مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
"ارضای کنجکاوی یک فرد، یکی از بزرگترین منابع شادی در عمر انسان هاست" (Linus Pauling).
اگر چه گفته ی شیمیدان برنده ی جایزه ی نوبل یعنی Linus Pauling به تمام موضوعات آموزشی مربوط می شود، گفته ی او به طور خاص مربوط به یک موضوع مواد می باشد. در واقع در زمینه ی مهندسی مواد و پلیمر، شیمی، فیزیک و مهندسی، با هم ترکیب می شوند. با استفاده از ترکیب های شیمیایی مختلف، ایجاد ریزساختارها و استفاده از فرایندهای و خواص مختلف، مواد متنوعی قابل تولید می باشد. یک کنجکاوی در این زمینه، در واقع ارضای خروجی این مسئله است که ماده ی جدید تولیدی، دارای چه گستره ای از خواص می باشد؟؟
مقدمه
Brown (1996) خواص مواد به صورت خواص پایه ای، خواص ظاهری و خواص عملکردی طبقه بندی کرده است. او وجه تمایز این خواص را با در نظر گرفتن استحکام توصیف کرده است. در واقع استحکام پایه ی یک ماده، استحکامی است که به شیوه ای اندازه گیری شود که نتیجه، مستقل از شرایط آزمون است. استحکام ظاهری، استحکامی است که بوسیله ی روشی اندازه گیری شده است که دارای شرایط قراردادی می باشد به نحوی که داده ها نمی توانند به صورت ساده با سایر شرایط و هندسه های دیگر نمونه، تطبیق داده شوند. این طبقه بندی به تمام انواع خواص نیز توسعه داده شده است.
این مهم است بدانید که هدف از انجام یک آزمون یا تست، چیست؟ در حقیقت، در طراحی یک قطعه، این خواص اساسی هستند که مورد نیاز می باشند اما بیشتر آزمون های مکانیکی موجب ارائه ی خواص ظاهری به ما می شوند. در غیاب وجود دستورالعمل های تدوین شده برای بررسی نتایج برای شرایط دیگر، داده های چند نقطه ای باید تحت شرایطی ایجاد شوند که به احتمال زیاد، بر روی نتایج آزمون، مؤثر باشند. در نتیجه، تدوین جدول های قابل اطمینان از خواص مواد برای طراحین، سخت و هزینه بر می باشد.
روش های آزمون استاندارد موجب می شود تا خواص ظاهری به ما داده شود. این خواص برای کنترل کیفیت مناسب هستند و تنها موارد اندکی وجود دارد که این داده ها، برای طراحی مناسب باشند. در سال های اخیر، حرکت به سمت استانداردهای بین المللی منجر به بررسی های نزدیکی بر روی روش های آزمون قدیمی، انجام شود. در این حالت، این فهمیده شده است که قابلیت انجام مجدد بسیاری از این آزمون ها، ضعیف می باشند. این مسئله در حقیقت به دلیل رشد واقعی در زمینه ی نیاز به کالیبراسیون ادوات است و نیازمند رویه های کالیبراسیون مناسب تر، می باشد.
رشد قابل توجهی در زمینه ی استفاده از آزمون بر روی محصولات واقعی، انجام شده است. این مسئله به دلیل افزایش تقاضا برای بدست آوردن محصولات با کارایی بالا، ایجاد شده است.
یک گزارش آزمون باید شامل اطلاعاتی مربوط به تولید و یا آماده سازی ماده ای باشد که مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر این اطلاعات، باید اطلاعاتی در مورد تاریخچه و نحوه ی نگهداری، پارامترهای مهم مانند دمای آزمون، سرعت و ... نیز در این گزارش باشد. در حالی که این تشخیص داده شده است که نتایج بدست آمده، به شرایط آزمون وابسته می باشد، این مسئله همواره واضح نیست که برخی از این شرایط ممکن است قبل از نمونه گیری، بر روی قطعات فرستاده شده برای آزمون، ایجاد شده اند. برخی اوقات، تاریخچه ی نمونه، بخشی از یک رویه ی آزمون می باشد، برای مثال، نمونه های پیرسازی شده و پیرسازی نشده؛ اما در سایر موارد، این مسئله ممکن است به خوبی مشخص نشده باشد که نمونه های تازه ای که به دست ما رسیده است، هم اکنون چندین ماه عمر داشته اند. در برخی موارد نیز تاریخچه ی یک نمونه، مشخص نیست. اثرات تخریبی مانند اثر اوزون بر روی نمونه های رابری نیز نمی تواند در نظر گرفته نشود اما رویه های مربوط به شرایط استاندارد به خوبی طراحی شده اند و بدین صورت، انجام آزمون در شرایط تعادلی انجام می شود. تحمیل یک تاریخچه ی حرارتی استاندارد قبل از اندازه گیری دانسیته ی یک پلیمر کریستالی نیز یک مثال خوب از این موارد می باشد.
