ASTM D638: اختبار الشد للبلاستيك

مقدمة

يلزم معرفة الخواص الميكانيكية للمادة في هندسة البلاستيك وعلوم البوليمر. من بين جميع خواص المواد، فإن أهم هذه الخواص هي قوة الشد، أي مقدار الإجهاد الذي يمكن أن تتحمله المادة دون فشل عند تعرضها للشد. يوفر معيار ASTM D638، وهو معيار معترف به دوليًا من قبل الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (ASTM)، طريقة لاختبار خصائص الشد للمواد البلاستيكية في الظروف المختبرية.

ما هو ASTM D638؟

تصف ASTM D638، أو "طريقة الاختبار القياسية لخصائص الشد للبلاستيك"، الطريقة ونوع العينة وظروف الاختبار لاختبار قوة الشد والاستطالة عند الكسر ومعامل المرونة للبوليمرات البلاستيكية الحرارية والبوليمرات المتصلدة بالحرارة. وهي تنطبق على المواد البلاستيكية شبه الصلبة والصلبة وتعمل على توفير وسيلة للمقارنة بين المنتجات من مختلف المصنعين أو طرق المعالجة المختلفة.

يتم توحيد المادة لضمان أن يكون اختبار الشد قابلًا للتكرار، مما يقلل من سرعة الاختبار ونوع المقبض واختلاف شكل العينة. تجد ASTM D638 استخدامًا واسع النطاق وتشكل أساس التصميم الهندسي واختيار المواد والمساعدة التنظيمية.

أنواع العينات وإعدادها

تصنف مواصفات ASTM D638 خمسة أنواع من عينات الاختبار (من النوع الأول إلى النوع الخامس) بناءً على الحجم. يتم استخدام النوعين الأول والرابع في أغلب الأحيان:

النوع الأول: الطول الإجمالي 165 مم، وعرض المقطع الرقيق 13 مم، وسمك 3.2 مم. يستخدم في أغلب الأحيان لاختبار الشد العام للمواد البلاستيكية الشائعة.

النوع IV: إجمالي 115 مم، عرض المقطع الرقيق 6 مم، سمك 3 مم. حيثما يكون توافر المواد مقيدًا أو كدراسة أساسية للمقارنة.

يمكن إنتاج العينات من خلال القولبة بالحقن أو القولبة بالضغط أو البثق أو عن طريق القطع من الألواح. أيضًا، يجب الانتباه إلى أن تكون العينات خالية من العيوب، أي الفراغات أو الخدوش أو المخالفات على أسطحها، لأنها يمكن أن تؤثر أيضًا على نتائج الشد بشكل كبير جدًا.

إجراءات الاختبار

يتم إجراء اختبار الشد حيث توضع العينة داخل آلة الاختبار العامة (UTM) ويتم تحميل العينة بحمل شد أحادي المحور خاضع للتحكم حتى الفشل. بعض العوامل المهمة التي تنطوي عليها العملية هي:

1. اختيار المقبض: يتم تثبيت العينات بواسطة مقابض هوائية أو ميكانيكية. يجب ألا تتسبب القبضة في حدوث انزلاق ويجب ألا تكون القبضة مصدرًا لتركيزات الضغط.

2. سرعة الاختبار: تختلف سرعة الرأس المتقاطع باختلاف نوع المادة وسُمك عينة الاختبار. بالنسبة للعينات الاسمية من النوع الأول بسماكة 3.2 مم، غالبًا ما تكون السرعة 50 مم/الدقيقة. يمكن أن تؤثر السرعة على الاستطالة المقاسة وقوة الشد في حالة اللدائن اللزجة المرنة.

3. بيئة التكييف: يتم تكييف العينات عند نسبة رطوبة نسبية 50% ودرجة حرارة 23 درجة مئوية لمدة لا تقل عن 40 ساعة وفقًا للمعيار ASTM D618 بحيث تكون مستقرة قدر الإمكان فيما يتعلق بمحتوى الرطوبة ودرجة الحرارة.

