آشنایی با آزمون کشش پلیمرها (بخش اول/معرفی)

مقدمه

    ویژگی کشش از مهم­‌ترین خواص مکانیکی در مشخصه‌یابی پلیمرها به حساب می‌آید. بررسی این خاصیت از ضروری‌ترین قسمت­‌های تولید و فرآیند محصولات پلیمری است؛ به‌­گونه­‌ای که با بررسی آن پیش از خواص حرارتی، نوری و رئولوژیکی، امکان مقایسه مواد، کنترل کیفیت و بهبود خواص در اختیار تولیدکنندگان قرار می­‌گیرد. این ویژگی­‌ها، رفتار پلیمرها نظیر استحکام (strength)، سفتی (stiffness)، تُردی (brittleness)، سختی (hardness) و ارتجاع‌پذیری (resilience) را را تحت نیروی کشش، در مقابل تنش نشان می­‌دهد.

آزمون کشش

    ساده‌­ترین آزمون کشش، قرار دادن یک نمونه از پلیمر بین دو گیره (grip) است که آن را محکم نگه داشته‌اند. ماده در ابتدا دارای ابعاد (طول و مقطع عرضی) مشخصی است. با باز شدن یکی از گیره‌ها، نیرودهی به نمونه تحت کشش، در حالی که گیره دیگر ثابت است، آغاز می­‌شود. نیروی کشش را کم کم افزایش داده تا تغییر طول در نمونه مشاهده و نهایتاً منجر به شکست شود. یک سر ماده ثابت نگه داشته می­‌شود که تکان نخورد و سپس سر دیگر آن تحت کشش قرار می­‌گیرد. در آزمون کشش، تغییرات طول و نیروی لازم جهت کشیدن را از زمانی که نیروی کشش اعمال می­‌شود تا زمانی که ماده شروع به کش آمدن می­‌کند و در نهایت پارگی رخ می‌دهد، محاسبه می‌کنند.

شکل 1. شماتیکی از آزمون کشش

    همان­‌گونه که در شکل مشاهده می‌شود، نمونه­‌های آزمون کشش معمولاً به‌شکل دمبل هستند تا از تأثیر گیره نگه‌دارنده بر روی نمونه جلوگیری شود. نتیجه این تست، نمودار بار (نیروی کشش) بر حسب جابجایی (میزان کُرنش) است. از آنجا که میزان کشش ماده به ابعاد ماده (و البته به خواص ماده) بستگی دارد، مقایسه مواد در این مورد می­‌تواند بسیار چالش­‌برانگیز باشد. این مقایسه در طراحی محصولات جدید و کنترل کیفیت محصولات، تأثیر بسزایی دارد.

آشنایی با دو مفهوم تنش و کُرنش مهندسی

    پیش از این اشاره شد که آزمون کشش برای مقایسه نمونه­‌های مختلف کاربرد ویژه­‌ای دارد. به‌منظور مقایسه استحکام مواد، دو مفهوم تنش و کرنش مستقل از ابعاد مواد تعریف شده است. تنش مهندسی از تقسیم بار اعمال‌شده به سطح مقطع عرضی و کرنش مهندسی از تقسیم تغییر طول به طول اولیه به‌دست می­‌آید. معمولاً تنش مهندسی را با نماد σ و کرنش را با نماد ɛ نمایش می‌­دهند. با مشاهده عکس‌­العمل تنش-کرنش مواد مختلف، می‌­توان استحکام آنها را مستقل از ابعاد ماده اندازه­‌گیری کرد. برای مثال یک قطعه پلیمری با سطح مقطع مربعی شکل با مساحت mm² 10، تحت آزمون کشش، در نیروی N 500 دچار پارگی می­‌شود. در این نقطه تنش نمونه N/m² 50,000,000 خواهد بود.

شکل 2. نمودار شماتیک تنش-کرنش نمونه پلیمری

    در اینجا سعی می­‌شود مفهوم استحکام کششی و سایر پارامترهای خروجی از نمودار تنش-کرنش معرفی شود.

• استحکام کششی (tensile strength) بیشینه نیروی کششی بر واحد سطح است که یک ماده می­‌تواند به‌شرط نداشتن شکست (fracture) در طول آزمون کشش تحمل نماید. استحکام کششی معمولاً در دو نقطه تسلیم (Y) و شکست (F) تعریف می­‌شود.
• کرنش نقطه شکست یا elongation-to-break، کرنش یک ماده تا نقطه شکست (نقطه F) را برحسب درصد بیان می­‌کند. الاستومرها مقدار کرنش نقطه شکست بالایی دارند.
• مدول یانگ یا Young’s modulus شیب منحنی تنش-کرنش در منطقه خطی نمودار (زرد رنگ) است. مواد صلب عموماً دارای مدول یانگ بالایی هستند، در حالی ­که الاستومرها مدول یانگ پایینی دارند. در این منطقه در صورتی که اعمال نیرو برداشته شود، نمونه می­‌تواند به حالت اولیه خود بازگردد.
• چقرمگی یا Toughness مساحت زیر نمودار تنش-کرنش است که بیانگر مقداری از انرژیست که ماده باید دریافت کند تا دچار شکست شود.

