התנהגות של Polymer Fracture

פולימרים הם חיוניים בהנדסה המודרנית בשל התאמתם, עלות נמוכה ונכסים מגוונים.הבנת כיצד פולימרים מגיבים ללחץ מכני הוא קריטי עבור בחירה חומרית ביישומים עיצוביים.שתי קטגוריות פולימרים עיקריות - מותאמים ותרמופלסטים - לגלות באופן בסיסי התנהגויות שבר שונות בשל המבנים המולקולריים הייחודיים שלהם.המתים, עם רשתות מחוברות עמוק, נוטים להיכשל באופן דרסטי, בעוד תרמופלסטיאלי של שיטות אלה, או שיטות בדיקה מכנית של חומרים קריטיות, עם שיטות קריטיות, עם שיטות קריטיות, מנגנוני השפעה.

ההבדל בהתנהגות שבר נובע מהיכולת של פולימרים להתפזר אנרגיה ולתאם עיוותים.כאשר מתח מכני מוחל, תרמוטס בדרך כלל לפתח מיקרו-תחרות שמפיץ במהירות, מה שמוביל לכשלון פתאומי. בניגוד, thermoplastics יכול לעבור היערכות שרשרת ותשואות, אשר סופג אנרגיה ואט צמיחה סדקים.

בחירה חומרית תלויה לא רק בהתנהגות השבעה, אלא גם ביציבות תרמית, בהתנגדות כימית ובשיטות עיבוד.התיאורטים נבחרים לעתים קרובות על הנוקשות הגבוהה שלהם ועל ההתנגדות המצוקה, בעוד תרמופלסטים מועדפים למחזוריות ולנוקשות.עם זאת, התנהגות שבר תחת לחץ מכני היא קריטריון מרכזי המכתיב מצבי כישלונות ואורח חיים בשירות.

מבנה פולימר ונכסים מכניים

התנהגות השבירה של פולימרים קשורה קשר אינטימי לאדריכלות המולקולרית שלהם.התרמופלסטים ותרמופלסטיקה שונים ביסודו של סידור שרשרת, צפיפות חוצה קישורים, וחלוקה במשקל מולקולרית.תכונות מבניות אלה מכתיבות כיצד הלחץ מועבר דרך החומר וכיצד הוא מגיב לעומסים.הבנת ההבדלים הללו היא הצעד הראשון בחיזוי התנהגות שבר.

מבנה Polymert Polymer

הפולימרים המrmoset יוצרים רשת קבועה, תלת-ממדית באמצעות קישורי קוהרנטגן במהלך הריפוי. once cured, הם לא יכולים להיות remeled או re shape. Common דוגמאות כוללות epoxy resins, phenolic resins, ופוליאורנטימנטליות.הדחיסות crosslinks - מספר של crosslinks לנפח הוא פרמטר קריטי.

[הפגמים של מיקרו-מבנה כמו רִיק, הכללות, או מתחים שאריות מריפוי יכולים לפעול כמו העלאת מתח.בתרמוsets, סדקים גדלים לאורך הממשק בין אזורים מחוסנים, לעתים קרובות בדרך ליניארית עם ספיגת אנרגיה מינימלית.משטח השבעה של תרמוסט הוא בדרך כלל חלק וזכוכית-כמו, המציין עיוות פלסטיק נמוך.

מבנה הפולימר הרדיקלי

התרמופלסטים מורכבים מרשתות פולימרים ארוכות, ליניאריות או מרופפות המוחזקים יחד על ידי כוחות משניים כמו אג"ח ואן דר ואג"ח מימן.רשתות אלה אינן קשורות באופן שווה, כך שניתן להתמוסס ולרפורמות שוב ושוב.דוגמאות כוללות פוליאתילן, פוליפרפין, ופוליקרבן.

התרמופלסטיקה לעיתים קרובות מציגה מעבר דוקטרילי-לברי בהתאם לטמפרטורה, קצב טעינה וגורמים סביבתיים. בטמפרטורת החדר, תרמופלסטים רבים מראים צוואר - ירידה מקומית בפרשת צלב - במעקב על ידי ארוכות עד קרע.תהליך זה סופג אנרגיה באמצעות גילוח ותשואות הרדאר.

מנגנונים של מנגנונים בפולימרים

המנגנונים של שבר שונים במידה ניכרת בין תרמוסטים ותרמופלסטים בשל יכולתם לנתק אנרגיה.מכניקת Fracture מספקת מסגרת להבנת התנהגויות אלה, להתמקד בגורמים אינטנסיביים של מתח, צמיחה סדק וקצבי שחרור אנרגיה. מנגנונים מרכזיים כוללים שברים מתפתלים, שבר דוקטרילי, גילוח, גילוח, גילוח, ותשואות הרה.

