بررسی ضریب پواسون مواد پلاستیکی

در ادامه بحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک به مبحث ضریب پواسون در مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

نسبت پواسون:

هنگامی که قطعه پلاستیکی (‏یا نمونه آزمایش)‏ در معرض تنش‌های کششی یا فشاری قرار می‌گیرد، هم در امتداد محور بارگذاری (‏تغییر شکل طولی)‏ و هم عمود بر محور بارگذاری (‏تغییر شکل جانبی) ‏تغییر شکل می‌دهد.

نسبت پواسون به صورت نسبت کرنش جانبی به کرنش طولی در محدوده الاستیسیته تعریف می‌شود. علامت منفی نشان می‌دهد که کرنش‌های جانبی در جهت مخالف کرنش‌های طولی هستند. به عنوان مثال، هنگامی که یک قسمت در جهت طولی، کشیده می‌شود، عرض و ضخامت (‏جهت جانبی)‏ آن منقبض می‌شوند (‏شکل پایین)‏. ​

اکثر مواد معمولی دارای مقادیر نسبت پواسون هستند که بین ۰.۰ و ۰.۵ قرار دارند. همچنین برخی مواد منحصر به فرد وجود دارند که به طور جانبی تحت تنش کششی گسترش می‌یابند.

ماده‌ای که دارای مقدار نسبت پواسون ۰ باشد، وقتی تحت کشش (‏یا انبساط جانبی هنگام فشرده شدن)‏باشد، هیچ انقباض جانبی از خود نشان نخواهد داد.

ماده‌ای با نسبت پواسون ۰.۵ مقدار انقباض جانبی (‏به دلیل تنش کششی طولی)‏ را نشان می‌دهد که منجر به حجم و چگالی ثابت می‌شود.

هر ماده‌ای با نسبت پواسون بین ۰.۰ و ۰.۵ تغییرات حجم و چگالی را در هنگام تحت تنش قرار گرفتن نشان می‌دهد.

مقدار نسبت پواسون برای یک ماده معین را می توان به طور مستقیم از آزمایش کشش یا فشار تک محوری (‏با استفاده از انبساط‌سنج‌های جانبی و طولی)‏ تعیین کرد و یا اگر مقادیر مدول الاستیک و برشی مشخص باشند، می توان آن را محاسبه کرد.

نسبت پواسون معیاری از نسبت مقادیر کرنش جانبی به طولی برای یک ماده می‌باشد. این مقدار در انواع معادلات طراحی و برای تبدیل بین مدول برشی ماده و مدول کششی / فشاری استفاده می‌شود. ​

مقادیر معمول نسبت پواسون

​​​​​

همانند مقادیر مدول الاستیک و برشی، نسبت پواسون با متغیرهایی مانند دما، کرنش یا سطح تنش و نرخ کرنش تغییر می‌کند. ​

مقادیر نسبت پوآسون برای ارتباط دادن مقادیر مدول الاستیک و برشی استفاده می‌شوند و برای بسیاری از محاسبات طراحی سازه مورد نیاز هستند. ​

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات مشاوره در زمینه طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک به صنعتگران عزیز می باشد.

منحنی تنش-کرنش مواد پلاستیکی: بخش دوم

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات و قالب های تزریق پلاستیک به بخش دوم موضوع منحنی تنش-کرنش مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

 تنش پروف یا تسلیم:

تنش پروف گاهی برای مواد پلاستیکی که به تدریج تسلیم می شوند یا کرنش های تسلیم بسیار بالایی نشان می دهند، استفاده می شود. تنش پروف با ساختن یک خط موازی با بخش خطی منحنی تنش-کرنش، در یک فاصله (آفست) کرنش مشخص تعیین می‌شود. تنش در نقطه تلاقی خط ساخته شده و منحنی تنش-کرنش، تنش پروف یا تسلیم در آن آفست کرنش خاص است.

