چرا برخی از پلاستیک ها به طور تمیز می شکنند و برخی دیگر قبل از شکستن تغییر شکل داده و کشیده می شوند؟ این یک سوال رایج و یک پدیده مهم برای درک است. قدرت تسلیم پلاستیک ها حرف اول را می زند.
پلاستیک های زیادی برای جایگزینی فلزات استفاده می شود. در اینجا، درک به اصطلاح نسبت استحکام به چگالی مهم است. پلاستیک‌ها معمولاً چگالی کمتری نسبت به فلزات دارند، که به بازده مکانیکی و کاهش بار انرژی کمک می‌کنند، اما باید استحکام پلاستیک را درک کرد.
رایج ترین روش برای اندازه گیری استحکام تسلیم پلاستیک با آزمایش کشش است. تست کشش معمولاً از طریق استانداردها کنترل می شود و دو مورد از رایج ترین آنها در صنعت پلاستیک ASTM D638 و ISO 527 هستند.
تست کشش
آزمایش نیروی را به عنوان تابعی از کرنش اعمال شده به نمونه پلاستیکی اندازه گیری می کند. نمونه ای از تنظیمات تست در زیر نشان داده شده است.
از این آزمایش می توان بسیاری از خواص مکانیکی مهم را به دست آورد. نموداری که منحنی تنش-کرنش مشترک را برای یک ماده پلاستیکی نشان می دهد در زیر نشان داده شده است.
اصطلاحات مهمی که باید در نظر داشته باشید
- مدول یانگ – این شیب بخش خطی منحنی است. اصطلاح دیگر برای آن مدول الاستیک است. این یک روش کمی برای توصیف رفتار الاستیک خطی مواد است. واحدها معمولاً بر حسب پاسکال (Pa) یا پوند/اینچ (psi) هستند.
- قدرت تسلیم – قدرت تسلیم پلاستیک جایی است که مواد به شکل پلاستیکی شروع به تغییر شکل می کنند. قبل از استحکام تسلیم، ماده به صورت الاستیک عمل می کند، به این معنی که اگر کرنش در هر نقطه ای از بخش کشسان متوقف شود، ماده به طول اولیه خود باز می گردد. هنگامی که استحکام تسلیم پلاستیک به دست آمد، ماده به طول اولیه خود برنمی گردد و تسلیم می شود. واحدها معمولاً بر حسب پاسکال (Pa) یا پوند/اینچ (psi) هستند.
- قدرت نهایی – استحکام نهایی حداکثر مقدار تنشی است که می توان اعمال کرد. واحدها معمولاً بر حسب پاسکال (Pa) یا پوند/اینچ (psi) هستند.
- شکست، شکستگی – نقطه ای که مواد در آن می چفتند.
- سخت شدن کرنش – این منطقه ای است که در آن ماده مقداری تغییر شکل را تجربه می کند اما می تواند تنش اضافی را بدون ضعیف شدن دریافت کند.
- گردن زدن – این منطقه ای است که ماده در آن استحکام نهایی را پشت سر گذاشته است، دیگر تغییر شکل قابل توجهی ندارد و با کاهش سطح مقطع نمونه از نظر بصری مشاهده می شود.
استحکام تسلیم پلاستیک در طراحی مکانیکی
یک ویژگی کلیدی برای طراحان مکانیکی که از پلاستیک استفاده می کنند، قدرت تسلیم است، اما یک هشدار کلیدی وجود دارد که باید ذکر شود. به نظر می رسد که قدرت تسلیم دقیقاً در جایی باشد که پلاستیک غیر ارتجاعی می شود. در واقع، به دلیل پیوند مولکولی، گاهی اوقات ماده می تواند پس از بخشی از تغییر شکل غیرالاستیک به طول اولیه خود بازگردد. بنابراین، بسیار متداول است که به استحکام تسلیم در یک نرخ کرنش خاص توجه شود که در آن 0.2٪ استانداردترین است. این معمولا به عنوان استرس اثبات نامیده می شود.
بنابراین، درک قدرت تسلیم مکانیکی در طراحی با پلاستیک یا مواد دیگر به دلیل قابل پیش‌بینی بودن مواد بسیار مهم است. قبل از نقطه تسلیم، خواص کاملاً قابل پیش بینی هستند. با این حال، پس از آن نقطه تسلیم، ویژگی‌ها متغیرتر می‌شوند و اطمینان به قابلیت پیش‌بینی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.
نکته کلیدی دیگر این است که برخی از پلاستیک ها نقطه تسلیم ندارند. برخی از پلاستیک‌ها فقط به صورت شکننده تغییر شکل می‌دهند، به این معنی که تغییر شکل آنها به صورت خطی الاستیک است. هنگامی که حداکثر استحکام به دست آمد، ماده “شکست” می شود. این امر در برخی از محصولات ترکیبی (پرکننده ها / افزودنی ها / مواد معدنی) و برخی از مواد با مدول الاستیک بسیار بالا مشاهده می شود. این نوع خرابی در کامپوزیت ها نیز مشاهده می شود.
استحکام تسلیم پلیمرهای رایج
جدول زیر مقایسه ای از پلاستیک های مختلف و سایر مواد مورد علاقه را نشان می دهد.
| مواد | قدرت تسلیم (MPa) |
| پلی پروپیلن | 12-43 |
| نایلون 6،6 | 45 |
| پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) | 26 – 33 |
| کلرید پلی وینیل | 55 |
| پلی وینیلیدین فلوراید | 48 |
| فولاد ASTM A36 | 250 |
| پوست انسان | 15 |
| استخوان | 104 – 121 |
| الماس | 1600 |
| مس | 70 |
خلاصه
این مقاله یک درک کلی از برخی از خواص مکانیکی اساسی پلاستیک ها، یعنی مقاومت تسلیم، ارائه می دهد. آگاهی از میزان قدرت تسلیم، از نظر فیزیکی، به هنگام طراحی قطعات جدید برای طیف وسیعی از مصارف نهایی کمک خواهد کرد.
پلاستیک ها هر روز در کاربردهای بیشتری مورد استفاده قرار می گیرند، بنابراین درک چگونگی واکنش مواد در محیط های مختلف در مهندسی برای آینده بسیار مفید خواهد بود.