پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی-بخش دوم

در ادامه بحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعات پلاستیکی به بخش دوم پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

بخش دوم

هنگامی که یک طراح با یک تامین کننده مواد مشورت می کند، یا از پایگاه داده تامین کننده مواد استفاده می کند، به احتمال زیاد به گروهی از گرید های مواد ارائه شده توسط آن تامین کننده خاص محدود می شود.

معمولاً طراحان با توزیع کنندگان موادی کار می کنند که طیف وسیع تری از مواد را برای انتخاب ارائه می دهند. در حالی که تعداد گریدها محدود است، کیفیت و کمیت داده‌های موجود که مستقیماً توسط تأمین‌کننده مواد ارائه می شود، عالی می باشد (این داده‌ها همچنین به عنوان منبع داده‌ها برای پایگاه‌های داده جهانی عمل می‌کنند، که اغلب تنها بخشی از داده‌ها را گزارش می‌کنند که می‌تواند به طور مستقیم از تامین کننده دریافت می شود).

پایگاه های داده نیز می توانند اطلاعات بیشتری را در رابطه با پردازش و طراحی ارائه دهند. به طور کلی بهتر است با چندین تامین کننده مواد کار کنید (یا از چندین پایگاه داده استفاده کنید) تا طیف وسیع تری از مواد را پوشش دهید.

با این حال، از آنجایی که تامین کنندگان مواد تمایل دارند از فرمت های داده منحصر به فرد استفاده کنند و روش های آزمایش/روش های آماده سازی نمونه ناسازگار هستند، مقایسه مستقیم داده های به دست آمده از تامین کنندگان مختلف اغلب نامناسب است.

همچنین در اینجا باید توجه داشت که جداول داده‌های دارایی تامین‌کنندگان مواد اغلب دارای یک سلب مسئولیت هستند که نشان می‌دهد داده‌های فهرست‌شده برای مقادیر خواص مواد معمولی هستند، به عنوان مشخصات دقیق تلقی نمی‌شوند» ، یا مقادیر تقریبی می باشند و بخشی از مشخصات خواص محصول نیستند، زیرا عوامل مرتبط با پردازش بسیار مهم هستند و خارج از کنترل آنها هستند.

پایگاه‌های اطلاعاتی مواد پلاستیکی جهانی جایگزینی برای پایگاه‌های اطلاعاتی تامین‌کنندگان برای انتخاب مواد اولیه ارائه می‌کنند. این پایگاه های داده جهانی داده های موجود را از انواع تامین کنندگان مواد مختلف جمع آوری می کند.

پایگاه‌های اطلاعاتی رایانه‌ای می‌توانند از میان 30000 ورودی مواد داوطلب، مواد مناسب را جستجو کنند. این قالب همچنین تمایل دارد مقایسه مواد رقابتی عرضه شده توسط تولیدکنندگان مختلف را ساده کند.

همانطور که قبلا ذکر شد، مقایسه مستقیم و بدون صلاحیت داده های خواص مواد از تامین کنندگان مواد مختلف (یا بین پایگاه های داده) به دلیل عدم یکنواختی داده ها و استانداردسازی همیشه امکان پذیر نیست.

در واقع، ویژگی‌های فهرست‌شده در پایگاه داده، ویژگی‌های خواص ماده نیستند، بلکه به‌طور مناسب‌تر به عنوان ویژگی‌های قطعه قالب‌گیری شده توصیف می‌شوند.

در حالی که روش‌های آزمایشی که برای تولید داده‌های آزمایش استفاده می‌شوند، به خوبی استاندارد شده‌اند (برای یک آزمون معین)، متغیرهای مرتبط با آماده‌سازی نمونه آزمایشی استاندارد نیستند. به عنوان مثال، نمونه های تهیه شده توسط فرآیند قالب گیری فشرده نتایج متفاوتی نسبت به نمونه های تولید شده توسط فرآیند قالب گیری تزریقی به همراه خواهند داشت.

