منحنی های خزش مواد پلاستیکی :

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

منحنی های خزشی، نمایش های گرافیکی داده های تجربی به دست آمده از آزمون خزش هستند. همان داده‌های خزش را می‌توان به روش‌های دیگری ترسیم کرد که استفاده از آن برای اهداف طراحی راحت‌تر است.

منحنی های خزش، مانند آنچه در شکل 1 نشان داده شده است، معمولاً در مقادیر زمانی ثابت مختلف (معمولاً 1 ساعت، 10 ساعت، 100 ساعت، 1000 ساعت و غیره) برش داده می شوند تا داده های تنش-کرنش در آن بازه های زمانی خاص به دست آید.

همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، داده ها به شکل یک منحنی تنش-کرنش هم زمان ترسیم می شوند. منحنی‌ها به جای منحنی‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت هنگام طراحی برای کاربردهایی که شامل بارگذاری استاتیکی طولانی‌مدت هستند، استفاده می‌شوند.

منحنی‌های تنش-کرنش هم‌زمان معمولاً در یک محدوده دما در دسترس هستند تا طراحان بتوانند تأثیرات زمان و دما را بر مدول ظاهری یا خزشی پلیمر در نظر بگیرند. مقادیر مدول خزش ظاهری معمولاً به جای مقدار مدول یانگ در معادلات طراحی کلاسیک برای پیش‌بینی کرنش‌ها یا انحرافات مرتبط با بارگذاری طولانی‌مدت استفاده می‌شوند.

لازم به ذکر است که مقدار مدول ظاهری با زمان، دما و سطح تنش متفاوت است. منحنی های تنش-کرنش هم زمان (دارای یک زمان isochronous) در شکل 2 الی 4، همچنین محدودیت‌های ترک برداشتن یا شروع فرسودگی پلیمر را در دماهای مختلف نشان می‌دهد.

سطح تنش (یا کرنش) در نقطه ای که خط حد ترک (با خط تیره نشان داده شده است.) با یک منحنی هم زمان قطع می شود، سطح تنش (یا کرنش) مرتبط با شروع ترک برداشتن در آن زمان خاص است.

به عنوان مثال، منحنی تنش-کرنش هم زمان برای پلی کربنات در 140 درجه فارنهایت / 50 درصد RH نشان داده شده در شکل 3 نشان می دهد که در حدود 10 ساعت در سطح تنش 4000 psi، ترک ها ظاهر می شوند، در حالی که برای برای ظاهر شدن این ترک ها در سطح استرس 2000 psi ، تقریباً 10000 ساعت طول خواهد کشید.

در حالی که محدودیت‌های ترک برداشتن یکی از معیارهایی است که طراح می‌تواند از آن برای تعیین حد تنش طراحی مواد پلاستیکی استفاده کند، اطلاعات همیشه روی منحنی‌ها ارائه نمی‌شود.

 

 

شکل 1 منحنی‌های خزش معمولاً در مقادیر زمانی استاندارد (1 ساعت، 10 ساعت، 100 ساعت، 1000 ساعت و غیره) برش داده می‌شوند تا داده‌هایی را برای تنش-کرنش هم زمان ایجاد کنند.

 

 

شکل 2 مجموعه ای از منحنی های تنش-کرنش کششی هم زمان برای یک پلی کربنات در دمای اتاق/50 درصد رطوبت نسبی

 

شکل 3 مجموعه منحنی تنش-کرنش هم زمان برای یک پلی کربنات در 140 درجه فارنهایت/50 درصد RH

 

 

شکل 4 مجموعه ای از منحنی های تنش-کرنش هم زمان برای یک پلی کربنات در 212 درجه فارنهایت/50 % RH

 

شکل 5 مدول خزش کششی در مقابل منحنی تنش در زمان های ثابت برای پلی کربنات در دمای اتاق/50 درصد رطوبت نسبی

 

داده‌های خزش را می‌توان به روش‌های مختلف دیگر از جمله منحنی‌های مدول در مقابل تنش در زمان‌های ثابت ترسیم کرد، همانطور که در شکل‌های  5 و 6 نشان داده شده است. منحنی ها به وضوح اهمیت در نظر گرفتن تأثیر سطوح تنش بر مدول ظاهری را نشان می دهند.

