Properties of polymers

3.2. Механические свойства полимеров
 
Механические свойства определяют степень изменения структуры, 
размеров, формы изделия при воздействии на него механических сил. В 
зависимости от величины и продолжительности действия силового поля 
полимеры подвергаются деформации и разрушению. Поэтому различают и 
деформационные, и прочностные свойства. При этом деформационные 
свойства характеризуют способность полимера деформироваться под дей-
ствием механического напряжения. В свою очередь прочностные свойства 
характеризуют способность сопротивляться разрушению. 

---

22 
3.2.1. Деформационные свойства полимеров
 
Под деформацией полимера следует понимать изменение его разме-
ров, объема и формы под влиянием температуры, внешнего механического 
воздействия или внутренних сил. Как правило, деформация сопровождает-
ся изменением структуры полимеров и их свойств. При этом, чем сильнее 
деформация (ε), тем значительнее изменение структуры и свойств. Вели-
чина ε оценивается относительной деформацией, равной отношению абсо-
лютной деформации тела ∆X к размеру образца X до деформации 
X
X



. 
Величина деформирующих сил характеризуется напряжением, т. е. 
силой, приходящейся на единицу площади тела: 
P
S


, 
где P – деформирующая сила, МПа, S – площадь поперечного сечения об-
разца. 
Как известно, деформационные свойства полимеров обычно оцени-
ваются по кривым напряжение-деформация (см. рис.2). 
σ,
М
П
а
ε, %
А
B
С
D
I
II
σ
в
III
Рис. 2. Деформационная кривая стеклообразного полимера 
 
Как видно из рис. 2, начальный участок этой условной диаграммы 
растяжения аморфного полимера почти прямолинеен. Другими словами, 
на первоначальном участке полимер деформируется упруго, и, следова-
тельно, здесь применим закон Гука, т. е. σ~ε. Форма образца полимера 
практически не изменяется. Однако в точке А начинается стадия II, кото-
рая характеризуется сильным растяжением образца полимера при незначи-
тельном росте σ. Кстати, деформацию полимера на этом участке называют 
«холодным течением». 
В точке В напряжение растяжения несколько снижается и образец 
утончается. При этом в образце возникает «шейка» и дальнейшее растяже-

---

23 
ние образца происходит именно за счет удлинения его «шейки». Длина 
«шейки» растет до тех пор, пока не распространится на всю его растяги-
вающуюся часть образца, причем толщина «шейки» на стадии II остается 
постоянной. 
В точке С весь образец переходит в «шейку» и начинается стадия III – 
растяжение. Однако в точке D образец разрушается, при этом напряжение 
возрастает и оно пропорционально величине деформации. 
Таким образом, для стадий I и III характерна небольшая обратимая 
упругая деформация. Деформация, достигнутая на стадии II, сохраняется 
после снятия нагрузки, но она не является истинно пластической. Так, ес-
ли образец с «шейкой» нагреть или подвергнуть набуханию, то «шейка» 
исчезнет и образец примет первоначальную форму. Это свидетельствует о 
том, что ε на стадии II высокоэластическая. 
Однако в отличие от обычной высокоэластической деформации, де-
формация проявляющаяся при Т > Т
с
, называется вынужденной высокоэ-
ластичностью, а напряжение, при котором начинает проявляться дефор-
мация, называется пределом вынужденной высокоэластичности – σ
в
. 
При анализе кривой напряжение – деформация, возникает вопрос о 
механизме образования «шейки» в образце полимера. Действительно, по-
чему она возникает? Причина этого явления состоит в следующем. Упру-
гое деформирование образца полимера (по связям и узлам) сопровождает-
ся увеличением свободного объема. В полимере существуют слабые (де-
фектные) и более прочные участки. При нагружении образца полимера 
дефекты структуры его являются концентратами напряжений, поэтому в 
полимере происходят локальные микроразрывы цепей, приводящие к об-
разованию микротрещин и микропустот размером около 2 ÷ 20 нм, кото-
рые в совокупности способствуют увеличению свободного объема. В свою 
очередь, рост свободного объема обусловливает возможность изменения 
конформации макромолекул под действием напряжения и переход в ори-
ентированное состояние. Таким образом, полимер в зоне Т
с
(температуры 
стеклования) проявляет способность к появлению высокоэластической де-
формации (ВЭД), для которой характерны релаксационные явления. Веро-
ятно, высокие значения напряжения в дефектном участке релаксируют и 
распределяются на другие участки. К тому же релаксации напряжения 
способствуют и микропустоты. 
Итак, релаксационными явлениями можно объяснить некоторое сни-
жение напряжения в точке А (рис. 2). Однако нельзя не учитывать и изме-
нение активационного барьера вращения атомов и их групп вокруг оди-
нарных связей при наложении напряжения. В этом случае приложенное 
напряжение уменьшает потенциальный барьер, ограничивающий сегмен-
тальную подвижность, и увеличивает вместе с тем вероятность движения в 

---

24 
направлении, приложенной силе, другими словами, увеличивает вероят-
ность течения (холодной вытяжке). Уменьшение потенциального барьера 
влечет за собой и ускорение релаксации. 
После перехода полимера в ориентационное состояние (III участок) в 
системе значительно возрастает уровень межмолекулярного взаимодей-
ствия, т. е. растет плотность физической сетки за счет сближения поли-
мерных цепей. 
Предел вынужденной эластичности (σ
в
) снижается с ростом темпера-
туры или с уменьшением скорости деформирования, а величина деформа-
ции растет. При определенной температуре σ
в
достигает значения, при ко-
тором происходит хрупкое разрушение полимера, т.е. σ
в
= σ
хр
. Эту темпе-
ратуру называют температурой хрупкости. 
Как уже упоминалось ранее, свойства полимеров существенно зависят 
от их структуры. В этой связи целесообразно рассмотреть поведение кри-
сталлического полимера в силовом поле. На рис. 3 показана типичная диа-
грамма растяжения кристаллического полимера. 
σ,
М
П
а
ε, %
А
B
С
I
II
III
O