متغیرهای پردازش مانند دمای مذاب، زمان ماند، میزان رطوبت، دمای ابزار، سرعت تزریق، فشار بسته‌بندی و موارد مشابه، همگی می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی بر خواص نمونه‌های آزمایشی قالب‌گیری شده داشته باشند.

سایر متغیرهای نمونه آزمایشی مانند ضخامت نمونه، نوع/محل دروازه، و هندسه رانر به همان اندازه مهم هستند. از آنجایی که در بیشتر موارد، روش‌های آزمایش استاندارد این متغیرها را به طور کامل مشخص نمی‌کنند، نمونه‌های آزمایشی می‌توانند درجات مختلفی از جهت‌گیری مولکولی/الیاف، توزیع تنش در حالت خنک‌ شدن و مناطق بلورینگی (برای پلیمرهای نیمه بلوری) داشته باشند. بنابراین، مجموعه داده‌های ویژگی (پروفایل‌های ویژگی) به‌دست‌آمده با مجموعه‌های مختلف نمونه‌های آزمایشی لزوماً قابل مقایسه نیستند.

پایگاه‌های اطلاعاتی تامین‌کنندگان مواد معمولاً 30 تا 40 ویژگی مختلف مواد (بیشتر بر اساس روش‌های تست استاندارد ASTM یا ISO) و توضیحات گرید (افزودنی‌های اصلی، تأیید نمایندگی، ویژگی‌های پردازش و غیره) را فهرست می‌کنند.

با این حال، پایگاه های داده مختلف تمایل دارند مجموعه های مختلفی از خواص را برای مواد مختلف فهرست کنند. به عنوان مثال، تخمین زده می شود که بیش از 30 روش مختلف برای به دست آوردن مقاومت ضربه ای یک ماده پلاستیکی وجود دارد.

نمایه‌های داده‌ها گاهی بر اساس روش‌های آزمون متناقض هستند و در نتیجه، مقادیر ویژگی‌های مواد مستقیماً قابل مقایسه نیستند. در برخی موارد، پروفایل های داده برای یک ماده معین نیز ناقص هستند.

استفاده از اطلاعات نشان داده شده در بالا برای استفاده در طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک ضروری می باشد.

خواص جریان ذوب مواد پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک به بحث خواص جریان ذوب مواد پلاسی پرداخته شده است.

خواص جریان یک پلیمر تحت تأثیر متغیرهای مرتبط با فرآیند یا آزمایش مانند دما، فشار و نرخ برش و همچنین متغیرهای ماده مانند وزن مولکولی، توزیع وزن مولکولی، ساختار و افزودنی‌ها قرار دارد. برای اندازه‌گیری خواص جریان حجمی یک پلیمر، آزمایش‌های مختلفی استفاده می‌شود که آزمایش نرخ جریان ذوب (یا شاخص ذوب در مورد پلی‌اتیلن) رایج‌ترین آن‌ها است.

این آزمایش به ویژه مهم است زیرا بیشتر درجات مواد پلاستیکی حداقل تا حدودی بر اساس مقدار نرخ جریان ذوب (MFR) مشخص می‌شوند. نتایج آزمایش نرخ جریان ذوب، نشانه‌ای تقریبی از وزن مولکولی متوسط یک پلیمر (در یک خانواده خاص) ارائه می‌دهد. MFRها به طور معکوس با وزن مولکولی متوسط مرتبط هستند. مقادیر بالای نرخ جریان ذوب نشان‌دهنده میانگین وزن مولکولی پایین است، در حالی که مقادیر پایین نرخ جریان ذوب نشان‌دهنده میانگین وزن مولکولی بالا هستند.

مقدار نرخ جریان ذوب خود با استفاده از پلاستومتر اکستروژن تعیین می‌شود. پس از بارگذاری گلوله‌های پلاستیکی و پیش‌گرم کردن برای مدت زمان مشخص، نرخ جریان (به واحد g/10 min) تحت شرایط خاص دما و بار اندازه‌گیری می‌شود.

