Pękanie naprężeniowe w zespołach z tworzyw sztucznych

Pękanie naprężeniowe w klejonych i powlekanych zespołach

Najważniejsze wnioski

• Pękanie naprężeniowe (ESC) wymaga jednoczesnego działania naprężenia i środowiska chemicznego — każdy z tych czynników osobno jest zwykle nieszkodliwy, dlatego karty charakterystyki materiałów go nie przewidują.
• Montaż dostarcza obu czynników. Kleje, rozpuszczalniki, powłoki oraz zaciski stosowane przy ich nakładaniu wprowadzają jednocześnie czynnik chemiczny i naprężenie.
• Podatną grupą są polimery amorficzne — poliwęglan, ABS, akryl, polisulfon i PPO ulegają temu zjawisku znacznie częściej niż tworzywa półkrystaliczne.
• Resztkowe naprężenie wtryskowe jest niewidoczne i często większe od obciążenia eksploatacyjnego; wygrzewanie i kontrola w świetle spolaryzowanym to tanie sposoby jego wykrycia.

Pękanie naprężeniowe jest rodzajem uszkodzenia, które najczęściej zaskakuje zespoły inżynierskie, ponieważ omija sposób, w jaki zwykle specyfikuje się tworzywa sztuczne. Materiał spełnia wymaganą wytrzymałość na rozciąganie. Część jest obciążona znacznie poniżej tej wytrzymałości. Substancja chemiczna, z którą ma kontakt, jest wymieniona jako zgodna. A mimo to zespół pęka — po kilku tygodniach od wysyłki, w sposób kruchy, zupełnie niepodobny do zachowania opisanego w karcie charakterystyki materiału.

Wyjaśnienie jest takie, że ESC nie jest właściwością samego materiału. Jest właściwością kombinacji materiału, stanu naprężeń i środowiska chemicznego — a w procesie specyfikacji te trzy elementy ocenia się zazwyczaj osobno.

Mechanizm w skrócie

Polimery amorficzne poddane naprężeniu rozciągającemu tworzą pęknięcia włoskowate (crazes): mikroskopijne obszary pustek połączone rozciągniętymi włóknami polimeru. W normalnych warunkach tworzenie takich pęknięć pochłania energię i jest w dużej mierze niegroźne. Jeśli jednak pojawi się czynnik chemiczny o odpowiedniej zależności rozpuszczalności względem polimeru, wnika on w pęknięcie włoskowate, lokalnie uplastycznia włókna i obniża naprężenie potrzebne do rozwinięcia się pęknięcia w szczelinę. Polimer nie ulega rozpuszczeniu ani degradacji chemicznej — konwencjonalne badania zgodności chemicznej na próbkach nieobciążonych niczego nie wykazują — lecz bariera energetyczna dla wzrostu szczeliny zanika.

Wynikają z tego dwie konsekwencje. Po pierwsze, oba składniki są bezwzględnie konieczne: nieobciążona część w tej samej substancji chemicznej jest bezpieczna, podobnie jak część obciążona w czystym powietrzu. Po drugie, proces zależy od czasu i ma charakter progowy, więc część może przetrwać miesiące, a następnie ulec zniszczeniu, a niewielki wzrost naprężenia lub stężenia może skrócić czas do uszkodzenia nawet o rząd wielkości.

Dlaczego najczęściej winny jest montaż

Operacje klejenia, powlekania i zdobienia wyjątkowo skutecznie dostarczają obu wymaganych warunków w tym samym miejscu.

• Rozpuszczalniki. Kleje rozpuszczalnikowe, primery, ściereczki czyszczące i farby wprowadzają czynnik chemiczny w bezpośredni kontakt z polimerem, często w obszarze największych naprężeń, ponieważ właśnie tam znajduje się połączenie.
• Skurcz podczas utwardzania. Kleje i powłoki kurczą się podczas utwardzania, a sztywna warstwa związana ze sztywnym podłożem przenosi ten skurcz jako naprężenie rozciągające w powierzchni podłoża — dokładnie tam, gdzie zaczynają się pęknięcia włoskowate.
• Naprężenia montażowe. Połączenia wciskowe, zatrzaskowe, wkręty samogwintujące, zaciski w trakcie utwardzania oraz niedopasowana rozszerzalność cieplna narzucają trwałe naprężenia. W przeciwieństwie do obciążeń eksploatacyjnych nigdy nie ustępują.
• Resztkowe naprężenia wtryskowe. Często największy składnik ze wszystkich, a przy tym niewidoczny. Część może opuścić formę z naprężeniami wewnętrznymi porównywalnymi z obciążeniem eksploatacyjnym lub większymi, skupionymi w pobliżu punktów wtrysku, przejść grubości i linii łączenia strumieni.

