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.

آرامش تنش در مواد پلاستیکی – بخش دوم

 

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 دوم این موضوع ارائه شده است.

داده‌های آرامش تنش با اعمال یک کرنش ثابت به یک نمونه قالب‌گیری شده و اندازه‌گیری فروپاشی تدریجی تنش با گذشت زمان تولید می‌شوند. آزمایش ها را می توان در کشش، فشار، برش و خمش اجرا کرد. داده‌های تست آرامش تنش را می‌توان برای تولید منحنی‌های تنش-کرنش هم‌زمان استفاده کرد که مشابه آن‌هایی هستند که از داده‌های آزمایش خزش تولید می‌شوند.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، داده های آرامش تنش همچنین می تواند در قالبی ارائه شود که مدول آرامش را به عنوان تابعی از زمان ثبت و در مقادیر مختلف کرنش ثابت ارائه می دهد.

 

شکل 1 مانند داده‌های خزش، داده‌های تست آرامش تنش را می‌توان برای ساخت منحنی‌های تنش-کرنش هم زمان استفاده کرد. داده های آرامش برای پلی کربنات در دمای اتاق/50 درصد رطوبت نسبی نشان داده شده است

 

شکل 2 مدول آرامش در برابر زمان و کرنش برای پلی کربنات در دمای اتاق/ 50 % RH

 

متأسفانه برای طراحان، داده‌های آرامش تنش به اندازه داده‌های خزش در دسترس نیستند، که تا حد زیادی به دلیل پیچیدگی نسبی دستگاه تست آرامش تنش در مقایسه با دستگاه تست خزش است.

ممکن است تخمین کاهش تنش برای کاربردهای آرامش تنش با استفاده از داده‌های خزش زمانی که داده‌های آرامش تنش در دسترس نیستند، ممکن باشد.

با این حال، این عمل توصیه نمی شود. نشان داده شده است که مدول های خزش و آرامش ممکن است در زمان های کوتاه تر و سطوح کرنش کم مشابه باشند.

با این حال، در زمان های طولانی تر و مقادیر کرنش بالاتر، تفاوت در دو مقدار مدول بیشتر می شود. بهتر است در صورت امکان از داده های آرامش تنش برای کاربردهای فشار ثابت استفاده کنید.

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

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.