בריטל סטרוק ב Thermosets

שבר בריטל בתרמוסטטים מתרחש כאשר החומר נכשל עם מעט עד אפס עיוות פלסטיק.הטיפ הסדקים בנקודת התרמוסט חווה ריכוזים בלחץ גבוה, אך בשל ניידות שרשרת מוגבלת, החומר אינו יכול להפיץ מחדש לחץ דרך זרימת הפלסטיק. במקום זאת, אג"ח בקצה הסדקים פורץ ישירות, התומך בסדקים במהירות.תהליך זה נשלט על ידי הקריטריון גריפית, שבו מתרחשת כאשר האנרגיה המאוחסנים עולה על פני השטח של האנרגיה השבר של השבר הקטן, אפילו מחסומים מולקולריים, אפילו מחסומים מולקולריים, אפילו מחסומים זעירים.

צמיחה סדקים sub Critical יכול להתרחש בתרמוets תחת טעינה מחזורית, הידוע כעייפות סדקים קידוד.הסדקים גדל באופן מצטבר עם כל מחזור עד שהוא מגיע לגודל קריטי.לדוגמה, בתרמומנטים עמידים, ממטריקס סדק לעתים קרובות precedes delamination. גורמים סביבתיים כגון לחות או טמפרטורה יכול להאיץ על ידי צמצום השלמות הצלב.

דוקטרייט Fracture in Thermoplastics

שבר דוטלי בתרמופלסטיקה כרוך עיוות פלסטי נרחב לפני כישלון.תחת לחץ רביר, thermoplastics לעבור עיוות אלסטי, ואחריו נכנעה בשלב התשואות. Beyond מניבה, לחץ מתח מתרחש כמו שרשראות פולימריות היישר לכיוון של מתח, עלייה כוח. בסופו של דבר, היווצרות הצוואר מוביל דקינג מקומי, וכישלון מתרחשת כאשר הצוואר מגיע מתח ביקורתי.

Crazing הוא מנגנון עיוות ייחודי בתרמופלסטים, במיוחד בפולימרים מזכוכית כמו פוליסטרון ו אקרילידס. Crazes הם מחסנים ממושכים עם סיבים פולימרים שיכולים לשאת עומס.הם יוצרים מכניקה perpend ללחצים ויכולים לגדול דקירה עד שהם פולטים לתוך סדק.

גורמים המשפיעים על התנהגות Fracture

גורמים מסוימים משנה את התנהגות השבעה של פולימרים, כולל טמפרטורה, קצב מתח, משקל מולקולרי ודחיסות crosslink. אלה משתנים יכולים לשנות את החומר מ ductile כדי לערעור כשלון, בהתאם לתנאים.הבנת השפעות אלה חיונית לחיזוי ביצועים ביישומים בעולם האמיתי.

טמפרטורה ו- Strain Rate

הטמפרטורה יש השפעה בולטת על שבר פולימרי.בטמפרטורות נמוכות, הן תרמוסטטים והן תרמופלסטים להיות יותר מלוטש כי אנרגיה תרמית אינה מספיקה להפעיל את תנועת שרשרת פלחאלית.עבור תרמופלסטים, טמפרטורת המעבר של הזכוכית (T9) מסמן את המעבר מגומי למצב זכוכית. מתחת ל- T9, ניידות היא קפואה, ואת השברים החומריים באופן רחב יותר.

שיעור סטרין משפיע גם על שבר.שיעורי זנים גבוהים, כגון טעינה השפעה, התנהגות טובה כי יש פחות זמן לעיוות פלסטיק.הrmoplastics כי הם דונם תחת עומס חד-סטטי עשוי להיות מתפתל תחת השפעות בעלות גבוהה של שפע.תופעה זו מתוארת על ידי עקרון העל-זמני, אשר משווה את ההשפעה של טמפרטורה וקצב על הרפיה מולקולרית.

בתרמופלסטיקה, משקל מולקולרי משפיע על צפיפות שרשרת סבך. משקל מולקולרי גבוה מוביל לסבך יותר, אשר מגביר את הקשידות על ידי מתן עיוות פלסטיק גדול יותר.למטה משקל מולקולרי קריטי, thermoplastics להיות ערש כי נטיות שרשרת הם לא מספיק כדי להעביר מתח.עבור נוקשות, דחיסות crosslinks הוא האנלוגי. דחיסות נמוכה מייצרת רשת גמישה יותר עם קצת יותר דביריות, אבל עמוק יותר vultlinks דחיסות ⁇ , לעתים קרובות.