علاوه بر این، هندسه ی قطعه نیز مهم است و اگر دوباره مقایسه کنیم، باید بگوییم که داده های مربوط به یک هندسه ی استاندارد و مشخص به سختی به داده های قطعه ای با هندسه ای دیگر، قابل تبدیل است. علت این مسئله، این است که پلیمرها، مواد پیچیده ای هستند. شرایط قالب گیری برای آماده سازی نمونه ی استاندارد برای مثال قالب گیری تزریقی و یا فشاری باید در نظر گرفته شود. وقتی در حال آماده سازی نمونه با روش قالب گیری تزریقی هستیم، نمونه ها جهت گیری های مولکولی پیدا می کنند که این مسئله نیز بر روی خواص در جهات مختلف، مؤثر است. این بدین معناست که خواص حالت آنیزوتروپ می شود.
آزمون ها باید به گونه ای طراحی و کنترل شوند که اجازه دهند اصول استاندارد بر روی نتایج، اعمال شود. دقت نتایج بدست آمده، تنها به دقت اندازه گیری های اصلی وابسته می باشد اما اعتبار روش های مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل داده ها نیز یک عامل مهم می باشد.
خواص مهندسی باید همواره با واحدهای مناسب، گزارش شوند. در حقیقت، سیستم واحد و اوزان اتحادیه ی جهانی (SI) برای این کار وجود دارد. البته در برخی کشورها، از واحدهای خاص، نیز استفاده می شود. عدم توجه به واحدها و مخلوط شدن واحدهای سیستم های مختلف، می تواند نتایج جدی و قابل توجهی بر روی داده ها، داشته باشد. این مسئله گاهی وقت ها، در اشتباهات انجام شده بوسیله ی ناسا نیز نمود دارد. برای مثال، تخریب Mars Climate Orbiter در سال 1999 به دلیل استفاده از واحدهای نامناسب، رخ داده است. این اشتباه در واقع یک اشتباه ریاضی ساده بود که باعث شد، یک پروژه ی 78 میلیون فرانکی شود. یک بررسی نشان داد که مهندسینی که بر روی ساخت این فضاپیما کار می کردند، از واحدهای متفاوت با سیستم متریک، استفاده می کردند. این مسئله خسارت قابل توجهی به بار آورد. این ماهواره که در واقع حامل تجربه های انگلیسی بود، ابتدا فرض شد که پس از برخورد با جو مارتین خرد شده است. این مسئله پس از قطع ارتباط رادیویی این ماهواره، به نظر می رسید اما پس از بررسی های بیشتر، فهمیده شد که این ماهواره پس از تغییر مسیر به سمت سیاره ی سرخ حرکت کرده است و پس از چند هفته، از بین رفته است. اما امروزه متخصصین ناسا گمان می کنند که این ماهواره به فضای خارج بازگشته است. در حقیقت این منتشر شده است که یک تیم از محققین که در حال ساخت این ماهواره بوده اند، بر طبق مایل و پوند کار کردند، در حالی که تیم دوم محققین اندازه گیری ها را بر اساس کیلومتر و کیلوگرم در نظر گرفتند. این بدین معناست که این ماهواره پس از مأموریت 416 مایلی خود، به اندازه ی 60 مایل خارج از جایی قرار گرفته است که مد نظر بوده است.
مقاله ی بوسیله ی Charles Arthur در ایندیپندنت به چاپ رسیده است، می گوید: "تبدیل اندازه گیری های بر اساس واحدهای خاص به واحدهای متریک، واقعا جزء علوم راکت نیست. ممکن است این مسئله دلیل این موضوع باشد که افراد موجود در آژانس هوایی ناسا با در نظر نگرفتن همین موضوع، خسارت قابل توجهی ایجاد کردند. این اعتقاد وجود دارد که این ماهواره در 37.5 مایلی بالاتر از اتسمفر مارتین سوخته است. این مسئله پس از حرکت 416 مایلی آن رخ داده است که ماهواره در طی این حرکت، هیچ مشکلی نداشته است. حال چرا این اتفاق افتاده است؟ علت این مسئله، این است که سازندگان فضاپیما به جای واحدهای متریک، از واحدهای انگلیسی استفاده کردند".
مقاله ی ایندیپندنت این سوال را مطرح می کند که، "آیا تفاونی وجود دارد؟ پاسخ این سوال، آری است. در حقیقت یک پوند- نیرو که واحد انگلیسی است، معادل 4.44 نیوتن است که واحد متریک محسوب می شود. در فضای بین سیاره ای، این خطا، واقعا بزرگ می شود. اما در نزدیکی مریخ، ماهواره با نیروی مخالف مربوط به بادهای خورشیدی مواجه شده است و این مسئله موجب تخریب ماهواره شده است. کارمندان ناسا به طور واضح از این اشتباه معذرت خواهی کردن و علت مسئله را نیز استفاده ی نادرست از واحدها بیان کردند".