Analiza, która za składnik naprężeń przyjmuje wyłącznie obciążenie eksploatacyjne, a pomija pozostałe trzy, dojdzie do wniosku, że część jest obciążona znacznie poniżej limitów, a ESC jest niemożliwe. Wniosek ten bywa błędny na tyle często, że warto go sprawdzać za każdym razem.

Wykrywanie niewidocznych naprężeń

Pomiar naprężeń resztkowych nie wymaga zaawansowanego sprzętu. Przezroczyste i półprzezroczyste części umieszczone między skrzyżowanymi filtrami polaryzacyjnymi wykazują wzory dwójłomności, które bezpośrednio odwzorowują rozkład naprężeń; technika ta zajmuje kilka minut i od razu pokazuje, czy obszary punktów wtrysku i linie łączenia strumieni są silnie naprężone. W przypadku części nieprzezroczystych kontrolowane zanurzenie w określonym odczynniku przez określony czas powoduje powstawanie pęknięć włoskowatych przede wszystkim w obszarach naprężonych, co daje jakościową mapę naprężeń. Wygrzewanie próbki tuż poniżej temperatury zeszklenia i pomiar zmiany wymiarów pozwala ilościowo określić, ile naprężeń zostało „zamrożonych”.

Jeśli potwierdzono istotne naprężenia resztkowe, działania korygujące dotyczą procesu wtrysku: wyższa temperatura formy, wolniejsze wypełnianie, skorygowany docisk, zmiana położenia punktu wtrysku, zmiana konstrukcji na grubsze przekroje bez gwałtownych przejść, a w niektórych przypadkach wygrzewanie po formowaniu. Działania te są zwykle tańsze niż zmiana materiału i zawsze tańsze niż akcja serwisowa w terenie.

Eliminowanie narażenia chemicznego już na etapie projektu

Jeżeli czynnik wprowadza do układu sam proces, często dostępne — i zbyt rzadko stosowane — jest jego zastąpienie. Można zastosować bezrozpuszczalnikowe lub wodne środki czyszczące zamiast agresywnych rozpuszczalników; kleje utwardzane UV lub topliwe zamiast połączeń sklejanych rozpuszczalnikowo; formulacje klejów o niskim skurczu; a w przypadku poliwęglanu i akrylu w szczególności — chemie klejów kwalifikowane jako niepowodujące pęknięć włoskowatych na tych podłożach.

Jeżeli czynnik pojawia się w eksploatacji — środki czyszczące, kremy z filtrem przeciwsłonecznym, środki odstraszające owady, paliwa, plastyfikatory migrujące z sąsiednich części, środki dezynfekcyjne w zastosowaniach medycznych — reakcja projektowa polega na zmniejszeniu trwałego naprężenia rozciągającego na narażonej powierzchni, odsunięciu połączeń od strefy narażenia lub przejściu na materiał półkrystaliczny. Kremy z filtrem przeciwsłonecznym i środki do dezynfekcji rąk zasługują na szczególną uwagę, ponieważ powodują stały strumień awarii w terenie w produktach konsumenckich i medycznych, a niemal nigdy nie ma ich w pierwotnej dokumentacji wymagań.

Badania, które naprawdę coś przewidują

Standardowe tabele zgodności chemicznej opracowuje się na próbkach nieobciążonych, więc systematycznie zaniżają ryzyko ESC. Miarodajne badania polegają na jednoczesnym zastosowaniu naprężenia i substancji chemicznej. Test zginanego paska utrzymuje próbki przy określonym odkształceniu podczas ekspozycji na czynnik; test stałego obciążenia rozciągającego mierzy czas do uszkodzenia przy kilku poziomach naprężenia; a badanie na rzeczywistym, zmontowanym elemencie — z właściwym klejem i właściwym mocowaniem — jest jedyną metodą uwzględniającą udział naprężeń pochodzących z samego montażu.

Należy stosować rzeczywiste substancje eksploatacyjne, a nie zamienniki, w tym te, których nikt nie określił, a z których wszyscy korzystają. Badania prowadzić w najwyższej realnej temperaturze, ponieważ ESC silnie przyspiesza wraz z jej wzrostem. Tam, gdzie to możliwe, badanie należy prowadzić do uszkodzenia, a nie przez ustalony czas, ponieważ znajomość marginesu jest warta więcej niż wiedza, że część przetrwała dowolny przedział czasu.

Rozpoznawanie w terenie

ESC ma charakterystyczny wygląd, który odróżnia je od innych sposobów uszkodzenia części z tworzyw sztucznych. Przełom jest kruchy nawet w materiale zwykle ciągliwym, z niewielkim wyciąganiem lub bez wybielenia naprężeniowego w miejscu pęknięcia. Powierzchnia szczeliny jest zwykle gładka i szklista w pobliżu miejsca inicjacji, a często widoczna jest lustrzana strefa, w której pęknięcie się zaczęło, otoczona bardziej chropowatym materiałem, w którym nastąpiło jego przyspieszenie. Liczne równoległe szczeliny lub sieć drobnych pęknięć włoskowatych w pobliżu przełomu są częste, a rzadko występują przy zwykłym uszkodzeniu przeciążeniowym.

