خواص مکانیکی مواد پلیمری (4)

خواص برشی

آزمون مربوط به خواص برشی و مدول برشی برای پلاستیک های معمولی، متداول نیست. در واقع روش های آزمون استاندارد برای پلاستیک ها، در استانداردها و روش های BS 2782-3، 340A و 340B و ASTM D732 وجود دارد که بوسیله ی آن، استحکام برشی بوسیله ی ابزارهای پانچ، تعیین می شود.
نمونه ها به صورت دیسکی، صفحات مکعلی و یا میله های مستطیل شکل تهیه می شوند. در این آزمون، نموونه ها بین دو گیره، بسته می شوند. یک پیستون مجهز به پانچ یک سوراخ در نمونه ایجاد می کند و بار مورد نیاز برای پانچ نمونه، ثبت می گردد. استحکام برشی نیز در واقع به عنوان ماکزیمم نیرویی محاسبه می شود که در طی آزمون مشاهده شده است. این نیرو بر مساحت تقسیم می شود و مقدار استحکام بدین وسیله، محاسبه می شود. بنابراین، برای یک نمونه داریم:
τ_s=F/(πDT)
که در اینجا، F نیرو در نقطه ی شکست، D قطر پانچ و T ضخامت نمونه می باشد.
ISO 1827:2007 روش هایی را برای تعیین مدول برشی و استحکام چسبندگی برای صفحات صلب تولید شده از رابر ترموپلاست و یا ترموست پیشنهاد کرده است. سایر روش ها نیز شامل واحدهای برشی یک لبه و دو لبه می باشند.
مدول برشی (G) در سطوح کرنش کوچک تعیین می شود. در این بخش ها، روابط تنش- کرنش به صورت خطی می باشد و از رابطه ی G=τ/γ تبعیت می کند. در اینجا، τ و γ به ترتیب تنش و کرنش می باشند.
مدول الاستیک بدست آمده در حالت های بارگذاری مختلف با همدیگر و بواسطه ی ضریب پواسون، مرتبط هستند. برای مثال:
E=2(1+υ)G
بنابراین با در نظر گرفتن مدول، مدول برشی و بالک، نسبت پواسون یکی از 4 ثابت الاستیکی محسوب می شود.
نسبت پواسون مربوط به جامدهای ایزوتروپ، الاستیک و خطی نمی تواند کمتر از -1 و بزرگتر از 0.5 باشد زیرا بخش های مربوط به مدول دارای مقادیر مثبت می باشند. به هر حال، این مسئله بسیار نادر است که مواد پیدا کنیم که ضریب پواسون آنها، منفی باشند. این مقدار در اکثر موارد، بین 0.0 تا 0.5 است. نسبت پواسون برای بیشتر فلزات در حدود 0.3 است. رابرها نیز نسبت پواسونی در حدود 0.5 دارند و بنابراین، قابلیت فشرده سازی ندارند. چوب پنبه دارای نسبت پواسونی در حدود صفر است. این مسئله نشاندهنده ی انبساط عرضی اندک این ماده در زمان فشرده سازی است و بنابراین، عملکردهایی مانند درپوش بطری ها، بوسیله ی چوب پنبه ایجاد می شود. در واقع این ماده، در زمان فشرده سازی، متورم نمی شود.

