آزمون کشش در پلیمرها (Tensile Test): بررسی استحکام و خواص مکانیکی مواد پلیمری

تست تنسایل (Tensile Test) یا آزمون کشش یکی از مهم‌ترین آزمایش‌های مکانیکی در ارزیابی خواص مواد پلیمری است. این آزمایش به‌منظور بررسی رفتار مواد در برابر نیروهای کششی و تعیین ویژگی‌های مکانیکی نظیر استحکام کششی (Tensile Strength)، مدول یانگ (Young’s modulus) و ازدیاد طول در نقطه شکست (Elongation at break) انجام می‌شود. شکل 1 نمایی کلی از تغییر طول نمونه‌ی در حال کشش را نشان می‌دهد.

شکل1- نمایی کلی از تغییر طول نمونه ی در حال کشش

چرا تست تنسایل اهمیت دارد؟

پلیمرها به دلیل کاربردهای گسترده در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، بسته‌بندی، پزشکی و الکترونیک، باید خواص مکانیکی مناسبی داشته باشند. تست تنسایل به طراحان و تولیدکنندگان کمک می‌کند تا:

استحکام ماده را ارزیابی کنند.
میزان انعطاف‌پذیری یا شکنندگی ماده را مشخص کنند.
مواد را برای کاربردهای خاص انتخاب کنند.
کیفیت محصولات نهایی را کنترل کنند.

روش انجام تست تنسایل

این آزمون معمولاً با استفاده از دستگاه تست کشش انجام می‌شود. نمونه‌های پلیمری مطابق با استانداردهای مشخص (مانند ASTM D638 یا ISO 527) تهیه می‌شوند. دستگاه کشش با اعمال نیروی کششی یکنواخت، رفتار ماده را ثبت و داده‌های مورد نیاز را استخراج می‌کند.

مراحل اصلی این آزمون عبارتند از:

تهیه نمونه استاندارد: نمونه باید مطابق با استانداردهای معتبر بریده و آماده شود. این نمونه‌ها معمولاً به شکل دمبل (Dog-bone) طراحی می‌شوند. نمونه ها مطابق شکل 2 میتوانند انواع و جنس های متفاوتی داشته باشند.

شکل 2- نمونه های دمبلی شکل با جنس های متفاوت

قرار دادن نمونه در دستگاه کشش: نمونه در فیکسچر دستگاه قرار می‌گیرد تا از اعمال نیروی یکنواخت اطمینان حاصل شود. این دستگاه دارای دو فک ثابت است که یکی برای طول نمونه تنظیم می‌شود و دیگری برای اعمال نیرو ساخته شده است که در دو نوع هیدرولیکی و الکترومغناطیسی وجود دارند. در شکل 3 شماتیکی از فک‌های دستگاه و طرز قرار گرفتن نمونه بین آن‌ها نمایش داده شده است.

شکل 3- شماتیک دستگاه کشش و نمونه

اعمال نیرو و ثبت داده‌ها: دستگاه به تدریج نیروی کششی را اعمال کرده و تغییر طول و نیرو را ثبت می‌کند. اندازه‌گیری کرنش معمولاً با یک کرنش‌سنج انجام می‌شود اما کرنش‌سنج اغلب در آزمون نمونه‌های کوچک یا هنگامیکه نسبت پواسون مشخص باشد نیز استفاده می‌شود. دستگاه‌های جدیدتر زمان و نیروسنج دیجیتال و سیستم‌های اندازه‌گیری کشش که شامل سنسورهای الکترونیکی متصل شده به دستگاه جمع آوری داده و نرم افزار که برای ویرایش و خروجی داده است را دارا می‌باشند.

تحلیل داده‌ها: نمودار تنش-کرنش رسم شده و پارامترهای کلیدی نظیر استحکام کششی و مدول الاستیک (Elastic Modulus) استخراج می‌شود. شکل نمودار تنش-کرنش، با تغییر نوع ماده (از لحاظ فیزیکی) متفاوت بوده و اکثر پلیمرها در هنگام آزمایش، یکی از چهار رفتار نشان داده شده در نمودار تنش-کرنش شکل 4 را نشان می‌دهند. جدول 1 نمونه‌هایی از رفتارهای متفاوت انواع پلاستیک‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 4- رفتار متفاوت مواد پلیمری مختلف در نمودار تنش-کرنش.

جدول 1- رفتارهای متفاوت انواع پلاستیک‌ها

تجهیزات مورد نیاز برای تست تنسایل

دستگاه کشش یونیورسال (UTM): برای اعمال نیرو و ثبت داده‌ها.
نمونه‌های استاندارد: مطابق با ابعاد و مشخصات استاندارد.
سنسور نیرو و تغییر طول: برای اندازه‌گیری دقیق پارامترها.

