде узких пластин длиной 50 мм и шириной 10 мм. Из емкости готовят образцы тех же размеров, что и из преформы, вырезая пластины из ее средней части, которая деформирована выдуванием до 300% по сравнению с преформой. Готовят режущий инструмент, используя закаленную сталь 45Х.

Тело режущего инструмента представляет сплошной цилиндр диаметром 3 мм, нижнюю часть торцевой поверхности выполняют в виде конуса. Вершину конуса развальцовывают. Сглаживают рельеф поверхности на мелкой шкурке и полируют развальцованную часть для того, чтобы не допустить ошибки в исследовании и не принять риски на режущем инструменте и другие дефекты за выявленные элементы структуры в полимере в процессе царапания. Режущий инструмент в склерометре вставлен под углом 45° к поверхности образца. ПЭТФ в преформе (заготовке) и ПЭТФ в емкости для напитков имеют различную надмолекулярную структуру (см. фиг.2, 3). Выявить ее сложно из-за того, что материал не подвержен воздействию кислот и щелочей. Обычным способом нанесенная царапина с применением алмазного конуса [3, 4] не выявляет структуру полиэтилентерефталата. Известные царапины, полученные под разными нагрузками (3-200 г) (фиг.1) и в различных направлениях, не несут никакой информации, кроме той, что замерив ширину царапины, можно затем определить твердость или микротвердость исследуемого материала. В основном дальнейшее исследование ведут около царапины путем избирательного травления дислокаций на поверхности материала, монокристаллов.

Результаты исследования анизотропии эластомеров, преимущественно слоистого ориентированного полимера ПЭТФ, по сравнению с прототипом представлены в таблице и на фиг.1-12. По результатам исследования можно сделать вывод о том, что предлагаемый способ расширяет область исследования анизотропии за счет того, что при нанесении царапины на поверхность полимера, преимущественно слоистого ориентированного, как ПЭТФ в изделии, полученного выдуванием из заготовки-преформы, удалось обнаружить структуру материала и то, что он слоистый. Используя микроскоп, при увеличениях в 60-200 раз получаем отчетливую и подробную картину структурообразования и деформирования полимера как в царапине, так и вокруг нее в навалах. Качественная оценка разницы структурного состояния (анизотропии твердости и структурообразования) дополняется количественной оценкой, учитывая деформацию структурных составляющих, по формуле:

, при Pc=const,

где П₁ - протяженность вдоль оси деформирования структурного элемента в царапине по направлению предварительной ориентации полимера, в мкм;

П₂ - протяженность вдоль оси деформирования структурного элемента в царапине, нанесенной в другом направлении, в мкм;

A_c - структурная анизотропия полиэтилентерефталата, в %;

Р_с - нагрузка на режущий инструмент в момент нанесения царапины, в г.

При этом появляется возможность увидеть и зафиксировать остаточные напряжения в структурных элементах и образце в целом при просмотре исследуемой царапины и поверхности вокруг нее в поляризованном свете или используя оптику и определяя фазовый контраст наблюдаемых структур.

По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества:

- способ позволяет расширить диапазон определения анизотропии в материалах за счет использования в качестве исследуемых материалов полимеров, ранее не исследовавшихся способом царапания, в том числе полиэтилентерефталата, структура которого не изучена в связи с трудностями ее выявления (полимер химически стоек и относится к антифрикционным материалам);

- способ, в отличие от прототипа, в котором определяют анизотропию только по ширине царапины, определяет анизотропию свойств по изменению и разнице структурных элементов в царапине, которые без травления выявились в процессе царапания, т.е. локального механического воздействия на исследуемую поверхность;

- способ позволяет значительно повысить качество исследования, детализируя зоны исследования за счет локального изучения структурных особенностей макро- и микроструктуры в различных направлениях зон, деформируемых царапанием;

- способ позволил неожиданно обнаружить, что ПЭТФ в изделии - слоистый материал. Обнаружить слои удалось за счет выявления их и в навалах, и внутри царапины, т.е. в пластической зоне царапины;

- способ впервые позволил легко и просто обнаружить структурные превращения ориентированного ПЭТФ на фоне исходного состояния структуры без травления;

- способ открыл возможность изучения напряженно-деформированного состояния в слоистых полимерах, не реагирующих на травление и обладающих антифрикционными свойствами.

Источники информации

1. Полухин П.И. и др. Деформации и напряжения при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1974. С.188 (аналог).

2. А.с. №887996, МКИ G01N 1/28, от 12.03.80. Способ получения делительной сетки на эластичных материалах (аналог).

3. Боярский Ю.С. Деформирование кристаллов при испытаниях на микротвердость. Кишинев: Штиинца, 1972. С.77-104 (прототип).

4. Ланге В.Н., Ланге Т.И., Симашко С.Г. В сб.: Склерометрия. М.: Наука, 1968, C.179.

