آشنایی با آزمون کشش

به ­گونه­ ای که با بررسی آن پیش از خواص حرارتی، نوری و رئولوژیکی، امکان مقایسه مواد، کنترل کیفیت و بهبود خواص در اختیار تولیدکنندگان قرار می­ گیرد.

این ویژگی­ ها، رفتار پلیمرها را تحت نیروی کشش، نظیر استحکام (strength)، سفتی (stiffness)، تُردی (brittleness)، سختی (hardness) و ارتجاع ­پذیری (resilience) را در مقابل تنش نشان می­ دهد.

ساده ­ترین آزمون کشش، قرار دادن یک نمونه از پلیمر بین دو گیره (grip) است که آن را محکم نگاه داشته ­اند. ماده در ابتدا دارای ابعاد (طول و مقطع عرضی) مشخصی است. با باز شدن یکی از گیره ­ها، نیرودهی به نمونه تحت کشش آغاز می­ شود درحالی که گیره دیگر ثابت است.

نیروی کشش را کم کم افزایش داده تا تغییر طول در نمونه مشاهده و نهایتاً منجر به شکست شود. به کمک هر وسیله مناسبی که وجود دارد، یک سر ماده ثابت نگه داشته می­ شود که تکان نخورد و سپس سر دیگر آن تحت کشش قرار می­ گیرد.

در آزمون کشش تغییرات طول و نیروی لازم جهت کشیدن را از زمانی که نیروی کشش اعمال می­ شود تا زمانی که ماده شروع به کش آمدن می­ کند و در نهایت پارگی رخ می ­دهد، محاسبه می ­کنند.

شکل (۱): شماتیکی از آزمون کشش

همان­ گونه که در شکل مشاهده می ­شود، نمونه­ های آزمون کشش معمولاً به شکل دمبل هستند تا از تأثیر گیره نگه دارنده 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 می­ تواند بسیار چالش­ برانگیز 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 نمونه­ های مختلف کاربرد ویژه­ ای دارد. به منظور مقایسه استحکام مواد، دو مفهوم تنش و کرنش مستقل از ابعاد مواد تعریف شده است.

تنش مهندسی از تقسیم بار اعمال شده به سطح مقطع عرضی و کرنش مهندسی از تقسیم تغییر طول به طول اولیه به دست می­ آید.

معمولاً تنش مهندسی را با نماد σ و کرنش را با نماد ɛ نمایش می ­دهند. با مشاهده عکس ­العمل تنش-کرنش مواد مختلف، می ­توان استحکام آن ­ها را مستقل از ابعاد ماده اندازه­ گیری کرد.

برای مثال یک قطعه پلیمری با سطح مقطع مربعی شکل با طول ضلع حدودی mm2 ۱۰ تحت آزمون کشش در نیروی N 500 دچار پارگی می­ شود. در این نقطه تنش نمونه N/m2 5,000,000 یا MPa 5 خواهد بود.

شکل (۲): نمودار شماتیک تنش-کرنش نمونه پلیمری

در اینجا سعی می­ شود 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 به شرط نداشتن شکست (fracture) در طول آزمون کشش تحمل نماید. استحکام کششی معمولاً در دو نقطه تسلیم (Y) و شکست (F) تعریف می­ شود.

کرنش نقطه شکست یا elongation-to-break، کرنش یک ماده تا نقطه شکست (نقطه F) را برحسب درصد بیان می­ کند. 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. درحالی ­که الاستومرها مدول یانگ پایینی دارند. در این منطقه در صورتی که اعمال نیرو برداشته شود، نمونه می­ تواند 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. نمونه ای که چقرمه نباشد، تُرد (brittle) نامیده می­ شود.

حال می­ تواند استحکام بالا داشته باشد و در نتیجه تحت تنش زیاد ولی کرنش کم، در آزمون کشش دچار شکست شود. درمقابل می ­تواند نه استحکام و نه چقرمگی بالایی داشته باشد اما تحت تنش­ ها و کرنش کم، دچار شکست خواهد شد.

نقطه تسلیم (Y)، نمایانگر پایان منطقه الاستیک است. در طول این محدوده، ماده به صورت الاستیک یا ارتجاعی کشیده می­ شود.
 

شکل(۳): تغییرات زنجیره های پلیمر تحت آزمون کشش

هر ماده پلیمری مجموعه ای از زنجیره ­های در هم تنیده شده است. الاستیک ­ها را می­ توان این ­طور تصور کرد که اتم­ ها با حالت فنری به یکدیگر متصل شده ­اند. با این تصور، بهتر می ­توان الاستیسیتیه را درک کرد.

وقتی ماده را می ­کشیم، فنر بین زنجیره ­ها درازتر می­ شود و ماده کش می ­آید. قسمت الاستیکی منحنی، خطی راست است و همان طور که می­ دانیم هرچه شیب این خط بیشتر باشد، بیانگر مدول بالاتر نمونه است.

نقطه تسلیم Y، نقطه ای است که پس آن، تغییرات ماکروسکوپی ماده، شامل yielding و necking اتفاق می­ افتد. یعنی در ابتدا زنجیره­ های پلیمری از حالت ارتجاعی خود خارج می ­شود (yielding) و سپس (همانطور که در شکل واضح است) نمونه از یک ناحیه دچار انقباض عرضی و کشش طولی شده و شکلی به فرم گردن (neck) به خود می­ گیرد (necking).

پدیده necking پیشروی می­ کند تا تغییر شکل زنجیره­ ها هم راستا شوند. افزایش استحکام نقطه گردن (neck) به دلیل جهت گیری زنجیره­ ها در راستای کشش بین ۲ تا ۵ برابر حاصل خواهد شد. در نتیجه گردن گیری در امتداد نمونه گسترش می ­یابد و در نهایت، به نقطه شکست می­ رسیم که ماده در این نقطه پاره می­ شود (شکل۳).

انواع منحنی تنش-کرنش

واضح است که هر ماده، نمودار تنش-کرنش منحصر ­به ­فردی متناسب با ماهیت خود دارد که بسته به خواص مکانیکی ماده، متفاوت است و منحنی­ های مختلفی را در نمودار به وجود می ­آورد. در نمودار زیر به توضیح منحنی ­های مهم نمودار پرداخته می­ شود:

شکل (۴): انواع نمودارهای تنش و کرنش پلیمرها

منحنی اول، یک ماده الاستیک خطی و تُرد را نشان می­ دهد (در مورد تردی قبلاً در قالب نکته صحبت شد). موادی از قبیل اپوکسی و پلی­ استایرن از این دسته­ اند.

منحنی دوم برای مواد نیمه چکش ­خوار (semi-ductile) است مانند PMMA.

منحنی سوم برای مواد چکش ­خوار است که مدول کمتری نسبت به مورد قبل دارد ولی در مقایسه سطح زیر نمودار، مشخص است که چقرمگی بالاتری را دارا هستند. موادی مثل PET و پلی­ کربنات از این دسته ­اند.

منحنی چهارم برای مواد الاستومر نظیر یورتان انعطاف پذیر استفاده می شود.

همان طور که از منحنی ­ها برداشت می­ شود، هرچه از منحنی اول به منحنی ­های بعدی پیش می ­رویم شاهد موادی انعطاف­ پذیرتر و با مدول کمتر خواهیم بود.

منبع: آریاپلیمر پیشگام