خواص پلاستیک ها در دمای اتاق، برخلاف فلزات، به زمان وابسته است. تکمیل کننده ی این مسئله، اثرات ناشی از سطح تنش، دمای ماده و ساختار (وزن مولکولی، جهت گیری مولکولی و کریستالینیتی یا دانسیته) می باشد. برای مثال در پلی پروپلین (PP)، یک افزایش در دما از 20 به 60 درجه ی سانتیگراد، موجب کاهش 50 % در تنش مجاز طراحی می شود. همچنین برای هر تغییر 0.001 گرم بر سانتیمتر مکعبی در دانسیته ی PP، یک تغییر 4 % در تنش طراحی مشاهده می شود (یعنی تنش ماکزیمم مجازی که قطعه ی ماشین و یا جزء ممکن است بدون شکستت، تحمل کند). علاوه بر این، ماده استحکام بیشتری را در جهت انطباق مولکول ها دارد. این استحکام در جهت عمود بر این انطباق، کمتر است.
به دلیل اثر یک چنین فاکتورهای اضافی بر روی رفتار پلاستیک ها، خواصی که با یک عدد منفرد بیان می شوند، تنها برای شرایطی که اندازه گیری شده اند، کاربرد دارد. مشاور طراح همچنین خواص اندازه گیری شده به صورت یک عدد را که از طریق یک رویه ی استاندارد بدست آمده اند، تنها برای کاربردها و ارزیابی های کنترل کیفیت مناسب می داند. این ارقام برای اهداف طراحی مناسب نیستند زیرا طراحی یک جزء پلاستیکی نیازمند داشتن اطلاعات کافی در مورد آن ماده می باشد. همچنین رفتار ماده در دمای سرویس دهی، رفتار وابسته به زمان و گستره ی تنش های اعمالی بر روی این قطعه نیز از جمله فاکتورهایی است که باید در نظر گرفته شود.
منابع مفید خوبی در اینترنت وجود دارد که در آنها، اطلاعات خوبی در مورد خواص پلیمرها، ارائه شده است. استانداردهای مربوط به طراحی مواد کامپیوتری (CAMPUS) یکی از این سایت هاست که می توان اطلاعات ارزنده ای از آنها بدست آورید. این استاندارد نرم افزار دیتابیسی در مورد پلاستیک ها ارائه کرده است که بیش از 40 تولیدکننده ی پلاستیک دنیا، برای تهیه ی آن، مشارکت کرده اند. ویژگی اصلی این دیتابیس CAMPUS مهیا نمودن اطلاعات با قابلیت مقایسه از تولیدکننده هایی است که با آن مشارکت دارند. اطلاعات و الزامات موجود بر اساس استاندارد ISO 10350 (برای داده های یک نقطه ای) و ISO 11403-1 (برای داده های چند نقطه ای) تهیه شده است.
خواص کششی
روش های استاندارد برای انجام آزمایش های مورد استفاده در اندازه گیری خواص کششی پلاستیک ها، شامل بخش های مختلفی از استاندارد ISO 527، استاندارد BS 2782 و یا روش های موجود در استانداردهای BS EN ISO 527 و ASTM D638 و یا ورژن متریک از استاندارد D638M می باشد. روش های جایگزین برای انجام این آزمون ها بر روی رابرها و مواد لاستیکی، شامل استانداردهای ISO 37، BS 903، ASTM D412 و برای فیلم ها و صفحات، استاندارد ASTM D882 می باشد. آزمون می تواند با استفاده از ماشین آزمون استاندارد (شکل 1a) انجام شود که دارای ظرفیت بارگذاری مناسب برای این مواد می باشد. این دستگاه دارای چنگه ها و کشش سنج مناسب است که قادر است میزان انبساط و تغییر طول را به خوبی اندازه گیری کند. این کشش سنج می تواند از نوع تماسی (شکل1b ) و یا غیر تماسی (لیزری و یا ویدئویی) باشد.
نمونه های آزمون عمدتاً دارای به صورت دمبل های مسطح و یا استوانه ای و یا نوارهای مسطح می باشند. شکل دمبلی کمک می کند تا شکست در مکان مناسبی ایجاد شود و از ایجاد شکست در ناحیه ی گیره ی دستگاه، جلوگیری شود. شکل و ابعاد مربوط به نمونه ها در استانداردهای مختلف، متفاوت است اما اغلب این شکل به گونه ای است تا از ایجاد تمرکز تنش و یا محدود شدن میزان مواد مورد استفاده برای آزمون، جلوگیری شود.
شرایط قالب گیری برای آماده سازی نمونه های استاندارد نیز قالب گیری تزریقی و یا فشاری می باشد. وقتی نمونه های آزمون با استفاده از قالب گیری تزریقی تولید می شوند، قطعات دمبلی شکل باید جهت گیری مولکولی در طول نمونه داشته باشند مگر با توجه به شرایطی که در استاندارد ISO 294-5:2011 توصیف شده است.
در طی آزمون، ماشین بار و یا نیرو و میزان جابجایی را اندازه گیری می کند و اطلاعات بدست آمده بر اساس نمودار تنش- کرنش، ترسیم می شود (شکل 2). تنش (σ) با نیرو (F) و مساحت سطح مقطع (A) مرتبط است. این ارتباط به صورت زیر است:
σ=F/A
میزان تغییر طول (∆L) و طول گیج (L) با کرنش (ε) مرتبط می باشند. این ارتباط به صورت زیر است:
ε=∆L/L
پارامتر دیگری نسبت پواسون (υ) است که نشاندهنده ی تغییر در سطح مقطع نمونه به عنوان نتیجه ای از اعمال تنش محوری است و به صورت نسبت کرنش جانبی به کرنش محوری تعریف می شود:
υ= -(ΔW/W)/(ΔL/L)
که در اینجا، w عرض نمونه می باشد. توجه کنید که وقتی ΔW منفی است، یعنی حالت انقباض داشته باشیم، υ مثبت می شود.
