در زمان خرید انواع پلیمرها، نیاز است که به ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آنها توجه داشته باشید تا بتوانید تشخیص دهید که آیا برای ساخت وسایل مورد نظر شما مناسب هستند یا خیر؟ یکی از مهمترین کمیت‌ها در بررسی ویژگی مواد پلاستیکی، استحکام کششی در نقطه شکست است. در این مقاله از هایپر پلاست می‌خواهیم به این سوال پاسخ دهیم که استحکام کششی در نقطه شکست چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟ همچنین استحکام کششی پلیمرها را هم بررسی کنیم.
استحکام کششی در نقطه شکست چیست؟
استحکام کششی در نقطه شکست یا Tensile Strength (Break Point) توانایی مواد پلاستیکی برای تحمل حداکثر تنش کششی بدون شکست را نشان می‌دهد. تنش زمانی رخ می‌دهد که ماده در حال کشیده شدن باشد؛ بنابراین باید دید که این ماده پلاستیکی، تا چه حد در برابر تغییر شکل در اثر این کشیدگی مقاومت خواهد کرد؟ استحکام کششی پلیمرها مشخص می‌کند که کدام اتفاق زیر در اثر تنش خواهد افتاد؟
- تغییر شکل الاستیک: در این حالت پلیمر به ابعاد و شکل اولیه خود برمی‌گردد؛ بنابراین تغییر شکل غیر دائمی خواهد بود.
- تغییر شکل دائمی: در این حالت ماده به ابعاد اولیه خود برنمی‌گردد و تاثیر تنش دائمی خواهد بود.
انواع مقاومت یا استحکام کششی
استحکام کششی پلیمرها در نقطه شکست به سه نوع تقسیم می‌شود که عبارتند از:
- قدرت تسلیم (Yield Strength): تنشی که یک ماده می‌تواند بدون تغییر شکل دائمی تحمل کند.
- استحکام نهایی (Ultimate Strength): حدامثر تنشی که یک ماده می‌تواند تحمل کند.
- استحکام شکست (Breaking Strength): مختصات تنش بر روی منحنی تنش – کرنش در نقطه شکست
با توجه به این تقسیم بندی می‌توان گفت که پلیمرها در اثر تنش ابتدا به صورت ارتجاعی تغییر شکل می‌دهند و پس از برداشته شدن تنش، به حالت اولیه برمی‌گردند. سپس با اعمال نیروی بیشتر، می‌توان آنها را وادار به تغییر شکل کرد و در نهایت در اثر این تنشريال دچار شکست می‌شوند. بنابراین استحکام کششی در نقطه شکست، حد نهایی تحمل پلیمر در برابر از هم گسیختگی را نشان می‌دهد و مقاومت کششی نهایی نامیده می‌شود.
کاربرد استحکام کششی در نقطه شکست چیست؟
همانطور که گفتیم، استحکام کششی در نقطه شکست می‌تواند حداکثر تنش قابل تحمل توسط یک نمونه پلیمر را قبل از شکستن تعیین کند. در نتیجه اطلاعاتی درباره بار کششی یا فشاری مورد نیاز برای شکستن چیزی را در اختیار ما قرار می‌دهد و به مقاومت شکست هم شهرت دارد. مهمترین کاربردهای استحکام کششی پلیمرها در نقطه شکست عبارتند از:
- ارزیابی مواد
- کنترل کیفیت
- طراحی سازه
- مدلسازی
- تجزیه و تحلیل دلیل شکست
واحد استحکام کششی
برای اندازه گیری استحکام کششی در نقطه شکست، معمولا از واحدهای اندازه گیری مختلفی استفاده می‌شود؛ اما همه این واحدها بر اساس فرمول استحکام کششی تعیین می‌شوند. فرمول استحکام کششی، نیرو بر واحد سطح است که به نوعی فشار را نشان می‌دهد؛ بنابراین واحد استحکام کششی هم در دستگاه اندازه گیری SI بر اساس پاسکال (Pa)، مگاپاسکال (MPa) یا گیگاپاسکال (GPa) بیان خواهد شد. البته در سیستم اندازه گیری انگلیسی، واحد استحکام کششی به صورت زیر خواهد بود:
- پوند بر اینچ مربع (lbf/in2)
- کیلو پوند بر اینچ مربع که معادل کیلوپاسکال است.
کدام مواد استحکام کششی بالایی دارند؟
- ترموپلاستیکها
- الاستومرهای ترموپلاستیک
- ترموست
- لاستیک‌ها
نحوه اندازه گیری استحکام کششی در نقطه شکست
زمانی که نیروی کششی به یک جسم وارد می‌شود، شروع به گسترش یافتن در ساختار مولکولی آن خواهد کرد. رفتار نیرو در حین انتشار را می‌توان با استفاده از منحنی تنش – کرنش در ناحیه تغییر شکل به دست آورد که به قانون هوک شهرت دارد. اینکه نیرو تا چه اندازه بتواند در جسم گسترش پیدا کند، بستگی به نوع پیلمرها و ابعاد آن دارد. بنابراین برای اندازه گیری استحکام کششی در نقطه شکست، باید میزان تنش و کرنش را به دست آورده و با استفاده از نمودار، میزان استحکام را استخراج کرد. فرمول اندازه گیری تنش به صورت زیر است:
σ = F/ A
که در آن σ نشاندهنده تنش، F نمایشگر نیرو و A سطح مقطع وارد شدن ضربه است. کرنش هم به عنوان افزایش طول تعریف شده و با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود.
ε = ΔL / L0 , ΔL = L – L0
در این فرمول هم ε نشاندهنده کرنش است و L0 طول اصلی میله را نشان می‌دهد. ΔL هم نشاندهنده اختلاف طول اصلی با طول کشیده شده است و می‌تواند میزان کشش در امتداد میله را نشان دهد.
