انواع مکانیسم‌های شکست در پلاستیک‌ها (Polymers Failure Mechanisms)

شکست ترد (Brittle Fracture) در پلاستیک‌ها

ویژگی‌ها

شکست ناگهانی و بدون تغییر شکل قابل توجه

صدای شکست واضح هنگام گسیختگی

معمولاً در دماهای پایین یا در پلاستیک‌های سخت (مانند پلی‌استایرن یا پلی‌کربنات خشک‌شده) رخ می‌دهد

مکانیسم

در شکست ترد، انرژی اعمال‌شده به جای تغییر شکل پلاستیک، به رشد سریع ترک‌های داخلی اختصاص می‌یابد. این ترک‌ها از نواقص میکروسکوپی مانند حفره‌های ریز یا ناپیوستگی‌های ساختاری شروع می‌شوند.

عوامل موثر

دمای پایین

نرخ بارگذاری بالا (ضربه سریع)

وجود نواقص داخلی

پیری حرارتی یا UV

مثال

شکست ناگهانی یک ظرف پلاستیکی خشک‌شده در فریزر.

شکست چقرمه (Ductile Fracture) در پلاستیک‌ها

ویژگی‌ها

تغییر شکل پلاستیک قابل توجه قبل از شکست

ایجاد گردن (Necking) در ناحیه شکست

شکست تدریجی همراه با کشیدگی ماده

مکانیسم

ابتدا حفره‌های میکروسکوپی در ماتریس پلیمر ایجاد می‌شوند. این حفره‌ها به تدریج به هم متصل شده و یک ترک بزرگ‌تر تشکیل می‌دهند. شکست چقرمه معمولاً نیازمند انرژی بیشتری نسبت به شکست ترد است.

عوامل موثر

دمای بالا

نرخ بارگذاری پایین

مواد با زنجیره‌های پلیمری بلند و منعطف (مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن)

مثال

کشیدن یک کیسه پلاستیکی تا حد پارگی.

شکست ناشی از خستگی (Fatigue Failure) در پلاستیک‌ها

ویژگی‌ها

شکست تدریجی در اثر بارگذاری‌های متناوب یا سیکلی

رشد ترک‌های ریز قبل از شکست نهایی

رخ دادن شکست حتی در تنش‌های کمتر از حد تحمل استاتیکی ماده

مکانیسم

بارهای سیکلی باعث ایجاد و رشد ترک‌های ریز می‌شوند. در ابتدا، ترک‌ها به آرامی رشد می‌کنند اما با پیشرفت خستگی، سرعت رشد ترک افزایش یافته و در نهایت منجر به شکست می‌شود.

عوامل موثر

بارگذاری‌های تکراری

وجود تمرکز تنش (مانند گوشه‌های تیز یا حفره‌ها)

محیط‌های دمایی متغیر

مثال

شکست لولاهای پلاستیکی درب‌های کوچک پس از استفاده مکرر.

شکست ناشی از خزش (Creep Failure) در پلاستیک‌ها

ویژگی‌ها

تغییر شکل تدریجی در اثر بار ثابت، به‌ویژه در دماهای بالا

رخ دادن حتی در تنش‌های کمتر از حد مجاز ماده

رفتار وابسته به زمان و دما

مکانیسم

در دماهای بالا، زنجیره‌های پلیمری شروع به لغزش نسبت به یکدیگر می‌کنند که باعث تغییر شکل پلاستیک می‌شود. خزش در پلاستیک‌های آمورف (مانند پلی‌کربنات) بیشتر دیده می‌شود.

عوامل موثر

دمای بالا (نزدیک به دمای انتقال شیشه‌ای Tg)

بارگذاری طولانی مدت

ساختار آمورف در مقایسه با ساختار نیمه‌بلورین

مثال

تغییر شکل تدریجی یک قفسه پلاستیکی که بار سنگینی را برای مدت طولانی تحمل می‌کند.

ترک‌خوردگی ناشی از تنش محیطی (Environmental Stress Cracking – ESC)

ویژگی‌ها

شکست در اثر ترکیب تنش مکانیکی و محیط شیمیایی

ایجاد ترک‌های ریز که به تدریج رشد می‌کنند

رخ دادن حتی در تنش‌های کمتر از حد شکست ماده

مکانیسم

ترکیب تنش‌های خارجی و قرارگیری در معرض مواد شیمیایی (مانند حلال‌ها، مواد شوینده یا روغن‌ها) باعث تسریع رشد ترک‌های میکروسکوپی می‌شود.

عوامل موثر

وجود تنش‌های پسماند

تماس با مواد شیمیایی مهاجم

طراحی نامناسب (تمرکز تنش در گوشه‌های تیز)

مثال

شکست بطری‌های پلاستیکی حاوی مواد شوینده قوی پس از چند ماه استفاده.

شکست ناشی از ضربه (Impact Failure) در پلاستیک‌ها

ویژگی‌ها

شکست سریع تحت بارگذاری دینامیکی یا ضربه‌ای

وابستگی زیاد به دما و نرخ بارگذاری

رفتار متفاوت بسته به ساختار پلاستیک (ترد یا چقرمه)

مکانیسم

در بارگذاری‌های سریع، ماده زمان کافی برای تغییر شکل پلاستیک ندارد و انرژی ضربه به صورت ناگهانی در یک ناحیه کوچک متمرکز می‌شود که باعث گسیختگی می‌شود.

عوامل موثر

نرخ بالای اعمال بار

دمای پایین (افزایش شکنندگی)

ضخامت کم یا طراحی ضعیف

مثال

شکست سریع یک قاب گوشی موبایل در اثر افتادن از ارتفاع.

سایش و فرسایش (Wear and Abrasion Failure) در پلاستیک‌ها

ویژگی‌ها

از بین رفتن تدریجی سطح پلاستیک در اثر تماس و حرکت نسبی با سطوح دیگر

ایجاد خراش، کاهش ضخامت، یا تغییر در خواص سطحی

مکانیسم

حرکت مکانیکی باعث جدا شدن تدریجی ذرات از سطح می‌شود. نوع سایش می‌تواند به صورت سایش چسبنده، ساینده، یا سایش ناشی از خستگی باشد.

عوامل موثر

نوع بارگذاری و حرکت (لغزش یا چرخش)

سختی سطح مقابل

دمای عملکرد

مثال

سایش چرخ‌دنده‌های پلاستیکی در ماشین‌آلات کوچک.

نتیجه‌گیری

مکانیسم‌های شکست در پلاستیک‌ها می‌توانند ترکیبی از عوامل مکانیکی، حرارتی و محیطی باشند. شناخت دقیق این مکانیسم‌ها به مهندسان کمک می‌کند تا طراحی بهینه‌تری انجام دهند، طول عمر قطعات را افزایش دهند، و از شکست‌های ناگهانی جلوگیری کنند.

برای بهبود مقاومت پلاستیک‌ها می‌توان از روش‌هایی مانند:

استفاده از بهبود دهنده‌های ضربه (Impact Modifiers)

طراحی مناسب برای کاهش تمرکز تنش

استفاده از پایدارکننده‌های UV برای کاهش پیری نوری

انتخاب مواد مقاوم در برابر خزش و خستگی

منبع: سیوان پلیمر