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.

منحنی تنش-کرنش مواد پلاستیکی

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 بررسی نکات مهم پیرامون منحنی تنش-کرنش مواد پلاستیکی پرداخته شده است.

تنش نرمال، σ، به عنوان نسبت بار اعمال شده، F، به سطح مقطع اولیه، A، نمونه آزمایش تعریف می شود.

کرنش نرمال، ε، اندازه گیری نرمال شده از تغییر شکل ماده در نتیجه بار اعمال شده را ارائه می دهد. کرنش به عنوان تغییر طول، ∆L، تقسیم بر طول اصلی، Lo تعریف می‌شود.

هنگام کار با فلزات، کرنش معمولاً در واحدهای 10-6 اینچ یا سانتی متر بر سانتی متر (واحد کرنش میکرو) داده می شود. از آنجایی که بیشتر مواد پلاستیکی بازده و ازدیاد طول نهایی بالاتری را نشان می‌دهند، کرنش معمولاً مستقیماً (بدون علامت علمی) یا به صورت درصد کشیدگی (به عنوان مثال کرنش × 100%) بیان می‌شود. نمایش سویه های زیر معادل هستند.

ویژگی ها یا نقاط مشخصه مختلفی بر روی منحنی تنش-کرنش وجود دارد که مورد توجه طراحان است. تعدادی از اصطلاحات مرتبط در زیر تعریف شده و در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1 نقاط یا ویژگی های خاص یک منحنی تنش-کرنش مورد توجه طراحان است.

• حد متناسب: حد متناسب (برای ماده ای که هم رفتار الاستیک و هم رفتار پلاستیک از خود نشان می دهد) حداکثر بار (تنش) است که ماده می تواند بدون انحراف از تناسب (خطی) تنش به کرنش تحمل کند. برخی از مواد، این تناسب را با مقادیر نسبتاً بالای تنش یا کرنش حفظ می‌کنند، در حالی که برخی دیگر تناسب کمی یا بدون تناسب نشان می‌دهند.
• حد الاستیک: نقطه ای در منحنی تنش-کرنش که حداکثر تنشی را که یک ماده می تواند تحمل کند را مشخص می کند و در صورت رها شدن تنش به ابعاد اولیه خود (بدون تغییر شکل دائمی) بازمی گردد. با مواد پلاستیکی، بازیابی ممکن است فوری نباشد و حد الاستیک می تواند در سطوح تنش بالاتر از حد متناسب رخ دهد.
• تنش تسلیم: اولین مقدار تنش در منحنی تنش-کرنش که در آن افزایش کرنش بدون افزایش تنش اتفاق می‌افتد (یعنی مقدار تنش در نقطه‌ای که شیب منحنی تنش-کرنش صفر می‌شود). همه مواد پلاستیکی نقطه تسلیم ندارند.
• کرنش تسلیم: مقدار کرنش مرتبط با تنش تسلیم. اغلب به عنوان افزایش عملکرد بر حسب درصد گزارش می شود (به عنوان مثال، کرنش عملکرد × 100).
• استحکام نهایی (شکستگی): حداکثر تنشی که یک ماده در اثر بار اعمالی (پارگی) تحمل می کند.
• کرنش نهایی (شکستن): مقدار کرنش مرتبط با مقاومت شکست. اغلب به عنوان ازدیاد طول نهایی در درصد گزارش می شود (به عنوان مثال، کرنش شکستن × 100).

شرکت نوآ.ران علوم مهندسی پویا اماده ارائه خدمات مشاوره در زمینه طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و انواع قالب های تزریق پلاستیک می باشد.

رفتار کوتاه مدت تنش- کرنش

در ادامه مبحث  قالب های تزریق پلاستیک جهت طراحی و ساخت علمی قطعات پلاستیکی، مبجث رفتار تنش-کرنش مورد بررسی قرار می گیرد. داده‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت (یا منحنی‌ها) نسبتاً آسان هستند و اساساً برای همه مواد پلاستیکی در دسترس هستند. همانطور که از نام آن پیداست، آزمایش های کوتاه مدت در یک بازه زمانی محدود (معمولاً دقیقه) انجام می شود و معمولاً در شرایط آزمایشگاهی ایده آل انجام می شود.

