مقارنة بين نمط الانحناء ثلاثي النقاط ونمط الشدّ
مادة البولي كربونات
البولي كربونات مادة بلاستيكية حرارية - عندما لا يتم تدعيمها بالجسيمات أو الألياف - فإنها تلين بشدة في درجات الحرارة المرتفعة. من أجل تحديد درجة الحرارة التي تعتمد عليها الخواص الميكانيكية أو درجة حرارة التحول الزجاجي، يلزم وجود أشكال هندسية معينة للاختبار وظروف اختبار خاصة.
تجريبي
يتم استخدام جهاز EPLEXXOR 500 N (الشكل 1) المجهز بمستشعر قوة 500 نيوتن وغرفة حرارية (-160 درجة مئوية حتى 500 درجة مئوية) لفحص البولي كربونات (PC الأبيض).
3 - الانحناء من 3 نقاط
بالنسبة للعديد من التطبيقات، يشيع استخدام اختبار الانحناء ثلاثي النقاط. نظرًا لأن الكمبيوتر الشخصي يبدأ في التليين "مبكرًا" جدًا، أي أقل من درجة حرارة الزجاج (Tg) بدرجات كثيرة، تميل عينة الكمبيوتر الشخصي إلى الترهل تحت وزنها ولمس القاع قبل الوصول إلى درجة حرارة الزجاج (الشكل 2). حتى أنها تتبنى محيط حامل الانحناء ثلاثي النقاط (هنا: امتداد 30 مم)! يصاحب هذا التأثير جميع حوامل الانحناء بغض النظر عن امتدادها. تخضع عينات الحاسب الشخصي التي تخضع لاختبارات الانحناء لتشوهات معقدة (التمدد - القص - الانحناء المتزامن) في عمليات مسح درجة الحرارة. واعتمادًا على المادة، قد يبدأ التشوه بالفعل عند درجات حرارة تقل عن درجة الحرارة الزجاجية بمقدار 10 إلى 30 درجة مئوية. تختلف عمليات التشوه التي تتعرض لها العينة في اختبار الانحناء في جميع درجات الحرارة عن تلك التي تحدث في اختبار الشد. ولذلك، في اختبارات الانحناء، يكون تبديد الطاقة في اختبارات الانحناء أعلى مما يحدث في اختبارات الشد بسبب وجود عمليات تبديد طاقة أكثر. تبرر هذه النتيجة التوقع بأنه في وضع الانحناء، تحدث قيم tanδ أعلى من تلك التي تحدث في اختبارات الشد حتى لو كانت مادة الاختبار هي نفسها.
اختبارات الشد
البديل الأفضل للتحليل الديناميكي الميكانيكي الديناميكي للكمبيوتر الشخصي هو اختبار الشد. يجب أن تستوفي جميع اختبارات الشد المتطلبات التالية:
- التغلب على الميل المتأصل لانكماش العينة عند درجات الحرارة المرتفعة
- ضمان استواء العينة (= منع الالتواء)
تقلل اختبارات الشد بالكمبيوتر المهيأة بشكل مناسب من تأثير الجاذبية على شكل العينة. تطبق اختبارات الشد التقليدية أحمالاً ثابتة أكبر من الأحمال الديناميكية. وهذا يتجنب حدوث أحمال متناوبة أثناء دورات الاختبار وبالتالي يمنع التواء العينة. إذا كان بإمكان المرء تطبيق تدابير معينة لاستبعاد إمكانية حدوث التواء، فلا داعي لاتباع هذه القاعدة! في هذه الحالة، يمكن اختيار كل من الحمل الساكن والديناميكي بحرية ليتوافق مع احتياجات التجربة. في الواقع، لا يحدث التواء عندما يتم استخدام عينات قصيرة (بطول مقياس يبلغ بضعة ملليمترات) وتشوهات صغيرة (على مقياس ميكرومتري) في اختبارات الشد. يتم تطبيق مثل هذه التكوينات عند إجراء عمليات مسح درجة الحرارة على الكمبيوتر الشخصي.