برای موارد نهایی در مواد ایزوتروپ، υ=-1 است. در این حالت، خواص نمونه تغییر نمی کند. برای حالتی که υ=0.5 است، حجم نمونه (V) ثابت می ماند یعنی ΔL=0.
از معادله ی ΔL=Δ(AL)=LΔA+AΔL=0 و با در نظر گرفتن سطح مقطع مربعی برای نمونه (A=W^2)، این را می توان نشان داد که υ=-(ΔW/W)/ΔL/L)=-0.5.
خواص کششی مربوط به مدول یانگ (مدول الاستیک)، استحکام تسلیم، استحکام کششی (تنش ماکزیمم مهندسی و همچنین استحکام کششی نهایی (UTS)) و ازدیاد طول شکست می تواند از نمودار تنش- کرنش، استخراج، گردد. این مسئله در شکل 2 نشان داده شده است. در این شکل نمودار تغییر شکل بزرگی نشان داده شده است که شامل نواحی تغییر شکل الاستیک، ویسکوالاستیک و پلاستیک است. در ناحیه ی الاستیک، کرنش کوچک است و یک رابطه ی خطی میان تنش و کرنش مشاهده می شود. در این بخش، قانون هوک صدق می کند و ماده می تواند به سرعت پس از برداشته شدن بار، به جای اولیه ی خود بازگردد. مدول یانگ، در حقیقت شیب این ناحیه از نمودار می باشد. پس از ناحیه ی الاستیک و تا حوالی نقطه ی تسلیم، ناحیه ی ویسکوالاستیک وجود دارد که در این مکان، ماده می تواند پس از زمانی معین از برداشته شدن بار، به ابعاد اولیه ی خود برگردد.
در نقطه ی تسلیم، ماده به صورت پلاستیک، تغییر شکل می دهد یعنی ماده متحمل تغییر شکل دائمی می شود و پس از رها شدن بار، تنها به اندازه ی میزان الاستیک خود، باز می گردد. در این حالت، تغییر شکل پلاستیک، قابلیت بازگشت ندارد. در نقطه ی تسلیم، ماده حالت گلویی پیدا می کند یعنی سطح مقطع نمونه متحمل کاهش قابل توجهی می شود. پس از این نقطه، کشیده شدن نمونه منجر به شکست در قطعه می شود. این مورد به صورت تنش اسمی (تنش مهندسی) نشان داده می شود (شکل 2). توجه کنید که تنش مهندسی با تقسیم بار بر ناحیه ی سطح مقطع اولیه ی نمونه، بدست می آید. این تنش، از تنش واقعی ایجاد شده در نمونه، متفاوت است در واقع تنش واقعی با تقسیم بار بر سطح مقطع لحظه ای نمونه بدست می آید. با توجه به این مسئله، تنش واقعی در بخش گلویی شدن، کاهش نمی یابد و هنوز ثابت می ماند و یا کمتر از افزایش کرنش، افزایش می یابد. این مسئله، به میزان کشش سرد، وابسته است.
کشش سرد تا نقطه ی تسلیم ادامه می یابد و در این مکان، ماده متحمل تغییر شکل دائمی می شود که نتیجه ای از لغزش مولکولی است. با ادامه ی کشش بخش باریک شده ی نمونه ی دمبلی شکل ادامه می یابد که این مسئله به دلیل شانه دادن گلویی و گذر نمونه اتفاق می افتد. در ازدیاد طول بیشتر، شیب نمودار تنش- کرنش دوباره افزایش می یابد. علت این مسئله، سخت شدن کرنشی یا جهت گیری مولکولی است. این مسئله در نهایت موجب گسستگی در ماده می شود. این ویژگی برای نمونه ی دمبلی شکل در شکل 3 نشان داده شده است.
در غیاب یک نقطه ی تسلیم واضح و یا جایی که انحراف از حالت خطی ایجاد شده است، نمی توان نقطه ی عیوب را تشخیص داد. در واقع استحکام تسلیم آفست تعیین می شود. استحکام پروف یا آفست تنشی است که در آن، نمودار تنش- کرنش به میزان یک کرنش مشخص (آفست) منحرف می شود. آفست به صورت درصد کرنش، بیان می شود. این درصد کرنش عموماً 0.2 % برای فلزات می باشد که بر اساس استاندارد ASTM E8 تعیین شده است ولی این مقدار برای پلاستیک ها بالاتر است و می تواند تا 2 % نیز برسد.
اغلب نمودارهای تنش کرنش تحت حالت کششی، خمشی و یا فشاری، ممکن است بخش اولیه ی مشابهی داشته باشند. این ناحیه، ناحیه ی انگشتی (toe region) نامیده می شود. این ناحیه ی بوسیله ی گیره های ایجاد می شود. این اثر تصنعی می تواند مشابه شکل 4 خنثی شود و بدین صورت نقطه ی صفر واقعی برای تعیین دقیق خواص، شناسایی شود.