داده های خزش اغلب در قالب گرافیکی به عنوان نمودارهای مدول ظاهری به عنوان تابعی از زمان ورود در سطوح مختلف تنش ارائه می شوند. این قالب گرافیکی خاص راحت است زیرا به طراحان اجازه می دهد تا مقدار مدول ظاهری را در مقادیر زمانی غیر استاندارد تعیین کنند و به این دلیل که منحنی به راحتی به مقادیر زمانی طولانی تر تعمیم می یابد.

 

 

شکل 6 مدول کشش در مقابل منحنی زمان ورود به سیستم در سطوح مختلف تنش. برون یابی منحنی به مقادیر زمانی طولانی تر باید با احتیاط و در یک بازه زمانی محدود (در  log مبنای 10 از زمان) انجام شود.

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

تست خزش مواد پلاستیکی

 

در ادامه بحث خواص مکانیکی مواد پلاستیکی و طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک ، به بررسی تست خزش مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

تولیدکنندگان مواد، داده‌های خزش را با قرار دادن نمونه‌های آزمایشی قالب‌گیری شده (که توسط فرآیند قالب‌گیری تزریقی یا فشاری تهیه شده‌اند) تحت سطوح مختلف تنش (معمولاً چهار یا بیشتر از چهار مقدار تنش متفاوت) و نظارت بر تغییر طول یا کرنش به عنوان تابعی از زمان تولید می‌کنند (شکل 1).

آزمایش‌ها معمولاً در یک سری از محیط‌های دمای ثابت که دماهای معمول استفاده برای ماده مورد نظر هستند، انجام می‌شوند. آزمایش‌ها می‌توانند در کشش، فشار، خمیدگی یا برش انجام شوند.

ایده‌آل این است که آزمایش‌ها برای سال‌های متمادی انجام شوند تا واقعاً رفتار خزش و پارگی خزش ماده را کمی‌سازی کنند؛ با این حال، به دلیل محدودیت‌های عملی، آزمایش‌ها معمولاً برای مدت زمان کوتاه‌تری انجام می‌شوند.

برای طراحان مهم است که تعیین کنند آیا داده‌های خزش که با آن‌ها کار می‌کنند، داده‌های تجربی واقعی هستند یا داده‌های برون‌یابی شده (از یک آزمایش کوتاه‌مدت). امکان برون‌یابی منحنی‌های خزش و پارگی خزش وجود دارد؛ با این حال، باید با احتیاط انجام شود.

 

شکل 1 داده‌های تست خزش با قرار دادن نمونه‌های قالب‌گیری شده تحت یک سری بارها یا تنش‌ها و نظارت بر تغییر طول یا کرنش در طول زمان (کشش، فشار، خمیدگی یا برش) تولید می‌شود.

 

شکل 2 داده‌های تجربی حاصل از یک آزمایش خزش برای ترسیم منحنی‌های کرنش در برابر زمان لگاریتمی در سطوح مختلف تنش (در دمای ثابت و رطوبت نسبی) استفاده می‌شود.

 

داده‌های تجربی خزش معمولاً به‌صورت یک نمودار ترسیم می‌شوند که کرنش را به‌عنوان تابعی از زمان لگاریتمی در دمای ثابت/رطوبت نسبی و سطوح مختلف تنش نشان می‌دهد تا یک منحنی خزش تولید شود (شکل 2).

شیب منحنی خزش نشان‌دهنده ثبات ابعادی وابسته به تنش ماده پلاستیکی است. سطوح بالاتر تنش باعث افزایش خزش می‌شوند، همان‌طور که دماهای بالاتر نیز این اثر را دارند.

 

 

شکل 3 مقاومت خزش یک پلیمر با افزودن الیاف تقویت‌کننده به‌طور قابل توجهی بهبود می‌یابد.

 

شکل 4 الیافی که به‌طور معمول برای افزایش مقاومت خزش یک پلیمر استفاده می‌شوند شامل الیاف شیشه و الیاف کربن هستند.

 

نرخ خزش برای پلیمرهای پر شده و تقویت شده با الیاف به‌طور قابل توجهی کمتر از مواد بدون پرکننده است، به شرطی که از عوامل جفت‌کننده مناسب استفاده شود. شکل 3 نشان می‌دهد که مقادیر کرنش خزش برای نایلون تقویت شده با الیاف شیشه به‌طور قابل توجهی کمتر از نایلون خالص 6/6 است، حتی زمانی که ماده تقویت شده تحت سطوح بالاتر تنش قرار گیرد.

