چرا پدیده شکست در پلیمر ها اهمیت دارد؟
شرکت ها میلیون تومان هزینه می کنند که قطعات تولیدیشان کمتر دچار شکست گردد.
انتخاب گرید گرانتر, افزودن مواد افزودنی ودستگاههای فرایندی قویتراز دسته فعالیت هایی است که شرکت برای این منظور انجام می دهند.
قبل از این که به این موضوع بپردازیم لازم است بدانیم چند نوع شکست در پلیمر ها داریم؟
پلیمرها در برابر نیروی وارد شده دو نوع شکست نشان می دهند:
۱٫یکی شکست ترد
۲٫شکست چقرمه
شکنندگی ترد: در این شکست در پلیمر ها مواد مورد آزمایش یک شکست ناگهانی را با کوچکترین تغییر شکل نشان می دهند. نظیر پلی استایرن و پلی متیل متاکریلات.مانند نمودار ۱ در شکل زیر.
شکنندگی چقرمه: در این شکست تغییر شکل اصلی نمونه به شکل پدید آمدن حالت تسلیم ,یک حالت گلویی و تشکیل گردن و در نتیجه باریک شدن ماده منجر می گردد و این حالت مقدم برشکسته ان خواهد بود. نظیر : پلی آمید, ای بی اس.
در واقع نام دیگر شکنندگی چقرمه, شکنندگی چکش خواری است.
پس از رسیدن به حداکثر میزان شکست در نمودار تنش و کرنش هنوز مقدار زیادی از تسلیم وجود دارد.
این ناحیه از تسلیم در مواردی دیده می شود
که شکست در پلیمر ها ناشی از نوآرایی خود مولکولهای پلیمری در پاسخ به تنش اعمال شده است.
مواد چقرمه وقتی تحت تاثیر نیروی کشش قرار می گیرند ابتداء شیب نمودار بالا را طی می کنند و سپس به نقطه ای به نام نقطه تسلیم می رسند در واقع حد مفید بودن پلیمر تا نقطه تسلیم است پس از آن پلیمر با مقاومت در برابر نیروی وارد شده سعی در جلوگیری از تغییر ناگهانی می نماید ولی پس از مدتی شکست رخ می دهد.
این زمان یعنی از لحظه نقطه تسلیم تا لحظه شکست فرصتی ایجاد می کند تا بتوان قطعه را تعویض کرد و یا در جهت بر طرف نمودن این نقیصه اقدام کرد.
دانشمندان دریافته اند که استحکام شکست و نوع شکست یک ماده به تعدادی از خصوصیات مولکولهای تشکیل دهنده آن ارتباط دارند.
این خصوصیات عبارتند از ساختمان, شاخص پراکندگی , جرم مولکولی , بلورینگی و درجه اتصال عرضی.
عوامل دیگری نیز روی استحکام شکست و نوع شکست اثر می گذارند.
تسلیم و رشد ترک
به طور کلی دو سازو کار برای شکست در پلیمر ها تحت تاثیر نیرو وجود دارد. اول تسلیم و دوم ایجاد رشد ترک. این که کدام ساز و کار در نمونه پلیمر غالب شود, به مقاومت پلیمر در برابر این دو بستگی دارد.
نقطه تسلیم در پلیمرها بسیار اهمیت دارد زیرا در واقع تا آن زمان پلیمر حالت الاستیکی دارد و در نمودار دوم نقطه تسلیم شروع تغییر شکل قطعه می باشد
مزیت این موضوع مدت زمانی است که اجازه می دهد تا تحت بار بماند و در واقع طول عمر قطعه افزایش می یابد.
در واقع در نمودار دوم حالت داکتایل پدید می آید. برای مثال رشد ترک و شکست در پلیمر ها به واسطه ان در نمونه پلی استایرن زودتر از تسلیم شدن در هنگام کشش به وقوع می پیوندد.
به همین دلیل شکست پلی استایرن به وسیله سازو کار رشد ترک کنترل می شود.
