بررسی خواص مواد پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی ، به موضوع بررسی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی پرداخته خواهد شد.

خواص مواد (مانند مدول الاستیسیته) در معادلات طراحی مهندسی برای ارزیابی کرنش ها و تغییر شکل های ناشی از بارگذاری استفاده می شوند. پس از محاسبات اولیه، باید مقادیر تنش و کرنش پیش بینی شده با منحنی تنش-کرنش واقعی ماده مقایسه شوند تا اطمینان حاصل شود که در محدوده مجاز الاستیک یا پلاستیک ماده قرار میگیرند.

رفتار مکانیکی پلیمرها به دلیل ساختار مولکولی پیچیده شان، چالشهای ویژه ای ایجاد می کند. برخلاف مواد فلزی، پلیمرها معمولاً رفتار ویسکو الاستیک نشان میدهند که ترکیبی از ویژگیهای چسبناک و کشسان است. این مواد در بارگذاری های کوتاه مدت (در حد میکروثانیه) ممکن است رفتار شبه الاستیک از خود بروز دهند، اما در شرایط عملیاتی واقعی که بارها به صورت ممتد اعمال میشوند، خزش و Relaxation مواد نقش تعیین کننده ای پیدا میکنند.

عوامل مؤثر بر رفتار مکانیکی پلیمرها شامل:
– دمای محیط و دمای انتقال شیشهای
– نرخ کرنش اعمالی
– روش فرآوری و جهت گیری مولکولی
– درصد کریستالیتی و افزودنی های شیمیایی
– رطوبت و شرایط محیطی
– تاریخچه بارگذاری قبلی

بررسی دقیق منحنی تنش-کرنش در پلیمرها نشاندهنده رفتار مکانیکی پیچیدهای است که مستلزم تحلیل های چندمقیاسی است. در ناحیه الاستیک اولیه، پلیمرها از قانون هوک تبعیت میکنند (σ=Eε) که در آن مدول یانگ (E) بیانگر سفتی ماده است. با عبور از حد الاستیک، ماده وارد فاز تغییر شکل پلاستیک میشود که در آن کرنشهای دائمی ایجاد شده و مکانیزمهایی مانند جابجایی زنجیرههای پلیمری و تغییر ساختار کریستالی رخ میدهد.

نکته حیاتی در طراحی با پلیمرها، شناسایی دقیق نقطه تسلیم (Yield Point) است که پس از آن ماده دچار تغییر شکلهای برگشتناپذیر میشود. در بسیاری از پلیمرهای گرمانرم، پس از نقطه تسلیم، پدیده کرنش سختی (Strain Hardening) مشاهده میشود که ناشی از جهت گیری و کشش زنجیره های پلیمری در راستای بار اعمالی است. این فرآیند با افزایش دانسیته پیوندهای بین مولکولی همراه است که تا حدی مقاومت ماده را افزایش می دهد.

در تحلیلهای طراحی، باید به اثرات وابسته به زمان مانند خزش (Creep) و Relaxation توجه ویژهای شود. مدلهای ریاضیاتی مانند مدل ماکسول و کلوین-وویگت برای توصیف این رفتار ویسکو الاستیک به کار می روند. همچنین اثرات نرخ کرنش (Strain Rate) به طور مستقیم بر استحکام کششی و ازدیاد طول تا شکم ماده تأثیر میگذارد – پدیدهای که در استانداردهای آزمایشگاهی مانند ASTM D638 به دقت کنترل می شود.

از چالش های اصلی در کاربرد پلیمرها، وابستگی خواص مکانیکی به روشهای فرآوری مانند تزریق پلاستیک یا اکستروژن است. جهتگیری مولکولی ناشی از این فرآیندها موجب ناهمسانگردی مکانیکی شده که باید در محاسبات تنش لحاظ گردد. علاوه بر این، اثرات دما میتواند موجب تغییرات شدید در مدول الاستیسیته (تا 50 درصد در محدوده دمایی کاربردی) شود.

کرنش خزشی کششی ناشی از بارهای W1 اعمال شده به t0 و W2 اعمال شده در t1

ملاحظات هنگام انتخاب داده های خواص مکانیکی برای مواد پلاستیکی

بررسی دقیق خواص مکانیکی مواد پلاستیکی نقش اصلی در طراحی قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک دارد.