همه چیز درباره استحکام کششی پلیمرها، استحکام تسلیم، استحکام شکست، ازدیاد طول در پلیمرها (پلاستیک ها و لاستیک ها)

فهرست مطالب (می توانید بر روی عناوین کلیک کنید)

استحکام کششی چیست و انواع آن کدام است؟

تفاوت استحکام کششی در  شکست و تسلیم؟

تنش کرنش چیست؟ برای پلیمرهای مختلف چگونه است؟

پارامتر های تاثیر گذار بر روی استحکام کششی؟

روش آزمون و اندازه گیری استحکام کششی پلاستیک ها؟

روش آزمون و اندازه گیری استحکام کششی لاستیک ها؟

خرید دستگاه کشش (تنسایل) یونیورسال (کلیک کنید)

استحکام کششی چیست و انواع آن کدام است؟

استحکام کششی، توانایی پلیمرها در برابر حداکثر مقدار تنش کششی است که هنگام کشش تحمل می کنند و در آن دچار شکست نمی شوند. این نقطه، زمانی است که ماده از حالت تغییر شکل الاستیک به تغییر شکل پلاستیک انتقال پیدا می کند.

در این مقاله، در رابطه با استحکام کششی پلیمرها و تست کشش پلیمرها و پلاستیک ها صحبت خواهیم کرد. سپس پارامترهای تست کشش مانند تنش، کرنش، نفهوم تسلیم و شکست را توضیح خواهیم داد. عوامل تاثیرگذار بر استحکام کششی پلیمرها و همچنین استاندارد تستس کشش و نحوه محاسبه استحکام کششی را مورد بحث قرار خواهیم داد. 

آزمون استحکام کششی در پلیمرها از مهمترین و پرکاربردترین تست های خواص مکانیکی پلیمر ها می باشد و نقش مهمی در انتخاب مواد برای تولید محصولات مختلف پلیمری دارد.

تغییر شکل الاستیک: وقتی تنش اعمال شده به پلاستیک را در تست کشش حذف کنیم، ماده به ابعاد و حالت اولیه خود برمی گردد. در واقع تغییر شکل اعمال شده موقتی است و با حذف تنش از بین می رود.

تغییر شکل پلاستیک: در این نوع تغییر شکل، با حذف تنش اعمالی، ابعاد مواد به حالت اولیه خود برنمی گردد و تغییر شکل و حالت ایجاد شده برگشت ناپذیر است.

انواع استحکام کششی:

به طور کلی استحکام کششی پلیمرها و پلاستیک ها بر سه نوع طبقه بندی می شود که در شکل زیر نیز نشان دارده شده است:

• استحکام کششی در نقطه تسلیم yield strength: تنشی است که پلیمر می تواند بدون تغییر شکل دائمی آن را تحمل کند و در تست کشش انجام شده در دستگاه تنسایل (کشش یونیورسال) قابل اندازه گیری است. 
• استحکام کششی در نقطه شکست breaking or fail  : استحکام در نقطه ای که پلیمر در آن دچار شکست می شود.
• استحکام نهایی ultimate: حداکثر تنشی است که پلیمر یا ماده می تواند تحمل کند.

همه این پارامترهای تست کشش را می توان در نمودار تنش کرنش تست استحکام کششی در دستگاه تنسایل (کشش یونیورسال) محاسبه و اندازه گیری کرد. 

در واقع در اثر کشش، مواد پلیمری ابتدا به صورت الاستیک تغییر شکل می دهند (وقتی تنش حذف شود به حالت اولیه بر می گردند) سپس با اعمال تنش بیشتر دچار تغییر شکل پلاستیک می شوند و در نهایت دچار شکست می شوند.

تفاوت استحکام کششی در شکست و تسلیم

همانطور که در شکل بالا نیز نشان داده شده است و قبلا نیز بیان شد، نقطه تسلیم در تست کشش نقطه ایست که تا قبل از آن با حذف تنش ماده می تواند بدون تغییر شکل قابل توجهی به حالت اولیه خود برگردد. در حالی که استحکام کششی در شکست تنشی است که در نقطه شکست تحمل کرده است که اکثر مواقع به عنوان استحکام کششی شناخته می شود.