תוספות ומלאי יכולת לשנות התנהגות שבורה.ננו חלקיקים או סיבים יכולים להקשות על התרמומנטים על ידי גרימת מיקרו-קracking או סדק גירוד. בדומה, משפיעים על ממריצים כמו חלקיקי גומי מתווספים לתרמופלסטיקה כדי לשפר את השכפול.הפצה של מנטרים אלה היא קריטית לביצועים עקביים.

שיטות בדיקה עבור התנהגות Fracture

התנהגות שבר אופיינית דורש בדיקות סטנדרטיות המספקות אמצעים כמותיים כגון קשיחות שבורה, כוח השפעה וקליטת אנרגיה.שיטות נפוצות כוללות בדיקות פרייליות, בדיקות השפעה ובדיקות מכניקה שבר כמו המתח הקומפקטי או שלוש נקודות מבחן nd. בדיקות אלה עוזרות למהנדסים לדרג חומרים ועיצוב לבטיחות.

בדיקות Tensile

בדיקות Tensile הוא היסוד לקביעת התנהגות הלחץ-strain.דגימה של כלב-עמוד נלקח בקצב מבוקר בעוד עומס והרחבה נמדדים. מדדים מרכזיים כוללים את המודולוס של יאנג, כוח התשואה, חוזק רבייה, והמשך הפסקה.עבורת תרמוsets, עקומת הלחץ היא ליניארית לכישלון עם עיוות מינימלי לאחר הלידות.

עבור מכניקת שבר, דגימות לא ched משמשים.הנץ מציג ריכוז מתח כי מדמה פגם. הלחץ שבו הסדקים גדל משמש כדי לחשב קשיחות שבר (KirFLT:0.0.100:1) פרמטר זה חיוני לתכנון מבנים עם פגמים. תקנים כגון ASTM D638 או ISO 527ile בדיקות של תמונות דיגיטליות (DIC) משמש עכשיו למדידה מלאה של שיטות עזרה.

תוצאות בדיקות

בדיקות השפעה להעריך את היכולת של פולימר לספוג אנרגיה מתחת לשיעורי מתח גבוהים.שיטות נפוצות הן הבדיקות Charpy ו Izod, שבו pendulum מכה דגימה לא מכוונת. האנרגיה נספגת בג'אולים למטר של אורך לאץ'.Thermoplastics כמו פוליקרבונט או ניילון יש כוח השפעה גבוהה, בעוד תרמוטים כמו epoxy או phenolic יש השפעה נמוכה עם זאת, סיבים יכולים לשפר את ההשפעה של גירוי, לא יכול להיות חיובי.

בדיקות השפעה בלתי פוסקות מספקות נתונים עתיים עומס, הבחנה בין שלבי סדקים והפצת חומרים.זה עוזר לזהות האם הכישלון נשלט על ידי אנרגיה לפני סוף (start) או אנרגיה אחורית (התכנת) עבור thermoplastics, אזור צמיחה איטי סדק עשוי להיצפה, בעוד thermosets להראות שברים קטסטרופליים מיידי.

בדיקת נוקשות

בדיקות קשיחות גורמות למדידה בסיסית של התנגדות חומרית לצמיחת סדק.הקשות של השבר המגבילה (KFLT:0ICFLT:1) נמדדת באמצעות דגימות מראש בצורות המקודדות בצורות I, II, או III טעינה. עבור פולימרים, שיטת J-integral משמשת לעתים קרובות עבור חומרים דוקטריליים להראות כי משמעותי פלסטיות, הכרחי כדי לשלוט על ידי ניתוח טרום-אדום, הוא צורך, ופרקים של עבודה, הוא צורך, ופרקים, הוא צורך, ופרקים של נתונים מדויקים (F) הוא צורך, הוא צורך, ובדיקה פשוטה של עיבוד נתונים למניעת הריון, ופרקים, הוא חיוני של חומרים זהה, הוא חיוני של חומרים זהה, ופרקטיים (F) הוא חיוני של , ו-D.

עבור thermosets, הבדיקה לעתים קרובות כרוך היערכות זהירה כדי למנוע כשלון מוקדם.החלק השבר פתח עקירה (CTOD) הוא מדד נוסף המשמש עבור thermoplastics ductile. practure ערכים משמשים בניתוח אלמנטים סופי (FEA) כדי לחזות עומסי כישלונות בגרסאות מורכבות גיאוגרפיות.חומר מבוסס על קשיחות כי עיצובים יכולים לסבול פגמים טפילים ללא כישלונות קטסטרופלית.