شروط الاختبار
يبلغ عرض عينات الكمبيوتر الشخصي المستخدمة في اختبارات الشد 9.5 مم وسمكها 3 مم وطولها 30 مم. ينتج طول مقياس يبلغ حوالي 10 مم ويثبت ملاءمته للأحمال الديناميكية التي يتم التحكم في إجهادها. تحافظ سعة القوة الثابتة المنخفضة (قوة التلامس) على استقامة عينة الكمبيوتر الشخصي في جميع أوقات الاختبار عندما لا يتم الحصول على نقاط بيانات. للمقارنة، تم أيضًا إجراء اختبار ثني ثلاثي النقاط (انفعال ثابت 3%، انفعال ديناميكي 1%، قوة التلامس 1 نيوتن ± 0,5 نيوتن، امتداد 30 مم).
يوضح الشكل 3 التأثير الكبير لقوة الشد على أشكال العينة في 3 أمثلة. يجب منع الانكماش وعدم إطالة عينة الكمبيوتر الشخصي بشكل كبير. من الواضح أن مستويات قوة التلامس البالغة 0.5 نيوتن (الشكل 3، يسارًا والشكل 3، الوسط) و0.75 نيوتن ليست كافية. إن مستوى قوة التلامس البالغ 1 نيوتن (الشكل 3، يمين) هو الذي يحافظ على استقامة العينة ولا يطيلها بشكل مفرط.
في الواقع، يعتمد انكماش الحد من القوة المطلوبة على المادة ومساحة المقطع العرضي للعينة!
يمكن الكشف عن التشوهات الساكنة بمقدار 50 ميكرومتر (انفعال ثابت بنسبة 0.5%) والتشوهات الديناميكية بمقدار 10 ميكرومتر (انفعال ديناميكي بنسبة 0.1%) بشكل جيد ولن تتسبب في حدوث التواء في اختبارات الشد. يحافظ وضع التحكم في الإجهاد المحدد على ثبات سعات التشوه في جميع درجات الحرارة عن طريق تغيير مستويات القوة الثابتة والديناميكية المقابلة مع تغير درجة الحرارة (2 درجة مئوية/دقيقة، التردد: 10 هرتز).
نتائج القياس
يوضح الشكل 4 اعتماد درجة حرارة معامل المرونة |E* | و tanδ في الشكل 4 لاختبار الشد واختبار الانحناء ثلاثي النقاط.
يُظهِر معامل المرونة |E*| عند درجة حرارة منخفضة قيمة تبلغ حوالي 2300 ميجا باسكال في كلتا الحالتين. يقع الحد الأقصى لمنحنى tanδ عند حوالي 166.5 درجة مئوية (Tg). عند درجات حرارة أقل من 25 درجة مئوية، تختلف المعادلات المعروضة |E* | اختلافًا كبيرًا. يكون التخميد tanδ الانحناء أعلى لأن عمليات التشوه المختلفة تكون أكثر نشاطًا مما كانت عليه في اختبارات الشد. تكون معاملات الانحناء |E* | أقل أهمية لأن الأبعاد الأولية للعينة تُستخدم لحسابها ولكن الشكل الفعلي يختلف كثيرًا عنها.
في الشد، تقل مساحة المقطع العرضي للعينة تدريجيًا عند درجات الحرارة المرتفعة بسبب استطالة العينة. في ظل افتراض ثبات حجم العينة عند تحميلها بالإجهاد، يمكن تحديد مساحة المقطع العرضي الحقيقية (= المصححة) إذا تم قياس الاستطالة الفعلية. تشير المعاملات الناتجة |E*| إلى مساحة المقطع العرضي المصححة.
الخاتمة
يوفر اختبار الشد ظروف اختبار محددة بشكل أفضل للتحليلات الديناميكية الميكانيكية الديناميكية للمواد البلاستيكية الحرارية التي - عندما لا يتم تقويتها - تلين بشكل كبير بالفعل عند درجة حرارة 20 أو 30 درجة مئوية تحت درجة حرارة Tg. يتم الحفاظ على شكل العينة على مدى درجة الحرارة بالكامل في اختبارات الشد بشكل أفضل بكثير من اختبارات الانحناء. يتم الوفاء بالافتراضات الهندسية الموضوعة لحساب الخواص الميكانيكية الديناميكية بشكل أوثق في هندسة اختبارات الشد - وهو سبب مهم لتفضيل اختبارات الشد في الممارسة التجريبية.