رفتار مکانیکی-حرارتی مواد پلاستیکی (بخش اول)

 

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

در مقایسه با اکثر فلزات، خواص مواد پلاستیکی به تغییرات دما بسیار حساس هستند. تغییرات دما می تواند باعث تغییرات قابل توجهی در ابعاد یک قطعه پلاستیکی و تغییرات قابل توجهی در عملکرد مکانیکی مواد پلاستیکی شود.

مواد پلاستیکی که گفته می‌شود پایداری ابعادی خوبی دارند، موادی هستند که دارای ضریب انبساط حرارتی پایین و عملکرد مکانیکی خوب (خزش کم و غیره) در محدوده دما (و رطوبت نسبی) مرتبط با کاربرد هستند.

از آنجایی که بیشتر خواص مواد تحت تأثیر دما قرار می گیرند، مهم است که طراحان به دقت هر دو درجه حرارت پایین و بالا را در ارتباط با کاربرد در نظر بگیرند. بیشتر مواد پلاستیکی در محدوده دمایی پایین شکننده می شوند و بالاتر از محدوده ای از دماهای بالا نرم تر می شوند. طراحان باید داده‌های خواص مکانیکی را در محدوده دماهای پیش‌بینی‌شده در طول کاربرد نهایی به دست آورند (یا به طور متناوب تولید کنند).

رفتار مکانیکی حرارتی یک پلیمر به راحتی با استفاده از منحنی‌های مدول-دما توصیف می‌شود. پلیمرهای آمورف منحنی مدول-دما را مشابه با آنچه در شکل 1 نشان داده شده است، نشان می دهند.

پلیمرهای آمورف با افزایش دما به تدریج نرم می شوند و دمای مذاب واقعی ندارند (زیرا مولکول های پلیمر به طور تصادفی در تمام دماها پراکنده می شوند). در دماهای پایین، پلیمرهای آمورف صلب و شیشه ای هستند.

در یک دمای بحرانی، یا به عبارت مناسب تر، در یک محدوده دمایی باریک، پلیمرهای آمورف شروع به انعطاف پذیرشدن یا چرمی شدن می کنند. این دما به عنوان دمای انتقال شیشه ای Tg شناخته می شود و با حرکت و تحرک سگمنتال زنجیره پلیمری مرتبط است.

در دماهای بالاتر از Tg، پلیمر لاستیکی می‌شود و تا زمانی که دما به اندازه‌ای بالا می‌رود که جریان واقعی مایع مانند حاصل شود (به عنوان مثال، دمای پردازش) لاستیک باقی می‌ماند.

اصطلاحات دمای پایین و زیاد نسبت به Tg هستند. پلیمرهای آمورف صلب مانند پلی استایرن یا پلی کربنات دارای مقادیر Tg بالاتر از دمای اتاق هستند و به همین دلیل در دمای اتاق صلب هستند. پلی کربنات ماده مفیدتری در دماهای بالا است، زیرا Tg آن 150 درجه سانتی گراد در مقایسه با 100-105 درجه سانتی گراد برای پلی استایرن است. از سوی دیگر، الاستومرهای آمورف (گاهی اوقات به صورت متقاطع کمی) در دمای اتاق انعطاف پذیر هستند و بنابراین دارای مقادیر Tg هستند که کمتر از دمای اتاق هستند.

 

 

شکل 1 رفتار مدول در مقابل دما برای یک پلیمر آمورف

 

بررسی رفتار مکانیکی-حرارتی مواد پلاستیکی تاثیر بسیار مهمی در طراحی قطعات و ساخت قالب های تزریق پلاستیک دارد.

مقاومت به ضربه مواد پلاستیکی (بخش دوم)

 

در بخش دوم از قسمت مربوط به بررسی مقاومت به ضربه مواد پلاستیکی ، به معرفی آزمایش های ضربه شارپی، صربه کششی و صربه ای سقوطی پرداخته می شود.

آزمایش ضربه شارپی

 

آزمایش ضربه شارپی یک روش آزمایش ضربه‌ای با پاندول است که مشابه آزمایش ایزود می‌باشد؛ با این حال، به جای استفاده از نمونه‌های یک سرگیردار، نمونه‌ها در دو انتها دارای تکیه گاه ساده می باشند و در میانه نمونه آزمایشی توسط پاندول مورد ضربه قرار می‌گیرند.

 

آزمایش ضربه کششی

 

آزمایش ضربه کششی یک نوع دیگر از روش آزمایش پاندولی است؛ با این حال، بر خلاف هندسه‌های آزمایش خمشی مرتبط با آزمایش‌های ایزود و شارپی، آزمایش ضربه کششی از یک نمونه کوچک شبیه به استخوان سگ استفاده می‌کند که تحت بارگذاری کششی یک محوری قرار می‌گیرد.