 تنش و کرنش واقعی:

در بیشتر موارد، مقادیر تنش به عنوان تنش های مهندسی توصیف می شوند و از بار اعمال شده و سطح مقطع اولیه تعیین می شوند. هنگامی که مواد تحت بارگذاری فشاری، برشی یا کششی قرار می گیرند، سطح مقطع آنها تغییر می کند (به ویژه در کرنش های زیاد). مقادیر تنش واقعی با تقسیم بار اعمال شده بر سطح مقطع لحظه ای در حین پیشرفت آزمایش تعیین می شود. تقریباً در همه موارد، مقادیر تنش و کرنش مهندسی گزارش شده و در عمل استفاده می شود.

 مدول الاستیک (یانگ):

اصطلاح مدول الاستیک، E، به عنوان شیب منحنی تنش-کرنش برای یک ماده الاستیک (یعنی ماده ای که رفتار تنش-کرنش خطی نشان می دهد) تعریف می شود. از آنجایی که بیشتر مواد پلاستیکی غیر خطی هستند، شیب منحنی تنش-کرنش با تنش یا سطح کرنش و سرعت آزمایش تغییر می‌کند. اصطلاح مدول الاستیک را نمی توان به طور دقیق در مورد مواد ویسکوالاستیک به کار برد زیرا آنها از قانون هوک پیروی نمی کنند.

 مدول اولیه (تانژانت):

شیب قسمت اولیه (خطی) منحنی تنش-کرنش به عنوان مدول اولیه شناخته می شود (شکل 1). مدول اولیه معیاری از سفتی مواد در تنش ها یا کرنش های کم را ارائه می دهد. برای بسیاری از مواد پلاستیکی، شناسایی دقیق قسمت خطی منحنی تنش-کرنش دشوار است و مدول اولیه با گرفتن شیب خط مماس به قسمت اولیه منحنی تنش-کرنش (مدول مماس اولیه) تعیین می شود. هنگامی که بخش اولیه منحنی تنش-کرنش غیر خطی است، یک روش جایگزین برای گزارش مدول گزارش یک مدول سکانتی (معمولاً در کرنش 1٪) به عنوان معیاری بیشتر از صلبیت ماده است. مقایسه اعداد مدول آزمون کوتاه‌مدت بین گریدها/تامین‌کننده‌های مختلف مواد (به ویژه برای پلیمرهای انعطاف‌پذیر) می‌تواند دشوار باشد، زیرا این عدد به روش خاصی که برای محاسبه مقدار استفاده می‌شود بسیار حساس است.

 مدول سکانت:

نسبت تنش به کرنش در هر نقطه از منحنی تنش-کرنش (به عنوان مثال، شیب خط از مبدأ به هر نقطه دیگر در منحنی تنش-کرنش). مقادیر مدول سکانت به عنوان تابعی از درصد کرنش گزارش می شود و معمولاً زمانی که محاسبات مهندسی برای پلیمرهای الاستومری یا انعطاف پذیر انجام می شود (به عنوان مثال، در کاربردهایی که شامل تغییر شکل های بزرگ است) مورد نیاز است.

 چقرمگی (منطقه زیر منحنی تنش-کرنش):

ناحیه زیر منحنی تنش-کرنش نشانی از چقرمگی کلی ماده در دما و نرخ بارگذاری خاص را ارائه می‌دهد.

در برخی موارد، طراحان منحنی تنش-کرنش واقعی را ندارند، اما باید با برگه‌های داده خواص ماده کار کنند که ویژگی‌های کلیدی، مانند مدول اولیه، تنش تسلیم، ازدیاد طول تسلیم، استحکام نهایی، و ازدیاد طول نهایی را بیان می‌کند. اما با این مقادیر، می توان تخمین تقریبی از رفتار تنش-کرنش کوتاه مدت را همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است به دست آورد (به صورت ذهنی یا با ترسیم مقادیر).

