Polimer çekme testi incelemesi
giriiş
Polimerlerin mekanik özellikleri, elastikiyet modülü, akma dayanımı ve çekme dayanımı gibi metaller için kullanılan birçok parametreyle tanımlanır. Birçok polimerik malzeme için, bu mekanik özelliklerin çoğunu belirlemek için basit bir çekme testi kullanılır. Polimerlerin mekanik özellikleri, çoğu durumda, deformasyon hızına (gerinim hızı), sıcaklığa ve ortamın kimyasal yapısına (su, oksijen, organik çözücüler vb. varlığı) karşı çok hassastır. Bu özellikler, polimerleri küçük moleküllerden ayırır ve polimer bilimcilerine veya mühendislerine polimerlerin nasıl kullanılabileceği hakkında çok fazla bilgi sağlar.
Bu makale, polimerlerin çekme özelliklerini kısaca incelemektedir.
Anahtar kelimeler: Mekanik özellikler, çekme testi, gerilim-gerinim diyagramı.
Çekme testi
Termoplastiklerin çoğu elastik değildir; yani gerilim-gerinim eğrisinin çoğu bölümünde gerilim ve gerinim doğrusal olarak ilişkili değildir. Bu malzemelerin davranışı genellikle viskoelastiktir; yani bir termoplastik polimere dış bir kuvvet uygulandığında, malzeme hem elastik hem de plastik (veya viskoz) deformasyon gösterir. Polimerlerin mekanik davranışı ve deformasyonları (gerinimleri), polimer zincirlerinin kendilerine uygulanan yük (gerilim) altında nasıl hareket ettiğine bağlıdır.
Bir malzemenin mekanik özelliklerini belirlemek için en temel test çekme testidir. Çekme testinde, malzeme düzgün bir şekilde gerilir.
Kuvvet bir kesit alanına etki ettiğinden, gerilim birim alan başına düşen kuvvet olarak tanımlanır:
σ=F/A
Burada σ gerilimi, F uygulanan kuvveti ve A numunenin kesit alanını temsil etmektedir.
Benzer şekilde, gerinim uzunluktaki yüzde değişim olarak tanımlanır. Dolayısıyla gerinim, uzunluktaki değişimin orijinal uzunluğa bölünmesiyle bulunur:
ε=∆L/L
Burada Ɛ gerinim, L∆ uzunluktaki değişim ve L başlangıç uzunluğudur.
Genel olarak, bir numune gerildiğinde uzunluğu artar ve kesit alanı azalır. Bununla birlikte, mühendislik gerinimini hesaplarken, numunenin kesit alanındaki değişim göz ardı edilir.
Gerilim ve deformasyon, sıcaklık değişimlerinden ve uzun süreli zaman diliminden (sünme) etkilenir ve tekrarlanan gerilim (yorgunluk) deformasyonu etkiler.
Çekme özellikleri, bir çekme makinesinin iki kelepçesi arasına dambıl şeklinde bir numune yerleştirilerek ve numune kopana kadar hidrolik veya mekanik kuvvet kullanılarak sabit bir hızda birbirinden uzaklaştırılarak değerlendirilir. Bu durumda, uygulanan kuvvet (gerilim) ve numunede oluşan uzama (gerinim) ölçülür. Polimer numunesinin kesit alanı sabit kabul edildiğinden, bir gerilim-gerinim diyagramı çizilebilir (Şekil 1). Gerilim-gerinim eğrisi, mukavemet, tokluk, sertlik, süneklik vb. hakkında bilgi sağlayabilir.
Daha önce de belirtildiği gibi, polimerlerin mekanik özellikleri sıcaklık değişimlerine karşı oldukça hassastır. Örneğin, Şekil (2), 4-60°C sıcaklık aralığında polimetil metakrilatın (PMMA) gerilim-gerinim diyagramını göstermektedir.
Deformasyon hızının azaltılması, polimerlerin gerilim-gerinim eğrisi üzerinde de benzer bir etkiye sahiptir; yani gerinim hızı azaldıkça malzeme daha yumuşak hale gelir ve süneklik artar.
Gerilme-şekil değiştirme diyagramının farklı bölgeleri
Polimerlerin gerilme-gerinim diyagramı, aşağıda açıklanan farklı bölgelerden oluşmaktadır. Şekil (3), çekme testi altındaki bir polimer numunesinin gerilme-gerinim diyagramının bölgelerini göstermektedir:
Bu alanlar şunları içerir:
1-Esnek alan
Bir malzeme ilk kez gerilime maruz kaldığında, başlangıçta elastik davranış sergiler. Elastik davranış, malzemenin gerilim altında deforme olmasına rağmen, gerilim kaldırıldıktan sonra orijinal durumuna geri dönmesi anlamına gelir. Bunun nedeni, atomik bağların gerilmesi ve gerilim kaldırıldıktan sonra orijinal durumlarına geri dönmesidir. Bu nedenle, elastik davranış, küçük de olsa, tüm malzemelerde görülür.
Young modülü, elastik bölgenin eğiminden hesaplanır.