Таблица
№ п/п	Способ исследования	Тип режущего инструмента	Нагрузка на режущий инструмент, г	Размер режущей кромки инструмента, мм	Исследуемый материал	Предмет исследования	Достигаемый результат
1	Известный (прототип), исследование анизотропии микротвердости кристаллов [3] методом царапания.	Алмазный конус с углом 90° при вершине, используемый в склерометре Мартина.	2-200	1-1,5	Металл, монокристаллы.	Изучение анизотропии микротвердости методом царапания и определение микротвердости по формуле , где b - ширина царапины в микронах.	Определение анизотропии по разнице микротвердостей металла или монокристалла, рассчитанных исходя из ширины и направления царапины, нанесенной на поверхность материала, и разности состояния поверхностей (навалы, хрупкие сколы) около царапин (фиг.1). Травитель выявляет дислокации около царапин в металлах или монокристаллах.
2	Предлагаемый	Стальной стержень цилиндрической формы.	500-750-1000	2-3	Полимер, ПЭТФ (преформа).	Исследование анизотропии свойств ПЭТФ, преимущественно в аморфном состоянии, по структурному состоянию в зоне деформации.	Послойное царапание поверхностей преформы (фиг.2-4) при нагрузке на режущий инструмент 500 г с одинаковой скоростью нанесения царапин, 700 г, 1500 г - соответственно показало, что исследуемый материал изотропен в поверхностных слоях. В зависимости от глубины нанесения царапины выявлена глобулярная структура, слоистый характер структурных
							образований (фиг.3) и слабая деформируемость структурных элементов (фиг.2, 4). Пластичность на гранях царапин носит разный характер: в виде широкой полосы и компактного навала полимера, приблизительно в 3 раза более узкого, чем первая полоса (фиг.3).
3	Предлагаемый	Стальной стержень цилиндрической формы.	500-750-1000	2-2,5-3	ПЭТФ в виде полученной выдуванием емкости для напитков (300%-ной 2-осной деформацией).	Исследование анизотропии полимера в зависимости от степени ориентации и структурной перестройки под действием растягивающих усилий.	Определение анизотропии слоистого ориентированного ПЭТФ по слоям. На фиг.5-6 видна надмолекулярная структура поверхностных слоев при нагрузке на режущий инструмент 500 г, имеющего рабочую поверхность кромки диаметром 3 мм. На фиг.6-7 показана разница структурного состояния полимера в нижележащих слоях. Слои отчетливо видны, поэтому возможна количественная оценка. Разница в степени деформации структурных элементов и сравнительная оценка деформируемости легко реализуется как вдоль одной царапины (фиг.7, 8, 9), так и между царапинами (фиг.10, 11), нанесенными режущим инструментом под нагрузкой 700 г, имеющим кромку рабочей поверхности диаметром 2,5 мм (фиг.6-7), и 1000 г - с рабочей поверхностью диаметром 2
							мм (фиг.10-11). На фиг.10-11 показано структурное состояние слоистого ПЭТФ после термообработки ориентированного образца при температурах 140°С и 180°С и нанесении царапин на поверхность образца режущим инструментом, имеющим рабочую поверхность диаметром 2 мм и нагрузке на него 1000 г. Во всех случаях вид царапин характеризует анизотропию сопротивления пластическому деформированию. Наблюдаемый механизм образования царапин на исследуемом полимере связан с отделением стружки с образца.
4	Предлагаемый (за граничные значения)	Стальной стержень цилиндрической формы.	>500	2-3	Преформа и слоистый ориентированный ПЭТФ (300%-ной 2-осной деформацией преформы)	Исследование анизотропии свойств полимера.	Режущий инструмент скользит по поверхности без внедрения в материал (фиг.11).
5	Предлагаемый (за граничные значения)	Стальной стержень цилиндрической формы	<1000	2-3	Преформа и слоистый ориентированный ПЭТФ (300%-ной 2-осной деформацией преформы).	Исследование анизотропии и свойств полимера.	Режущий инструмент наносит царапину на глубину, вскрывающую одновременно большое количество слоев, затрудняя исследование анизотропии материала по слоям отдельно. Навалы пластичного полимера затрудняют оценку выявляемой картины структуры, смыкаясь к центру царапины (фиг.12).

Способ исследования анизотропии материала, включающий нанесение на поверхность исследуемого материала царапин режущим инструментом в различных направлениях под нагрузкой на режущий инструмент, визуальное или при помощи оптического микроскопа изучение зон деформирования, возникающих вокруг царапин, определение твердости исследуемого материала, отличающийся тем, что в качестве полимера в нем используют преимущественно ориентированный полиэтилентерефталат, при этом режущий инструмент выполняют в виде стержня переменного сечения из закаленной стали, у которого цилиндрическая форма переходит в коническую, вершину конуса развальцовывают и полируют, затем, используя кромку развальцованной части как режущую часть инструмента при царапании материала, режущий инструмент нагружают в пределах 500-1000 г, а анизотропию структурного состояния фиксируют, исходя из разницы выявленной структурной организации в царапинах, нанесенных в разных направлениях, и из разницы деформируемости структурных элементов вдоль царапины или в различных царапинах, а оценку структурной анизотропии осуществляют количественно на поверхности или по слоям по формуле

, при Р_с=const,

где А_с - структурная анизотропия полиэтилентерефталата, %;

П₁ - протяженность вдоль оси деформирования структурного элемента в царапине по направлению предварительной ориентации полимера или заданного направления исследования, мкм;

П₂ - протяженность вдоль оси деформирования структурного элемента в царапине, нанесенной в другом направлении, мкм;

Р_с - нагрузка на режущий инструмент в момент нанесения царапины, г.