شکل 1 هنگامی که مقادیر مدول اولیه، تسلیم و استحکام شکست، تسلیم و ازدیاد طول شکستگی داده شود، می توان رفتار تنش-کرنش کلی پلیمر (در آن دما و نرخ کرنش خاص) را تخمین زد.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک به صنعتگران می باشد.

رفتار کوتاه مدت تنش-کرنش در مواد پلاستیکی : قسمت دوم

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک، اشاره گردید که طراحی قطعات پلاستیکی بسیار مهم می باشد. در این راستا آشنایی با رفتار کوتاه مدت تنش-کرنش مواد پلاستیکی بسیار مهم می باشد. زیرا این رفتار با رفتار شناخته شده در فلزات به صورت کامل متفاوت می باشد. در ادامه به این موضوع پرداخته شده است.

در مقایسه با اکثر فلزات و چوب‌ها، مواد پلاستیکی معمولاً سفت‌تر هستند (به عنوان مثال، از نظر کمی مقادیر مدول پایین‌تری دارند). به عنوان نمونه، پلی‌کربنات پر نشده تنها حدود 1/85 برابر سختی فولاد کربنی و حدود 1/28 برابر سختی آلومینیوم دارد.

با این حال، برخلاف فلزات و چوب‌ها، انواع مختلفی از گریدهای مواد پلاستیکی با دامنه وسیعی از سفتی در دسترس هستند؛ از الاستومرهای انعطاف‌پذیر تا گریدهای پلیمری تقویت‌شده با الیاف بسیار سفت و سخت (شکل 1)

گریدهای مواد پلاستیکی معمولاً از نظر رفتار تنش-کرنش کوتاه‌مدت طبقه‌بندی می‌شوند و به‌عنوان الاستومری (نرم و انعطاف‌پذیر، بسیار منعطف)، انعطاف‌پذیر (مواد سخت با استحکام متوسط) یا صلب/شیشه‌ای (مواد با رفتار سفت و خطی که تسلیم کم یا بدون تسلیم قبل از شکست، و کرنش شکست کمی را نشان می‌دهند) توصیف می‌شوند (شکل 2)

منحنی‌های تنش-کرنش، اندازه‌گیری کمی از رفتار مکانیکی یک ماده در دما، رطوبت و نرخ کرنش خاص مرتبط با روش آزمایش مکانیکی را ارائه می‌کنند.

شکل 1. مواد پلاستیکی با طیف وسیعی از رفتارهای تنش-کرنش در دسترس هستند. در مقایسه با فلزات، مواد پلاستیکی به طور قابل توجهی مقادیر مدول کمتری دارند، به خصوص در دماهای بالا

شکل 2. منحنی های تنش-کرنش کوتاه مدت معمولاً برای اهداف غربالگری اولیه استفاده می شود. منحنی ها را می توان برای طراحی مورد استفاده قرار داد اگر نرخ کرنش مشابه با موارد مرتبط با کاربرد نهایی باشد. مواد پلاستیکی معمولاً از نظر رفتار تنش-کرنش به عنوان سفت، انعطاف پذیر یا الاستومری طبقه بندی می شوند.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات مشاوره در زمینه طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و انواع قالب های تزریق پلاستیک به علاقه مندان می باشد.

استانداردهای آزمایش برای طراحی خواص مواد پلاستیکی

در ادامه بحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعات پلاستیکی، به موضوع استانداردهای طراحی خواص مواد پلاستیکی پرداخته می شود. بسیاری از داده‌های تجربی مواد ارائه‌شده توسط تامین‌کنندگان مواد با استفاده از روش‌های تست استاندارد انجمن تست و مواد آمریکا (ASTM) یا سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO) تولید می‌شوند.

بسیاری از این تست‌های استاندارد با مقادیر ویژگی ماده به صورت نقطه ای در دمای محیط (به عنوان مثال ASTM D638) مرتبط هستند و به دلیل ماهیت خود، فقط کاربردهای محدودی برای طراحی مهندسی دارند.

