Reziduální pnutí termoplastů

7.4.3 Reziduální pnutí termoplastů

Ing. Miloš Sova, CSc.

Vznik reziduální - zbytkové - napjatosti ve výrobcích je obecně nepříznivý jev, mající za následek snížení užitných vlastností výrobků, především zkrácení doby jejich životnosti. Příčiny vzniku primárních zbytkových pnutí a deformací jsou společné a oba jevy spolu úzce souvisí. Deformace výrobku - zborcení jeho tvaru - vzniká vždy na úkor zbytkových pnutí. Nemůže-li se zborcení v některé části výrobku volně realizovat vlivem geometrického tvaru nebo tuhosti, vzniká příslušná napjatost. Na její vznik můžeme snadno usoudit, představíme-li si například, že bychom volné nesymetricky ochlazované stěně při ochlazovaní bránili ve zprohýbání, nebo bychom ji narovnali dodatečně.

Příčiny vzniku zbytkových pnutí lze dělit na technologické, geometrické a materiálové. Výsledná zbytková napjatost je pak výslednicí těchto vlivů. Mezi technologické příčiny patří v první řadě neuniformní disipace tepla ve výrobku, náhlá nehomogenní ochlazování s vysokými gradienty teplot a orientace makromolekulární struktury při zpracování. Mezi materiálové faktory lze řadit např. stupeň krystalinity. Krystalické polymery se obecně smršťují více než amorfní. Čím vyšší je stupeň krystalinity, tím větší je smrštění. Krystalické polymery se navíc smršťují anizotropně, tj. různě ve směrech orientace struktury, a napříč.

V případě stěny ochlazované symetricky od obou povrchů nedochází k jejímu zborcení, avšak v důsledku nehomogenně probíhající objemové kontrakce doprovázené strukturní tuhostí vzniknou při ochlazení reziduální napětí. Nejdříve se ochladí povrchové oblasti, které tak vytvoří určitý tuhý skelet, zatímco vnitřní oblast tvoří tavenina. Jakmile se toto „jádro” ochlazuje, vyvolává svým smrštěním stlačení již tuhých povrchových „vrstev”, protože smrštění jádra se již nemůže volně realizovat v důsledku vazby mezi jádrem a povrchovými vrstvami. Konečným výsledkem je v případech tenkostěnných výrobků prakticky dvouosá napjatost, jejíž charakter je znázorněn na obrázku charakteru zbytkového napětí (a). Při povrchu stěny vzniká biaxiální tlak, ve střední části tah. Stěna je ve stavu mechanické rovnováhy, tj. výsledný vnitřní moment a výsledná membránová síla v průřezech stěny jsou rovny nule. Pokud se tato rovnováha poruší (řezem, odstraněním části stěny nebo jejím jednostranným ohřevem), zdeformuje se stěna tak, aby byla rovnováha obnovena.

Obrázek charakteru zbytkového pnutí:

Analogicky vzniká při vytlačování tenkostěnných trubek a profilů z termoplastů ve stěnách zbytková napjatost, jejíž příklad je znázorněn na obrázku charakteru zbytkového napětí (b). Experimentálně určené hodnoty obvodového napětí odpovídají trubce z PE, ochlazované z vnějšího povrchu. Úroveň zbytkových pnutí může dosahovat relativně značných hodnot a může tak negativně ovlivňovat mechanické vlastnosti trubek, jako pevnost a odolnost proti korozi za napětí. Vlivem orientace materiálu při vytlačování nejsou napěťové profily ve směru obvodovém a osovém shodné v důsledku…