مساحت زیر منحنی تنش–کرنش

 

مساحت زیر منحنی تنش–کرنش نشان‌دهنده چقرمگی یک ماده در نرخ کرنش مرتبط با روش آزمایش است. هنگامی که نمونه‌های آزمایشی پلاستیکی در نرخ‌های بالا (یعنی زمانی که در نرخ‌های کرنش مشابه ضربه آزمایش می‌شوند) آزمایش می‌شوند، مساحت زیر منحنی تنش–کرنش (یعنی سختی) معیاری از مقاومت در برابر ضربه را فراهم می‌کند. اندازه مساحت چقرمگی معمولاً به عنوان مساحت چقرمگی تسلیم (یعنی مساحت زیر منحنی تنش–کرنش تا کرنش تسلیم) یا به عنوان چقرمگی کل شکست (یعنی کل مساحت زیر منحنی تنش–کرنش) گزارش می‌شود.

 

آزمایش‌های ضربه‌ای سقوطی

 

دومین دسته رایج از آزمایش‌های ضربه‌ای از یک پرتابه استفاده می‌کند که از ارتفاع سقوط کرده یا به سمت یک نمونه دیسک شکل (مانند نمونه‌ای که در شکل 1 نشان داده شده است) شلیک می‌شود که در یک نگهدارنده قرار دارد.

در برخی موارد، این آزمایش برای ارزیابی ویژگی‌های ضربه‌ای محصولات نهایی استفاده می‌شود. ساده‌ترین آزمایش‌های سقوطی از پرتابه هایی با سر نیم‌کره‌ای برای ارزیابی نیروی لازم یا انرژی مورد نیاز برای شکست یک نمونه از ارتفاع مشخص استفاده می‌کنند (به این ترتیب، سرعت اولیه ضربه ثابت باقی می‌ماند).

آزمایش‌های ضربه‌ای سقوطی پیشرفته‌تر از پرتابه‌های مجهز به حسگر استفاده می‌کنند که طراحی شده‌اند تا نشانه‌ای از رفتار ماده در طول رویداد ضربه ارائه دهند. آزمایش‌کننده‌های ضربه‌ای سقوطی مجهز به حسگر از حسگرهای نیرو و جابجایی برای به دست آوردن اندازه‌گیری داده‌های نیرو/جابجایی در حین نفوذ پرتابه به نمونه استفاده می‌کنند، همان‌طور که در شکل 1 نشان داده شده است.

 

 

 

 

مقاومت به ضربه مواد پلاستیکی

 

در ادامه بحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک، به بحث مقاومت به ضربه مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

مقاومت ضربه را می‌توان به عنوان توانایی یک ماده برای تحمل بارگذاری‌های ناگهانی و با نرخ بالا تعریف کرد. اصطلاح “ضربه” به بارگذاری با نرخ نسبتاً بالا اشاره دارد که معمولاً بیشتر از نرخ‌های مربوط به آزمایش‌های مکانیکی متداول است.

به عنوان مثال، بارگذاری ضربه‌ای زمانی رخ می‌دهد که قطعات بر روی یک سطح سخت سقوط کنند یا باید اثر یک پرتابه را تحمل کنند. در هر دو حالت، قطعه پلاستیکی باید قادر باشد انرژی مرتبط با رویداد ضربه را دفع کند.

این کار می‌تواند از طریق طراحی مناسب قطعه (مانند استفاده از شعاع‌های بزرگ در گوشه‌ها، پایه‌های شوک و غیره) و انتخاب صحیح مواد انجام شود.

متأسفانه، ویژگی‌های ضربه‌ای مواد پلاستیکی به شدت به نرخ ضربه، دما، نوع بارگذاری، شکل و ضخامت نمونه و موارد مشابه وابسته است. ویژگی‌های ضربه‌ای از ماده‌ای به ماده دیگر به طور قابل توجهی متفاوت است؛ با این حال، مشکلات ضربه‌ای بیشتر زمانی رخ می‌دهد که مواد پلاستیکی در دماهای پایین استفاده شوند (به همان شیوه‌ای که خزش و آرامش تنش تمایل دارند در دماهای بالا مشکل ایجاد کنند).

 

شکل 1: مقاومت ضربه‌ای بیشتر مواد پلاستیکی با افزایش دما افزایش می‌یابد.

 

 

روش‌های آزمایشی استاندارد که به طور معمول برای ارزیابی مقاومت ضربه‌ای مواد پلاستیکی استفاده می‌شوند، ویژگی‌های کامل ضربه را ارائه نمی‌دهند و در نتیجه، از نظر تحلیلی مفید نیستند.

