مقدمة
عندما يتعرض المعدن لقوة ما، فإنه عادةً ما يتشوه على الفور ثم يظل على نفس الشكل حتى بعد فترة طويلة من الزمن. إذا لم يكن الحمل مرتفعًا جدًا، يعود المعدن أيضًا بشكل مرن إلى حالته الأصلية عند إزالة الحمل. عندما يتم تحميل البوليمرات بقوة، فإنها تتشوه أيضًا على الفور؛ ولكن بعد فترة زمنية أطول، غالبًا ما يتبين أن الجسم قد تشوه أكثر من ذلك. ويسمى هذا السلوك بالزحف. في الأساس، تزحف المعادن أيضًا، ولكن مع البوليمرات، يكون هذا السلوك أكثر وضوحًا ويجب أخذه في الاعتبار عند وصف السلوك الميكانيكي. لهذا السبب، غالبًا ما يكون مخطط الإجهاد-الإجهاد شبه الساكن كافيًا للمعادن؛ لكن بالنسبة للبوليمرات، يجب أيضًا أخذ التشوه المعتمد على الوقت في الاعتبار.
من المهم هنا التمييز بشكل أساسي بين الزحف والاسترخاء: في الزحف، يؤثر حمل ثابت على الجسم، والذي يتشوه بالتالي. في الاسترخاء، يظل تشوه الجسم ثابتًا، ولكن بمرور الوقت، تقل القوة المطلوبة. ويحظى الاسترخاء بأهمية كبيرة في بعض التطبيقات، مثل موانع التسرب؛ ولكن بالنسبة للعديد من المكونات، يكون الحمل ثابتًا والسلوك الزمني للتشوه هو المهم.
في اختبار المواد، غالبًا ما يتم الجمع بين قياس الزحف الفعلي ومرحلة الاسترداد (استرداد الزحف) التي يمكن للمادة فيها الحصول على شكلها الأصلي مرة أخرى. وبهذه الطريقة، يمكن التمييز بين الزحف المرن والزحف غير القابل للانعكاس. يعتمد التشوه غير القابل للانعكاس إلى حد large على درجة الحرارة ومستوى الحمل. سيتم بحث هذه العلاقات بمزيد من التفصيل في هذا المنشور.
قياسات استرداد الزحف على PE-HD
يتم هنا دراسة سلوك الزحف للبوليمرات باستخدام مثال البولي إيثيلين شبه البلوري عالي الكثافة (PE-HD). يتم اختبار العينات بأبعاد 55 × 5 × 2 مم بمساعدة جهاز ديناميكي ميكانيكي عالي الحمولة NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 نيوتن في وضع الشد (الشكل 1).
باستخدام Eplexor® ، يمكن تطبيق قوى ثابتة تصل إلى 1500 نيوتن في نطاق درجة الحرارة من -160 درجة مئوية إلى +500 درجة مئوية.
اعتمادًا على نطاق التطبيق، تتوفر حوامل عينات الشد المختلفة: مع حامل عينة الشد القياسي، يمكن استخدام ما يصل إلى 700 نيوتن حسب العينة. بالنسبة للقوى الأعلى، يتوفر إصدار أقوى يصل إلى 1500 نيوتن.
نظرًا لأن اعتماد الزحف على القوة يجب أن يتم فحصه على وجه الخصوص، تتم مقارنة القياسات الفردية تحت أحمال متزايدة. وبهذه الطريقة، يمكن فحص مستويات التحميل المختلفة في سلسلة قياس واحدة دون الحاجة إلى إعادة التثبيت.
ولكن مع هذا الإجراء، يمكن من حيث المبدأ تشويه العينة قبل خطوة التحميل الفعلية. من أجل منع الانحرافات عن الهندسة المرجعية من أن تصبح واسعة النطاق، لا يتم إجراء أي زيادة أخرى في الحمل هنا بمجرد الوصول إلى إجهاد بنسبة 10%. يتم إجراء القياسات كل منها عند درجة حرارة محددة للعينة. عند درجة حرارة 50 درجة مئوية، يتم تنفيذ خمس خطوات تحميل من 2 إلى 6 ميجا باسكال، مع ساعتين انتظار لضمان إمكانية إنشاء حالة مستقرة في كل حالة.
عند درجة حرارة مرتفعة تبلغ 100 درجة مئوية، يتم زيادة الحمل إلى 4 ميجا باسكال فقط عند الوصول إلى أقصى إجهاد.
كما هو موضح في الشكل 2، يتكون الزحف عادةً من ثلاث مراحل لكل خطوة تحميل. أولاً، تتمدد العينة بشكل مفاجئ نسبياً، يليها الزحف اللزج المرن. وعادةً ما تكون هاتان العمليتان قابلتين للانعكاس. بعد ذلك، تتحول العينة بالأحرى إلى تدفق لزج (معدل إجهاد ثابت) ويمكن ملاحظة أن هذا التدفق يكون أكثر وضوحًا عند الضغوط ودرجات الحرارة الأعلى. وبما أن هذا التدفق اللزج غير قابل للانعكاس، يبقى التشوه المتبقي حتى بعد مرحلة التفريغ اللاحقة. ويحدث هذا السلوك اللزج اللدن مع زيادة شدته في درجات الحرارة والضغوط الأعلى.
