所谓蠕变,就是在一定温度和较小的恒定外力(拉力、压力或扭力等)作用下,材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。图38-1就是描绘这一过程的蠕变曲线, t 1 是加荷时间, t 2 是释荷时间。
图38-1 蠕变曲线
从分子运动和变化的角度来看,蠕变过程包括下面三种形变:当高分子材料受到外力作用时,分子链内部键长和键角立刻发生变化,这种形变量是很小的,称为普弹形变 ε 1 。当分子链通过链段运动逐渐伸展发生的形变,称为高弹形变 ε 2 。如果分子间没有化学交联,线形高分子间会发生相对滑移,称为黏性流动 ε 3 ,这种流动与材料的本体黏度 η 3 有关。在玻璃化温度以下链段运动的松弛时间很长,分子之间的内摩擦阻力很大,主要发生普弹形变。在玻璃化温度以上,主要发生普弹形变和高弹形变。当温度升高到材料的黏流温度以上,上述三种形变都比较显著。由于黏性流动是不能回复的,因此对于线形高聚物来说,当外力除去后会留下一部分不能回复的形变,称为永久形变。
图38-2 线形聚合物的蠕变曲线
图38-2是线形聚合物在玻璃化温度以上的蠕变曲线和回复曲线,曲线图上标出了各部分形变的情况。只要加荷时间比聚合物的松弛时间长得多,则在加荷期间高弹形变已充分发展,达到平衡高弹形变,因而蠕变曲线图的最后部分可以认为是纯粹的黏流形变,这部分形变是不能回复的。
蠕变与温度高低和外力大小有关。温度过低,外力太小,蠕变很小而且很慢,在短时间内不易觉察;温度过高、外力过大,形变发展过快,也感觉不出蠕变现象;只有在适当的外力作用下,通常温度稍高于聚合物的玻璃化转变温度,链段在外力作用下可以运动,但运动时受到的内摩擦力又较大,只能缓慢运动,则可观察到较明显的蠕变现象。