دمای وارفتگی گرمایی در مقابل تحلیل مکانیکی دینامیکی  (بخش اول)

بسپار/ ایران پلیمر آیا صنعت نیاز به یک روش بهتر برای گزارش رفتار وابستگی دمایی پلاستیک­ها دارد؟ در حال حاضر، آزمون تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA) یک روش پیشنهادی است.

در این مقاله آزمون DMA به عنوان جایگزین آزمون دمای وارفتگی (deflection) تحت بار (DTUL) که در صنعت به عنوان دمای وارفتگی گرمایی (HDT) شناخته شده، پیشنهاد شده است.

هنوز هم در صنایع مختلف درباره­ی استفاده ازHDT  در مقابل DMA سوالاتی وجود دارد. اکثر پاسخ­ها به این سوالات نشان می­دهد آشنایی کافی با DMA وجود ندارد. آزمون HDT در سال­های ابتدایی آزمایش­های پلاستیک­ها انجام شد و دشوار نیست که ببینیم چگونه 40 یا 50 سال پیش این روش مفید بوده است. اگر می­خواهید محدوده دمایی که ماده ممکن است وادهد را شناسایی کنید، یک نمونه ماده را تحت نوعی بار قرار دهید و سپس دما را افزایش دهید تا زمانی­که ماده به نظر نرم یا ذوب شده برسد.

مشکل این روش با داشتن محدوده باریک رفتار بسپار این است که تعداد اندکی از مهندسان و طراحان درک می­کنند که این آزمون چه چیز را اندازه ­گیری می­کند.

برای مثال قطعه­ای را فرض کنید که از گونه خاصی از ABS مقاوم در برابر شعله ساخته شده است. روی قطعه نوشته شده که این قطعه می­تواند به طور مداوم تا دمای 87 درجه سانتی­گراد را تحمل کند. اما این نوشته غیرواقعی بود، زیرا برنامه زمانی مربوط به “مداوم” تعریف نشده بود. بررسی داده­برگ (data sheet) نشان داد که این دما، دمای HDT است. در واقع HDT نمی­تواند بیانگر عملکرد طولانی مدت در دمای زیاد باشد.

همانند اکثر خواص ارایه شده در داده­برگ­ها،HDT  چیزی در مورد آن­چه که ماده می­تواند انجام دهد، به ما نمی­ گوید، بلکه تعریف می­کند که چه چیزی کار نمی­کند. نماینده­ای از تامین­کننده مواد در جلسه­ای اظهار داشت خواصی که در داده­برگ­ها وجود دارد، چیزی است که در آن لحظه بد اتفاق افتاده است. استحکام کششی در نقطه تسلیم یا پارگی نتایجی است که ما هرگز نمی­خواهیم در دنیای واقعی تجربه کنیم. مقاومت ضربه، انرژی لازم برای شکستن نمونه مورد آزمایش را فراهم می­کند و HDT دمايي را تعيين مي­کند که در آن آزمونه قالب­گیری شده با ابعاد بسيار خاص، هنگامي­که تحت تنش معینی قرار مي­گيرد، ميزان خمش مشخصي را نشان می­دهد.

تنش­هایی که در استاندارد ASTM استفاده می­شوند بسیار کم و خنده­دار به نظر می­رسند: psi 66 (MPa 455/0) و psi 264 (MPa 82/1). در حالی­که معمولا تحلیل المان محدود (FEA) حداکثر تنش­های psi 5000–3000 (MPa 35-20) را نشان می­دهد. چه رابطه­ای ممکن است عملکرد در دمای زیاد را اندازه­گیری کند هنگامی­که آن­ها در تنش­هایی کمتر از 10 درصد تنشی اندازه­گیری می­شوند که ما برای استفاده قطعات برنامه ­ریزی کردیم؟ چه چیزی از آزمون HDT انجام شده در تنش­های بیشتر فراهم می­شود؟

افرادی که در سازمان ISO هستند تلاش کرده ­اند در آزمون، کمی به واقعیت نزدیک شوند. ISO 75، استاندارد معادل ASTM D 648 با سطح تنش psi 1160 (MPa 00/8) است. بدیهی است که ببینید با افزایش میزان تنش در آزمون HDT دمایی که در آن وادادگی رخ می­دهد، کاهش می­یابد. مقدار این کاهش به شدت به مواد مورد آزمایش بستگی دارد. برای مثال، HDT نایلون 6 تقویت شده با 15 درصد الیاف شیشه تحت فشار psi 264 در حدود 205 درجه سانتی­گراد است، درحالی­که در فشار psi 1160 به حدود 80 درجه سانتی­گراد کاهش خواهد یافت.

بسیاری از افراد فقط داده­ ها را می­خوانند و به شرایط آزمون که در آن این خواص اندازه ­گیری شده توجهی نمی­کنند. علاوه ­بر این، تقریبا تمام مواد پرنشده در دمای اتاق تحت تنش بیشتر، وامی­دهند. اگر آزمون طراحی شده برای اندازه­ گیری عملکرد در دمای زیاد باعث وادادگی فوری در دمای اتاق در اکثر مواد هنگام اعمال تنش­های واقعی شود، سوالاتی در مورد کاربرد آزمون مطرح می­شود.

پس چرا ما انجام این آزمون­ها را ادامه می­دهیم؟ ساده­ترین پاسخ این است که ما همیشه آن را انجام داده­ایم. یا شاید صنعت مطمئن نیست چه چیزی را برای این آزمون جایگزین کند. تقریبا تمام مقادیر موجود در داده­برگ­ها، نقاطی روی یک منحنی را نشان می­دهند. استحکام تسلیم کششی، نقطه­ای در منحنی تنش- کرنش است. مقاومت در برابر ضربه، یک نقطه روی نمودار انرژی جمع­آوری شده در طول آزمون ضربه است و HDT نقطه­ای است که در آن مدول مواد مورد آزمون تا یک نقطه خاص کاهش می­یابد. در عصری که ما خواهان جایگزینی آلومینیوم و فولاد هستیم، سوال واضح این است که چرا منحنی را ارایه نمی­کنیم تا به مهندسان اجازه دهیم نقطه­ای را که برای کاربرد موردنظر آن­ها است پیدا کنند؟

در ادامه مثالی از دنیای واقعی وادادگی قطعه آورده شده است که نشان می­دهد چرا منحنی­های DMA ارزش بیشتری نسبت به داده ­های تک­ نقطه  ­ای به­ دست آمده از HDT دارند.

قطعه قالب­گیری شده از پلی­استر PBT پر نشده را درنظر بگیرید. این قطعه تغییرشکل بیش از حد در دمای 140 درجه سانتی­گراد نشان داد. داده­برگ آن نشان می­داد که ماده دارای دمای وارفتگی گرمایی (HDT) 153 درجه سانتی­گراد است. در نتیجه، سازنده مطمئن بود که در دمای 140 درجه سانتی­گراد قطعه مشکلی نشان نمی­دهد. این طرز فکر نشان­دهنده عدم درک معنای HDT است. در واقع، چه چیز اندازه­گیری شده است؟

برگردان: دکتر فاطمه خودکار

[email protected]

(ادامه دارد…)

متن کامل این مقاله را که در ویژه نامه   200امین شماره ماهنامه بسپار در نیمه خردادماه منتشر شده است، بخوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید.