رفتار مکانیکی مواد؛ بررسی مواد الاستیک، ویسکوز و ویسکوالاستیک
جامدات، مایعات و گازها. ما در زندگی روزمره خود به آنها عادت داریم. ما هوا را تنفس می‌کنیم، آب می‌نوشیم و سیب می‌خوریم. می‌دانیم که اگر فنری را بکشیم، کش می‌آید و اگر لیوان پر از آبی را کج کنیم، آب به بیرون می‌ریزد. ما با این ایده زندگی می‌کنیم که ماده یا گاز است یا سیال یا جامد.
اما همه مواد این طور طبقه بندی نمی‌شوند، برخی مواد همزمان، هم رفتاری مانند سیالات (Viscose) دارند و هم رفتاری مانند جامد کشسان (Elastic)! به همین دلیل ویسکوالاستیک (Viscoelastic) نام دارند. مثل اسپاگتی! و البته مثل همه‌ی پلیمرها. دلیل اصلی آن، این هست که پلیمرها از زنجیره‌های تشکیل شدند که می‌توانند به طور موقت بهم متصل شوند و خواص الاستیک را به وجود آورند و از طرفی به دلیل انعطاف‌پذیری‌شان، به راحتی روی یکدیگر می‌لغزند که باعث ایجاد خواص سیال می‌شود.
در این مقاله، رفتار مکانیکی مواد را بر اساس واکنش آنها به تنش بررسی می‌کنیم و آنها را به سه دسته‌ی اصلی تقسیم می‌کنیم: مواد الاستیک، ویسکوز و ویسکوالاستیک. سپس به کاربرد بررسی رفتار مکانیکی مواد در فرآیند تزریق پلاستیک می‌پردازیم.
۱. مواد الاستیک (Elastic Materials)
مواد الاستیک در برابر تنش، تغییر شکل می‌دهند و بلافاصله پس از حذف تنش، به حالت اولیه بازمی‌گردند. این رفتار، برگشت‌پذیر و آنی است. مانند فنر.
ویژگی‌ها:
تغییر شکل خطی با تنش (در حالت الاستیک خطی)
بدون اتلاف انرژی
برگشت‌پذیری کامل
- این رفتار با قانون هوک بیان می‌شود و معادله آن به صورت σ = E × ε است. که در آن σ تنش، ε کرنش و مدول یانگ (مدول الاستیسیته) است.
-
- قانون هوک در رفتار مکانیکی مواد
-
- انواع فنر مثالی برای رفتار الاستیک
۲. مواد ویسکوز (Viscous Materials)
در مواد ویسکوز، تغییر شکل تحت بار به‌صورت دائمی و وابسته به زمان است؛ یعنی ماده در برابر تنش جاری می‌شود و پس از حذف تنش، به حالت قبلی بازنمی‌گردد. مانند آب، عسل و روغن‌ها
ویژگی‌ها:
اتلاف انرژی زیاد
تغییر شکل غیر قابل بازگشت
جریان دائم در تنش ثابت
معادله این رفتار به صورت σ = η × (dε/dt) است که در آن η ویسکوزیته (گرانروی) ماده است.
-
- مقایسه ویسکوزیته (گرانروی) روغن ها
۳. مواد ویسکوالاستیک (Viscoelastic Materials)
مواد ویسکوالاستیک رفتار ترکیبی از دو دسته‌ی قبل دارند؛ هم خاصیت برگشت‌پذیری کشسان دارند و هم با گذشت زمان تغییر شکل نشان می‌دهند. انواع مواد پلیمری در این دسته قرار می‌گیرند.
ویژگی‌ها:
رفتار آنی و رفتار وابسته به زمان.
بازگشت جزئی و با تأخیر
قابلیت تلف کردن انرژی و استعداد ذخیره انرژی
بررسی آزمون‌ها و پدیده‌های کلیدی در رفتار ویسکوالاستیک
▪ خزش (Creep):
فرض کنید پلیمری از بالا به سطحی متصل است و از پایین وزنه‌ای به آن آویخته شده است. بلافاصله پس از اتصال وزنه، شاهد تغییر طول پلیمر هستیم. اما اگر پلیمر و وزنه در همین وضعیت برای مدتی بماند به مرور افزایش طول بیشتری را در پلیمر مشاهده می‌کنیم. پس از جدا کردن وزنه، می‌بینیم که ازدیاد طول اولیه به حالت قبل باز‌می‌گردد اما ازدیاد طول‌هایی که به مرور زمان رخ داده‌اند، خیر. این پدیده خزش نام دارد و بیانگر تغییر شکل تدریجی ماده تحت تنش ثابت در طول زمان (ASTM D2990) است. خزش در قطعات پلیمری که تحت بارگذاری‌های مداوم قرار می‌گیرند اهمیت دارد. مانند خارها و بست‌های پلیمری.