پلیمرهایی که مقادیر MFR پایینی دارند تمایل به سخت‌تر بودن، مقاومت حرارتی بهتری دارند و به طور کلی خواص بهتری نسبت به گریدهای با MFR بالاتر (یعنی وزن مولکولی متوسط پایین‌تر) ارائه می‌دهند.

با این حال، گریدهای  با MFR بالاتر معمولاً پردازش آسان‌تری دارند و خواصی که کمتر تحت تأثیر منفی فرآیند قرار می‌گیرند.

قالب‌گیری‌های تولید شده با پلیمرهای گرید MFR بالاتر نسبت به آن‌هایی که با درجات ویسکوزتر تولید می‌شوند، تمایل دارند ایزوتروپیک‌تر باشند (به دلیل کمتر بودن جهت‌گیری و غیره). این موضوع اغلب عاملی پیچیده برای انتخاب گرید ماده است.

شکل 1 از یک پلاستومتر اکستروژن برای ارزیابی نرخ جریان ذوب (MFR) یک ذوب پلاستیکی استفاده می‌شود.

در حالی که MFR نشانه‌ای تقریبی از قابلیت پردازش یک پلیمر ارائه می‌دهد، این یک آزمایش نقطه‌ای (برای روش استاندارد) است و بنابراین رفتار کامل جریان ویسکوز پلیمرها را توصیف نمی‌کند. در واقع، نرخ‌های جریان (یا نرخ‌های برش) مرتبط با آزمایش MFR به طور قابل توجهی از نرخ‌های مرتبط با پر کردن قالب پایین‌تر است.

فرض کنید ماده‌ای با MFR برابر با  دقیقه of 6.0 g/10 وجود دارد. در طول آزمایش، مجموع 6.0 گرم ماده از یک روزنه که هندسه‌ای مشابه با دروازه قالب‌گیری تزریقی دارد (به عنوان مثال، دروازه پین در یک قالب سه صفحه‌ای) عبور می‌کند. در طول قالب‌گیری تزریقی، احتمالاً حجم مشابهی از ماده در عرض چند ثانیه (به جای چند دقیقه) از دروازه عبور می‌کند.

این اختلاف در مقیاس‌های زمانی، بسیار قابل توجه است زیرا بیشتر ذوب‌های پلاستیکی به شدت شبه‌پلاستیک هستند (یعنی با افزایش نرخ برش، ویسکوزیته کاهش می‌یابد). ممکن است دو گرید پلیمر دارای مقادیر MFR مشابه باشند، اما ویسکوزیته ذوب بسیار متفاوتی در نرخ‌های برش مرتبط با قالب‌گیری تزریقی داشته باشند.

برای توصیف کامل رفتار جریان برشی یک ذوب پلیمر، باید آزمایش‌ها در نرخ‌های برش، دماها و فشارهای مختلف انجام شود. این کار به راحتی و به طور معمول با استفاده از رئومتر موئینه انجام می‌شود.

شکل 2 نرخ جریان ذوب به طور کافی خواص جریان یک پلیمر را تعریف نمی‌کند زیرا این یک آزمایش نقطه‌ای با نرخ برش پایین است.

بررسی و همچنین تعیین نرخ جریان ذوب برای گریدهای مختلف پلاستیک موضوع بسیار مهمی می باشد که می بایست در طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک در نظر گرفته شود.

 دمای انحراف تحت بار و دمای ویکات مواد پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک به بررسی دمای انحراف تحت بار و دمای ویکات در مواد پلاستیکی پرداخته خواهد شد.

تعدادی از آزمایش‌های استاندارد کوتاه‌مدت وجود دارند که به طور معمول برای نشان دادن قابلیت‌های دما بالا در مواد پلاستیکی استفاده می‌شوند. رایج‌ترین آزمایش، آزمایش دمای انحراف تحت بار (DTUL) نامیده می‌شود.

این آزمایش معمولاً به عنوان آزمایش دمای اعوجاج حرارتی (HDT) نیز شناخته می‌شود. آزمایش DTUL یک اندازه‌گیری تقریبی از دمایی است که در آن یک نمونه شبیه تیر در معرض خمش سه نقطه‌ای، به اندازه فاصله ثابتی تحت بار مشخصی (معمولاً تنش الیاف خارجی 1.82 مگاپاسکال) انحراف پیدا می کند.

