ترک برداشتن در مواد پلاستیکی

در ادامه بحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و بررسی خواص مواد پلاستیکی به بحث ترک برداشتن در مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

در بسیاری از پلیمرها، آغاز ترک معمولاً با تشکیل ترک‌های سطحی همراه است. ترک‌ها به‌صورت نقص‌های صفحه‌ای شبیه ترک ظاهر می‌شوند؛ با این حال، آن‌ها شامل یک شبکه متقاطع از حفره‌ها در میان الیاف پلیمری کشیده شده هستند که صفحات ترک را پل می‌زنند. ترک‌خوردگی یا تسلیم ترک یک فرآیند حفره‌ای است که با افزایش حجم همراه است، همان‌طور که در شکل 2 نشان داده شده است.

ترک ها با تشکیل ریز حفره تحت اثر یک تنش کششی شروع می شوند. پس از شروع، اندازه این حفره‌ها افزایش می‌یابد و در امتداد جهت تنش کششی اصلی شروع به دراز شدن می‌کنند و فیبرهایی را تشکیل می‌دهند که پل‌هایی را به طرف‌های منطقه ترک می‌زنند. در حالی که ظاهر شیارها به خودی خود باعث خرابی در شرایط بارگذاری استاتیکی نمی‌شود، فرورفتگی‌ها در نهایت می‌توانند منجر به شکست یا ترک‌های شکننده شوند و در کاربردهایی که پتانسیل بارگذاری ضربه‌ای اضافی، بارگذاری دینامیکی یا محیط های شیمیایی و تهاجمی وجود دارد، نگرانی خاصی است.

شکل 1 تنشی که در آن یک قطعه پلاستیکی در خزش، تسلیم یا پاره می شود به مدت بارگذاری خزش و دما بستگی دارد. مقادیر تسلیم خزشی و مقاومت پارگی برای پلی کربنات در دماهای مختلف نشان داده شده است

شکل 2 ریز حفره‌ها و فرورفتگی‌ها در نهایت می‌توانند منجر به ترک خوردن و شکست شکننده شوند.

هنگامی که مواد در حضور مواد شیمیایی تهاجمی تحت تنش قرار می گیرند (به ویژه تنش های کششی سطحی) مشکل خاصی برای بسیاری از مواد ایجاد می شود. ترک خوردگی و ترک خوردگی تنش محیطی (ESCC) می تواند زمانی اتفاق بیفتد که قطعات پلاستیکی (تنش های قالب گیری داخلی/باقیمانده یا تنش های تحمیل شده خارجی) در یک محیط شیمیایی، حتی زمانی که تنش ها نسبتاً کم هستند، ایجاد شود (شکل 3).

این ترکیبی از تنش و مواد شیمیایی است که منجر به ترک خوردگی و در نهایت شکست (نوعی هم افزایی منفی) می شود. حتی آب یا شوینده های ملایم می توانند تأثیر بسیار منفی بر عملکرد مکانیکی یک قطعه پلاستیکی (با برخی مواد) تحت فشار مکانیکی داشته باشند.

تنش سفید شدن:

تنش سفید شدن یک اصطلاح کلی برای توصیف پدیده هایی است که منجر به کدر شدن، مه آلود شدن یا ظاهر سفید در پلیمرهای شفاف یا نیمه شفاف می شود. سفید شدن عموماً در نتیجه تشکیل ریز حفره ناشی از لایه لایه شدن با پرکننده ها یا الیاف یا شکست موضعی در اطراف آخال ها مانند ذرات لاستیک یا سایر اصلاح کننده های ضربه است.

شکل 3 عکس شکل گیری ترک روی یک قسمت اکریلیک را نشان می دهد.

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

بررسی خزش در مواد پلاستیکی

در ادامه بحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک به بررسی خزش در مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

رفتار مکانیکی یک ماده پلیمری تحت تأثیر عوامل متعددی قرار دارد که شامل زمان، سطوح تنش یا کرنش و عوامل محیطی مانند دما و مقدار رطوبت (برای پلیمرهای جاذب رطوبت) می‌باشد.

