Arızaları önlemek için temel gerekliliklerden biri, belirli bir polimer/çevre kombinasyonunun ESC’ye duyarlı olup olmadığını değerlendirmektir. Tercihen ESC duyarlılık testleri, polimerin temas etmesi muhtemel tüm kimyasallar incelenerek hizmet öncesinde yapılmalıdır. Ancak, çok çeşitli kimyasallar nedeniyle bu son derece zordur ve sonuç olarak, ESC arızalarının çoğunun temizlik maddeleri veya yağlayıcılar gibi ikincil sıvılara istenmeyen maruziyetten kaynaklandığı tespit edilmiştir. Bu nedenle ESC duyarlılık testleri, ESC’nin izlenmesi ve müteakip arıza analizi için hayati önem taşımaktadır. Termoplastiklerde ESC’nin değerlendirilmesi bir dizi ulusal ve uluslararası standart kapsamındadır. Polimerik malzemelerin ESC’ye karşı direnci ESCR olarak bilinir. ESCR, kritik gerilme, kritik stres veya başarısızlığa kadar geçen stres süresi ile ölçülebilir. Anahtar Kelimeler: Polimer çatlaması, ESC, ESCR
Çevresel Stres Çatlaması (ESC), termoplastik (özellikle amorf) polimerlerin beklenmedik kırılgan arızalarının şu anda bilinen en yaygın nedenlerinden biridir. ASTM D883’e göre stres çatlaması “bir plastikte kısa vadeli mekanik mukavemetinden daha düşük gerilme streslerinin neden olduğu harici veya dahili bir çatlak” olarak tanımlanmaktadır. Bu tür çatlama tipik olarak kırılgan çatlamayı içerir ve malzemenin bitişik arıza yüzeylerinden sünek olarak çekilmesi çok azdır veya hiç yoktur. Çevresel stres çatlaması, hizmetteki tüm plastik bileşen arızalarının yaklaşık %15-30’unu oluşturabilir. Bu davranış özellikle camsı, amorf termoplastiklerde yaygındır. Amorf polimerler, sıvının polimerin içine nüfuz etmesini kolaylaştıran gevşek yapıları nedeniyle ESC sergilerler. Amorf polimerler, artan serbest hacim nedeniyle camsı geçiş sıcaklıklarından (Tg) daha yüksek sıcaklıklarda ESC’ye daha yatkındır. Tg’ye yaklaşıldığında, polimer zincirlerine daha fazla sıvı nüfuz edebilir. Araştırmalar, polimerlerin sıvı kimyasallara maruz kalmasının çatlama sürecini hızlandırma eğiliminde olduğunu ve havada çatlamaya neden olan gerilimden çok daha düşük gerilimlerde çatlama başlattığını göstermektedir (Şekil 1).
Çekme gerilmesi veya korozif bir sıvının etkisi tek başına arızaya neden olmak için yeterli olmaz, ancak ESC’de bir çatlağın başlaması ve büyümesi, gerilme ve korozif bir çevresel sıvının birleşik etkisinden kaynaklanır. Bu test yöntemleri kabaca, uygulanan deformasyona dayalı olanlar ve uygulanan yüke dayalı olanlar olmak üzere iki gruba ayrılabilir. ESC direncini test etmek için kullanılan başlıca uluslararası yöntemler şunlardır:
• Bükülmüş şerit
• Esnek malzemeler için bükülmüş şerit testi
• Top ve iğne izi
• Sabit gerilme deformasyonu
• Yavaş gerilme hızı testi
• Sabit çekme gerilimi
• C-halkası testleri
Aşağıdaki bölüm, standartlaştırılmış ESC test yöntemlerine kısa bir genel bakış sunmaktadır. Döngüsel veya çift eksenli gerilimler altında ESC direncini test etmek için herhangi bir standart bulunmadığına dikkat edilmelidir. Bununla birlikte, son çalışmalar ESC direncinin tek eksenli stres yerine çift eksenli stres kullanıldığında önemli ölçüde daha zayıf olabileceğini göstermekted
Bükülmüş şerit testi (ISO 4599), numuneye bilinen bir gerilme uygulamak için test numunesinin yarım daire şeklindeki bir kalıp üzerine sıkıştırılmasını içerir. Kalıbın eğrilik yarıçapı, numunede farklı stres seviyelerini indüklemek için değiştirilebilir. Bu gerinim aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanabilir:
Burada d numunenin kalınlığı, r ise numunenin yarıçapıdır. Numune gerildikten sonra hızlı bir şekilde kimyasal ortamla temas ettirilir. Kararlaştırılan bir sürenin ardından numune cihazdan çıkarılır ve çatlama açısından görsel olarak incelenir ya da kalan mukavemetini değerlendirmek için mekanik olarak test edilir. Bu test en yaygın olarak amorf polimerlerin ESC duyarlılığını değerlendirmek için kullanılır. Test sırasında numuneye uygulanan stres azalacağından, hızlı stres gevşemesine duyarlı olan yarı kristal polimerler için uygun değildir.
Bu test ABD’deki Bell laboratuarları tarafından geliştirilmiş ve ASTM D1693 olarak standartlaştırılmıştır. Bu teknik polietilen gibi esnek polimerler için uygundur ancak sadece kalite kontrol amacıyla kullanılmalıdır. Bu test yönteminde kullanılan aparat tipinin bir örneği Şekil 2’de gösterilmektedir. Bu testte kullanılan numuneler çentikli dikdörtgen şeritlerdir (38 × 13 × 3 mm) ve numune içinde gerilme oluşturmak için numune 180°’lik bir açıyla kendi üzerine katlanacak şekilde bir jig içine sıkıştırılır. Numuneler jig içine yüklendikten sonra derhal gerekli test koşullarında kimyasal ortama maruz bırakılır. Numuneler daha sonra kararlaştırılan zaman aralıklarında görsel olarak veya otomatik bir inceleme tekniği kullanılarak incelenir ve numunelerin %50’sinin başarısız olması için gereken süre not edilir.
Bilye ve pim baskı testi öncelikle karmaşık bitmiş bileşenler için kullanılır. Yöntem, polimerin içine belirli bir çapta bir dizi delik açılmasını içerir. Bir dizi büyük boyutlu bilye veya pim, bir dizi farklı gerilimi tetiklemek için deliklere yerleştirilir. Pimler yerleştirildikten bir saat sonra numuneler 20 saat boyunca ortama daldırılır. Numuneler daha sonra kurutulur ve çatlaklar açısından görsel olarak incelenir. Görünür çatlamaya neden olan en küçük bilye, polimerin ESC direncini belirlemek için kullanılır.
Sabit çekme deformasyon testi, şu anda ISO DIS 22088 bölüm 5 olarak bir ISO standardı olarak geliştirilmekte olan nispeten yeni bir testtir. Test yöntemi, numuneye sabit bir deformasyon uygulanmasını ve kimyasal ortama daldırılırken meydana gelen gerilme gevşemesinin izlenmesini içerir. Test, ardışık testlerin gerilme gevşeme eğrileri birbirinin üzerine binene kadar giderek daha küçük deformasyon seviyeleri kullanılarak tekrarlanır (Şekil 3). Bu deformasyon seviyesini üretmek için gereken uygulanan gerilim kritik gerilim olarak tanımlanır. Malzemenin ESC direnci, ortamda elde edilen kritik gerilme ile havada elde edilen gerilme karşılaştırılarak belirlenir.
Yavaş gerinim oranı yöntemi, metaller için iyi bilinen bir yöntem olmasına ve şu anda ISO DIS 22088 bölüm 6 olarak bir standart haline getirilmesine rağmen, plastiklerin performansını karakterize etmek için nispeten yakın zamanda kullanılmıştır. Test yöntemi, bir numunenin kimyasal ortama maruz kalırken sabit bir yer değiştirme hızında kademeli olarak artan bir gerilmeye maruz bırakılmasını içerir. Testler, tek eksenli gerilim altında düşük gerinim oranlarında gerçekleştirilerek Şekil 3 Ardışık eğriler birbirinin üzerine binene kadar (3 ve 4) giderek daha küçük deformasyon seviyeleri (1>5) kullanılarak elde edilen gerilme gevşeme eğrilerinin etkisi artırılır. Not: S0 başlangıç gerilimi ve S t zamanındaki gerilimdir. Gerilme-gerinim eğrilerinin üretilebilmesi için yük ve yer değiştirme sürekli olarak izlenir. Numune içinde çatlakların gelişmesi, gerilmenin çatlaklarda yerel olarak alınmasına neden olur, böylece numuneyi deforme etmek için gereken gerilme, inert bir ortamdakine kıyasla azalır. Bu nedenle, çatlak oluşumunun başlangıcı, kimyasal ortamdaki gerilme-gerinim eğrisinin havadakinden ayrılmasıyla tespit edilebilir Şekil 4. Yavaş leke oranı testinin ana avantajları nispeten hızlı olması, az sayıda numune gerektirmesi ve otomatikleştirilebilmesidir.
Bu testin ayırt edici özelliği, numunelere sabit bir yük uygulanması ve böylece sabit gerinim test yöntemlerinde bulunan gerilme gevşemesi sorunundan kaçınılmasıdır. Bu test yönteminde kullanılan aparat tipinin bir örneği Şekil 5’te gösterilmektedir. Teknik, incelenen numunenin polimerin çekme akma gerilmesinin altındaki bir gerilimde sabit bir çekme gerilmesine maruz bırakılmasını içerir. Bu genellikle numunenin bir ucundan asılan ölü bir ağırlık kullanılarak gerçekleştirilir. Numune daha sonra gerilme-çatlama maddesine daldırılır ve çatlamanın başlangıcını belirlemek için düzenli aralıklarla incelenir. Numune maruz bırakıldıktan sonra çatlakların/çatlamaların ortaya çıkması için gereken süre veya belirli bir süre içinde (tipik olarak 100 saat) çatlakların ortaya çıkmadığı eşik gerilimi, ESC direncinin bir ölçüsü olarak kullanılabilir.
C-halkası numuneleri genellikle boru ve tüplerin testi için kullanılır ve ASTM F-1248’de polietilen boruların testi için standartlaştırılmıştır. C-halka numunelerini test etmek için tipik aparat Şekil 6’da gösterilmiştir. Çevresel gerilme temel ilgi alanıdır ve bu gerilme C-halkasının çevresi boyunca her bir cıvata deliğinde sıfırdan gerdirme cıvatasının karşısındaki yayın ortasının dış yüzeyinde maksimuma kadar değişir. C-halkaları, halkayı yayarak ve iç yüzeyde çekme gerilimi oluşturarak ters yönde de gerilebilir. Yükleme cıvatasına kalibre edilmiş bir yay yerleştirilerek C-halkası numunesi üzerinde neredeyse sabit bir yük geliştirilebilir. Bu, C-halkasının kendi kendine yüklenmesini sağlar, özellikle de in situ test kuponları olarak kullanılabildikleri için erişilemeyen yerlerde bozulmayı izlemek için önemlidir.
Kendinden yüklemeli çekme testleri plastiklerin test edilmesinde yaygın değildir ve standartlaştırılmamıştır. Bununla birlikte, incelenen malzeme ile aynı ortama, örneğin bir polimer boru hattına yerleştirilebildikleri ve daha sonra test için düzenli aralıklarla çıkarılabildikleri için plastiklerin izlenmesi için son derece yararlıdırlar. Numunelerin kendiliğinden yüklenebileceği çeşitli yöntemler vardır; bunlardan en yaygın olanı, bilinen bir yükü uygulamak için sıkıştırılmış bir yay kullanarak numunede sabit bir gerilim üretmektir. Bu tür bir jig örneği Şekil 7’de gösterilmektedir. Numune tüp içinde tutulur ve yayı sıkıştırmak için tüpün ucundaki cıvata döndürülerek gerilim uygulanır. Bu düzenlemenin C-halkası testlerine göre avantajı, numune içinde basit, tekdüze bir gerilim modeli oluşturmasıdır.