سختی

سختی یک میزان از سطح نفوذ یک ایندنتور در زمانی است که این ایندنتور بر روی این ماده، و تحت نیرو، فشرده می شود. البته سختی به عنوان مقاومت در برابر خراش و مقاومت در برابر برجهندگی تعریف می شود. Brown (1999) حالت تغییر شکل تحت یک ایندنتور را به عنوان یک مخلوط از کشش، برش و نفوذ تعریف می کند. این خاصیت، یک خاصیت پایه ای از ماده محسوب نمی شود. سختی ایندنتوری به طور عکس با میزان نفوذ در ارتباط است و همچنین به مدول الاستیک و رفتار ویسکوزیته ی ماده نیز، وابسته می باشد. معادلات تجربی مربوط به بار اعمال شده، در حقیقت، عمق نفوذ و هندسه ی فرو رونده را به مدول الاستیک مرتبط می سازند. این معادلات برای هندسه های ایندنتور مختلف، بیان شده است. می توان این فرمول ها را در کارهای انجام شده بوسیله ی Brisco و همکارانش (1994) بخوانیم.
سختی به عنوان یک خاصیت از مواد، بیشتر برای الاستومرها مهم می باشد تا پلاستیک ها. نتایج به هندسه ی ایندنتور، میزان فرورفتن و زمان تأخیر میان اعمال ایندنتور و زمان اندازه گیری سختی، وابسته می باشد. صرفنظر از طبیعت قراردادی آزمون، این روش، روشی جذاب است زیرا ارزان، ساده و قابلیت استفاده ی آن بالاست. این آزمون، جزء آزمون های غیر مخرب محسوب می شود.
روش های آزمون استاندارد برای پلاستیک ها و رابرها، عبارتند از: ISO 868: 2003، BS 2782-3، روش 365 B و ASTM D2240-05 برای تعیین سختی ایندنتوری با روش سختی سنج Shore می باشد. روش اندازه گیری سختی به روش Shore، یک ابزار اندازه گیری سختی ساده است که ایندنتوری سوزنی شکل دارد. این ایندنتور بر روی سطح نمونه فشرده سازی می شود و میزان نفوذ سوزن به صورت مستقیم از درجه بندی موجود بر روی وسیله، اندازه گیری می شود. دو نوع سختی سنج Shore وجود دارد که در حقیقت سفتی ایندنتوری آنها متفاوت است. سختی سنج نوع A برای الاستومرهای نرم و پلاستیک ها، مناسب است و نوع D برای الاستومرها و پلیمرهای سخت مناسب است.
آزمون های سختی سنجی استاندارد دیگر دارای ایندنتورهای کروی است. استانداردهای ISO 2039:2001، BS 2782 روش 365D و ASTM D2240-05 در مورد این آزمون توضیح داده است. در مورد ایندنتورهای کروی، سختی به صورت جای اثر ایجاد شده بر روی سطح ماده بیان می شود نه میزان نفوذ ایندنتور. این روش برای ترپلاست های سخت تر و ترموست ها، مناسب می باشد. بسته به بار اعمالی، مقادیر سختی برای مواد پلیمری مختلف، بر اساس مقیاس های سختی Shore A، Shore D و یا راکول R و M بیان می شود (جدول 1).

خواص ضربه ای و تافنس شکست

تحت ضربه، مواد متحمل نیروی ضربه ای یک چکش چرخنده قرار می گیرند. سرعت آزمون ضربه بیشتر از نرخ کرنش بیان شده در تست های قبل است. در حقیقت تست های قبل را تست های استاتیکی می نامند. آزمون ضربه می تواند به صورت آزمون پاندولی، آزمون جرم سقوط کننده و یا آزمون کشش با سرعت بالا انجام شود. این ابزارها، در بهترین حالت، نشاندهنده ی انرژی جذب شده در فرایند شکست نمونه می باشند و به هر حال، ابزارهای پیچیده ای وجود دارند که برای اندازه گیری میزان انحراف نیرو، مناسب می باشند. همچنین با استفاده از این ابزارها، اطلاعات خوبی در مورد نمونه بدست می آید.
آزمون ضربه ی پاندولی، در دو حالت چارپی و آیزود، انجام می شود.

آزمون چارپی

روش های آزمون استانداردی که در حقیقت توصیف کننده ی آزمون هایی به غیر از روش چارپی می باشند، در استاندارد BS EN ISO 179-1: 2010 و ASTM D6110-10 آورده شده است. قطعات آزمون به صورت میله های مستطیل شکلی است که می تواند حاوی شکاف باشد و یا نباشد. شکاف ایجاد شده بر روی برخی از نمونه ها، موجب تمرکز تنش در یک شرایط استفاده ی واقعی می باشد. همانگونه که در شکل 1 مشاهده می شود، دو انتهای نمون در یک سطح اتکا قرار می گیرد و بوسیله ی یک پاندول، به آنها نیرو وارد می شود. نمونه ها ممکن است از طرف لبه مورد بررسی قرار گیردند و یا در جهت مسطح. این مسئله به سری پاندول، وابسته است. موقعیت لبه ای برای نمونه های شکاف دار متداول است. قطعات با اندازه ی استاندارد در ابعاد 80 در 10 در 4 میلی متر می باشند. عمق شکاف ایجاد شده بر روی نمونه ها نیز 2 میلی متر است و البته می توان میزان تیر بودن شکاف را نیز تغییر داد. شعاع ترجیح داده شده برای شکاف، 0.25 میلی متر است. به هر حال، برای مشخص شدن میزان حساسیت ماده به شکاف، قطعه ی مورد استفاده برای آزمون، با شعاع های شکاف کمتر و بیشتر از این مقدار، مورد بررسی قرار می گیرند. نمونه ی استاندارد برای آزمون بر اساس استاندارد ASTM، باید 64 در 12.7 در 3.2 میلی متر ابعاد داشته باشد.
استحکام ضربه بر اساس استاندارد ISO، با تقسیم کردن انرژی ضربه بر مساحت سطح مقطع نمونه، محاسبه می شود و با واحد ژول بر متر مربع، بیان می شود. انرژی ضربه ی ASTM از تقسیم کردن انرژی ضربه بر ضخامت نمونه، محاسبه می شود و واحد آن، ژول بر متر است.

