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.

خواص مکانیکی بلند مدت: آرامش تنش

در ادامه بحث طراحی و ساخت مواد پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک به موضوع آرامش تنش در مواد پلاستیکی پرداخته خواهد شد. در ادامه بخش اول این موضوع ارائه شده است.

داده‌های خزش برای طراحی قطعات پلاستیکی که در معرض بارها یا تنش‌های ثابت برای مدت زمان طولانی هستند استفاده می‌شود ، در حالی که داده‌های آرامش تنش برای کاربردهایی که سطوح کرنش یا تغییر شکل در دراز مدت ثابت می‌مانند، مورد نیاز است.

هنگامی که قطعات پلاستیکی به مقدار ثابتی از کرنش یا تغییر شکل کشیده می‌شوند، فشرده می‌شوند، خم می‌شوند یا بریده می‌شوند، مقدار تنش مرتبط با آن کرنش ثابت به دلیل اثرات ویسکوز (مثلاً ریلکسیشن مولکولی) با گذشت زمان به کاهش خود ادامه می‌دهد.

آرام‌سازی تنش مشابه خزش است، زیرا مدول آرامش، ER (t, T)  با زمان کاهش می‌یابد بر اساس:

جایی که مقدار کرنش ثابت (ثابت) است و مقدار تنش تابعی از زمان و دما است. ویژگی‌های آرامش تنش یک پلیمر در طراحی برای کاربردهایی مانند موارد نشان داده شده در شکل 1 اهمیت دارد.

بسیاری از این کاربردها شامل درجه‌ای از تداخل هستند که برای فراهم کردن نوعی تناسب اصطکاکی استفاده شده‌اند. در مورد هاب فشاری، قابلیت‌های انتقال گشتاور مجموعه توسط سطح تماس، ضریب اصطکاک و تنش نرمال تعیین می‌شود.

با کاهش تنش‌های حلقه‌ای، قابلیت‌های پیچشی مجموعه کاهش می‌یابد. در مورد O-ring فشرده، تنش‌های نرمال برای جلوگیری از نشتی لازم هستند.

با کاهش تنش‌ها، احتمال نشتی افزایش می‌یابد. ویژگی‌های آرامش تنش یک پلیمر همچنین برای کاربردهایی که شامل بارگذاری اولیه یا اجزای فنری پلاستیکی هستند، اهمیت دارند.

برای طراحی قطعات برای این کاربردها، داده‌های آرامش تنش که در مقدار کرنش مناسب، دما و زمان تولید شده‌اند، باید از تأمین‌کنندگان مواد به دست آید.

شکل 1 نمونه های معمولی از قطعات پلاستیکی در معرض کرنش ثابت در کاربرد نهایی.

داده های آرامش تنش (به جای خزش) برای این کاربرد ها مورد نیاز است.

با در نظر گرفتن منحنی های مربوط به آرامش تنش می توان به صورت بهینه به طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک پرداخت.

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.