    نکته مهم: چقرمگی و استحکام دو خاصیت کاملاً متفاوت هستند. نمونه‌ای که چقرمه نباشد، تُرد (brittle) نامیده می­‌شود. این نمونه می­‌تواند استحکام بالا داشته باشد و در نتیجه در آزمون کشش، تحت تنش زیاد ولی کرنش کم، دچار شکست شود. در مقابل می‌­تواند استحکام و چقرمگی بالایی نداشته باشد، اما تحت تنش­‌ها و کرنش کم، دچار شکست خواهد شد.

• نقطه تسلیم (Y)، نمایانگر پایان منطقه الاستیک است. در طول این محدوده، ماده به‌صورت الاستیک یا ارتجاعی کشیده می­‌شود.

شکل 3. تغییرات زنجیره‌های پلیمر تحت آزمون کشش

    هر ماده پلیمری مجموعه‌ای از زنجیره‌های در هم‌ تنیده‌شده است. الاستیک‌ها را می­‌توان این ­طور تصور کرد که اتم­‌ها با حالت فنری به یک‌دیگر متصل شده‌­اند. با این تصور، بهتر می‌­توان الاستیسیتیه را درک کرد. وقتی ماده را می‌کشیم، فنر بین زنجیره‌­ها درازتر می­‌شود و ماده کش می‌­آید. قسمت الاستیکی منحنی، خطی راست است و همان‌طور که می­‌دانیم هرچه شیب این خط بیش‌تر باشد، بیانگر مدول بالاتر نمونه است.

    نقطه تسلیم Y، نقطه‌ای است که پس از آن، تغییرات ماکروسکوپی ماده، شامل yielding و necking اتفاق می­‌افتد؛ یعنی در ابتدا زنجیره­‌های پلیمری از حالت ارتجاعی خود خارج می‌شود (yielding) و سپس (همان‌طور که در شکل واضح است) نمونه از یک ناحیه دچار انقباض عرضی و کشش طولی شده و شکلی به‌فرم گردن (neck) به‌خود می­‌گیرد (necking). پدیده necking پیشروی می­‌کند تا تغییر شکل زنجیره­‌ها هم‌راستا شوند. افزایش استحکام نقطه گردن (neck) به‌دلیل جهت‌گیری زنجیره­‌ها در راستای کشش بین 2 تا 5 برابر حاصل خواهد شد. در نتیجه گردن‌گیری در امتداد نمونه گسترش می‌یابد و در نهایت به نقطه شکست می­‌رسیم که ماده در این نقطه پاره می­‌شود (شکل 3).

انواع منحنی تنش-کرنش

    واضح است که هر ماده نمودار تنش-کرنش منحصربفردی متناسب با ماهیت خود دارد که بسته به خواص مکانیکی ماده، متفاوت است و منحنی­‌های مختلفی را در نمودار به‌وجود می‌­آورد. در نمودار زیر به توضیح منحنی‌های مهم نمودار پرداخته می­ شود.

شکل 4. انواع نمودارهای تنش و کرنش پلیمرها

1. منحنی اول یک ماده الاستیک خطی و تُرد را نشان می­‌دهد (در مورد تردی قبلاً در قالب نکته صحبت شد). موادی از قبیل اپوکسی و پلی­‌استایرن از این دسته­‌اند.
2. منحنی دوم برای مواد نیمه چکش‌خوار (semi-ductile) است مانند PMMA.
3. منحنی سوم برای مواد چکش‌خوار است که مدول کم‌تری نسبت به مورد قبل دارد، ولی در مقایسه سطح زیر نمودار، مشخص است که چقرمگی بالاتری را داراست. موادی مثل PET و پلی­‌کربنات از این دسته‌­اند.
4. منحنی چهارم برای مواد الاستومر نظیر یورتان انعطاف‌پذیر استفاده می‌شود.

    همان‌طور که از منحنی‌­ها برداشت می­‌شود، هرچه از منحنی اول به منحنی‌­های بعدی پیش می‌رویم، شاهد موادی انعطاف­‌پذیرتر و با مدول کم‌تر خواهیم بود.

    در مقاله بعدی با انواع نمودار­های کشش و مقایسه آن­ها و پارامتر­های مؤثر بر آن آشنا خواهیم شد.

گردآورنده: حسین چیانی