نقطه تسلیم در نمودار انتهای بازه ای است که دیگر نمودار تنش-کرنش از حالت خطی خارج می شود.

نمودار تنش کرنش در تست کشش پلیمر

 وقتی در آزمون کشش (که در ادامه مفصلا شرح داده می شود)، به جسم نیروی کششی وارد می شود تغییر شکل نمونه نسبت به حالت اولیه را می توان در دستگاه کشش ثبت کرد.

برای خرید بهترین دستگاه های کشش tensile universal با نازل ترین قیمت ها اینجا کلیک کنید.

نموداری که دستگاه کشش (دستگاه تنسایل) ثبت می کند نیروی اعمالی بر حسب جابجایی ایجاد شده به صورت لحظه ای (یا تنش اعمال شده بر حسب کرنش ایجاد شده) می باشد.

در واقع تنش که از جنس فشار است از تقسیم نیرو بر سطح موثر نمونه در آزمون یا تست کشش به دست می آید.

σ (stress) = F/A

و تنش نیز جابجایی نمونه نسبت به حالت اولیه می باشد.

ε (strain) = ΔL/L₀;    ΔL = L-L₀

مفاهیم زیادی در آزمون استحکام کششی پلیمرها وجود دارد. مانند مدول یانگ، مدول الاستیسیته و ... که در بخش مقالات عمومی می توانید راجع به آن ها بیشتر مطالعه کنید.

همانطور که در شکل مشخص است، در تست کشش برای پلاستیک های سخت rigid با افزایش تنش بر ماده، تغییر اندازه یا کرنش خیلی زیاد نیست و با اعمال تنش بسیار بالایی این نوع مواد چندا دچار تغییر شکل نمی شوند. این مواد آنقدر این تنش را تحمل می کنند تا در نقطه ای دچار شکست شوند. تغییر شکل آن ها به صورت الاستیک می باشد.

در دسته دوم پلاستیک های منعطف یا چقرمه قرار دارند flexible and ductile ، این نوع پلاستیک ها (مانند پلی اتیلن ها) با اعمال تنش ابتدا در ناحیه تغییر شکل الاستیک هستند تا به نقطه تسلیم برسند. پس از آن که دچار تسلیم شدن با افزایش مقدا کمی تنش دچار تغیر اندازه و کرنش زیادی می شوند تا به نقطه شکست در تست کشش برسند. 

در دسته سوم مواد پلیمری الاستومری هستند که تقریبا به صورت کامل در تغییر شکل الاستیک هستند و نمودار تنش کرنش استحکام کششی آن ها خطی می باشد و با اعمال تنش دچار تغیر اندازه شده تا به شکست و پارگی برسند.

پارامتر های تاثیر گذار بر روی استحکام کششی

پارامترهای زیادی می توانند بر استحکام کششی یک پلیمر تاثیرگذار باشد که مهمترین آن ها عبارتند از:

• وزن مولکولی: استحکام کششی پلیمر ها با افزایش وزن مولکولی آن ها افزایش می یابد. البته این افزایش با رسیدن وزن مولکولی به مقدار خاصی اشباع شده و پس از آن دیگر افزایش را مشاهده نمی شود.

- در وزن مولکولی پایین، زنجیره های پلیمری توسط میروهای ضعیف واندروالس پیند خورده اند و گره خوردگی ها نیز بسیار کم می باشد. در نتیجه زنجیره ها می توانند به راحتی حرکت کنند و می تواند عاملی برای پایین آوردن استحکام کششی باشد.

- در وزن مولکولی بالا نیز، زنجیره های پلیمری بزرگ تر شده و گره خوردگی ها و درنتیجه استحکام بالاتر می رود.