مقاومت در برابر خزش می‌تواند با استفاده از تقویت‌های الیاف گرافیتی حتی بیشتر افزایش یابد، همان‌طور که در شکل 4 نشان داده شده است. باید در اینجا ذکر شود که اثرات خطوط جوش و جهت‌گیری الیاف بر رفتار خزش باید هنگام کار با گریدهای پلیمر تقویت شده با الیاف مورد توجه قرار گیرد.

در طول آزمایش خزش، معمولاً نمونه‌ها برای تسلیم، پارگی، ترک‌های ناشی از تنش، ترک‌خوردگی و سفیدی ناشی از تنش بررسی می‌شوند. داده‌های آزمایش پارگی خزش (یا تسلیم) معمولاً ترسیم می‌شوند تا مجموعه‌ای از منحنی‌ها در دماهای مختلف تولید کنند که نشان‌دهنده تنش شکست یا تسلیم به‌عنوان تابعی از زمان لگاریتمی باشد، همان‌طور که در شکل 5 نشان داده شده است.

پارگی خزش می‌تواند به‌صورت شکست‌های شکل‌پذیر یا شکننده رخ دهد که معمولاً با ظاهر ماکروسکوپی متمایز می‌شوند. شکست‌های شکل‌پذیر شامل نوعی تغییر شکل پلاستیک عمده هستند، مانند تسلیم، باریک شدن یا برش، که همگی شامل تغییر شکل یا اعوجاج هستند. از سوی دیگر، شکست‌های شکننده شامل تغییر شکل عمده نیستند و تنها شامل تغییر شکل پلاستیک بسیار موضعی هستند.

 

 

شکل 5 تنشی که یک قطعه پلاستیکی در حالت خزش دچار تغییر شکل یا شکست می‌شود، به مدت زمان بارگذاری خزش و دما بستگی دارد. مقادیر تنش تسلیم و شکست در خزش برای یک پلی‌کربنات در دماهای مختلف نشان داده شده است.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا برای مشاوره در زمینه طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک آماده ارائه خدمات به علاقه مندان می باشد.

بررسی ضریب پواسون مواد پلاستیکی

 

در ادامه بحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک به مبحث ضریب پواسون در مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

نسبت پواسون:

هنگامی که قطعه پلاستیکی (‏یا نمونه آزمایش)‏ در معرض تنش‌های کششی یا فشاری قرار می‌گیرد، هم در امتداد محور بارگذاری (‏تغییر شکل طولی)‏ و هم عمود بر محور بارگذاری (‏تغییر شکل جانبی) ‏تغییر شکل می‌دهد.

نسبت پواسون به صورت نسبت کرنش جانبی به کرنش طولی در محدوده الاستیسیته تعریف می‌شود. علامت منفی نشان می‌دهد که کرنش‌های جانبی در جهت مخالف کرنش‌های طولی هستند. به عنوان مثال، هنگامی که یک قسمت در جهت طولی، کشیده می‌شود، عرض و ضخامت (‏جهت جانبی)‏ آن منقبض می‌شوند (‏شکل پایین)‏. ​

اکثر مواد معمولی دارای مقادیر نسبت پواسون هستند که بین ۰.۰ و ۰.۵ قرار دارند. همچنین برخی مواد منحصر به فرد وجود دارند که به طور جانبی تحت تنش کششی گسترش می‌یابند.

ماده‌ای که دارای مقدار نسبت پواسون ۰ باشد، وقتی تحت کشش (‏یا انبساط جانبی هنگام فشرده شدن)‏باشد، هیچ انقباض جانبی از خود نشان نخواهد داد.

ماده‌ای با نسبت پواسون ۰.۵ مقدار انقباض جانبی (‏به دلیل تنش کششی طولی)‏ را نشان می‌دهد که منجر به حجم و چگالی ثابت می‌شود.

هر ماده‌ای با نسبت پواسون بین ۰.۰ و ۰.۵ تغییرات حجم و چگالی را در هنگام تحت تنش قرار گرفتن نشان می‌دهد.

مقدار نسبت پواسون برای یک ماده معین را می توان به طور مستقیم از آزمایش کشش یا فشار تک محوری (‏با استفاده از انبساط‌سنج‌های جانبی و طولی)‏ تعیین کرد و یا اگر مقادیر مدول الاستیک و برشی مشخص باشند، می توان آن را محاسبه کرد.