محدودیت‌های تست تنسایل

این تست تنها رفتار ماده را تحت کشش بررسی می‌کند و برای نیروهای دیگر (مانند فشار یا خمش) باید از تست‌های دیگر استفاده شود.
نتایج به شدت به کیفیت نمونه و شرایط آزمون وابسته هستند.

پارامترهای کلیدی در تست تنسایل

با استفاده از تست کشش میتوان درباره خواص ماده تا حد زیادی اطلاعات جمع‌آوری کرد. منحنی حاصله نمایانگر چگونگی واکنش ماده در برابر نیروهای اعمالی خواهد بود.

Tensile strength: بیشترین تنشی که نمونه می‌تواند قبل از شکست تحمل کند.
مدول یانگ: نسبت تنش به کرنش در محدوده الاستیک.
ازدیاد طول در نقطه شکست: میزان افزایش طول نمونه تا زمان شکست.
تنش تسلیم (Yield Stress): تنشی که ماده از حالت الاستیک وارد ناحیه پلاستیک می‌شود.

در اکثر آزمون‌های کشش مواد، می‌توان مشاهده کرد که در مراحل اولیه آزمون ارتباط بین نیروی اعمالی یا بار وارده و ازدیاد طول نمونه تحت تست، به صورت خطی است. در این ناحیه، نمودار از رابطه‌ای به نام قانون هوک E=σ/e تبعیت می‌کند که در آن نسبت تنش به کرنش مقدار ثابت است. E معرف شیب خط در این ناحیه است که در آن تنش متناسب با کرنش بوده و مدول الاستیسیته یا مدول یانگ نامیده می‌شود. مدول یانگ مقیاسی از سفتی ماده است اما فقط در ناحیه خطی منحنی اعمال می‌گردد. اگر نمونه‌ای در این ناحیه خطی تحت بار قرار گیرد، با برداشتن بار ماده دقیقا به همان شرایط قبل از بارگذاری باز خواهد گشت. در نقطه‌ای که منحنی دیگر خطی نیست و از خط مستقیم منحرف میگردد، قانون هوک دیگر قابل اجرا نبوده و تغییر شکل دائمی در نمونه به وقوع می‌پیوندد. این نقطه حد الاستیک یا حد تناسب نامیده می‌شود. از این نقطه به بعد در تست کشش، به هر افزایش بار یا نیرو، ماده واکنش پلاستیکی نشان می‌دهد. در این زمان اگر بار از نمونه برداشته شود ماده به شرایط اولیه قبل از اعمال فشار باز نخواهد گشت. در جدول 2 برخی از پارامترهای مهم استخراج شده از نمودار تنش-کرنش آزمون کشش تعدادی از پلیمرهای رایج دیده می‌شود.

جدول 2- خواص کششی تعدادی از پلیمرها و کامپاندهای رایج آن

عوامل تأثیرگذار بر نتایج تست تنسایل

نوع پلیمر: پلیمرهای مختلف مانند پلی‌پروپیلن (PP)، پلی‌اتیلن (PE)، و پلی‌آمید (PA) رفتار متفاوتی در تست کشش از خود نشان می‌دهند.

شرایط محیطی: دما و رطوبت تأثیر زیادی بر خواص مکانیکی پلیمرها دارند.

سرعت اعمال نیرو: سرعت کشش می‌تواند مدول یانگ و استحکام کششی را تغییر دهد.

فرآیند تولید: شرایط تولید و افزودنی‌ها، نظیر مستربچ‌ها یا تقویت‌کننده‌ها، بر عملکرد مکانیکی ماده تأثیرگذار است.

کاربردهای نتایج تست تنسایل

مهندسی طراحی: انتخاب پلیمر مناسب برای محصولات مختلف.
کنترل کیفیت: اطمینان از مطابقت محصول با استانداردها.
تحقیق و توسعه: اصلاح فرمولاسیون مواد برای دستیابی به خواص مکانیکی بهتر.
تحلیل خرابی: شناسایی علل شکست قطعات و بهبود طراحی آن‌ها.

جمع‌بندی

تست تنسایل به عنوان یکی از مهم‌ترین ابزارهای آزمایشگاهی در صنعت پلیمر، نقش بسزایی در توسعه و بهبود مواد پلیمری دارد. با تحلیل دقیق داده‌های این آزمون، می‌توان به درک بهتری از رفتار مکانیکی مواد رسید و محصولات باکیفیت‌تری را تولید کرد.

منابع

Milisavljević, Jelena, et al. “Tensile testing for different types of polymers.” DAS-29, 29th Danubia-Adria Symposium, University of Belgrade, Serbia. 2012.
Swallowe, Gerard M., ed. Mechanical properties and testing of polymers: an A–Z reference. Vol. 3. Springer Science & Business Media, 1999.
Northolt, M. G., et al. “The tensile strength of polymer fibres.” Polymeric and Inorganic Fibers(2005): 1-108.
wikipedia.org