• پیوند عرضی: پیوند های عرضی سبب محدود شدن حرکت زنجیره  می شود و استحکام را افزایش می دهد.
• کریستالی یا بلوری بودن: فاز کریستالی پلیمر استحکام را افزایش می دهد. زیرا پیوندهای درون مولکولی قوی تر و بیشتر هستند و بنابراین تغییر شکل پلیمر سخت تر خواهد بود.

روش آزمون و اندازه گیری استحکام کششی پلاستیک ها

روش کار مطابق استاندارد ملی 1-6621 الی 3-6621 ، ISO 527-1 ,3 یا ASTM D638 می باشد.

اندازه گیری خواص کششی "پلاستیک های قالب گیری شده و اکسترود شده":

• اگر نمونه ها به صورت قالب گیری شده یا اکسترود شده تهیه شده باشند، از استاندارد ملی 2-6621 و ISO 527-2 استفاده می کنیم.
• آزمونه ها می تواند یکی از2 شکل زیر باشذ. 1A یا 1B
• نوع 1A که در جدول زیر ابعاد آن داده شده است زمانی در تست کشش به کار می رود مستقیما همین شکل آزمونه با همین ابعاد تزریق شود و هیچگونه ماشین کاری روی آن انجام نشود. پس اگر میخواهید مواد خود را مستقیما برای آزمون استحکام کششی تزریق کنید از آزمونه شکل 1A استفاده کنید.
• از آزمونه نوع 1B برای مواردی که می خواهید با ماشین کاری از نمونه یا ورق آزمونه تهیه کنید.  به طور کلی روش تزریق مستقیم و آزمونه نوع 1A توصیه می گردد.
• حداقل 5 آزمونه را مورد آزمون قرار دهید.

دستگاه تنسایل یا کشش دارای 2 فک یا گیره است که این فک ها می تواند بسته به نوع آزمونه و جنس آن تغییر کند. فک پایین دستگاه ثابت است و وظیفه آن محکم نگهداشتن آزمونه است. فک بالایی دستگاه علاوه بر گرفتن نمونه در خود، با حرکت به سمت بالا باعث کشیده شدن نمونه و اعمال تنش کششی به آن می شود.

آزمونه ها باید در داخل این فک ها کاملا محکم شوند.

فاصله بین دو فک در ابتداری آزمون (مکانی از آزمونه که باید فک ها آنجا بسته شوند) بر روی هر یک از آزمون ها در جدول مشخص شده اند.

پس از بستن آزمونه ها و محکم کردن آنها و انجام تنظیمات روی نرم افزار دستگاه تنسایل، به دستگاه فرمان داده می شود تا با سرعت مشخصی (بر حسب میلیمتر بر دقیقه) که مقدار آن بسته به استاندارد ویژگی محصول می تواند متفاوت باشد نمونه را تحت تنش کششی قرار دهند. نمونه آنقدر کشیده می شود تا دچار شکست شود. نرم افزار دستگاه که قبلا ابعاد کامل نمونه نیز در آن وارد شده است قادر است استحکام کششی در شکست و تسلیم و کرنش (ازدیاد طول) در این نقاط را مطابق تعاریف گفته شده در قسمت های بالا محاسبه کند.

برای آموزش کار با دستگاه تنسایل، آموزش عملی استاندارد با " پلیمر ما" تماس بگیرید.

اندازه گیری استحکام کششی و ازدیاد طول (الانگیشن) "فیلم ها و ورق های پلاستیکی":

روش محاسبه استحکام کششی و الانگیشن (ازدیاد طول) برای ورق ها و فیلم ها با ضخامت کم تر 1 میلیمتر

• اندازه ترجیحی آزمونه در فیلم ها و ورق ها، یک نوار مستطیلی با پهنای بین 10 الی 25 میلیمتر و طول حداقل 150 میلیمتر است. البته انواع دمبلی شکل و... نیز وجود دارند ولی این نوع آزمونه ارجح است.
• فاصله اولیه بین گیره ها (فک های دستگاه) 100 میلیمتر است.
• اگر ورق آزمونه سخت باشد (RIGID) استفاده از دمبل زیر با ابعاد داده شده توصیه می شود.