الخواص الرئيسية المقاسة

يتضمن اختبار ASTM D638 بعض خصائص المواد الأكثر أهمية:

قوة الشد عند الخضوع: أقصى إجهاد تتحمله المادة قبل أن تتعرض للتشوه الدائم. البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، على سبيل المثال، عادةً ما يستسلم عند 20-30 ميجا باسكال، في حين أن البولي كربونات (PC) قد يستسلم عند 60-70 ميجا باسكال.

قوة الشد عند الكسر: الإجهاد الذي تنكسر عنده العينة في النهاية. تنكسر المواد البلاستيكية الهشة مثل البوليسترين عند نقطة الخضوع أو بالقرب منها، في حين أن المواد البلاستيكية القابلة للسحب مثل البولي إيثيلين تتمدد بشكل كبير قبل أن تنكسر.

الاستطالة عند الكسر: الاستطالة في الطول عند الكسر بالنسبة المئوية. قد يكون للبولي إيثيلين عالي الكثافة استطالة بنسبة 400-600%، في حين أن استطالة البوليسترين أقل من 5%.

معامل المرونة (معامل يونغ): مقياس للصلابة من ميل الجزء الخطي الأول من منحنى الإجهاد والانفعال. على سبيل المثال، يبلغ معامل البولي بروبلين حوالي 1.5-2 جيجا باسكال ومعامل البولي فينيل كلوريد الفينيل حتى 3-3.5 جيجا باسكال.

يتم تطبيق هذه القيم من قبل المهندسين لتحديد ما إذا كانت المادة يمكنها تحمل أحمال التشغيل أم لا دون كسر أو تشوه دائم.

تطبيقات اختبار ASTM D638

1. اختيار المواد الهندسية

يقارن المصممون المواد البلاستيكية للمكونات الإنشائية من بيانات ASTM D638. على سبيل المثال، عند اختيار المواد لمكونات المركبات مثل الألواح الداخلية، تحدد قوة الشد والاستطالة ما إذا كان البلاستيك مقاومًا للصدمات ومرنًا دون تشقق.

2. مراقبة جودة التصنيع

قد تقومالشركات المصنعة للبلاستيك في بعض الأحيان باختبار دفعات من البلاستيك لضمان اتساق الخواص الميكانيكية. سينتقل اختلاف درجة حرارة البثق أو ضغط الحقن أو معدلات التبريد إلى خواص الشد. ASTM D638 هي طريقة مقبولة لضمان مطابقة المواد للمواصفات قبل الشحن.

3. البحث والتطوير

في مجال البحث والتطوير، يحدد اختبار الشد تأثير المواد المضافة أو مواد الحشو أو التعزيز في المواد الخام. على سبيل المثال، تؤدي إضافة الألياف الزجاجية إلى البولي بروبلين إلى مضاعفة قوة الشد من 30 ميجا باسكال إلى أكثر من 80 ميجا باسكال وتقلل الاستطالة عند الكسر بمقدار النصف. يضمن ASTM D638 المقارنة الفعالة بين التركيبات.

4. الامتثال للوائح

غالبًا ما تتطلب الأجهزة الطبية وعبوات المواد الغذائية والمكونات الإلكترونية اختبارًا ميكانيكيًا وفقًا لمعايير ASTM D638 لتلبية معايير لوائح ISO أو FDA أو ASTM. وتعد أنابيب البولي إيثيلين المعتمدة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية أحد الأمثلة التي يجب فيها ضمان توحيد خصائص الشد لضمان الاستخدام الآمن في الأجهزة الطبية.

الاستنتاج

ASTM D638 هو معيار أساسي لاختبار الشد للمواد البلاستيكية لمعرفة خصائصها. ومن خلال توفير إجراءات موثوقة للاختبار وإعداد العينات وتحليلها، فإنها تمكّن المهندسين والمصنعين من اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن اختيار المواد وتصميم المنتج وضمان الجودة. ويضمن المعيار، الذي يتراوح من ألواح السيارات إلى الأجهزة الطبية، أن تتصرف المواد البلاستيكية بشكل متسق وآمن عند تعرضها للإجهاد الميكانيكي. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).