مجموعه منحنی‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت که در شکل های قبل ارائه شده است نشان می‌دهد که در سطوح بارگذاری یا نرخ‌های کرنش بالاتر، مواد پلاستیکی به نظر سخت‌تر و شکننده‌تر می‌آیند.

از سوی دیگر، در نرخ‌های بارگذاری یا کرنش پایین‌تر، مواد پلاستیکی به دلیل اثرات ویسکوز، انعطاف‌پذیرتر یا شکل‌پذیرتر به نظر می‌رسند. این اثرات ویسکوز در کاربردهایی که بارها برای مدت طولانی اعمال می‌شوند (به عبارتی، بارهای ایستا) مورد توجه خاصی قرار دارند. معمول است که قطعات پلاستیکی تحت بارگذاری مداوم (چه بارهای سرویس و چه وزن خود قطعه) یا بارگذاری برای مدت زمان نسبتاً طولانی (به عبارتی، روزها، هفته‌ها، سال‌ها) قرار گیرند.

شکل 1 کاربردهای معمولی که در آن قطعات پلاستیکی قالب‌گیری شده تحت تنش ثابت برای مدت زمان طولانی قرار دارند (به عبارتی، کاربردهای خزش). نوع کاربرد قطعه پلاستیکی تاثیر مهمی در طراحی و ساخت قالب تزریق پلاستیک دارد.

زمانی که قطعات به این صورت بارگذاری می‌شوند، هم تغییر شکل یا کرنش الاستیک اولیه ناشی از بار اعمال شده را نشان می‌دهند و هم افزایش مداوم (وابسته به زمان) در تغییر شکل یا کرنش را به دلیل جریان ویسکوز یا سرد (به عبارتی، خزش) تجربه می‌کنند. این پدیده هیچ ارتباطی با اثرات پیری (مانند اکسیداسیون و غیره) ندارد که باید برای کاربردهای بلندمدت به‌طور جداگانه مورد توجه قرار گیرد. قطعات نشان داده شده در شکل 1 همگی تحت بارگذاری (یا تنش‌های) بلندمدت قرار دارند و به همین دلیل باید با در نظر گرفتن تغییر شکل خزش طراحی شوند.

برای طراحی قطعاتی که تحت بارگذاری بلندمدت قرار دارند، طراحان باید داده‌های خزش را به‌دست آورده و مورد استفاده قرار دهند تا اطمینان حاصل کنند که قطعات در طول عمر خدماتی خود دچار پارگی، تسلیم، ترک‌خوردگی یا تغییر شکل بیش از حد نمی‌شوند (عمر خدماتی باید در مرحله اولیه طراحی مشخص شود زیرا تغییرات خزش وابسته به زمان هستند). داده‌های خزش مورد استفاده در طراحی باید با نوع تنش و شرایط محیطی که قطعه در طول خدمات با آن مواجه است، همبستگی داشته باشد. مدول خزش وابسته به زمان و دما،  E_c(t, T )   یک پلیمر به صورت زیر ارائه می‌شود:

که در آن σo یک تنش ثابت و  ε(t, T )  کرنش وابسته به زمان و دما است.

شکل 2 فنر (عنصر الاستیک) و دَش‌پات‌ها (عناصر ویسکوز) به‌طور معمول برای توصیف رفتار مکانیکی مواد پلاستیکی استفاده می‌شوند.

متأسفانه، اندازه‌ها، مدت‌زمان‌ها و شرایط محیطی بارهای خدماتی می‌توانند در بلندمدت دشوار برای پیش‌بینی باشند و ممکن است پیدا کردن داده‌های آزمایشی که به‌طور دقیق با کاربرد نهایی همبستگی داشته باشند، به‌ویژه زمانی که بارها نیمه‌مداوم هستند و باید به بازیابی توجه شود، دشوار باشد. این می‌تواند برآورد دقیق عملکرد ساختاری یک قطعه تحت بارگذاری خزش را دشوار کند و اغلب بهترین کار این است که بارگذاری مداوم را در بالاترین دمای خدماتی پیش‌بینی شده برای ایمنی فرض کنیم.