نمودارهای تنش کرنش برای پلاستیک ها دارای سطوح متفاوتی از داکتیلیته است که در شکل 5 نشان داده شده است. جدول 1 نشاندهنده ی خواص کششی برای نمونه های خشک شده پس از قالب گیری می باشد. در جایی که دسترسی به اطلاعات مقدور باشد، داده های موجود در جدول 1 به صورت مقادیر نقل قول شده، گزارش شده است و همچنین در برخی موارد، مینیمم و ماکزیمم نیز در کروشه آورده شده است.
خواص بوسیله ی شرایط سرویس دهی و نوع آب و هوای مورد استفاده، تابش فرابنفش، حرارت، رطوبت و دما و شرایط بارگذاری نیرو مانند سرعت بارگذاری، تحت تأثیر قرار می گیرد. این شرایط می تواند بوسیله ی استفاده از فرایندهای تشدید کننده ی هوازدکی و قراردهی نمونه ها در داخل بخش های ایجاد کننده ی هوازدگی برای یک دوره ی زمانی، مورد بررسی قرار گیرد. پس از هوازدگی با انجام آزمون بر روی نمونه ها، می توان ویژگی های این نمونه ها در شرایط طبیعی را تخمین زد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay
اگر چه گفته ی شیمیدان برنده ی جایزه ی نوبل یعنی Linus Pauling به تمام موضوعات آموزشی مربوط می شود، گفته ی او به طور خاص مربوط به یک موضوع مواد می باشد. در واقع در زمینه ی مهندسی مواد و پلیمر، شیمی، فیزیک و مهندسی، با هم ترکیب می شوند. با استفاده از ترکیب های شیمیایی مختلف، ایجاد ریزساختارها و استفاده از فرایندهای و خواص مختلف، مواد متنوعی قابل تولید می باشد. یک کنجکاوی در این زمینه، در واقع ارضای خروجی این مسئله است که ماده ی جدید تولیدی، دارای چه گستره ای از خواص می باشد؟؟
مقدمه
Brown (1996) خواص مواد به صورت خواص پایه ای، خواص ظاهری و خواص عملکردی طبقه بندی کرده است. او وجه تمایز این خواص را با در نظر گرفتن استحکام توصیف کرده است. در واقع استحکام پایه ی یک ماده، استحکامی است که به شیوه ای اندازه گیری شود که نتیجه، مستقل از شرایط آزمون است. استحکام ظاهری، استحکامی است که بوسیله ی روشی اندازه گیری شده است که دارای شرایط قراردادی می باشد به نحوی که داده ها نمی توانند به صورت ساده با سایر شرایط و هندسه های دیگر نمونه، تطبیق داده شوند. این طبقه بندی به تمام انواع خواص نیز توسعه داده شده است.
این مهم است بدانید که هدف از انجام یک آزمون یا تست، چیست؟ در حقیقت، در طراحی یک قطعه، این خواص اساسی هستند که مورد نیاز می باشند اما بیشتر آزمون های مکانیکی موجب ارائه ی خواص ظاهری به ما می شوند. در غیاب وجود دستورالعمل های تدوین شده برای بررسی نتایج برای شرایط دیگر، داده های چند نقطه ای باید تحت شرایطی ایجاد شوند که به احتمال زیاد، بر روی نتایج آزمون، مؤثر باشند. در نتیجه، تدوین جدول های قابل اطمینان از خواص مواد برای طراحین، سخت و هزینه بر می باشد.
روش های آزمون استاندارد موجب می شود تا خواص ظاهری به ما داده شود. این خواص برای کنترل کیفیت مناسب هستند و تنها موارد اندکی وجود دارد که این داده ها، برای طراحی مناسب باشند. در سال های اخیر، حرکت به سمت استانداردهای بین المللی منجر به بررسی های نزدیکی بر روی روش های آزمون قدیمی، انجام شود. در این حالت، این فهمیده شده است که قابلیت انجام مجدد بسیاری از این آزمون ها، ضعیف می باشند. این مسئله در حقیقت به دلیل رشد واقعی در زمینه ی نیاز به کالیبراسیون ادوات است و نیازمند رویه های کالیبراسیون مناسب تر، می باشد.
رشد قابل توجهی در زمینه ی استفاده از آزمون بر روی محصولات واقعی، انجام شده است. این مسئله به دلیل افزایش تقاضا برای بدست آوردن محصولات با کارایی بالا، ایجاد شده است.