برای مواد آمورف، مقدار DTUL معمولاً نزدیک به دمای انتقال شیشه‌ای پلیمر است. برای پلیمرهای نیمه‌بلوری، مقدار DTUL هیچ ارتباطی با انتقال شیشه‌ای ندارد. آزمایش DTUL یک اندازه‌گیری از دمایی است که در آن یک پلیمر به مقدار مشخصی از مدول خمشی (971 مگاپاسکال در حالی که تنش الیاف خارجی 1.82 مگاپاسکال می باشد) می‌رسد، اما هیچ نشانه‌ای از شکل منحنی مدول-دمای پلیمر ارائه نمی‌دهد (یعنی این یک آزمایش کوتاه‌مدت و نقطه‌ای است).

بنابراین، آزمایش DTUL تنها برای غربالگری اولیه مواد مناسب است و نباید برای انتخاب نهایی مواد و طراحی مورد استفاده قرار گیرد .

یک نوع از آزمایش DTUL، آزمایش دمای نرم شدن ویکات است. بر خلاف پیکربندی آزمایش خمشی مرتبط با آزمایش DTUL، آزمایش دمای ویکات (دستگاه نشان داده شده در شکل ۱) اندازه‌گیری از دمایی را ارائه می‌دهد که در آن یک پین صاف با بار کم به فاصله ثابتی در یک نمونه آزمایشی نفوذ می‌کند.

هدف این آزمایش ارائه یک نشانه نسبی از توانایی یک ماده برای تحمل تماس کوتاه‌مدت با یک جسم گرم است . این آزمایش همچنین به طور معمول برای اهداف طراحی فرآیند (شبیه‌سازی‌های قالب‌گیری) به عنوان معیاری از حداقل دمایی که یک قطعه قالب‌گیری تزریقی می‌تواند از قالب خارج شود، استفاده می‌شود.

احتمالاً پین‌های خروجی، آستین‌ها و غیره ممکن است قطعات را آسیب بزنند اگر قطعات در دماهای بالاتر از دمای ویکات خارج شوند. مقادیر دماهای ویکات و DTUL همچنین می‌توانند به عنوان یک اندازه‌گیری تقریبی از مقاومت ذاتی یک ترموپلاستیک در برابر اعوجاج یا تاب‌برداری در دماهای بالا استفاده شوند. این مقادیر تنها به عنوان راهنما مفید هستند زیرا تمایل به تاب‌برداری تحت تأثیر عواملی مانند درجه جهت‌گیری، تنش باقی‌مانده، بارها و هندسه قطعه قرار دارد .

در طراحی قطعات پلاستیکی و همچنین طراحی قالب تزریق پلاستیک بررسی این دو موضوع بسیار مهم می باشد.

ضریب انبساط حرارتی خطی

مانند اکثر مواد دیگر، مواد پلاستیکی هنگام گرم شدن منبسط و هنگام سرد شدن منقبض می‌شوند (یعنی دارای ضریب انبساط حرارتی مثبت هستند).

در مقایسه با بسیاری از مواد دیگر، مواد پلاستیکی دارای ضریب‌های انبساط حرارتی نسبتاً بالایی هستند؛ با این حال، مقادیر به طور قابل توجهی از پلیمر به پلیمر دیگر متفاوت است. تغییر حجمی مرتبط با یک تغییر مشخص در دما (یا فشار) می‌تواند با استفاده از منحنی‌های فشار-حجم-دما توصیف شود. با این حال، برای اهداف طراحی قطعه، ضریب انبساط حرارتی خطی (CLTE) بیشترین کاربرد را دارد.

مقادیر CLTE بیشتر به طور مستقیم اندازه‌گیری می‌شوند (به جای استخراج از داده‌های فشار-حجم-دما)، زیرا قطعات پلاستیکی قالب‌گیری شده ممکن است رفتار ایزوتروپیک نداشته باشند. CLTE به عنوان نسبت تغییر در ابعاد خطی به ابعاد اولیه در هر واحد درجه تغییر دما تعریف می‌شود.