سایر استانداردهای آزمایش، روش‌هایی را برای تولید داده‌های طراحی دقیق‌تر توصیف می‌کنند (مانند ASTM D2990). همچنین باید توجه داشت که برای برخی از ویژگی‌ها، هیچ استاندارد ASTM یا ISO قابل اجرای امروزی وجود ندارد (به عنوان مثال، داده‌های فشار حجم و دمای مربوط به استانداردهای آزمایشی). علاوه بر این، بسیاری از داده‌های مهندسی مورد استفاده برای طراحی محصول با استفاده از روش‌های آزمایش غیر استاندارد (مثلاً در داخل) تولید می‌شوند.

 رفتار مکانیکی مواد پلاستیکی

کاربردهای بسیار کمی وجود دارد که یکپارچگی ساختاری یک قطعه پلاستیکی مهم نباشد. اکثر قطعات پلاستیکی در حین مونتاژ یا در کاربرد نهایی تحت نوعی بارگذاری مکانیکی قرار می گیرند.

اگر بتوان شرایط بارگذاری مرتبط با کاربرد (از جمله احتمال استفاده نادرست) را شناسایی کرد و اگر بتوان رفتار مکانیکی مواد پلاستیکی را به دقت توصیف کرد، می‌توان قطعات را به گونه‌ای طراحی کرد که در برابر بارها، تنش‌ها و کرنش‌های مرتبط با کاربرد مقاومت کنند.

متأسفانه، عملکرد مکانیکی یک ماده پلاستیکی تحت تأثیر طیف گسترده ای از عوامل محیطی و مرتبط با تولید است. در اینجا باید توجه داشت که خواص مکانیکی یک ماده در واقع ویژگی‌های قطعه قالب‌گیری شده به‌جای خواص ذاتی ماده، است و بنابراین تحت تأثیر شرایط تولید نمونه آزمایشی قرار می‌گیرد.

عواملی مانند زمان بارگذاری، سرعت بارگذاری، دما، محیط شیمیایی، قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش، سطح جهت گیری، تنش داخلی (مربوط به پردازش)، خطوط جوش و موارد دیگر بر عملکرد مکانیکی ماده یا قطعه تأثیر دارند.

طراحان باید داده های خواص مکانیکی را که بیشترین ارتباط را با کاربرد نهایی دارد (برای جلوگیری از استفاده از عوامل ایمنی بسیار بزرگ) به دست آورند. با توجه به تعداد زیاد متغیرهای درگیر با آزمایش مکانیکی، برای تامین کنندگان مواد عملاً غیرممکن است که به طور کامل عملکرد مکانیکی هر گرید مواد معین (تحت همه شرایط ممکن) را مشخص کنند.

با این حال، آنها می‌توانند داده‌های خواص مکانیکی را برای توصیف عملکرد مکانیکی کلی ماده (در محدوده محدودی از شرایط آزمایش) برای انتخاب مواد و اهداف طراحی اولیه ارائه دهند (شکل پایین).

هنگامی که عملکرد مکانیکی برای کاربرد نهایی حیاتی است، اطلاعات اضافی باید به دست آید یا تولید شود تا بتوان عملکرد دقیق‌تر و کامل‌تری را پیش‌بینی کرد. آزمایش نمونه اولیه قابلیت اطمینان ساختاری محصول نهایی به دلیل تعداد زیاد ملاحظات مربوط به ساخت همچنان در تحلیل نهایی مورد نیاز است.

 هندسه نمونه آزمایشی که برای ارزیابی خواص مواد پلاستیکی قالب‌گیری شده استفاده می‌شود. توجه به این نکته مهم است که اکثر آزمایش‌ها، مانند آزمایش‌های خواص مکانیکی، خواص قطعه قالب‌گیری شده را به جای خواص واقعی مواد اندازه‌گیری می‌کنند.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات مشاوره در جهت استاندارهای طراحی خواص مواد پلاستیکی می باشد.