یک گزارش آزمون باید شامل اطلاعاتی مربوط به تولید و یا آماده سازی ماده ای باشد که مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر این اطلاعات، باید اطلاعاتی در مورد تاریخچه و نحوه ی نگهداری، پارامترهای مهم مانند دمای آزمون، سرعت و ... نیز در این گزارش باشد. در حالی که این تشخیص داده شده است که نتایج بدست آمده، به شرایط آزمون وابسته می باشد، این مسئله همواره واضح نیست که برخی از این شرایط ممکن است قبل از نمونه گیری، بر روی قطعات فرستاده شده برای آزمون، ایجاد شده اند. برخی اوقات، تاریخچه ی نمونه، بخشی از یک رویه ی آزمون می باشد، برای مثال، نمونه های پیرسازی شده و پیرسازی نشده؛ اما در سایر موارد، این مسئله ممکن است به خوبی مشخص نشده باشد که نمونه های تازه ای که به دست ما رسیده است، هم اکنون چندین ماه عمر داشته اند. در برخی موارد نیز تاریخچه ی یک نمونه، مشخص نیست. اثرات تخریبی مانند اثر اوزون بر روی نمونه های رابری نیز نمی تواند در نظر گرفته نشود اما رویه های مربوط به شرایط استاندارد به خوبی طراحی شده اند و بدین صورت، انجام آزمون در شرایط تعادلی انجام می شود. تحمیل یک تاریخچه ی حرارتی استاندارد قبل از اندازه گیری دانسیته ی یک پلیمر کریستالی نیز یک مثال خوب از این موارد می باشد.
علاوه بر این، هندسه ی قطعه نیز مهم است و اگر دوباره مقایسه کنیم، باید بگوییم که داده های مربوط به یک هندسه ی استاندارد و مشخص به سختی به داده های قطعه ای با هندسه ای دیگر، قابل تبدیل است. علت این مسئله، این است که پلیمرها، مواد پیچیده ای هستند. شرایط قالب گیری برای آماده سازی نمونه ی استاندارد برای مثال قالب گیری تزریقی و یا فشاری باید در نظر گرفته شود. وقتی در حال آماده سازی نمونه با روش قالب گیری تزریقی هستیم، نمونه ها جهت گیری های مولکولی پیدا می کنند که این مسئله نیز بر روی خواص در جهات مختلف، مؤثر است. این بدین معناست که خواص حالت آنیزوتروپ می شود.
آزمون ها باید به گونه ای طراحی و کنترل شوند که اجازه دهند اصول استاندارد بر روی نتایج، اعمال شود. دقت نتایج بدست آمده، تنها به دقت اندازه گیری های اصلی وابسته می باشد اما اعتبار روش های مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل داده ها نیز یک عامل مهم می باشد.
خواص مهندسی باید همواره با واحدهای مناسب، گزارش شوند. در حقیقت، سیستم واحد و اوزان اتحادیه ی جهانی (SI) برای این کار وجود دارد. البته در برخی کشورها، از واحدهای خاص، نیز استفاده می شود. عدم توجه به واحدها و مخلوط شدن واحدهای سیستم های مختلف، می تواند نتایج جدی و قابل توجهی بر روی داده ها، داشته باشد. این مسئله گاهی وقت ها، در اشتباهات انجام شده بوسیله ی ناسا نیز نمود دارد. برای مثال، تخریب Mars Climate Orbiter در سال 1999 به دلیل استفاده از واحدهای نامناسب، رخ داده است. این اشتباه در واقع یک اشتباه ریاضی ساده بود که باعث شد، یک پروژه ی 78 میلیون فرانکی شود. یک بررسی نشان داد که مهندسینی که بر روی ساخت این فضاپیما کار می کردند، از واحدهای متفاوت با سیستم متریک، استفاده می کردند. این مسئله خسارت قابل توجهی به بار آورد. این ماهواره که در واقع حامل تجربه های انگلیسی بود، ابتدا فرض شد که پس از برخورد با جو مارتین خرد شده است. این مسئله پس از قطع ارتباط رادیویی این ماهواره، به نظر می رسید اما پس از بررسی های بیشتر، فهمیده شد که این ماهواره پس از تغییر مسیر به سمت سیاره ی سرخ حرکت کرده است و پس از چند هفته، از بین رفته است. اما امروزه متخصصین ناسا گمان می کنند که این ماهواره به فضای خارج بازگشته است. در حقیقت این منتشر شده است که یک تیم از محققین که در حال ساخت این ماهواره بوده اند، بر طبق مایل و پوند کار کردند، در حالی که تیم دوم محققین اندازه گیری ها را بر اساس کیلومتر و کیلوگرم در نظر گرفتند. این بدین معناست که این ماهواره پس از مأموریت 416 مایلی خود، به اندازه ی 60 مایل خارج از جایی قرار گرفته است که مد نظر بوده است.
مقاله ی بوسیله ی Charles Arthur در ایندیپندنت به چاپ رسیده است، می گوید: "تبدیل اندازه گیری های بر اساس واحدهای خاص به واحدهای متریک، واقعا جزء علوم راکت نیست. ممکن است این مسئله دلیل این موضوع باشد که افراد موجود در آژانس هوایی ناسا با در نظر نگرفتن همین موضوع، خسارت قابل توجهی ایجاد کردند. این اعتقاد وجود دارد که این ماهواره در 37.5 مایلی بالاتر از اتسمفر مارتین سوخته است. این مسئله پس از حرکت 416 مایلی آن رخ داده است که ماهواره در طی این حرکت، هیچ مشکلی نداشته است. حال چرا این اتفاق افتاده است؟ علت این مسئله، این است که سازندگان فضاپیما به جای واحدهای متریک، از واحدهای انگلیسی استفاده کردند".