-
- تست خزش در پلیمرها
-
- نمودار تغییر طول پلیمر در اثر پدیده خزش. مقایسه طول پلیمر در حین اعمال تنش و پس از حذف تنش
-
- مثالی از پدیده خزش در طبیعت
▪ استهلاک تنش (Stress Relaxation):
در این تست قطعه پلیمری را می‌کشیم و از بالا و پایین به سطحی متصل می‌کنیم و در بین آن نیرو سنجی نصب می‌کنیم. پس از گذشت زمان مشاهده می‌کنیم که با وجود اینکه تغییر طولی در پلیمر رخ نداده است، ولی نیرو سنج به مرور زمان عدد کمتری را نشان می‌دهد. بنابراین شاهد کاهش تنش در ماده‌ای که تحت کرنش ثابت قرار گرفته است، (ASTM E328) هستیم. اهمیت این موضوع در کاهش تنش پسماند و جلوگیری از ترک برداشتن قطعات پلیمری است.
-
- نحوه انجام تست استهلاک تنش در پلیمرها
-
- نمودار استهلاک تنش در پلیمرها. مقایسه تنش آزاد شده و تنش باقی مانده در پلیمر
مدل‌های ریاضی برای مواد ویسکوالاستیک
| مدل | ساختار | فرمول یا رابطه مهم | کاربرد |
|---|---|---|---|
| ماکسول | فنر + دمپر (سری) | dε/dt = (1/E) × (dσ/dt) + (σ/η) | توصیف استهلاک تنش |
| کلوین | فنر + دمپر (موازی) | σ = E × ε + η × (dε/dt) | توصیف خزش |
| استاندارد خطی | ترکیب فنر و ماکسول | σ + (η/E₂) × (dσ/dt) = E₁ × ε + η × (dε/dt) | توصیف دقیق‌تر هر دو پدیده |
-
- رفتار مکانیکی مواد، مواد ویسکوالاستیک، مدل پدیده خزش و استهلاک تنش
دلایل مولکولی خزش و استهلاک تنش در پلیمرها
همان طور که گفته شد، درک رفتار مکانیکی مواد پلیمری تنها با بررسی پاسخ آنها در لحظه‌ی اعمال نیرو کامل نمی‌شود. پلیمرها در طول زمان می‌توانند رفتارشان را تغییر دهند؛ در این بخش قصد داریم دلیل این رفتار پلیمر را از دیدگاه مولکولی بررسی کنیم.
1. پاره شدن زنجیرهای پلیمری (Chain Scission)
زنجیره‌های بلند مولکولی که ساختار پلیمر را می‌سازند، ممکن است در اثر عوامل شیمیایی مثل اکسیداسیون یا هیدرولیز، یا در برابر گرما و تنش، دچار شکست و پاره‌شدن شوند. این زنجیرهای کوتاه‌تر تحرک‌پذیرتر هستند و نمی‌توانند به خوبی در برابر تنش مقاومت کنند.
این امر باعث افزایش خزش و افزایش استهلاک تنش می‌شود. چون زنجیرهای کوتاه شده نمی‌توانند تنش یا شکل را حفظ کنند.
مانند پلاستیکی که مدت‌ها زیر نور آفتاب مانده و شکننده و ضعیف شده است. چون زنجیرهای آن در اثر نور و اکسیژن شکسته‌اند.
2. تبادل پیوندهای خاص بین زنجیرها (Bond Exchange)
در برخی پلیمرها، پیوندهایی بین زنجیرها وجود دارد که می‌توانند بدون پاره شدن زنجیرها، جابه‌جا شوند و ساختار را بازآرایی کنند. این فرآیند در موادی مانند پلی‌استرها و پلی‌سیلوکسان‌ها مشاهده می‌شود.
این اتفاق اثر زیادی بر روی استهلاک تنش دارد. زیرا چون بازآرایی ساختار باعث می‌شود تنش داخلی کاهش یابد، بدون آن‌که ماده کشیده شود.
مثل اینکه در یک تور ماهیگیری، گره‌ها بتوانند جابه‌جا شوند تا فشار به‌طور مساوی پخش شود، بدون اینکه تارها پاره شوند.
-
- پاره شدن زنجیر پلیمری که منجر به کاهش تنش می‌شود
-
- تبادل اتصالات در زنجیر پلیمری که منجر به کاهش تنش می‌شود
3. لغزش زنجیرهای خطی بر یکدیگر (Chain Sliding – Viscous Flow)
در پلیمرهایی که زنجیرهای آنها اتصال عرضی ندارند، این زنجیرها می‌توانند به‌مرور زمان روی هم سر بخورند. این جریان آرام، علت اصلی خزش در پلیمرهای خطی است. این امر موجب افزایش خزش می‌شود. چون حرکت تدریجی زنجیرها باعث کشش مداوم در طول زمان می‌شود. مانند اینکه چند طناب را روی هم بگذارید. اگر یکی را بکشید، بقیه هم به‌آرامی حرکت می‌کنند. همین اتفاق در پلیمرها هم می‌افتد.