داده‌های ضربه‌ای به‌دست‌آمده از این آزمایش‌های استاندارد معمولاً برای ارزیابی مقاومت نسبی ضربه و حساسیت به شیار یک ماده برای اهداف انتخاب اولیه ماده استفاده می‌شود. برخی از روش‌های رایج آزمایش ضربه که در عمل استفاده می‌شوند، در ادامه توصیف شده‌اند.

 

آزمایش ضربه ایزود

 

آزمایش ضربه ایزود، رایج‌ترین آزمایش ضربه‌ای با پاندول است (شکل 2). این آزمایش، انرژی مرتبط با شکست یک نمونه یک سر گیردار شیاردار را با استفاده از نوسان پاندول از ارتفاع ثابت اندازه‌گیری می‌کند. شیار در نمونه به عنوان یک متمرکزکننده تنش یا محل رشد ترک عمل می‌کند.

در حالی که نتایج آزمایش ضربه ایزود برخی نشانه‌ها از حساسیت به شیار ارائه می‌دهند، ممکن است ارتباط کمی با رفتار قطعات بدون شیار در شرایط واقعی (به ویژه در نرخ‌ها و دماهای مختلف ضربه) داشته باشند. این آزمایش همچنین معمولاً بدون شیار انجام می‌شود، با استفاده از شیار معکوس یا با استفاده از مقادیر مختلف شعاع شیار به منظور اندازه‌گیری  حساسیت به شیار ماده انجام می شود (پروتکل‌های آزمایشی غیر استاندارد)، شکل 3 را مشاهده کنید.

 

 

شکل 2: آزمایش ضربه ایزود یک آزمایش ضربه‌ای با پاندول است که از یک نمونه یک سر گیردار به عنوان پشتیبانی استفاده می‌کند.

 

به طور کلی، مقاومت ضربه‌ای مواد پلاستیکی با افزایش دما و مقادیر شعاع شیار افزایش می‌یابد. بنابراین، استفاده از مقادیر بزرگ شعاع در قطعات پلاستیکی برای کاهش اثرات تمرکز تنش (مانند تقاطع‌های دیواره) اهمیت دارد.

با این حال، در عمل، مقادیر شعاع اغلب به دلیل ظاهر شدن نشانه‌های فرورفتگی، حفره‌ها یا تنش‌های ناشی از انقباض محدود می‌شوند. بنابراین، حساسیت به شیار یک ماده پلاستیکی باید در برابر این نگرانی‌های مربوط به انقباض در فرآیند تولید مناسب باشد.

 

 

شکل 3: ضخامت نمونه، شعاع شیار و فرآیند شیارگذاری از متغیرهای مهم در آزمایش هستند.

 

 

شکل 4: روش آماده‌سازی نمونه تأثیر قابل توجهی بر نتایج آزمایش ضربه خواهد داشت.

 

مقادیر مقاومت ضربه ایزود تحت تأثیر تعداد بسیار زیادی از متغیرهای مرتبط با تولید هستند که به عملیات قالب‌گیری و شیارگذاری نمونه آزمایشی مربوط می‌شوند (شکل 4).

متغیرهای شیارگذاری می‌توانند با قالب‌گیری شیارها به طور مستقیم در نمونه‌های آزمایش ایزود حذف شوند؛ با این حال، نتایج شیارهای قالب‌گیری شده معمولاً به دلیل اثرات پوسته‌ای، بالاتر از نتایج شیارهای ماشین‌کاری شده هستند.

با این وجود، رویکرد شیار قالب‌گیری شده دارای مزیت است زیرا گوشه‌ها یا شعاع‌ها در قطعات پلاستیکی قالب‌گیری می‌شوند، نه اینکه ماشین‌کاری شوند. ضخامت نمونه آزمایشی نیز یک متغیر مهم برای آزمایش ضربه است.

به عنوان مثال، ضخامت نمونه آزمایشی بر محتوای میکروحفره در نمونه تأثیر خواهد گذاشت. علاوه بر این، در برخی مواد، مقاومت ضربه‌ای با افزایش ضخامت تا یک ضخامت بحرانی افزایش می‌یابد، جایی که مکانیزم شکست از شکست نرم به شکست ترد تغییر می‌کند و کاهش قابل توجهی در مقاومت ضربه‌ای در ضخامت‌های بیشتر از مقدار بحرانی مشاهده می‌شود.

اطلاعات مقاومت به ضربه مواد پلاستیکی می بایست در طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک برای قطعه مورد نظر مورد بررسی قرار گیرد.