Ползучесть: что это и как она проявляется у резины и пластмасс

Слово «ползучесть» звучит как термин из сопромата, но в цеху её видят часто: опора станка за год просела на пару миллиметров, прокладка через неделю отпустила болты, полиуретановый буфер под весом конструкции стал ниже. Во всех случаях нагрузку никто не менял, а деформация росла.

Ползучесть идёт в три стадии

Под постоянной нагрузкой деталь сначала мгновенно деформируется упруго. Дальше начинается первичная ползучесть: деформация растёт быстро, но скорость роста снижается. Во второй, установившейся стадии деформация прибавляется медленно и почти равномерно, эта стадия у правильно нагруженной детали длится годы. Третья стадия наступает при перегрузке или перегреве: скорость снова растёт, и деталь разрушается или теряет форму.

Для резины и большинства пластиков в рабочей зоне интересны первые две стадии. Деталь считают так, чтобы за срок службы она не вышла из второй и чтобы суммарная деформация к концу срока не мешала узлу.

Ползучесть, релаксация и остаточная деформация описывают одно явление с разных сторон

Если держать постоянной нагрузку, растёт деформация: это ползучесть. Если держать постоянной деформацию, например кольцо зажато в канавке на фиксированную величину, падает усилие, с которым деталь давит на стенки: это релаксация напряжения. Если после выдержки нагрузку снять, деталь возвращается не полностью: это остаточная деформация, по которой кольца сравнивают в паспортах.

Для узла важно, какой из трёх случаев у вас. Буфер под весом, опора станка, болт под затяжкой с упругой шайбой работают на ползучесть. Уплотнительное кольцо и прокладка между жёсткими фланцами работают на релаксацию: их поджатие задано геометрией, и со временем падает контактное давление. Как по остаточной деформации сжатия оценивают срок жизни кольца, это отдельный расчёт, но причина у него та же.

Числа схемы из примера ниже: осадка опоры через 1 минуту 3,0 мм, через час 3,16 мм, через сутки 3,28 мм, через год 3,51 мм, через 10 лет 3,60 мм.

Резина ползёт по логарифму времени

Ползучесть резины удобно описывать приростом на каждую декаду времени, то есть на каждое десятикратное увеличение выдержки: от минуты до 10 минут, от 10 минут до 100 и так далее. Метод определения ползучести вулканизованной резины при сжатии и сдвиге задаёт ISO 8013; результат удобно переносить на срок службы детали.

Пример: резиновая виброопора станка через минуту после установки осела на 3,0 мм. Допустим, смесь ползёт на 3 % начальной осадки за каждую декаду времени. Сутки это 1 440 минут, около 3,2 декады, и осадка станет 3,0 × (1 + 0,03 × 3,16) ≈ 3,28 мм. Год это 525 600 минут, 5,7 декады, осадка около 3,51 мм. Десять лет дают 6,7 декады и 3,60 мм. Вывод примера: проверять выверку станка имеет смысл через сутки-двое после установки, а потом осадка почти не меняется.

Что такое ползучесть простыми словами?

Ползучесть — это когда деталь под постоянным грузом продолжает медленно деформироваться, хотя груз не меняется: резиновая опора всё ниже, пластиковая полка всё сильнее прогибается, прокладка всё тоньше. Скорость со временем падает, но не до нуля. У резины и пластмасс ползучесть заметна при комнатной температуре, у стали только при сильном нагреве.

Пластмассы проверяют по ГОСТ 18197-2014

Для пластмасс метод испытания на ползучесть при растяжении задаёт ГОСТ 18197-2014, он построен на ISO 899-1:2003 и введён с 01.04.2016 взамен ГОСТ 18197-82. Образец нагружают постоянной силой и записывают удлинение через заданные промежутки времени, от минут до тысячи часов и больше. Из результата получают модуль ползучести: напряжение, делённое на деформацию к заданному сроку. Он всегда ниже кратковременного модуля из паспорта, и именно его берут в расчёт длительно нагруженной детали.

Разные пластики ползут по-разному. Фторопласт и полиэтилен ползут заметно уже при комнатной температуре: аморфная часть этих полукристаллических полимеров в цеху подвижна. Капролон ползёт сильнее во влажном состоянии, потому что вода размягчает полиамид. Аморфные пластики вроде полисульфона и поликарбоната ползут мало, пока температура далеко от стеклования. Стекловолокно, уголь и бронза в наполненных марках снижают ползучесть в разы.

Фторопласт ползёт сильнее всех массовых пластиков

У чистого фторопласта-4 ползучесть видна уже при нагрузке в несколько мегапаскалей и комнатной температуре, поэтому для него есть своё слово: хладотекучесть. Из-за неё прокладка под затяжкой оседает и отпускает шпильки, а болт из фторопласта ослабевает. Паспортная прочность фторопласта для расчёта таких деталей мало что значит: решает допустимая длительная нагрузка.

Детали из фторопласта под нагрузкой чаще делают из композиций с наполнителем или ставят в металлическую обойму, которая ограничивает течение. Для прокладок применяют конструкции с ограничителем сжатия.

Как проявляется ползучесть у резины и пластмасс?

Ползучесть резины проявляется оседанием опор, буферов и подушек под постоянным весом и потерей поджатия колец и прокладок, у которых зафиксирована деформация. Ползучесть пластмасс видна как прогиб полок и кронштейнов, ослабление затяжки пластиковых болтов и хомутов, овальность втулок и продавливание шайб. Нагрев ускоряет оба процесса, а наполнители в пластиках и высокое обжатие в резине его замедляют.

Нагрев ускоряет ползучесть сильнее нагрузки

Скорость ползучести полимеров сильно зависит от температуры. Деталь, которая при +20 °C за год оседает на десятые доли миллиметра, при +80…+100 °C может набрать ту же деформацию за недели. Поэтому при испытаниях температуру поднимают, чтобы ускорить процесс, а при расчёте детали берут самую высокую температуру, которую она видит длительно, а не среднюю по цеху.

Влага действует так же для полиамидов: капролон в мокром узле ползёт заметнее, чем в сухом. Для резины к нагреву добавляется старение: сетка смеси со временем меняется, и после нескольких лет при +100 °C деталь оседает быстрее, чем новая.

Заявка на деталь под постоянной нагрузкой называет силу и время

Полиуретановые буферы и демпферы, опоры и подушки рассчитывают на ползучесть, если они несут вес постоянно. Данные заказчика: постоянная нагрузка на деталь, допустимая осадка за срок службы, температура, срок службы и бывает ли удар. Предположения изготовителя: марка и твёрдость материала, если они не заданы, и закон ползучести для неё.

В КП мы пишем отдельно, на чём основан выбор: например, «полиуретан 80 Shore A принят для постоянной нагрузки 2 кН на опору при +20…+40 °C; ползучесть марки при этой нагрузке не испытывалась, допустимая осадка за срок службы заказчиком не задана». Если осадка критична для узла, первую партию проверяют выдержкой под нагрузкой, и по результату решают, менять ли твёрдость или размер.