2-Plastik alan
Gerilme-gerinim diyagramındaki en yüksek noktaya akma bölgesi denir. Malzeme akma noktasına ulaştığında, kalıcı deformasyon bölgesine girer. Bu noktaya karşılık gelen gerilme ve deformasyona sırasıyla akma dayanımı ve akma anındaki uzama denir. Akma noktasının ötesinde, malzeme önemli ölçüde uzar ve genişler ve bu bölgeye plastik bölge denir. Numunenin daha fazla uzaması ve gerilmesi, gerinim sertleşmesi olgusuna yol açar. Bu bölgede, polimer zincirleri önce elastikiyetlerini kaybeder (akma) ve ardından numune bir bölgede enine büzülme ve boyuna gerilmeye uğrar ve boyun benzeri bir şekil alır, buna boyun daralması denir. Boyun daralması olgusu, zincirlerin deformasyonu hizalanana kadar ilerler. Plastik bölgede, zincirlerin gerilme yönünde yönlenmesi nedeniyle numunenin dayanımı artar. Sonunda, boyun daralması olgusu numunenin uzunluğu boyunca yayılır ve numune kırılır. Şekil 4 (a-e), yarı kristal bir polimer numunesi için çekme testinde polimer zincirlerinin mekanizmasını ve gerinim sertleşmesi olgusunu göstermektedir:
Mühendislik gerilme-gerinim eğrisindeki maksimum gerilme değerine “nihai çekme dayanımı” denir. Bu değer, numunenin dayanabileceği en yüksek gerilmedir. Kırılma noktasına karşılık gelen deformasyona ise kopma uzaması denir.
Polimerik bir malzemenin gerilme-gerinim davranışı, polimerlerin moleküler ve mikro yapısal özelliklerine bağlıdır. Polimerler, özellikle farklı gerilme seviyelerinde belirli polimer etkileşimleri değişebildiğinden, çok farklı gerilme-gerinim davranışlarına sahip olabilirler. Şekil 5, farklı polimer grupları için elde edilen gerilme-gerinim ilişkilerinin türlerini göstermektedir.
Yukarıdaki görselden, sert malzemelerin yüksek Young modülüne sahip olduğu, ancak gerilime maruz kaldıklarında diğer gruplara göre daha hızlı kırıldıkları ve kırılgan plastikler olarak adlandırıldıkları çıkarılabilir. Polistiren (PS) bu polimerlerden biridir.
Buna karşılık, son grafik, hem düşük Young modülü değerlerine sahip olan hem de kopmadan önce büyük miktarda geri dönüşümlü çekme gerilimine dayanabilen, elastomer adı verilen kauçuksu polimer grubunun mekanik davranışını göstermektedir.
İkinci eğri, polimetil metakrilat (PMMA) gibi yarı sünek malzemeler içindir ve son olarak üçüncü eğri, modülü sert ve yarı sünek malzemelerden daha düşük olan, ancak bu malzemelerin grafiğinin altındaki alan diğer gruplarla karşılaştırıldığında toklukları daha yüksek olan ve kırılma noktasına ulaşana kadar daha fazla enerjiye dayanabilen sünek malzemeler içindir. Polikarbonat bu malzeme grubuna dahildir.
Çözüm
Çekme özellikleri, çeşitli polimerlerin en önemli mekanik özelliklerinden biridir. Mekanik özellikleri anlamak ve incelemek, polimer ürünlerinin üretiminde en önemli unsurlardan biridir ve termal, optik ve reolojik özellikler gibi diğer özelliklerden daha çok, üreticiye malzemeleri karşılaştırma ve kalitelerini kontrol etme olanağı sağlayarak üretilen ürünün özelliklerini iyileştirmeye yardımcı olur. Mekanik özellikleri belirlemek için çekme testi kullanılır. Bu testte, test edilen ürün kırılma noktasına kadar çekme kuvvetine maruz bırakılır ve aynı zamanda uygulanan yük kuvvetiyle eş zamanlı olarak uzama kaydedilir. Bu testin sonuçları, kaliteyi kontrol etmek ve bir malzemenin çeşitli kuvvetler altında nasıl tepki vereceğini tahmin etmek için kullanılır. Bu testin sonucu, malzemenin gerilme altındaki davranışını karakterize eden bir gerilim-gerinim eğrisidir. Bu testten elde edilen veriler, malzemenin mekanik özelliklerini belirlemek için kullanılır. Derleyen: Samin Saleki
Bilimsel Editör: Marzieh Shams Harandi
Kaynaklar
1.https://insights.globalspec.com/article/7810/how-to-perform-tensile-testing-on-polymers
2.https://msestudent.com/stress-strain-and-the-stress-strain-curve/
3.https://eng.libretexts.org/Bookshelves/Materials_Science/Supplemental_Modules_(Materials_Science)/Polymer_Chemistry/Polymer_Chemistry%3A_Mechanical_Properties
4. https://polymerinnovationblog.com/characterization-thermosets-part-21-tensile-testing-polymers-molecular-interpretation