آزمون آیزود

روش های انجام آزمون های استانداردی که توصیف کننده ی آزمون ضربه ی آیزود هستند، عبارتند از: ISO 180: 2000 و ASTM D256-10. همانگونه که در شکل 2 مشاهده می شود، نمونه از یک سمت محکم می شود، مشابه یک تیر اهرمی عمودی. سپس سطح دارای شکاف نمونه با سری پانولی شکل، برخورد می کند. ابعاد نمونه ی استاندارد این آزمون، مشابه ابعاد استاندارد آزمون چارپی است. آزمون های چارپی و آیزود برای نمونه های پلاستیکی مناسب هستند که به اندازه ی کافی صلبیت داشته باشند و بدین صورت، در موقع برخورد دستگاه، نمونه خم نشود. برای نمونه هایی که ضخامت کمی دارند و یا در زمان برخود نیرو، ازدیاد طول بالایی دارند، آزمون ضربه ی کششی پیشنهاد می شود. این موارد در استانداردهای ISO 8256:2004 و ASTM D1822M-93 آورده شده است.
جدول 2 بیان کننده ی مقادیر استحکام ضربه برای مواد مختلف می باشد.

آزمون جرم سقوط کننده

این آزمون شامل رهاشدن یک جسم برخورد کننده با یک دماغه ی شبه کروی با شعاع معین بر روی یک دیسک مدور و یا یک صفحه ی مربعی با ضخامت 2 میلی متر می باشد. قطعه ی آزمون مورد استفاده، بوسیله ی یک پایه ی کلی با حفره ای به ابعاد 40 میلی متر، تحت حمایت قرار می گیرد. انواع مختلف روش های استاندارد برای این آزمون در استانداردهای ISO 6603-1:2000، BS 2782، روش 353A و آزمون ضربه ی Gardner آورده شده است. این آزمون ها، معمولا با یک روش پلکانی انجام می شود. در این روش جرم برخورد کننده به طور پلاکانی افزایش و یا کاهش می یابد. نتایج آزمون به صورت میزان انرژی مورد نیاز برای عبور برخورد کننده و یا به صورت میزانی از انرژی گزارش می شود که موجب بروز 50 % تخریب در نمونه می شود.
با استفاده از ابزارهای خاص، می توان اطلاعات بیشتری در مورد آزمون ضربه بدست آوریم. تمام فرایند ضربه می توان به صورت نیرو بر میزان جابجایی، مستندسازی شود. این اطلاعات می تواند برای محاسبه ی انواع مختلف نیروها، میزان انحراف و سطوح انرژی، مورد استفاده قرار گیرد. شکل 3 و 4 نشاندهنده ی ویژگی های مربوط به افتادن یک ضربه زن بر روی سطح یک نمونه می باشد. آزمون در دمای اتاق و با استفاده از یک برخورد کننده ی با شعاع 5 میلی متر و سرعت برخورد 4 متر بر ثانیه، انجام شده است. جنس صفحه ی مورد بررسی از نوع پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه، می باشد. ابزارهای مورد استفاده در آزمون ضربه همچنین قابلیت ارزیابی جزئی بخش های مونتاژ شده مانند پانل های ساندویچی را نیز دارا می باشند. این ابزار می تواند با استفاده از یک دوربین مناسب ترکیب شده و از آن برای بررسی نحوه ی پوسته ای شدن قطعه در حین ضربه، استفاده کرد (شکل 5). آزمون ISO مربوطه عبارتست از: ISO 6603-2:2000 اما برای مواد نازک تر از یک میلی متر، استاندارد ISO 7765-2 1994 ترجیح داده می شود. آزمون یک مسیر ردیابی برای میزان نیرو به انحراف به ما می دهد که از آن نتایج مختلفی در مورد ماده، بدست می آید.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay

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