• لبه های آزمون باید صاف و بدون دندانه باشند. در صورت امکان از یک ذره بین برای مشاهده و بررسی آزمونه استفاده کنید تا از سلامت آن اطمینان یابید.

آزمونه ها را بین فک های دستگاه تنسایل محکم کنید (اطمینان یابید که خود فک ها باعث پارگی آزمونه نشوند)، دقت کنید که چون آزمونه چندان سخت نیست امکان دارد فک ها کاملا در یک راستا قرار نگیرند که سبب بروز خطای بزرگی در آزمون می شود، پس حتما از هم راستا بودن فک ها اطمینان حاصل کنید. دقت کنید حالت اولیه نمونه قبل از آزمون نباید دچار پیچ خوردگی و تاب خوردگی باشد.

سرعت آزمون نیز بسته به استاندارد ویژگی محصول یا مواد دارد و معمولا روی 50 میلیمتر بر دقیقه تنظیم می شود. پس از اعمال تغییرات در نرم افزار دستگاه، فک بالایی شروع به حرکت کرده و نمونه را آنقدر می کشد تا دچار شکست شود. مقادیر نیرو و تنش پارگی و ازدیاد طول توسط نرم افزار ثبت می شود.

برای آموزش کار با دستگاه تنسایل و آموزش عملی استاندارد با " پلیمر ما" تماس بگیرید.

روش آزمون و اندازه گیری استحکام کششی لاستیک ها

روش کار مطابق استاندارد ملی 764 و ISO 37 می باشد.

کلیت روش آزمون دقیقا مانند پلاستیک ها می باشد. با این تفاوت که:

• شکل آزمونه ها درتست کشش لاستیک ها به صورت دمبلی می باشد و ورقه و نمونه لاستیک باید مطابق شکل زیر پانچ شوند.این دمبل را می توان در  5 نوع ابعاد مختلف برش داد که ابعاد هریک در جدول زیر آورده شده است:

• ضخامت استاندارد دمبل ها 2 میلیمتر برای همه شکل های دمبل به جز دمبل نوع 4 می باشد. در دمبل نوع 4 ضخامت استاندارد آزمونه 1 میلیمتر می باشد.
• سرعت آزمون استحکام کششی در لاستیک ها به طور کلی بالاتر از پلاستیک ها می باشد (معمولا 100، 200 یا 500 میلیمتر بر دقیقه)

علت سرعت بالاتر در آزمون کشش لاستیک ها این است که نباید فرصت کافی به زنجیره های لاستیک برای ریلکس کردن را داد.

• حداقل 3 آزمونه باید تست شود

آزمونه را پس از آماده سازی داخل فک های دستگاه کشش قرار دهید با این اطمینان که قسمت های جانبی و موازی دو انتهای آزمونه کاملا قرینه بسته شده باشند. لودسل را قبل از شروع آزمون روی صفر تنظیم کنید و با تنش حدود 1 مگاپاسکالی از خم نبودن آزمونه اطمینان حاصل کنید.

آزمون را شروع کنید تا نمونه پس از کشیده شدن پاره شود. دقت کنید محل پارگی بر روی نمونه باید در قسمت باریک آزمونه باشد و در غیر این صورت باید آزمون را تکرار کنید.

نرم افزار دستگاه تنسایل یا کشش قادر است استحکام کششی را محاسبه کند. در غیر این صورت عدد نیروی به دست آمده از دستگاه در محل پارگی را بر سطح مقطع موثر نمونه (حاصل ضرب پهنای قسمت باریک در ضخامت آزمونه)  تقسیم کنید تا استحکام را به دست آورید. این کار را می توانید برای نقاط تسلیم و شکست انجام دهید.

برای خرید دستگاه کشش (تنسایل) Tensile یونیورسال و سایر تجهیزات آزمایشگاهی و خط تولید صنعت پلیمر به فروشگاه مراجعه و یا با ما تماس بگیرید.