في المعيار DIN ISO 899 [4]، تم وصف اختبار زحف الشد لتحديد سلوك الزحف. على الرغم من أنه لا يعالج على وجه التحديد تجارب الزحف-الاسترداد المستخدمة هنا، إلا أنه يتم تقديم تقييمات نموذجية يمكن استخدامها أيضًا لمراحل الزحف المعنية. وهكذا يعرض الشكلان 3 أ) و(ب) مخططات الإجهاد-الإجهاد المتساوي الزمني المرتبطة بالقياسات المذكورة أعلاه. يتم تدوين الإجهاد لكل إجهاد بعد وقت محدد ويتم إدخاله في الرسم البياني. وبما أنه يتم تطبيق أحمال مختلفة على العينة في سلسلة الاختبار هذه، فإن الإجهاد يشير في كل حالة إلى الحالة التي سبقت خطوة التحميل مباشرةً. هذا العرض ذو أهمية خاصة لتصميم المكونات لأن الإجهاد الناتج يمكن قراءته بشكل مماثل تمامًا لمخطط الإجهاد-الإجهاد-الإجهاد classicللحمل المعطى. عادةً ما تكون السلالات ذات أهمية أيضًا بعد فترات زمنية أطول بكثير من تلك المسجلة هنا. كما هو موضح أعلاه، يهيمن السلوك اللزج بشكل أساسي على الفترات الزمنية الأطول، وهو ما سيتم مناقشته لاحقًا بمزيد من التفصيل.
وكعرض نموذجي آخر، تصف معيار DIN ISO 899 معامل الزحف المعتمد على الوقت (الشكلان 3 ج ود). وغالبًا ما يتم استخدام القيمة المقلوبة للمعامل، أي الامتثال الزاحف، بدلًا من ذلك، ولكن هنا يتم عرض معامل الزحف وفقًا للمعيار. يعد عرض معامل الزحف مناسبًا بشكل خاص للتحقيق في عدم خطية المادة. يتضح أن الضغوط الأعلى تؤدي عمومًا إلى معامل زحف أقل وبالتالي إلى امتثال أعلى.
وصف معدلات الزحف وفقًا لإيرينج
غالبًا ما يوصف زحف البوليمر بالنموذج الريولوجي رباعي المعلمات (الشكل 4). يتكون النموذج من زنبرك وعنصر تخميد (عنصر ماكسويل) متصلان على التوالي. يمكن استخدام الزنبرك لتوضيح قفزة الإجهاد اللحظية والمثبط لنمذجة التدفق اللزج. يتم وصف السلوك اللزج المرن بواسطة عنصر التخميد الزنبركي المتوازي. وهكذا، يمكن تحديد نموذج مطابق لكل تجربة استرداد زحف تم إجراؤها مسبقًا.
كما هو موضح أعلاه، فإن المكوِّن اللزج اللدن ذي الصلة بالزحف طويل الأجل ينتج بشكل أساسي عن التدفق اللزج. يمكن اشتقاق اعتماد التدفق اللزج على درجة الحرارة والإجهاد، استنادًا إلى النموذج، من احتمالات أن يتخطى الجزيء عائقًا معينًا. يمكن العثور على التفاصيل، على سبيل المثال، في [2]. هنا، ذُكر هنا كنتيجة أنه وفقًا لهذا النموذج، تعتمد العلاقة بين الإجهاد ودرجة الحرارة خطيًا على لوغاريتم معدل الإجهاد. وفقًا لذلك، تؤدي الزيادة في الإجهاد إلى زيادة أسية في معدل الإجهاد.
يظهر في الشكل 5 معدلات الإجهاد المحددة لمعدلات الإجهاد ذات الصلة. بالإضافة إلى القياسات التي سبق عرضها أعلاه، أُجريت التجربة أيضًا عند درجة حرارة 110 درجة مئوية. عند درجة حرارة 50 درجة مئوية، يكون السلوك بين معدل الانفعال والإجهاد موصوفًا جيدًا من خلال النموذج، أي أن هناك علاقة خطية largeبين الإجهاد ومعدل الانفعال اللوغاريتمي. في درجات الحرارة والضغوط الأعلى، من الممكن حدوث المزيد من العمليات الجزيئية، مما يؤدي إلى انحناء في معدل الإجهاد اللوغاريتمي.
في مخطط Eyring [1]، يتم تسجيل خط منفصل لكل درجة حرارة. وفي هذا الصدد، يسمح الرسم البياني بعرض استقراء معدل الإجهاد للضغوط الأخرى. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هناك أيضًا طرقًا أكثر تقدمًا لتضمين تراكب إضافي لدرجات الحرارة والزمن؛ انظر، على سبيل المثال، [3].
الخاتمة
يعتمد سلوك الزحف اعتمادًا كبيرًا على درجة الحرارة ومستوى التحميل. بينما يمكن قياس مكونات الزحف المرن حتى عند قوى smaller، تحدث قوى وضغوط أعلى في العديد من التطبيقات. يسمح جهاز DMA GABO Eplexor® بتوصيف الزحف البلاستيكي المعتمد على الحمل في العديد من الحالات ذات الصلة في الممارسة العملية. وبذلك يتبين أن سلوك الزحف طويل المدى يتحدد بشكل أساسي من خلال التدفق اللزج للبوليمر. يمكن توضيح هذا الاعتماد بالضبط لمعدل الإجهاد على الإجهاد المؤثر بوضوح في مخطط Eyring.