استحکام کششی پلیمر چیست، روشهای اندازهگیری آن کدام است؟
استحکام کششی، توانایی پلیمرها در برابر حداکثر مقدار تنش کششی است که هنگام کشش تحمل میکنند و در آن دچار شکست نمیشوند. این نقطه، زمانی است که ماده از حالت تغییر شکل الاستیک به تغییر شکل پلاستیک انتقال پیدا می کند.
در این مقاله، در رابطه با استحکام کششی پلیمرها و تست کشش پلیمرها و پلاستیک (پلیاتیلن 52518)ها صحبت خواهیم کرد. سپس پارامترهای تست کشش مانند تنش، کرنش، مفهوم تسلیم و شکست را توضیح خواهیم داد. عوامل تأثیرگذار بر استحکام کششی پلیمرها و همچنین استاندارد تست کشش و نحوه محاسبه استحکام کششی را مورد بحث قرار خواهیم داد.
آزمون استحکام کششی در پلیمرها از مهمترین و پرکاربردترین تستهای خواص مکانیکی پلیمرها میباشد و نقش مهمی در انتخاب مواد برای تولید محصولات مختلف پلیمری دارد.
تغییر شکل الاستیک: وقتی تنش اعمال شده به پلاستیک را در تست کشش حذف کنیم، ماده به ابعاد و حالت اولیه خود بر میگردد. در واقع تغییر شکل اعمال شده موقتی است و با حذف تنش از بین میرود.
تغییر شکل پلاستیک: در این نوع تغییر شکل، با حذف تنش اعمالی، ابعاد مواد به حالت اولیه خود بر نمیگردد و تغییر شکل و حالت ایجاد شده برگشتناپذیر است.
انواع استحکام کششی
بهطور کلی استحکام کششی پلیمرها و پلاستیکها بر سه نوع طبقهبندی میشود که در شکل زیر نیز نشان داده شده است:
- استحکام کششی در نقطه تسلیم yield strength: تنشی است که پلیمر میتواند بدون تغییر شکل دائمی آن را تحمل کند و در تست کشش انجام شده در دستگاه تنسایل (کشش یونیورسال) قابل اندازهگیری است.
- استحکام کششی در نقطه شکست breaking or fail: استحکام در نقطهای که پلیمر در آن دچار شکست میشود.
- استحکام نهایی ultimate: حداکثر تنشی است که پلیمر یا ماده میتواند تحمل کند.
همه این پارامترهای تست کشش را میتوان در نمودار تنش کرنش تست استحکام کششی در دستگاه تنسایل (کشش یونیورسال) محاسبه و اندازهگیری کرد.
در واقع در اثر کشش، مواد پلیمری ابتدا به صورت الاستیک تغییر شکل میدهند (وقتی تنش حذف شود به حالت اولیه بر میگردند) سپس با اعمال تنش بیشتر دچار تغییر شکل پلاستیک (پلیاتلین بادی 0035) میشوند و در نهایت دچار شکست میشوند.
تفاوت استحکام کششی در شکست و تسلیم
همانطور که در شکل بالا نیز نشان داده شده است و قبلاً نیز بیان شد، نقطه تسلیم در تست کشش نقطهای است که تا قبل از آن با حذف تنش ماده میتواند بدون تغییر شکل قابل توجهی به حالت اولیه خود برگردد. در حالی که استحکام کششی در شکست تنشی است که در نقطه شکست تحمل کرده است که اکثر مواقع بهعنوان استحکام کششی شناخته میشود.
نقطه تسلیم در نمودار انتهای بازهای است که دیگر نمودار تنش-کرنش از حالت خطی خارج میشود.
وقتی در آزمون کشش (که در ادامه مفصلاً شرح داده میشود)، به جسم نیروی کششی وارد میشود تغییر شکل نمونه نسبت به حالت اولیه را میتوان در دستگاه کشش ثبت کرد.
نموداری که دستگاه کشش (دستگاه تنسایل) ثبت میکند نیروی اعمالی بر حسب جابهجایی ایجاد شده بهصورت لحظهای (یا تنش اعمال شده بر حسب کرنش ایجاد شده) میباشد.
در واقع تنش که از جنس فشار است از تقسیم نیرو بر سطح مؤثر نمونه در آزمون یا تست کشش به دست میآید.
σ (stress) = F/A
و تنش نیز جابجایی نمونه نسبت به حالت اولیه می باشد.
ε (strain) = ΔL/L0; ΔL = L-L0
مفاهیم زیادی در آزمون استحکام کششی پلیمرها وجود دارد. مانند مدول یانگ، مدول الاستیسیته و …
همانطور که در شکل مشخص است، در تست کشش برای پلاستیکهای سخت rigid با افزایش تنش بر ماده، تغییر اندازه یا کرنش خیلی زیاد نیست و با اعمال تنش بسیار بالایی این نوع مواد چندان دچار تغییر شکل نمیشوند. این مواد آنقدر این تنش را تحمل میکنند تا در نقطهای دچار شکست شوند. تغییر شکل آنها به صورت الاستیک میباشد.