יישומים ובחירת חומרי

התנהגויות השבורות של thermosets ותרמופלסטים מכתיבים את השימושים האופטימליים שלהם.מהנדסים חייבים לשקול נוקשות, קשיחות, תהלוכות, ועלות בעת בחירת חומר. להלן הן יישומים טיפוסיים לכל קטגוריה, מדגישים כיצד התנהגות שבר משפיעה על אפשרויות עיצוב.

דרישות ה- High-Stiffness Applications

התרמוטים נבחרים ליישומים הדורשים קשיחות גבוהה, יציבות ממדית והתנגדות תרמית.הערות שלהם מנוהלת על ידי שימוש בהם במרכיבים עם סיכון נמוך של השפעה או על ידי חיזוק אותם עם סיבים.

  • (FLT:0) מורכבות מבניות:FLT:1 in aerospace and car, epoxy או פוליסטר ממטרים מתחזק עם סיבים פחמן או זכוכית מציעים כוח ספציפי מאוד.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ (התרמיוניים: ⁇ ) ⁇ (התרמיים) או מדממים (Melamine thermosets) מספקים בידוד חשמלי מעולה והתנגדות חום.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ וציפוי: ⁇ 1 (Efoxy Adhesives) מרפא ליצירת קשרים חזקים, נוקשים.

כדי להפחית את הלכידות, ניתן לקשה על חלקיקים גומי או פולימרים מוגזימים יתר על כן, שינויים אלה עשויים להפחית את המודולוס.העיצוב חייב לקחת בחשבון את קשיחות השבירה הנמוכה באמצעות קרינה נדיבה של ריפוי ולהימנע ריכוזי מתח.

Thermoplastics in Toughness-Critical Applications

התרמופלסטיקה עולה כי עמידות קשה והשפעה הם קריטיים.הדוקטריות שלהם מאפשרת להם לספוג אנרגיה ללא כשל קטסטרופלי.

  • (FLT:0) רכיבי קטר: 1FLT:1 פוליפרופילן, ABS, ופוליקרבונט משמשים עבור מבולגרי, לוחות נתונים, וטרימים פנימיים שלהם מפחיתים את הפגיעה במהלך התאונות.
  • (FLT:0) ציוד יעיל: 1FLT 1 קליפות הלמוט משתמשים פוליקרבונט או ניילון עבור כוח השפעה גבוהה.
  • (FLT:0) ⁇ ו- piping:FreaLT:1 , PVC, CPVC, צינורות PE מסתמכים על שבר דוקטרי כדי לעמוד בלחץ הידרוסטי ותנועת קרקע.התנגדות איטית לדיכוי צמיחה היא קריטית לביצועים ארוכי טווח.

התרמופלסטיקה יכולה להיות מותאמת על ידי מיזוג עם מערכי השפעה או באמצעות copolymers. עם זאת, הם עשויים לחוות צמרמורת תחת עומסים מתמשך או לחץ סביבתי סדק בתקשורת אגרסיבית.הבחירה בין thermoset ותרמופלסט לעתים קרובות hing על קצב הטעינה הספציפי וסביבת תרמית. לדוגמה, thermoplastic כמו פוליתרone (PEEK) משמש ב High-temp-eratured יישומים קשים שלה.

המונחים: key Takeaways

התנהגות השבעה של thermoset ו פולימרים תרמופלסטיים תחת לחץ מכני מוכתב על ידי מבנה מולקולרי ומנגנונים של פירוק אנרגיה.thermosets להפגין שבר מתפתל עם התפשטות מהירה סדקים וקליטת אנרגיה נמוכה, מה שהופך אותם מתאימים לרגישות גבוהה, יישומים בלחץ נמוך.thermoplastics להציג שבר דקוי, עם עיוות פלסטיק משמעותי וצמיחה מהירה, אידיאלי עבור השפעה יעילה עבור איכות גבוהה, ירידה במשקל מולקולרית, מאפשר.

מהנדסים יכולים לייעל את העיצוב באמצעות נתוני קשיחות שבורה ממבחנים סטנדרטיים, החל אסטרטגיות חיזוק, וחשבונאות לתנאי שירות.מחקר מתמשך nanocomposites פולימרים המבוססים על ביו-בסיס הוא להרחיב את המעטפה של הנכס בסופו של דבר, הבחירה בין thermoset ותרמופלסט תלויה איזון ביצועים מכניים עם עיבוד ועלויות.עבור קריאה נוספת על שבר פולימרים פולימרים פולימרים, ייעוץ FLT:0 זה ספר לימוד מקיף מ-FLT: 1.