مقادیر مختصات مواد کوتاه مدت (برگ داده) توصیف دقیقی از عملکرد/قابلیت های مکانیکی یک ماده را نشان نمی دهد. با این حال، آنها مبنایی را برای غربالگری و انتخاب مواد اولیه فراهم می کنند (شکل پایین صفحه).

داده‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت ارائه‌شده توسط تأمین‌کنندگان مواد معمولاً با استفاده از روش‌های آزمایش استاندارد و شرایط آزمایش (معمولاً با استفاده از نرخ ثابت حرکت متقاطع در یک دستگاه آزمایش جهانی) تولید می‌شوند.

بیشتر داده های تنش-کرنش کوتاه مدت در شرایط استاندارد دمای اتاق/50 درصد رطوبت نسبی تولید می شوند. با توجه به حساسیت دمایی اکثر مواد پلاستیکی، اگر آزمایش‌ها در محدوده وسیع‌تری از شرایط محیطی انجام شوند، می‌توان مشخصات عملکرد کامل‌تری را ایجاد کرد.

مواد پلاستیکی نیز ویسکوالاستیک هستند و بنابراین رفتار وابسته به زمان از خود نشان می دهند. مواد پلاستیکی تا حدی الاستیک هستند، توانایی ذخیره انرژی را دارند و تا حدی چسبناک هستند، انرژی را به صورت گرمای اصطکاکی پراکنده می‌کنند و در نتیجه رفتار غیرخطی و تغییر شکل دائمی ایجاد می‌کنند.

نرخ تغییر شکل مربوط به روش آزمایش بر رفتار چسبناک و در نتیجه نتایج آزمایش تأثیر می گذارد. بیشتر منحنی‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت با نرخ‌های نسبتاً کم تغییر شکل ایجاد می‌شوند.

در نرخ‌های بالاتر تغییر شکل (مانند بارگذاری ضربه)، مواد پلاستیکی سفت‌تر و شکننده‌تر به نظر می‌رسند، در حالی که در نرخ‌های پایین‌تر تغییر شکل، انعطاف‌پذیرتر و انعطاف‌پذیرتر به نظر می‌رسند. نرخ های بالاتر تغییر شکل مشابه دماهای پایین تر است، در حالی که نرخ های پایین تر مشابه دماهای بالاتر است.

رفتارهای مکانیکی مواد پلاستیکی تحت تأثیر عوامل محیطی مانند دما و رطوبت نسبی و عواملی مانند میزان بارگذاری است.

رطوبت نسبی نیز یک عامل مهم برای موادی مانند نایلون است زیرا آب به عنوان یک نرم کننده عمل می کند و تمایل دارد که پلیمر را انعطاف پذیرتر کند. مهم است که داده‌های آزمایشی مورد استفاده برای مقاصد غربالگری/مقایسه مواد در همان شرایط آزمایش (به عنوان مثال نرخ کرنش، دما و غیره یکسان) تولید شود تا بتوان مقایسه دقیقی انجام داد. داده های گزارش شده توسط سازندگان مواد معمولاً با استفاده از استانداردهای ASTM یا ISO تولید می شوند که اکثر متغیرهای مهم را مشخص می کنند.

داده های تنش-کرنش کوتاه مدت در درجه اول برای انتخاب مواد اولیه استفاده می شود. با این حال، داده‌ها می‌توانند برای طراحی مفید باشند، مشروط بر اینکه دماها و نرخ‌های بارگذاری (یا کرنش) مرتبط با روش آزمایش با کاربرد نهایی برابر باشد.

با این حال، حتی در آن زمان نیز، اثرات فرآوری، پیری و مواد شیمیایی بر خواص مکانیکی مواد باید مورد توجه ویژه قرار گیرد.

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