مقاله ی ایندیپندنت این سوال را مطرح می کند که، "آیا تفاونی وجود دارد؟ پاسخ این سوال، آری است. در حقیقت یک پوند- نیرو که واحد انگلیسی است، معادل 4.44 نیوتن است که واحد متریک محسوب می شود. در فضای بین سیاره ای، این خطا، واقعا بزرگ می شود. اما در نزدیکی مریخ، ماهواره با نیروی مخالف مربوط به بادهای خورشیدی مواجه شده است و این مسئله موجب تخریب ماهواره شده است. کارمندان ناسا به طور واضح از این اشتباه معذرت خواهی کردن و علت مسئله را نیز استفاده ی نادرست از واحدها بیان کردند".
خواص پلاستیک ها در دمای اتاق، برخلاف فلزات، به زمان وابسته است. تکمیل کننده ی این مسئله، اثرات ناشی از سطح تنش، دمای ماده و ساختار (وزن مولکولی، جهت گیری مولکولی و کریستالینیتی یا دانسیته) می باشد. برای مثال در پلی پروپلین (PP)، یک افزایش در دما از 20 به 60 درجه ی سانتیگراد، موجب کاهش 50 % در تنش مجاز طراحی می شود. همچنین برای هر تغییر 0.001 گرم بر سانتیمتر مکعبی در دانسیته ی PP، یک تغییر 4 % در تنش طراحی مشاهده می شود (یعنی تنش ماکزیمم مجازی که قطعه ی ماشین و یا جزء ممکن است بدون شکستت، تحمل کند). علاوه بر این، ماده استحکام بیشتری را در جهت انطباق مولکول ها دارد. این استحکام در جهت عمود بر این انطباق، کمتر است.
به دلیل اثر یک چنین فاکتورهای اضافی بر روی رفتار پلاستیک ها، خواصی که با یک عدد منفرد بیان می شوند، تنها برای شرایطی که اندازه گیری شده اند، کاربرد دارد. مشاور طراح همچنین خواص اندازه گیری شده به صورت یک عدد را که از طریق یک رویه ی استاندارد بدست آمده اند، تنها برای کاربردها و ارزیابی های کنترل کیفیت مناسب می داند. این ارقام برای اهداف طراحی مناسب نیستند زیرا طراحی یک جزء پلاستیکی نیازمند داشتن اطلاعات کافی در مورد آن ماده می باشد. همچنین رفتار ماده در دمای سرویس دهی، رفتار وابسته به زمان و گستره ی تنش های اعمالی بر روی این قطعه نیز از جمله فاکتورهایی است که باید در نظر گرفته شود.
منابع مفید خوبی در اینترنت وجود دارد که در آنها، اطلاعات خوبی در مورد خواص پلیمرها، ارائه شده است. استانداردهای مربوط به طراحی مواد کامپیوتری (CAMPUS) یکی از این سایت هاست که می توان اطلاعات ارزنده ای از آنها بدست آورید. این استاندارد نرم افزار دیتابیسی در مورد پلاستیک ها ارائه کرده است که بیش از 40 تولیدکننده ی پلاستیک دنیا، برای تهیه ی آن، مشارکت کرده اند. ویژگی اصلی این دیتابیس CAMPUS مهیا نمودن اطلاعات با قابلیت مقایسه از تولیدکننده هایی است که با آن مشارکت دارند. اطلاعات و الزامات موجود بر اساس استاندارد ISO 10350 (برای داده های یک نقطه ای) و ISO 11403-1 (برای داده های چند نقطه ای) تهیه شده است.
خواص کششی
روش های استاندارد برای انجام آزمایش های مورد استفاده در اندازه گیری خواص کششی پلاستیک ها، شامل بخش های مختلفی از استاندارد ISO 527، استاندارد BS 2782 و یا روش های موجود در استانداردهای BS EN ISO 527 و ASTM D638 و یا ورژن متریک از استاندارد D638M می باشد. روش های جایگزین برای انجام این آزمون ها بر روی رابرها و مواد لاستیکی، شامل استانداردهای ISO 37، BS 903، ASTM D412 و برای فیلم ها و صفحات، استاندارد ASTM D882 می باشد. آزمون می تواند با استفاده از ماشین آزمون استاندارد (شکل 1a) انجام شود که دارای ظرفیت بارگذاری مناسب برای این مواد می باشد. این دستگاه دارای چنگه ها و کشش سنج مناسب است که قادر است میزان انبساط و تغییر طول را به خوبی اندازه گیری کند. این کشش سنج می تواند از نوع تماسی (شکل1b ) و یا غیر تماسی (لیزری و یا ویدئویی) باشد.
شرایط قالب گیری برای آماده سازی نمونه های استاندارد نیز قالب گیری تزریقی و یا فشاری می باشد. وقتی نمونه های آزمون با استفاده از قالب گیری تزریقی تولید می شوند، قطعات دمبلی شکل باید جهت گیری مولکولی در طول نمونه داشته باشند مگر با توجه به شرایطی که در استاندارد ISO 294-5:2011 توصیف شده است.