این به آن معناست که اگر می توانستیم از شکست این نمونه توسط ساز و کار رشد ترک,جلوگیری کنیم, تسلیم شدن در پلی استایرن رخ می داد.
اگر با چشم غیر مسلح به یک ترک نگاه کنیم به نظر میرسد که ترک یک جدایش در داخل ساختمان ماده است. چنانچه همین ترک را زیر میکروسکوپ قوی نگاه کنیم به طور کامل متفاوت خواهد بود. دوطرف یک ترک با رشته های بسیار نازک به یکدیگر وصل شده است. مادامی که کل نمونه تحت کشش قرار میگیرد,این رشته های باریک کشیده می شود. برعکس آنچه که در کل نمونه اتفاق می افتد. این رشته های باریک به وسیله سازو کار تسلیم پاره می شوند.زیرا این رشته ها کوچک تر از آنند که داخل انها ترک به وجود بیاید.
نحوه ایجاد ترک:
وقتی یک نمونه به واسطه ایجاد و انتشار ترک ها بشکند, به طور معمول صفحه شکست عمود بر جهت اعمال نیرو است. در این حالت ترک ها نیز عمود بر جهت نیرو تولید و منتشر می شود. برعکس نمونه هاییکه به واسطه تسلیم شدن شکسته می شوند, صفحه شکست با جهت اعمال نیرو زاویه ۴۵ درجه به وجود می آورد. با تجزیه و تحلیل نیرو ها می توان نشان داد که در صفحه ۴۵ درجه حد اکثر نیروی برشی وجود دارد. نمونه تحت تاثیر نیروی برشی شکسته می شود.
آیا می توان شکست ترد را به شکست چقرمه تبدیل کرد؟
یکی از روش هایی که به طور گسترده برای افزایش تنش تسلیم در پلیمر ها بویژه پلیمر هایی که بسیار شکننده اند استفاده می شود, افزودن مقداری لاستیک به پلیمر مورد نظر است. این لاستیک به دو شکل به پلاستیک شکننده اضافه می شود. نخستین روش اضافه کردن لاستیک به صورت یک آلیاژ است. اگر دو پلیمر از نظر ساختمان شیمیایی سازگار باشند,لاستیک با پلاستیک مخلوط شده و یک مخلوط همگن را به وجود می آورند. در صورت امکان پذیر نبودن این کار می توان از لاستیک های فعال که پیوند شیمیایی با پلاستیک مورد نظر به وجود می آورد استفاده کرد. وجود لاستیک موجب می شود که انعطاف پذیری نمونه افزایش یابد و از ایجاد و حرکت ترک ها جلوگیری شود. یکی از بهترین مثال ها در این مورد پلی استایرن است که توسط لاستیک SBR مقاومت زیادی در برابر ضربه پی دا می کند.این نوع پلاستیک در ظروف یکبار مصرف استفاده فراوانی دارد که به HIPS معروف است.
آیا همواره شکست ترد پدیده منفی محسوب می گردد؟
پاسخ این سوال به کارکرد قطعه ارتباط دارد برای مثال چرخ دنده پلیمری در قسمتی از دستگاه طوری در نظر گرفته شده است که می بایست در صورت رسیدن به نقطه تسلیم شکست رخ دهد زیرا اعمال بیشتر نیرو و تحمل ان سبب آسیب های جدی به دستگاه می گردد لذا در این جا شکست ترد پدیده منفی تلقی نمی گردد.
نتیجه: معمولا قطعات در نمودار تنش کرنش در برابر نیروی اعمال شده دچار دو نوع شکست می شوند . عموما" نوع شکست چقرمه که در آن نمونه به نقطه تسلیم می رسد و سپس شکست را نشان می دهد بهتر است ولی شکست ترد نیز در برخی مواقع که در صورت اعمال نیرو سریع باید قطعه مورد نظر تعویض شود می تواند مفید باشد.
منابع: کتاب شیمی پلیمر نیلسون ترجمه فاطمه ارشادی/کتاب خواص فیزیکی و مکانیکی دکتر طاهری
