نحوه تعیین خصوصیات رفتاری مواد در مواد شکننده، پلاستیک ها و کامپوزیت ها

نحوه تعیین خصوصیات رفتاری مواد در مواد شکننده، پلاستیک ها و کامپوزیت ها:
موادی که هنگام اعمال کشش در مقادیر پایین کرنش می شکنند، به عنوان مواد ترد یا «شکننده» (Brittle) در نظر گرفته می شوند.

بتن، سنگ، آهن ریخته گری شده، شیشه، سرامیک و انواع مختلف آلیاژهای فلزی، مثال های شناخته شده از مواد شکننده هستند.

شکست در این گونه مواد پس از حد تناسب (نقطه A در شکل زیر) و بر اثر ایجاد کشیدگی های کوچک رخ می دهد.

علاوه بر این، کاهش مساحت در مواد شکننده غیر قابل توجه است و تنش اسمی شکست (نقطه B) با تنش نهایی برابری می کند.

مقادیر تنش تسلیم در فولادهای پرکربن بسیار زیاد (در برخی از موارد بیش از 700 مگاپاسکال) است. با این وجود، این فولادها به صورت شکننده رفتار می کنند و در کرنش های کوچک می شکنند.

شیشه معمولی به عنوان یک ماده شکننده ایدئال در نظر گرفته می شود زیرا تقریباً هیچ تغییر شکلی در این ماده رخ نمی دهد.

منحنی تنش-کرنش برای یک شیشه تحت کشش به صورت خطی است و پیش از ایجاد هرگونه تسلیم، شکست در آن رخ می دهد. تنش نهایی شیشه به نوع آن، اندازه نمونه و حضور نقص های میکروسکوپی بستگی دارد.

این تنش برای برخی از شیشه های تخت در حدود 70 مگاپاسکال است. الیاف شیشه می توانند مقاومت بسیار بالا و تنش نهایی بیش از 7 گیگاپاسکال داشته باشند.

پلاستیک ها:
پلاستیک ها از موادی به شمار می روند که در سازه های بسیار زیادی مورد استفاده قرار می گیرند.

وزن سبک، مقاومت در برابر خوردگی و عایق خوب الکتریکی، از دلایل کابرد گسترده این مواد در سازه ها است.

انواع مختلف پلاستیک ها خصوصیات مکانیکی بسیار متفاوتی با یکدیگر دارند؛ به گونه ای که برخی از آن ها به عنوان مواد شکل پذیر و برخی دیگر به عنوان مواد شکننده محسوب می شوند.

در هنگام انجام طراحی بر اساس قطعات پلاستیکی باید توجه داشت که تغییرات دما و گذر زمان بر روی خواص این گونه مواد تأثیر بسیار زیادی دارند.

به عنوان مثال، در برخی از پلاستیک ها با افزایش دما از 10 درجه سانتی گراد به 50 درجه سانتی گراد، مقدار تنش کششی نهایی نصف می شود.

به علاوه، امکان کشیده شدن یک قطعه پلاستیکی تحت بارگذاری با گذر زمان و از بین رفتن کاربری آن نیز وجود دارد.

به عنوان نمونه، اگر میله ای از جنس کلرید پلی وینیل تحت بار کششی با کرنش اولیه 0.005 قرار گیرد، احتمال دو برابر شدن کرنش درون آن پس از گذشت یک هفته و بدون تغییر میزان بار اعمال شده وجود دارد. به این پدیده، «خزش» (Creep) گفته می شود.

مقادیر تنش کششی نهایی پلاستیک ها معمولاً بین 14 مگاپاسکال تا 350 مگاپاسکال و وزن مخصوص آن ها بین 8 تا 14 کیلونیوتن بر متر مکعب (kN/m3) قرار دارد.

نوع خاصی از نایلون دارای تنش نهایی 80 مگاپاسکال و وزن مخصوص 11 کیلونیوتن بر متر مکعب (تنها 12 درصد سنگین تر از آب) است. به دلیل وزن سبک این نایلون، نسبت مقاومت به وزن آن با فولاد سازه ای برابری می کند.

کامپوزیت ها:
«مواد تقویت شده با فیلامنت» (Filament-Reinforced Material) دارای زمینه ای از جنس فیلامنت ها (رشته ها)، الیاف یا تارهای مقاوم هستند.

کامپوزیت به دست آمده از این ترکیبات، مقاومت بسیار بالایی نسبت به مواد اولیه دارد. به عنوان مثال، کاربرد الیاف شیشه (فایبرگلاس) در زمینه مواد پلاستیکی می تواند مقاومت این مواد را دو برابر کند.

کامپوزیت ها به طور گسترده در ساخت هواپیما، قایق ها، راکت ها و فضاپیماها مورد استفاده قرار می گیرند؛ چراکه این سازه ها به موادی با مقاومت بالا و در حین حال وزن پایین نیازمند هستند.