CLTE واحدهایی به صورت 1/°C (1/°F) or cm/cm/°C (in/in/°F) دارد. واحدهای اخیر ترجیح داده می‌شوند زیرا به طور ضمنی نشان می‌دهند که مقدار بیانگر CTE خطی است نه CTE سطحی یا حجمی. مقدار CLTE برای مواد پلیمری قالب‌گیری شده می‌تواند به طور قابل توجهی بین جهت جریان و جهت عرضی تغییر کند، به ویژه برای گریدهای پلیمر تقویت شده با الیاف. الیاف جهت‌دار تغییرات ابعادی را در جهت جریان محدود می‌کنند (به عنوان مثال، الیاف شیشه‌ای دارای مقادیر CLTE بسیار پایینی هستند)، در حالی که مقادیر CLTE عرضی ممکن است بزرگتر شوند زیرا یک تغییر حجمی مشخص باید رخ دهد.

علاوه بر این، مقادیر CLTE با دما تغییر می‌کنند و تنها در یک محدوده دمای کوچک می‌توانند به عنوان ثابت در نظر گرفته شوند. تغییرات قابل توجه (افزایش) در مقدار CLTE زمانی رخ می‌دهد که دما به نزدیک انتقال‌های حرارتی مانند Tg یا Tm نزدیک شود. این موضوع برای پلیمرهای نیمه‌بلوری که معمولاً در دماهایی که شامل دمای انتقال شیشه‌ای آنها می‌شود، استفاده می‌شوند، نگرانی خاصی است.

شکل ۱ پیکربندی‌ها و دستگاه‌های آزمایش مرتبط با آزمایش دمای انحراف تحت بار (DTUL) و آزمایش دمای نرم شدن ویکات.

مقادیر معمول ضریب انبساط حرارتی خطی برای انواع مختلف مواد در جدول 3.2 ارائه شده است. هنگام طراحی قطعاتی که بخشی از یک مجموعه بزرگتر هستند، بهتر است از موادی استفاده شود که دارای مقادیر CLTE مشابهی باشند (یعنی از عدم تطابق CLTE اجتناب شود). این موضوع می‌تواند زمانی دشوار باشد که قطعات شامل هر دو عنصر فلزی و پلاستیکی باشند، زیرا CUE مواد پلاستیکی ممکن است به طور قابل توجهی بیشتر از فولاد باشد. در بسیاری از موارد، خود اتصالات مشکلاتی را ایجاد می‌کنند زیرا معمولاً از فولاد تولید می‌شوند. طراحی‌های قطعه‌ای که برای کاربردهایی با عدم تطابق CLTE توسعه یافته‌اند، باید ویژگی‌هایی مانند سوراخ‌ها یا شیارهای آزاد را در نظر بگیرند تا تغییرات ابعادی را در سراسر محدوده دما مرتبط با کاربرد نهایی جبران کنند. طراحی قالب تزریق پلاستیک بدون در نظر گرفتن ضریب انبساط حرارتی مواد پلاستیکی تقریبا غیر ممکن می باشد.

مقادیر ضرایب انبساط خطی برای مواد مختلف

^∗ Typical glass fiber reinforced grade.

^∗∗ Highest CTE value for cross flow direction.

رفتار مکانیکی-حرارتی مواد پلاستیکی (بخش دوم)

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعات پلاستیکی، به بخش دوم بررسی رفتار مکانیکی-حرارتی مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

شکل 1 منحنی های مدول-دما برای پلیمرهای آمورف و نیمه کریستالی

رفتار مدول-دمای یک پلیمر نیمه کریستالی مانند نایلون، استال یا پلی پروپیلن، بسیار متفاوت از رفتار یک پلیمر آمورف مانند پلی استایرن است (شکل 1 را ببینید).