 

نسبت پواسون معیاری از نسبت مقادیر کرنش جانبی به طولی برای یک ماده می‌باشد. این مقدار در انواع معادلات طراحی و برای تبدیل بین مدول برشی ماده و مدول کششی / فشاری استفاده می‌شود. ​

 

مقادیر معمول نسبت پواسون

​​​​​

Material	Range of Poisson’s Ratio
Aluminum	0.33
Carbon steel	0.29
Ideal rubber	0.50
Neat thermoplastic	0.20–0.40
Reinforced/filled thermoplastic	0.10–0.40
Structural foam	0.30–0.40

 

همانند مقادیر مدول الاستیک و برشی، نسبت پواسون با متغیرهایی مانند دما، کرنش یا سطح تنش و نرخ کرنش تغییر می‌کند. ​

مقادیر نسبت پوآسون برای ارتباط دادن مقادیر مدول الاستیک و برشی استفاده می‌شوند و برای بسیاری از محاسبات طراحی سازه مورد نیاز هستند. ​

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

منحنی تنش-کرنش مواد پلاستیکی: بخش دوم

 

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات و قالب های تزریق پلاستیک به بخش دوم موضوع منحنی تنش-کرنش مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

 

 

 تنش پروف یا تسلیم:

تنش پروف گاهی برای مواد پلاستیکی که به تدریج تسلیم می شوند یا کرنش های تسلیم بسیار بالایی نشان می دهند، استفاده می شود. تنش پروف با ساختن یک خط موازی با بخش خطی منحنی تنش-کرنش، در یک فاصله (آفست) کرنش مشخص تعیین می‌شود. تنش در نقطه تلاقی خط ساخته شده و منحنی تنش-کرنش، تنش پروف یا تسلیم در آن آفست کرنش خاص است.

 تنش و کرنش واقعی:

در بیشتر موارد، مقادیر تنش به عنوان تنش های مهندسی توصیف می شوند و از بار اعمال شده و سطح مقطع اولیه تعیین می شوند. هنگامی که مواد تحت بارگذاری فشاری، برشی یا کششی قرار می گیرند، سطح مقطع آنها تغییر می کند (به ویژه در کرنش های زیاد). مقادیر تنش واقعی با تقسیم بار اعمال شده بر سطح مقطع لحظه ای در حین پیشرفت آزمایش تعیین می شود. تقریباً در همه موارد، مقادیر تنش و کرنش مهندسی گزارش شده و در عمل استفاده می شود.

 

 مدول الاستیک (یانگ):

اصطلاح مدول الاستیک، E، به عنوان شیب منحنی تنش-کرنش برای یک ماده الاستیک (یعنی ماده ای که رفتار تنش-کرنش خطی نشان می دهد) تعریف می شود. از آنجایی که بیشتر مواد پلاستیکی غیر خطی هستند، شیب منحنی تنش-کرنش با تنش یا سطح کرنش و سرعت آزمایش تغییر می‌کند. اصطلاح مدول الاستیک را نمی توان به طور دقیق در مورد مواد ویسکوالاستیک به کار برد زیرا آنها از قانون هوک پیروی نمی کنند.

 مدول اولیه (تانژانت):

شیب قسمت اولیه (خطی) منحنی تنش-کرنش به عنوان مدول اولیه شناخته می شود (شکل 1). مدول اولیه معیاری از سفتی مواد در تنش ها یا کرنش های کم را ارائه می دهد. برای بسیاری از مواد پلاستیکی، شناسایی دقیق قسمت خطی منحنی تنش-کرنش دشوار است و مدول اولیه با گرفتن شیب خط مماس به قسمت اولیه منحنی تنش-کرنش (مدول مماس اولیه) تعیین می شود. هنگامی که بخش اولیه منحنی تنش-کرنش غیر خطی است، یک روش جایگزین برای گزارش مدول گزارش یک مدول سکانتی (معمولاً در کرنش 1٪) به عنوان معیاری بیشتر از صلبیت ماده است. مقایسه اعداد مدول آزمون کوتاه‌مدت بین گریدها/تامین‌کننده‌های مختلف مواد (به ویژه برای پلیمرهای انعطاف‌پذیر) می‌تواند دشوار باشد، زیرا این عدد به روش خاصی که برای محاسبه مقدار استفاده می‌شود بسیار حساس است.