در دسته دوم پلاستیک (پلیاتیلن 5110)های منعطف یا چقرمه قرار دارند flexible and ductile، این نوع پلاستیکها (مانند پلیاتیلنها) با اعمال تنش ابتدا در ناحیه تغییر شکل الاستیک هستند تا به نقطه تسلیم برسند. پس از آن که دچار تسلیم شدن با افزایش مقدار کمی تنش دچار تغیر اندازه و کرنش زیادی میشوند تا به نقطه شکست در تست کشش برسند.
در دسته سوم مواد پلیمری الاستومری هستند که تقریباً بهصورت کامل در تغییر شکل الاستیک هستند و نمودار تنش کرنش استحکام کششی آنها خطی میباشد و با اعمال تنش دچار تغیر اندازه شده تا به شکست و پارگی برسند.
پارامترهای تأثیرگذار بر روی استحکام کششی
پارامترهای زیادی میتوانند بر استحکام کششی یک پلیمر تأثیرگذار باشد که مهمترین آنها عبارتند از:
- وزن مولکولی: استحکام کششی پلیمرها (هایمپک 7240) با افزایش وزن مولکولی آنها افزایش مییابد. البته این افزایش با رسیدن وزن مولکولی به مقدار خاصی اشباع شده و پس از آن دیگر افزایش را مشاهده نمیشود.
– در وزن مولکولی پایین، زنجیرههای پلیمری توسط میروهای ضعیف واندروالس پیوند خوردهاند و گرهخوردگیها نیز بسیار کم میباشد. در نتیجه زنجیرهها میتوانند بهراحتی حرکت کنند و میتواند عاملی برای پایین آوردن استحکام کششی باشد.
– در وزن مولکولی بالا نیز، زنجیرههای پلیمری بزرگتر شده و گرهخوردگیها و در نتیجه استحکام بالاتر میرود.
- پیوند عرضی: پیوندهای عرضی سبب محدود شدن حرکت زنجیره میشود و استحکام را افزایش میدهد.
- کریستالی یا بلوری بودن: فاز کریستالی پلیمر (کریستال 1540) استحکام را افزایش میدهد. زیرا پیوندهای درون مولکولی قوی تر و بیشتر هستند و بنابراین تغییر شکل پلیمر سختتر خواهد بود.
روش آزمون و اندازهگیری استحکام کششی پلاستیکها
روش کار مطابق استاندارد ملی 1-6621 الی 3-6621، ISO 527-1 ,3 یا ASTM D638 میباشد.
اندازهگیری خواص کششی “پلاستیکهای قالبگیری شده و اکسترود شده”
- اگر نمونهها بهصورت قالبگیری شده یا اکسترود شده تهیه شده باشند، از استاندارد ملی 2-6621 و ISO 527-2 استفاده میکنیم.
- آزمونهها میتواند یکی از 2 شکل زیر باشد. 1A یا 1B
- نوع 1A که در جدول زیر ابعاد آن داده شده است زمانی در تست کشش به کار میرود مستقیماً همین شکل آزمونه با همین ابعاد تزریق (پلیاتیلن 62N07) شود و هیچگونه ماشینکاری روی آن انجام نشود. پس اگر میخواهید مواد خود را مستقیماً برای آزمون استحکام کششی تزریق کنید از آزمونه شکل 1A استفاده کنید.
- از آزمونه نوع 1B برای مواردی که میخواهید با ماشینکاری از نمونه یا ورق آزمونه تهیه کنید. بهطور کلی روش تزریق مستقیم و آزمونه نوع 1A توصیه میگردد.
- حداقل 5 آزمونه را مورد آزمون قرار دهید.
دستگاه تنسایل یا کشش دارای 2 فک یا گیره است که این فکها میتواند بسته به نوع آزمونه و جنس آن تغییر کند. فک پایین دستگاه ثابت است و وظیفه آن محکم نگه داشتن آزمونه است. فک بالایی دستگاه علاوه بر گرفتن نمونه در خود، با حرکت به سمت بالا باعث کشیده شدن نمونه و اعمال تنش کششی به آن می شود.
آزمونهها باید در داخل این فکها کاملاً محکم شوند.
فاصله بین دو فک در ابتدای آزمون (مکانی از آزمونه که باید فکها آنجا بسته شوند) بر روی هر یک از آزمونها در جدول مشخص شدهاند.
پس از بستن آزمونهها و محکم کردن آنها و انجام تنظیمات روی نرمافزار دستگاه تنسایل، به دستگاه فرمان داده میشود تا با سرعت مشخصی (بر حسب میلیمتر بر دقیقه) که مقدار آن بسته به استاندارد ویژگی محصول میتواند متفاوت باشد نمونه را تحت تنش کششی قرار دهند. نمونه آنقدر کشیده میشود تا دچار شکست شود. نرمافزار دستگاه که قبلاً ابعاد کامل نمونه نیز در آن وارد شده است قادر است استحکام کششی در شکست و تسلیم و کرنش (ازدیاد طول) در این نقاط را مطابق تعاریف گفته شده در قسمتهای بالا محاسبه کند.
دیدگاهتان را بنویسید