برخلاف پلیمرهای آمورف، پلیمرهای نیمه کریستالی دارای دمای ذوب واقعی، Tm، (یا محدوده دمای مذاب) هستند که با تغییر فاز از کریستال جامد به مذاب آمورف مرتبط است. در اینجا باید توجه داشت که پلیمرهای نیمه کریستالی فقط تا حدی کریستالی هستند و هر دو ناحیه آمورف و کریستالی را نشان می دهند.

نواحی کریستالی پلیمر تا دمای ذوب نسبتاً صلب باقی می‌مانند، در حالی که نواحی آمورف پلیمر تا Tg صلب باقی می‌مانند. بسیاری از پلیمرهای کریستالی دارای مقادیر Tg هستند که کمتر از دمای اتاق است و دمای مذاب بسیار بالاتر از دمای اتاق است.

به عنوان مثال پلی اتیلن با چگالی بالا دارای Tg کمتر از منفی 60 درجه سانتیگراد و Tm  137  درجه سانتیگراد است. این ماده در دماهای بالاتر از این مقدار Tg بسیار پایین، چقرمه باقی می‌ماند و به پلی اتیلن خواص ضربه‌ای بسیار خوب در دمای پایین، اما مقاومت خزشی بسیار ضعیف در دماهای بالاتر از Tg را می‌دهد. پلیمرهای نیمه کریستالی که درجات بالایی از تبلور را از خود نشان می دهند در دماهای نزدیک به Tm نسبتاً سفت و سخت باقی می مانند و به همین ترتیب در محدوده دمایی نسبتاً بزرگ مفید می مانند. افزودن پرکننده‌ها یا تقویت‌کننده‌ها به یک پلیمر مدول ماده را در دمای معین افزایش می‌دهد، اما مقدار دمای مربوط به انتقال حرارتی (مانند Tg یا Tm) را تغییر نمی‌دهد.

از بسیاری جهات اثرات دما بر عملکرد مکانیکی یک ماده پلاستیکی مشابه زمان است. از نظر کیفی، زمان‌های کوتاه (یا نرخ کرنش بالا) با دمای پایین مطابقت دارد، در حالی که زمان‌های طولانی‌تر (نرخ کرنش پایین) با دمای بالاتر مطابقت دارد.

منحنی تنش-کرنش کوتاه مدت نشان داده شده در شکل 2 (تولید شده در دماهای مختلف) مشابه منحنی تنش-کرنش نشان داده شده در قبل است که در نرخ های کرنش متفاوت ایجاد شده است. در دماهای پایین تر یا نرخ کرنش بالاتر، پلیمر سفت تر و شکننده تر به نظر می رسد، در حالی که در نرخ کرنش کمتر یا دماهای بالاتر، پلیمر به نظر انعطاف پذیرتر می رسد. این رابطه زمان و دما را می توان به صورت کمی برای تخمین رفتار طولانی مدت (رفتار خزش یا آرامش تنش) پلیمرهای آمورف خطی با آزمایش (آزمایش خزش یا آرامش تنش) در دماهای بالا برای دوره های زمانی نسبتاً کوتاه استفاده کرد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 2 رفتار تنش-کرنش کوتاه مدت در دماهای مختلف. در دماهای بالاتر، پلیمرها نرم تر و انعطاف پذیرتر می شوند

مفهومی که به عنوان اصل برهم نهی دما-زمان شناخته می شود برای تخمین رفتار مکانیکی بلندمدت با آزمایش در یک دوره زمانی نسبتاً کوتاه (معمولاً ساعت) در دماهای مختلف استفاده می شود. در شکل 3، داده های تولید شده در دمای 25 درجه سانتی گراد به عنوان داده های مرجع و دما استفاده می شود. داده های تولید شده در دمای بالاتر (یا گاهی اوقات پایین تر) در امتداد محور زمان جابجا می شوند تا مدول اصلی در مقابل منحنی زمان در 25 درجه سانتی گراد ایجاد شود. این تکنیک می تواند تخمینی از رفتار بلند مدت پلیمرهای آمورف خطی ارائه دهد. با این حال، داده های واقعی خزش طولانی مدت یا آرامش استرس مطمئنا قابل اعتمادتر هستند.