 مدول سکانت:

نسبت تنش به کرنش در هر نقطه از منحنی تنش-کرنش (به عنوان مثال، شیب خط از مبدأ به هر نقطه دیگر در منحنی تنش-کرنش). مقادیر مدول سکانت به عنوان تابعی از درصد کرنش گزارش می شود و معمولاً زمانی که محاسبات مهندسی برای پلیمرهای الاستومری یا انعطاف پذیر انجام می شود (به عنوان مثال، در کاربردهایی که شامل تغییر شکل های بزرگ است) مورد نیاز است.

 چقرمگی (منطقه زیر منحنی تنش-کرنش):

ناحیه زیر منحنی تنش-کرنش نشانی از چقرمگی کلی ماده در دما و نرخ بارگذاری خاص را ارائه می‌دهد.

در برخی موارد، طراحان منحنی تنش-کرنش واقعی را ندارند، اما باید با برگه‌های داده خواص ماده کار کنند که ویژگی‌های کلیدی، مانند مدول اولیه، تنش تسلیم، ازدیاد طول تسلیم، استحکام نهایی، و ازدیاد طول نهایی را بیان می‌کند. اما با این مقادیر، می توان تخمین تقریبی از رفتار تنش-کرنش کوتاه مدت را همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است به دست آورد (به صورت ذهنی یا با ترسیم مقادیر).

شکل 1 هنگامی که مقادیر مدول اولیه، تسلیم و استحکام شکست، تسلیم و ازدیاد طول شکستگی داده شود، می توان رفتار تنش-کرنش کلی پلیمر (در آن دما و نرخ کرنش خاص) را تخمین زد.

 

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

رفتار کوتاه مدت تنش-کرنش در مواد پلاستیکی : قسمت دوم

 

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 این موضوع پرداخته شده است.

در مقایسه با اکثر فلزات و چوب‌ها، مواد پلاستیکی معمولاً سفت‌تر هستند (به عنوان مثال، از نظر کمی مقادیر مدول پایین‌تری دارند). به عنوان نمونه، پلی‌کربنات پر نشده تنها حدود 1/85 برابر سختی فولاد کربنی و حدود 1/28 برابر سختی آلومینیوم دارد.

با این حال، برخلاف فلزات و چوب‌ها، انواع مختلفی از گریدهای مواد پلاستیکی با دامنه وسیعی از سفتی در دسترس هستند؛ از الاستومرهای انعطاف‌پذیر تا گریدهای پلیمری تقویت‌شده با الیاف بسیار سفت و سخت (شکل 1)

گریدهای مواد پلاستیکی معمولاً از نظر رفتار تنش-کرنش کوتاه‌مدت طبقه‌بندی می‌شوند و به‌عنوان الاستومری (نرم و انعطاف‌پذیر، بسیار منعطف)، انعطاف‌پذیر (مواد سخت با استحکام متوسط) یا صلب/شیشه‌ای (مواد با رفتار سفت و خطی که تسلیم کم یا بدون تسلیم قبل از شکست، و کرنش شکست کمی را نشان می‌دهند) توصیف می‌شوند (شکل 2)

منحنی‌های تنش-کرنش، اندازه‌گیری کمی از رفتار مکانیکی یک ماده در دما، رطوبت و نرخ کرنش خاص مرتبط با روش آزمایش مکانیکی را ارائه می‌کنند.

شکل 1. مواد پلاستیکی با طیف وسیعی از رفتارهای تنش-کرنش در دسترس هستند. در مقایسه با فلزات، مواد پلاستیکی به طور قابل توجهی مقادیر مدول کمتری دارند، به خصوص در دماهای بالا

 

شکل 2. منحنی های تنش-کرنش کوتاه مدت معمولاً برای اهداف غربالگری اولیه استفاده می شود. منحنی ها را می توان برای طراحی مورد استفاده قرار داد اگر نرخ کرنش مشابه با موارد مرتبط با کاربرد نهایی باشد. مواد پلاستیکی معمولاً از نظر رفتار تنش-کرنش به عنوان سفت، انعطاف پذیر یا الاستومری طبقه بندی می شوند.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات مشاوره در زمینه طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و انواع قالب های تزریق پلاستیک به علاقه مندان می باشد.