رفتار خزش یک ماده پلاستیکی معمولاً با استفاده از آنالوژی‌های فنر (عنصر الاستیک) و دَش‌پات (dashpot) (عنصر ویسکوز) مدل‌سازی می‌شود. مدلی که در شکل 2 نشان داده شده است می‌تواند برای توصیف رفتار کلی خزش یک ماده پلاستیکی تحت بار کششی استفاده شود. این شکل مدل‌های  Voight-Kelvin و Maxwell را به‌صورت سری با یکدیگر ترکیب کرده تا یک مدل چهار پارامتری ایجاد کند.

زمانی که یک بار کششی به مدل فنر/دَش‌پات اعمال می‌شود، عنصر الاستیک شماره 1 به‌طور آنی کشیده می‌شود و منجر به تغییر شکل الاستیک فوری (IED) می‌شود که معکوساً با سختی فنر و به‌طور مستقیم با اندازه بار متناسب است (این منجر به ذخیره انرژی می‌شود).

عنصر الاستیک شماره 2 نمی‌تواند فوراً کشیده شود زیرا توسط یک دَش‌پات ویسکوز محدود شده است که نمی‌تواند به‌طور آنی واکنش نشان دهد. سپس بار باعث تغییر شکل بیشتر با گذشت زمان می‌شود زیرا دَش‌پات شماره 1، دَش‌پات شماره 2 و فنر شماره 2 کشیده می‌شوند.

این نمایانگر تغییر شکل وابسته به زمان یا تغییر شکل تأخیری (DD) است. در نقطه‌ای از کشیدگی، فنر شماره 2 (بنابراین دَش‌پات شماره 2) به تعادل خواهد رسید، اما دَش‌پات شماره 1 با گذشت زمان بارگذاری ادامه خواهد داد. وقتی بار در نهایت برداشته می‌شود، انرژی ذخیره شده در فنر شماره 1 باعث یک بازیابی الاستیک فوری (IER) خواهد شد که پس از آن بازیابی تأخیری (DR) مرتبط با جمع شدن فنر شماره 2، که توسط دَش‌پات شماره 2 محدود شده است، دنبال می‌شود. کشیدگی مربوط به دَش‌پات شماره 1 غیرقابل بازیابی است و نمایانگر تغییر شکل دائمی یا تنظیم (PD) است. در حالی که رفتار واقعی خزش و بازیابی اکثر مواد پلیمری پیچیده‌تر از این آنالوژی ساده است، اما بینش‌هایی درباره مفهوم کلی رفتار ویسکوالاستیک ارائه می‌دهد.

شکل 3 پاسخ کرنش یک ماده پلاستیکی به تنش اعمال شده می‌تواند شامل هم کرنش الاستیک و هم کرنش خزش باشد.

در عمل، زمانی که مواد پلاستیکی تحت تنش قرار می‌گیرند، یک تغییر شکل الاستیک فوری مشاهده می‌شود که به دنبال آن خزش اولیه، ثانویه و ثالثی رخ می‌دهد . خزش اولیه با یک نرخ خزش کاهشی با گذشت زمان همراه است و حداقل به‌طور جزئی قابل بازیابی است.

خزش ثانویه در یک نرخ ثابت با گذشت زمان اتفاق می‌افتد، در حالی که خزش ثالث در یک نرخ خزش افزایشی با گذشت زمان درست قبل از پارگی خزش رخ می‌دهد (شکل 3). نرخ خزش وابسته به نوع ماده، تنش و دما است، همان‌طور که مقادیر کرنش پارگی خزش نیز وابسته به این عوامل هستند. باید در اینجا ذکر شود که پارگی (یا تسلیم) در تنش‌های پایین‌تر از مقادیر تنش شکست آزمایش کوتاه‌مدت مربوطه رخ خواهد داد. پارگی خزش در زمان‌های نسبتاً کوتاه‌تر برای تنش‌های بالاتر و زمان‌های نسبتاً طولانی‌تر برای تنش‌های پایین‌تر اتفاق می‌افتد.

