خواص مکانیکی مواد پلیمری (3)

خواص خمشی

مواد در کاربردهایشان، متحمل نیروهای خمشی می شوند که در واقع این خاصیت از مواد با استفاده از آزمون سه نقطه ای و 4 نقطه ی مورد بررسی قرار می گیرد (شکل 1). آزمون خمش سه نقطه ای و چهار نقطه ای، روش های متداولی هستند زیرا نمونه ی آنها ساده است و مشکلات مربوط به گیره و وسایل آزمون کشش را نیز ندارد. روش های استاندارد برای آزمون های خمشی پلاستیک ها بر طبق استاندارد ISO 178: 2010 و یا BS 2782-3 انجام می شود. روش 335A برای آزمون بارگذاری سه نقطه ای، متداول است. ASTM D747-10 نیز برای تعیین مدول خمشی ظاهری پلاستیک ها، استفاده می شود. این روش برای موادی مفید است که انعطاف پذیری آنها بالاست و نمی توان آنها را با روش های دیگر، مورد بررسی و آزمون قرار داد. این آزمون با استفاده از نمونه های میله ای شکل با مقطع مستطیلی و با ابعاد مشخص، انجام می شود. ماشین مورد استفاده نیز یک ماشین استاندارد است که در شکل 14 می توان آن را مشاهده کرد.
برای آزمون های خمشی سه و چهار نقطه ای، قطعه ی مورد بررسی بر روی سطح استوانه ای قرار داده می شود و بار به مرکز آن اعمال می شود. این کار از طریق دماغه ی بارگذاری انجام می شود. قطر باید به گونه ای انتخاب شود که از پاره شدن نمونه جلوگیری شود. آزمون خمش سه نقطه ای به طور متداول مورد استفاده قرار می گیرد اما در حالت 4 نقطه، توزیع تنش بر روی یک پهنه از سطح توزیع می وشد و بنابراین، یکنواختی اعمال نیز بیشتر از روش سه نقطه ای است. خمش چهار نقطه ای برای موادی مفید است که در نقطه ی ماکزیمم تنش در آزمون خمش سه نقطه ای، نمی شکنند.
استاندارد ISO 178:2010 دو روش را برای انجام این آزمون ارائه کرده است. این روش ها، A و B نامیده شده اند. در روش A، یک نرخ کرنش 1 % بر دقیقه در آزمون استفاده می شود. روش B از دو نرخ کرنش مختلف استفاده می کند: یکی نرخ 1 % بر دقیقه برای حالت خمشی و دیگری نرخ 5 % بر دقیقه یا 50 % بر دقیقه. نرخ دوم به نوع ماده ی مورد بررسی وابسته می باشد. اما به طور متداول، اندازه ی نمونه بر طبق استاندارد ASTM، برابر 3.2 در 12.7 در 127 میلی متر است. این ابعاد بر طبق استاندارد ISO، 4 در 10 در 80 میلی متر است. باید دقت داشت تا بدین صورت از جدا شدن نمونه از دستگاه آزمون، جلوگیری شود. تنش و کرنش در طول ضخامت نمونه یکنواخت نیستند: در طی بارگذاری، تنش و کرنش به طور تدریجی تغییر می کنند به یک میزان ماکزیمم در سطح خارجی می رسند. تنش های محوری ماکزیمم در روش سه نقطه تحت یک خط و در روش چهار نقطه ای در بین یک ناحیه ایجاد می شود. خروجی آزمون معمولاً نموداری از بار نسبت به جابجایی که در شکل 3 نمونه ای از آن آورده شده است. خواص خمشی مختلفی می تواند با استخراج داده ها از این نمودارها بدست آید. این کار با استفاده از معادله هایی انجام می شود که در ادامه آورده شده است. از جمله ی این خواص، می توان به مدول خمشی، استحکام خمشی، استحکام تسلیم خمشی، کرنش در تسلیم، استحکام تسلیم آفست، تنش خمشی در 3.5 % انحراف (بر طبق استاندارد ISO) یا تنش خمشی در 5.0 % انحراف (بر طبق استاندارد ASTM و مدول سکانت الاستیسیته (یعنی شیب خط مستقیمی که از مبدا به سمت نقطه ی انتخاب شده بر روی نمودار تنش- کرنش واقعی، رسم می شود)، اشاره کرد.
معادلاتی مربوط به تنش خمشی بر اساس استانداردها و برای نمونه ی مستطیلی تحت بارگذاری سه نقطه ای، به صورت زیر است:
)

که در اینجا، F نیرو در بخش حمایت کننده، h ضخامت نمونه، b عرض، s انحراف از سطح کشش نمونه در بخش میانی می باشد.
مدول الاستیسیته (E_f) از معادله ی بالا بدست می آید:

که در اینجا، Slope شیب تانژانت بخش خطی اولیه ی نمودار بار- انحراف می باشد.
معادلات برای نمونه های مستطیلی و تحت بارگذاری 4 نقطه ای، یک سوم بخش حمایت کننده می باشد:


معادله های معادلی برای نمونه های استوانه ای نیز وجود دارد.
در این تئوریف مدول خمشی و مدول کششی باید مشابه باشند. به هر حال، در عمل، این بیان تقریبی است. دلیل این مسئله این است که آزمون های انجام شده بر روی پلاستیک ها، به صورت ایزوتروپ نیست. نرخ سرد کردن متغیر، تغییر در نرخ اکستروژن و یا تزریق و تغییر در الگوهای جریانی، تماما موجب می شوند تا ریزساختار و خواص در امتداد ضخامت یکنواخت نباشد. وقتی این موضوع با مسئله ی تنش های غیر یکنواخت در آزمون خمشی، ترکیب شود، عدم تطابق در آزمون کشش ممکن است رخ دهد.
جدول 1 نشاندهنده ی داده های مربوط به آزمون خمش تک نقطه ای است که برای نمونه های خشک شده پس از قالب گیری، مشاهده می شود. این جدول مشابه جدول 1 بخش اول این مقاله، شامل مقادیر نقل قول شده و مقادیر مینیمم و ماکزیمم در داخل کروشه می باشد.

خواص فشاری

پلاستیک ها در طی استفاده، متحمل فشار می شوند مشابه مواد الاستومری و پلاستیک های سلولزی. فشار موجب ایجاد میزان های متفاوتی از شکم دادن ها، خمره ای شدن ها و تورم در نمونه می شود که این مسئله به اندازه ، شکل و صلبیت قطعه، وابسته می باشد. شکم دادن و خمره ای شدن، بسته به حالت تغییر شکل، به گونه ای است که حجم الاستومر، ثابت باقی می ماند و این دلیل این موضوع است که چرا نسبت پواسون در این مواد، 0.5 است. ضخامت یک بلوک الاستومری تحت فشار تغییر می کند: یک بلوک ضخیم به اندازه ی یک بلوک نازک، شکم نمی دهد. اثر ضخامت بر روی سفتی می تواند به صورت فاکتور شکل (S) تعریف شود به نحوی که مدول فشاری (E_c) برای یک بلوک الاستومری با مدول یانگ E و فاکتور شکل مشخص، به صورت زیر است:

که در اینجا، S به عنوان نسبت سطح باردار به سطح بدون نیرو تعریف می شود. با توجه به بلوک های مستطیلی نرمال در طرفین a و b و c،فاکتور شکل به صورت S=(ab)/[2c(a+b)]. از این رو، وقتی ضخامت کاهش می یابد، S افزایش می یابد.
در پلاستیک های صلب و نیمه صلب، شکم دادن یکی از دغدغه های مهم تلقی می شود و روش های استانداردی برای انجام آزمون های فشاری بر روی این پلاستیک ها، پیشنهاد شده است: ISO 604: 2002 یا BS 2782. روش 345 A واستاندارد ASTM D695M-10 پیشنهادهایی برای جلوگیری از شکم دادن قطعه ها، پیشنهاد کرده است. در نمونه هایی که مستعد شکم دادن و یا خمره ای شدن، هستند، طول نمونه ممکن است به طور مناسب، تنظیم شود. نمونه های پیشنهاد شده، در واقع منشورهای با قاعده ی مستطیلی هستند که ابعداد آنها 4 در 10 میلی متر می باشد و طول آنها نیز بین 10 تا 50 میلی متر است. ابعاد کوچکتر نیز در مواقع ضرورت، می تواند مورد استفاده قرار گیرد. به طور نرمال، نمونه ها باید تنظیم شده و آزمون باید بر طبق استاندارد در اتمسفر اتاق انجام شود.
در طی آزمون، نیرو و داده های فشاری مربوطه، ثبت می شوند. بعد از آن، خروجی آزمون یک نمودار از نیرو نسبت به فشار و یا تنش نسبت به کرنش است (شکل 4). خواص فشاری مختلفی می تواند با استخراج داده از این نمودارها و استفاده از معادلات بیان شده در بخش قبلی، بدست آید. خواص بدست آمده از این نمودارها، شامل مدول فشاری (مدول الاستیسیته در حالت فشاری) و استحکام فشاری می باشند. سایر خواصی که می تواند از این نمودارها بدست آید، شامل کرنش شکست و یا ماکزیمم تنش، تنش و کرنش در نقطه ی تسلیم، تنش در یک میزان مشخص از کرنش و ... می باشد. مقادیر برخی از این خواص برای برخی از پلیمرها، در جدول 1 آورده شده است.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay

استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.