در طی آزمون، ماشین بار و یا نیرو و میزان جابجایی را اندازه گیری می کند و اطلاعات بدست آمده بر اساس نمودار تنش- کرنش، ترسیم می شود (شکل 2). تنش (σ) با نیرو (F) و مساحت سطح مقطع (A) مرتبط است. این ارتباط به صورت زیر است:
میزان تغییر طول (∆L) و طول گیج (L) با کرنش (ε) مرتبط می باشند. این ارتباط به صورت زیر است:
ε=∆L/L
پارامتر دیگری نسبت پواسون (υ) است که نشاندهنده ی تغییر در سطح مقطع نمونه به عنوان نتیجه ای از اعمال تنش محوری است و به صورت نسبت کرنش جانبی به کرنش محوری تعریف می شود:
υ= -(ΔW/W)/(ΔL/L)
که در اینجا، w عرض نمونه می باشد. توجه کنید که وقتی ΔW منفی است، یعنی حالت انقباض داشته باشیم، υ مثبت می شود.
برای موارد نهایی در مواد ایزوتروپ، υ=-1 است. در این حالت، خواص نمونه تغییر نمی کند. برای حالتی که υ=0.5 است، حجم نمونه (V) ثابت می ماند یعنی ΔL=0.
از معادله ی ΔL=Δ(AL)=LΔA+AΔL=0 و با در نظر گرفتن سطح مقطع مربعی برای نمونه (A=W^2)، این را می توان نشان داد که υ=-(ΔW/W)/ΔL/L)=-0.5.
خواص کششی مربوط به مدول یانگ (مدول الاستیک)، استحکام تسلیم، استحکام کششی (تنش ماکزیمم مهندسی و همچنین استحکام کششی نهایی (UTS)) و ازدیاد طول شکست می تواند از نمودار تنش- کرنش، استخراج، گردد. این مسئله در شکل 2 نشان داده شده است. در این شکل نمودار تغییر شکل بزرگی نشان داده شده است که شامل نواحی تغییر شکل الاستیک، ویسکوالاستیک و پلاستیک است. در ناحیه ی الاستیک، کرنش کوچک است و یک رابطه ی خطی میان تنش و کرنش مشاهده می شود. در این بخش، قانون هوک صدق می کند و ماده می تواند به سرعت پس از برداشته شدن بار، به جای اولیه ی خود بازگردد. مدول یانگ، در حقیقت شیب این ناحیه از نمودار می باشد. پس از ناحیه ی الاستیک و تا حوالی نقطه ی تسلیم، ناحیه ی ویسکوالاستیک وجود دارد که در این مکان، ماده می تواند پس از زمانی معین از برداشته شدن بار، به ابعاد اولیه ی خود برگردد.
در نقطه ی تسلیم، ماده به صورت پلاستیک، تغییر شکل می دهد یعنی ماده متحمل تغییر شکل دائمی می شود و پس از رها شدن بار، تنها به اندازه ی میزان الاستیک خود، باز می گردد. در این حالت، تغییر شکل پلاستیک، قابلیت بازگشت ندارد. در نقطه ی تسلیم، ماده حالت گلویی پیدا می کند یعنی سطح مقطع نمونه متحمل کاهش قابل توجهی می شود. پس از این نقطه، کشیده شدن نمونه منجر به شکست در قطعه می شود. این مورد به صورت تنش اسمی (تنش مهندسی) نشان داده می شود (شکل 2). توجه کنید که تنش مهندسی با تقسیم بار بر ناحیه ی سطح مقطع اولیه ی نمونه، بدست می آید. این تنش، از تنش واقعی ایجاد شده در نمونه، متفاوت است در واقع تنش واقعی با تقسیم بار بر سطح مقطع لحظه ای نمونه بدست می آید. با توجه به این مسئله، تنش واقعی در بخش گلویی شدن، کاهش نمی یابد و هنوز ثابت می ماند و یا کمتر از افزایش کرنش، افزایش می یابد. این مسئله، به میزان کشش سرد، وابسته است.
کشش سرد تا نقطه ی تسلیم ادامه می یابد و در این مکان، ماده متحمل تغییر شکل دائمی می شود که نتیجه ای از لغزش مولکولی است. با ادامه ی کشش بخش باریک شده ی نمونه ی دمبلی شکل ادامه می یابد که این مسئله به دلیل شانه دادن گلویی و گذر نمونه اتفاق می افتد. در ازدیاد طول بیشتر، شیب نمودار تنش- کرنش دوباره افزایش می یابد. علت این مسئله، سخت شدن کرنشی یا جهت گیری مولکولی است. این مسئله در نهایت موجب گسستگی در ماده می شود. این ویژگی برای نمونه ی دمبلی شکل در شکل 3 نشان داده شده است.
اغلب نمودارهای تنش کرنش تحت حالت کششی، خمشی و یا فشاری، ممکن است بخش اولیه ی مشابهی داشته باشند. این ناحیه، ناحیه ی انگشتی (toe region) نامیده می شود. این ناحیه ی بوسیله ی گیره های ایجاد می شود. این اثر تصنعی می تواند مشابه شکل 4 خنثی شود و بدین صورت نقطه ی صفر واقعی برای تعیین دقیق خواص، شناسایی شود.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay
