The influence of finite rates of temperature change in the creepT-jump experiment

Summary General equations for nonisothermal creep of a linear viscoelastic solid are presented. Both the time dependent strain and strain rate are predicted for an arbitrary temperature history. The creepT-jump experiment (imposition of a sudden temperature change on a creeping specimen) is analyzed using these equations in order to understand the influence of non-instantaneous temperature changes on the experimental observations. It is shown that an increase in the time required to impose the temperature change causes an increase in the activation energy,H_exp, determined via creepT-jump. This effect is most pronounced for materials with large activation energies. Appropriate extrapolation techniques can be used to obtain the result expected for an instantaneous temperature change. Verification of the theoretical prediction was obtained from isothermal and nonisothermal creep experiments on polymethylmethacrylate in the linear viscoelastic region. The activation energy for a nearly instantaneous temperature change was 43 ± 2 kcal/mol. As the rise time of the temperature change was increased to 600 seconds,H_exp increased to 70 ± 2 kcal/mol. The effects of the rate of temperature change on other aspects of the creepT-jump experiment were also found to be in keeping with the predictions of the nonisothermal linear theory.

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Zusammenfassung Es werden allgemeine Gleichungen für das nichtisotherme Kriechen eines linear-viskoelastischen Festkörpers abgeleitet. Sowohl die zeitabhängige Dehnung als auch die Dehngeschwindigkeit werden für eine beliebige Temperaturvorgeschichte vorausgesagt. Das Kriech-T-Sprung-Experiment, d.h. die Aufbringung einer plötzlichen Temperaturänderung bei einer Kriechprobe, wird mit diesen Gleichungen analysiert, um den Einfluß von kontinuierlichen Temperaturänderungen bei experimentellen Beobachtungen verständlich zu machen. Es wird gezeigt, daß eine Verlängerung der Zeitdauer zur Erzeugung der Temperaturänderung ein Anwachsen der AktivierungsenergieH_exp, verglichen mit derjenigen beim Kriech-T-Sprung, zur Folge hat. Dieser Effekt tritt am ausgeprägtesten bei Stoffen mit großen Aktivierungsenergien auf. Angepaßte Extrapolationsmethoden lassen sich anwenden, um das für eine plötzliche Temperaturänderung erwartete Ergebnis zu erhalten. Die theoretischen Voraussagen wurden mit Hilfe isothermer und nicht-isothermer Kriechexperimente an Polymethylmethacrylat im linearviskoelastischen Bereich verifiziert. Die Aktivierungsenergie für eine nahezu plötzliche Temperaturänderung ergab sich zu 43 ± 2 kcal/mol. Wenn das Zeitintervall für die Temperaturänderung auf 600 Sekunden erhöht wurde, stiegH_exp auf 70 ± 2 kcal/mol. Die Auswirkungen der Temperaturänderungsgeschwindigkeit bezüglich anderer Gesichtspunkte beim Kriech-T-Sprung-Experiment ergeben sich ebenso in Übereinstimmung mit den Voraussagen der nicht-isothermen linearen Theorie.

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With 15 figures