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

بررسی رفتار کششی – فشاری مواد پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات و قالب های تزریق پلاستیک به بررسی رفتار کششی-فشاری مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

رفتار کششی در مقابل فشاری:

منحنی‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت معمولاً با کشیدن نمونه‌های آزمایشی ایجاد می‌شوند که منجر به تنش‌ها و کرنش‌های کششی می‌شود.

برای بسیاری از مواد پلاستیکی پر نشده، خواص فشاری مشابه خواص کششی است.

با این حال، برای سایر مواد، به ویژه مواد پر شده و تقویت شده، خواص فشاری می تواند بسیار متفاوت باشد.

بهتر است برای کاربردهای فشاری، داده‌های خاصیت فشرده‌سازی را به دست آوریم تا اینکه فرض کنیم رفتار فشاری ماده با رفتار کششی آن برابر است (شکل 1).

مقاومت و مدول خمشی:

همچنین برای تولیدکنندگان مواد بسیار متداول است که داده‌های تنش-کرنش خمشی کوتاه‌مدت را ارائه دهند.

خواص خمشی از اهمیت ویژه ای برخوردار است زیرا تعداد بسیار زیادی از قطعات پلاستیکی در کاربرد نهایی در معرض بار خمشی قرار دارند. در مقایسه با نتایج آزمون کششی و فشاری، نتایج آزمایش خمش حتی بیشتر به دستگاه و هندسه نمونه بستگی دارد.

آزمایش‌های خمشی با قرار دادن یک نمونه نسبتاً طولانی، نازک و مستطیل شکل در معرض بارگذاری تکیه گاه (یک تکیه‌گاه، یک بار)، سه نقطه (دو تکیه‌گاه، یک بار) یا چهار نقطه (دو تکیه‌گاه، دو بار) انجام می‌شوند. (شکل 2).

شکل 1 رفتار تنش-کرنش فشاری یک ماده پلاستیکی می تواند مشابه یا در برخی موارد بسیار متفاوت از رفتار تنش-کرنش کششی باشد.

در طول آزمایش، حداکثر انحراف یک نمونه به عنوان تابعی از بار اعمال شده بررسی می شود.

بر خلاف تست‌های کشش یا فشار تک محوری، نمونه‌های آزمایش خمشی دارای یک سطح در فشار و سطح دیگر در کشش هستند، با یک صفحه خنثی (تنش یا کرنش صفر) در نقطه‌ای از نمونه عبور می‌کند (صفحه خنثی فقط در صورتی از صفحه میانی عبور کند که خواص فشاری و کششی معادل باشند).

مقادیر تنش خمشی و کرنش باید با استفاده از داده های تجربی و فرمول های مهندسی تنش و کرنش محاسبه شود. این فرمول ها رفتار مواد الاستیک ایده آل و همسانگرد را در نظر می گیرند و فقط برای انحرافات کوچک اعمال می شوند.

خواص خمشی که معمولاً گزارش می شود مدول خمشی، شیب اولیه منحنی انحراف بار، و مقاومت خمشی است.

برای مواد شکننده، استحکام خمشی به حداکثر تنش کششی یا فشاری الیاف خارجی (تنش‌های سطحی) اشاره دارد که با شکست نمونه مرتبط است.

برای مواد انعطاف پذیرتر، استحکام خمشی به مقدار تنش تسلیم الیاف خارجی (نقطه اولی که تنش دیگر با کرنش افزایش نمی یابد) یا به تنش الیاف خارجی در یک مقدار کرنش خاص (معمولاً در 5٪ کرنش خارجی الیاف) اشاره دارد.

شکل 2 انواع روش های آزمایش خمشی برای ارزیابی خواص خمشی مواد پلاستیکی استفاده می شود

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