4. آزاد شدن گره‌های فیزیکی در شبکه (Physical Junction Relaxation – “Therion”)
در شبکه‌های پلیمری مانند لاستیک‌ها، زنجیرها از طریق گره‌های فیزیکی به هم متصل‌اند. این گره‌ها ممکن است در طول زمان موقعیت‌شان را تغییر دهند یا رها شوند، بدون آن‌که زنجیرها پاره شوند. از آنجایی که تنش از طریق جابه‌جایی گره‌ها کاهش می‌یابد، این پدیده بر روی استهلاک تنش اثرگذار است.
برای مثال تور کشی‌ای را تصور کنید که گره‌های آن ابتدا سفت هستند ولی با گذر زمان کمی شُل می‌شوند و خودش را آزاد می‌کند.
5. آسودگی مولکولی در نزدیکی دمای انتقال شیشه‌ای (Molecular Relaxation near Tg)
نزدیک به دمای انتقال شیشه‌ای پلیمر (Tg)، زنجیرها انرژی حرارتی کافی پیدا می‌کنند تا به‌آرامی حرکت کرده و بازآرایی شوند. در این حالت، ماده نه کاملاً سخت است و نه روان، ولی تحرک کافی برای آسودگی تنش را دارد. اثر این اتفاق بر روی استهلاک تنش بسیار مشهود است. چون زنجیرها می‌توانند به اندازه‌ی کافی تکان بخورند تا تنش را از بین ببرند.
برای مثال شکلاتی که در یخچال سفت است، ولی وقتی کمی گرم می‌شود، نرم می‌شود و شکلش تغییر می‌کند. پلیمر هم وقتی به Tg نزدیک می‌شود، نرم و قابل تغییر می‌شود.
عوامل مؤثر بر رفتار ویسکوالاستیک
| عامل | تأثیر آن بر رفتار مکانیکی ماده |
|---|---|
| دما | افزایش دما موجب نرم‌تر شدن ماده و افزایش رفتار ویسکوز می‌شود. |
| زمان بارگذاری | زمان طولانی باعث بروز پدیده‌ی خزش در مواد می‌شود. |
| فرکانس بارگذاری | بارگذاری سریع، رفتار کشسان را افزایش می‌دهد. |
| ساختار مولکولی | زنجیره‌های بلند و شبکه‌ای رفتار الاستیک را تقویت می‌کنند. |
| افزودنی‌ها | استفاده از نرم‌کننده‌ها رفتار ویسکوز را تشدید می‌کند. |
نقش رفتار مکانیکی مواد در فرآیند تزریق پلاستیک
درک رفتار مکانیکی مواد، به‌ویژه پلیمرها، فراتر از یک موضوع تئوریک، ابزار کلیدی در تنظیم دقیق فرآیند تزریق پلاستیک به شمار می‌آید. رفتار ویسکوز ماده در حالت مذاب، مستقیماً بر انتخاب دما، فشار و سرعت تزریق تأثیر می‌گذارد و تضمین می‌کند قالب به‌طور کامل و یکنواخت پر شود، بدون ایجاد عیوبی مانند پرنشدگی یا جوش سرد.
پس از تزریق، ویژگی‌های ویسکوالاستیک ماده تعیین می‌کنند که فشار نگهداری و زمان خنک‌کاری چگونه تنظیم شوند تا تنش‌های پسماند به حداقل برسند. در صورت ناکافی بودن زمان استهلاک تنش، قطعه ممکن است پس از قالب‌گیری دچار تاب‌برداشتگی یا ترک شود.
همچنین در مرحله بهره‌برداری، پدیده‌ی خزش از مهم‌ترین جلوه‌های رفتار مکانیکی مواد است که در قطعات تحت بار طولانی‌مدت ممکن است به تغییر شکل دائم منجر شود. انتخاب پلیمر مناسب با مقاومت خزشی بالا، و طراحی بهینه بر اساس شرایط تنش، راه‌حل مقابله با این مسئله است.
بنابراین، شناخت دقیق رفتار مکانیکی مواد، نه‌تنها در انتخاب متریال بلکه در طراحی قالب، تنظیم پارامترهای تزریق، و تضمین دوام و کیفیت قطعه نهایی، نقش تعیین‌کننده‌ای دارد.
نتیجه‌گیری
دسته‌بندی مواد به الاستیک، ویسکوز و ویسکوالاستیک، چارچوب علمی ارزشمندی برای تحلیل و پیش‌بینی عملکرد مواد در کاربردهای واقعی فراهم می‌کند. درک دقیق این رفتارها، امکان بهینه‌سازی طراحی، انتخاب مواد مناسب و تنظیم دقیق فرآیندهای صنعتی مانند تزریق پلاستیک را فراهم می‌سازد. به بیان دیگر، رفتار مکانیکی مواد نه‌فقط مبنای تحلیل، بلکه ضامن موفقیت فنی و اقتصادی در تولید صنعتی است.
بدون دیدگاه