اصناف البوليمر حسب منحنيات الاجهاد والتوتر

فعلى ضوء منحنيات الاجهاد والتوتر تقسم المواد البوليمرية إلى عدة أصناف رئيسية وهي:

أ) بوليمرات هشة (brittle) .

ب) بوليمرات قابلة للسحب (ductile).

ج) بوليمرات مرنة (elastic polymers)

ويلاحظ من المنحنيات في الشكل (1) والناتجة من رسم العلاقة بين الإجهاد والاستطالة (elongation) ان الجزء الأول من المنحنى هو عبارة عن خط مستقيم (linear)، وان هذا الجزء يعبر عن المرونة (elastic behaviour) والتي تتسم بها البوليمرات بشكل عام . وميل هذا الجزء من المنحنى يمثل معامل المرونة (elastic modulus) والذي يمثل النسبة بين الإجهاد (stress) والاستطالة (elongation) احد انواع التوتر (strain) فضمن هذه الحدود، عند إزالة الإجهاد عن النموذج يسترجع النموذج أبعاده الأصلية لأن الطاقة المصروفة عليه تكون مخزونة بشكل طاقة مرونة (elastic energy).

وبتجاوز هذا الجزء، فإما:

* ان يتمزق (fracture) النموذج عندما يكون البوليمر هشاً (brittle) (لاحظ المنحنى ب)

* او يوهن (yields) عند نقطة معينة في النموذج والتي تمثل بالطبع أضعف نقطة، وبذلك يقل الإجهاد (stress).

وأعلى جهد يتحمله النموذج قبل ان يوهن (yields) تدعى قوة الشد (tensile yield strength) وتمثل نقطة الوهن او نقطة الخضوع نهاية السلوك المرن في البوليمر. فبعد هذه النقطة تكون التغيرات الطارئة على البوليمر غير عكوسة (irreversible). اي أنه عند إزالة الإجهاد لا يسترجع النموذج أبعاده الأصلية بل يبقى مشوهاً لأن الطاقة المصروفة هنا تستهلك في فك الاشتباك الفيزيائي بين سلاسل البوليمر وقد تؤدي إلى كسر بعض الأواصر الرئيسية في البوليمر.

وبعد نقطة الخضوع (yield point) تبدأ منطقة الوهن (yielding region) في النموذج بالنمو على حساب طول النموذج إلى ان تشمل جميع النموذج الخاضع للإجهاد، بعد هذه المرحلة يلاحظ زيادة الإجهاد تدريجياً ويعود سبب ذلك إلى ترتب سلاسل البوليمر باتجاه محور السحب (orientation) وبذلك تزداد قوة النموذج، وبزيادة القوة المسلطة على النموذج (زيادة الاجهاد) يبلغ النموذج مرحلة التمزق (fracture).

* يلاحظ من الشكل (1 ج) ان البوليمرات المرنة او المطاطية لا تعاني ظاهرة الخضوع او الوهن بل يزداد طول النموذج ويكون التغير في مساحة المقطع العرضي للنموذج بشكل متجانس على طول الجزء المعرض للإجهاد إلى ان تبلغ مرحلة أقصى جهد يتحمله البوليمر المطاطي عندئذ يتمزق النموذج. ان المساحة الكلية المحصورة بمنحنى الإجهاد تمثل الشغل المصروف على النموذج، أما بالبوليمرات التي لا تعاني  ظاهرة الخضوع فعند تعرض نموذج منها إلى إجهاد فيحصل هناك تغير في طول النموذج إضافة إلى التغير الحاصل في مساحة المقطع العرضي غير ان النسبة بين هذين التغيرين ثابتة وتدعى بنسبة بويزن (poisons ratio) نرمز لها بالرمز ((V والتي تمثل عادة:

فعندما يكون حجم البوليمر المعرض للإجهاد ثابتاً عندئذ يكون (V) مساوياً النصف، ولكن بشكل عام فإن معظم المواد يزداد حجمها عند تعرضها لإجهاد الشد (tensile stress) . وعليه، فإن النسبة ((V تكون عادة أقل من النصف وتتراوح عادة بين (0.2) و (0.5) وتصبح قريبة من النصف بالنسبة للمطاط والسوائل.

يمكن الحصول على منحنى مماثل للإجهاد والتوتر في حالة الإنضغاط (compression) فعند ضغط نموذج من البوليمر وقياس الجهد والتغير في سمك النموذج تحت الانضغاط يمكن رسم منحنى مماثل (لاحظ الشكل (2)).

هناك العديد من الاجهزة المتطورة والتي بواسطتها يمكن إيجاد منحنى الإجهاد للبوليمر سواء تحت تأثير السحب او الانضغاط ويبين الشكل (3) نموذج لأحد هذه الاجهزة.