Równie diagnostyczne jest położenie. Pęknięcia ESC zaczynają się tam, gdzie naprężenie rozciągające jest największe i gdzie wystąpił kontakt z substancją chemiczną, dlatego skupiają się przy punktach wtrysku, liniach łączenia strumieni, przejściach grubości ścianek, wokół wkładek i słupków wkrętów oraz bezpośrednio przy liniach klejenia i powlekanych krawędziach. Pęknięcie rozpoczynające się na brzegu ścieżki kleju i biegnące w głąb części jest niemal sygnaturą tego zjawiska.

Jeśli diagnoza budzi wątpliwości, potwierdzeniem jest test odtworzeniowy: należy pobrać nieobciążone części z tej samej partii, przyłożyć znane odkształcenie, poddać je działaniu podejrzewanego czynnika i sprawdzić, czy powstaje taki sam wygląd przełomu. Jeśli tak, mechanizm jest potwierdzony, a działanie korygujące — zmniejszenie naprężeń, zmiana czynnika lub zmiana materiału — można wybrać w oparciu o koszty, a nie domysły.

Powiązane materiały

• Klejenie i łączenie
• Metody analizy przyczyn źródłowych
• Poliwęglan
• Linie łączenia strumieni i linie spawania jako ukryte przyczyny
• Najlepsze praktyki klejenia termoplastów półkrystalicznych

Potrzebują Państwo pomocy w tym zakresie?

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w diagnozowaniu i eliminowaniu pękania naprężeniowego w zmontowanych elementach z tworzyw sztucznych. Nasz zespół usług inżynieryjnych współpracuje z producentami w zakresie opracowania procesów, kwalifikacji materiałów i rozwiązywania problemów produkcyjnych. Prosimy o kontakt w celu omówienia Państwa zastosowania.

Najczęściej zadawane pytania

Czym dokładnie jest pękanie naprężeniowe środowiskowe?

ESC to kruche pękanie polimeru pod łącznym działaniem naprężenia mechanicznego i czynnika chemicznego, przy poziomach naprężenia i stężeniach chemicznych, które żadne z osobna nie spowodowałyby uszkodzenia. Czynnik nie atakuje chemicznie polimeru; przyspiesza tworzenie pęknięć włoskowatych i wzrost szczeliny, obniżając energię potrzebną do wytworzenia nowych powierzchni.

Które tworzywa są najbardziej podatne?

Podatną grupą są termoplasty amorficzne: poliwęglan, ABS, akryl, polistyren, polisulfon i modyfikowany PPO. Materiały półkrystaliczne, takie jak polipropylen, acetal, nylon i PBT, są znacznie bardziej odporne, ponieważ ich obszary krystaliczne utrudniają propagację pęknięć włoskowatych, choć w agresywnych warunkach nie są na nie całkowicie odporne.

Czy klej może powodować pękanie naprężeniowe?

Tak, i jest to częsty mechanizm. Kleje rozpuszczalnikowe i środki czyszczące dostarczają czynnik chemiczny bezpośrednio, nieutwardzone składniki układów reaktywnych mogą działać jako czynniki, a skurcz przy utwardzaniu dostarcza naprężenia. Połączenie może więc stworzyć oba wymagane warunki w tym samym punkcie i w tym samym momencie, dlatego klejone zespoły z poliwęglanu i akrylu tak często ulegają temu rodzajowi uszkodzenia.

Jak wykryć naprężenia resztkowe w formowanej części?

Światło spolaryzowane bezpośrednio pokazuje wzory naprężeń w częściach przezroczystych. W częściach nieprzezroczystych test zanurzeniowy w kontrolowanym odczynniku ujawnia obszary naprężone w postaci pęknięć włoskowatych. Wygrzewanie próbki poniżej temperatury zeszklenia i ponowny pomiar wymiarów wskazuje, ile naprężeń było zamrożonych. Wszystkie trzy metody są niedrogie w porównaniu z awarią w terenie.

Czy ESC pojawia się od razu, czy z czasem?

Zwykle z czasem, i to właśnie czyni je niebezpiecznym. Inicjacja pęknięcia może trwać tygodnie lub miesiące przy poziomach naprężeń eksploatacyjnych, przez co części przechodzą wszystkie testy produkcyjne, a ulegają uszkodzeniu u klienta. Badania przyspieszone z użyciem rzeczywistych substancji eksploatacyjnych pod obciążeniem to jedyny niezawodny sposób ich wykrycia, zanim zrobią to klienci.

---