اهمیت اطلاع از استحکام کششی در بریک پوینت
- به دست آوردن داده‌های مفید برای طراحی قطعات مختلف پلاستیکی
- قابل استفاده برای بررسی کیفیت مواد مختلف
- مناسب برای تولید مواد جدید و فرایندهای تازه
- قابل استفاده برای پیش بینی رفتار مواد تحت فشارهای مختلف
عوامل موثر بر استحکام کششی
استحکام کششی پلیمرها در نقطه شکست معمولا تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد که از مهمترین آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- وزن مولکولی: هرچه وزن مولکولی بیشتر باشد، قدرت پلیمر افزایش پیدا کرده و زنجیره‌های پلیمری قوی‌تر هستند؛ در نتیجه استحکام کششی هم افزایش پیدا می‌کند.
- میزان بلوری بودن ساختار: وجود فاز کریستالی در پلیمر، باعث افزایش استحکام کششی در نقطه شکست می‌شود؛ زیرا در این حالت پیوندهای بین مولکولی قوی‌تر است و زنجیره‌های جهت دار، استحکام بالاتری دارند.
- سطح جهت گیری مواد: هر چقدر که جهت گیری مواد یکدست‌تر باشد، استحکام کششی هم بالاتر خواهد بود.
- درجه حرارت: معمولا در درجه حرارت خیلی بالا یا خیلی پایین، شکنندگی مواد تغییر می‌کند؛ به همین دلیل آزمایشات مربوط به اندازه گیری استحکام کششی در نقطه شکست را معمولا در دمای ۲۳ درجه سانتی گراد انجام می‌دهند.
- سرعت تست: هرچه سرعت تست بالاتر باشد، شدن ضربه و نیروی واردشده هم بیشتر خواهد بود؛ در نتیجه استحکام کششی کاهش پیدا خواهد کرد.
روش های آزمایش برای اندازه گیری استحکام کششی
برای اندازه گیری استحکام کششی در بریک پوینت از روش‌های استاندارد استفاده می‌شود که در آنها مواردی مانند درجه حرارت یا سرعت تست، به صورت ثابت تعریف شده‌اند. به همین دلیل در زمان خرید انواع پلیمر باید دقت داشته باشید که از چه روشی برای اندازه گیری این کمیت استفاده شده است. به طور کلی دو روش برای انجام این کار وجود دارد که عبارتند از:
- ASTM D638 که روش تست استاندارد برای خوص کششی پلاستیک است
- ISO 527-1:2012 که خواص کششی را تعیین می‌کند
در هریک از این روش‌ها، شرایطی مانند درجه حرارت، رطوبت و سرعت از قبل تعریف شده و از یک دمبل استاندارد برای وارد کردن نیرو استفاده شده است. برای مثال سرعت در روش ISO برای 5 یا 50 میلیمتر در دقیقه در نظر گرفته می‌شود.
استحکام کششی پلیمرهای رایج
در جدول زیر استحکام کششی تعدادی از پلیمرها را بیان کرده‌ایم که در صنعت ساخت مواد پلاستیکی کاربرد زیادی دارند.
| نام پلاستیک |
حداقل استحکام کششی (مگاپاسکال) |
حداکثر استحکام کششی (مگاپاسکال) |
|---|---|---|
| ABS |
۲۹.۸ |
۴۳.۰ |
| EVA (اتیلن وینیل استات) |
۷.۰ |
۳۰.۰ |
| HDPE (پلی اتیلن سنگین) |
۳۰.۰ |
۴۰.۰ |
| LDPE (پلی اتیلن سبک) |
۱۰.۰ |
۲۰.۰ |
| پلی آمید ۱۲ |
۳۹.۰ |
– |
| پلی آمید ۶ |
۵۰.۰ |
۹۵.۰ |
| پلی آمید ۶۶ |
۵۰.۰ |
۹۵.۰ |
| PBT (پلی بوتیلن ترفتالات) |
۴۰.۰ |
۵۰.۰ |
| پلی کربنات |
۹۰.۰ |
۱۶۰.۰ |
| PET (مواد پت) |
۴۵.۰ |
۷۰.۰ |
| PMMA |
۳۵.۰ |
۶۵.۰ |
| پلی پروپیلن |
۱۸.۰ |
۷۰.۰ |
| PVC |
۱۰.۰ |
۲۵.۰ |
سخن پایانی
در این مقاله از هایپر پلاست به این سوال پاسخ دادیم که استحکام کششی در نقطه شکست چیست و چگونه اندازه گیری می‌شود؟ همچنین اطلاعاتی را درباره مزایا، کاربردها و واحد استحکام کششی در اختیار شما قرار دادیم. در پایان هم لیستی از پلیمرهای پرکاربرد و استحکام کششی آنها را در نقطه شکست را ارائه دادیم. شما می‌توانید برای خرید انواع مواد پلیمری معمولی یا مهندسی با ما در هایپر پلاست تماس بگیرید.
سوالات متداول
آیا استحکام کششی بالاتر بهتر است؟
بله. هرچه یک پلیمر استجکام کششی بالاتری داشته باشد، یعنی مقاومت بیشتری در برابر نیروهای کششی و تغییر شکل از خود نشان می‌دهد.
استحکام کششی در چه استانداردی اندازه گیری می‌شود؟
بسته به روش اندازه گیری، استاندارد استحکام کششی هم متفاوت خواهد بود؛ اما معمولا دمای ۲۳ درجه سانتی گراد و رطوبت ۵۰ درصد در زمان اندازه گیری استحکام کششی پلیمرها استفاده می‌شود.