شکل 3 رفتار مکانیکی بلندمدت پلیمرهای آمورف خطی را می توان از داده های آزمون خواص مکانیکی دمای بالا و کوتاه مدت با استفاده از تکنیک هایی مانند برهم نهی دما-زمان تخمین زد.

در نظر گرفتن رفتار مکانیکی-جرارتی مواد پلاستیکی در طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک بسیار مهم می باشد. این موضوع بر طراحی قطعات پلاستیکی نیز تاثیر مهمی دارد.

بررسی خستگی مواد پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و انواع قالب تزریق پلاستیک به موضوع خستگی مواد پلاستیکی پرداخته می شود که موضوع بسیار مهمی در طراحی و ساخت می باشد.

خصوصیات خستگی یک ماده در طراحی قطعاتی که تحت بارگذاری تکراری یا سیکلی قرار دارند، ضروری است. قطعاتی مانند دنده‌ها، اعضای قفل شونده، یا سایر اجزایی که تحت تنش (یا کرنش) دوره‌ای قرار دارند، در مقادیر تنش (یا کرنش) پایین‌تر از مقادیر مربوط به بارگذاری یک‌باره، دچار شکست خواهند شد.

به عنوان مثال، قطعاتی که تحت بارگذاری سیکلی خستگی قرار دارند، می‌توانند با گذشت زمان دچار میکروترک‌ها یا سایر نقص‌های شیمیایی/فیزیکی شوند که منجر به کاهش کلی استحکام ماده و در نهایت شکست آن می‌شود.

آزمایش‌های خستگی معمولاً با قرار دادن یک نمونه آزمایشی قالب‌گیری شده تحت تنش متناوب بین مقادیر مثبت و منفی برابر، یا بین صفر و یک مقدار مثبت یا منفی حداکثر انجام می‌شود.

آزمایش‌ها معمولاً در حالت خمشی، پیچشی یا کششی با فرکانس، دما و دامنه بارگذاری ثابت انجام می‌شوند. تنشی که در آن یک ماده در اثر خستگی دچار شکست می‌شود با افزایش تعداد سیکل ها کاهش می‌یابد.

با بسیاری از مواد، یک حد تحمل خستگی به دست می‌آید که نشان می‌دهد یک مقدار تنش وجود دارد که زیر آن شکست خستگی بعید است، صرف نظر از تعداد سیکل ها، همانطور که در منحنی S–N (تنش در مقابل تعداد چرخه‌ها) نشان داده شده است.

زیرا مواد پلاستیکی ویسکوالاستیک هستند (و به شدت به دما حساس‌اند)، خواص خستگی به طور قابل توجهی تحت تأثیر فرکانس آزمایش، دامنه، هندسه نمونه و دما قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، در فرکانس‌ها یا دامنه‌های بالاتر، قطعات پلاستیکی تمایل دارند داغ‌تر شوند و زودتر دچار شکست شوند.

طراحی با دیواره‌های نازک و مواد رسانای گرما و مقاوم در برابر خستگی معمولاً برای کاربردهای نوع بارگذاری سیکلی توصیه می‌شود تا انتقال حرارت به حداکثر برسد. نتایج آزمایش‌های خستگی نشان‌دهنده توانایی نسبی یک ماده پلاستیکی برای تحمل بارگذاری خستگی هستند.

با این حال، برای اهداف طراحی، آزمایش‌ها باید با استفاده از نمونه‌های قالب‌گیری تزریقی (برای در نظر گرفتن تنش‌های باقیمانده) در شرایطی (فرکانس، دما و غیره) که نمایانگر شرایط مربوط به کاربرد نهایی هستند، انجام شوند.

منحنی های خستگی (S-N) برای چندین پلیمر تقویت شده با الیاف

این منحنی ها خستگی در طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک به صورت ویژه ای مورد استفاده قرار می گیرند، به ویژه زمانی که کاربرد قطعه پلاستیکی خاص باشد.