روش های تعیین سختی

چکیده

سختي يک ماده عبارتست از مقاومت در برابر ايجاد فرورفتگي توسط يک جسم سخت تر. برای اندازه گیری سختی، روش های مختلفی وجود دارد که در این مقاله به بیان آنها می پردازیم.

۱ مقدمه

آزمون سختی پلیمرها بر مبنای روش های آزمونی می‌باشد که در ابتدا برای مواد فلزی به کار می‌رفته اند. سختی یک ماده عبارتست از مقاومت در برابر ایجاد فرورفتگی توسط یک جسم سخت تر. این تعریف ساده و توصیفی از سختی، با وجود آنکه برای کاربردهای عملی مبهم می‌باشد، به یک تعریف استاندارد تبدیل شده است. در آزمون های سختی استاندارد که امروزه اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرند، یک جسم نفوذ کننده سخت به سطح نمونه مورد آزمایش فشار داده می‌شود. بنابراین یک تنش سه جهتی در محل فشار ایجاد می‌شود. در واقع تغییر شکل حاصل به صورت ترکیبی از تغییر شکل های کششی، فشاری و برشی می‌باشد.

آزمون سختی نسبتاً ساده و سریع می‌باشد و از نظر تجهیزات به انرژی و مواد کمی نیاز دارد، و در نتیجه یکی از آزمون های رایج در تعیین خواص مکانیکی مواد می‌باشد. همچنین این آزمون جزو آزمون های غیرمخرب محسوب می‌شود، چرا که در حین آزمون تنها چند فرورفتگی سطحی در نمونه ها ایجاد می‌شود که بر روی رفتار نمونه ها تاثیر چندانی ندارد. به همین دلیل با این روش امکان سنجش اجزای خیلی کوچک و لایه های نازکی فراهم می‌شود که به سختی می‌توان در مورد سایر خواص آنها اطلاعاتی به دست آورد. در نهایت می‌توان از روی مقادیر سختی به دست آمده و با استفاده از روابطی که از لحاظ آماری قابل اطمینان می‌باشند، حداقل در یک گروه خاص از مواد، سایر خواص مکانیکی را، مانند نقطه تسلیم، به دست آورد.

روش های آزمون سختی که هر یک برای گروه خاصی از مواد و دامنه کاربرد می‌باشند، در موارد زیر با یکدیگر متفاوت می‌باشند:

  • شکل سوزن یا جسم نفوذ کننده: در فلزات و پلاستیک های سخت از شکل هرمی (منشور) استفاده می‌شود. در حالیکه در لاستیک ها و مواد نسبتاً نرم شکل کروی به کار می‌رود. در durometer عمدتاً از مخروط ناقص استفاده می‌شود.
  • جنس سوزن (فولاد، فلز سخت، الماس)
  • میزان و زمان بار (اعمال نیرو): برحسب میزان بار روش های تعیین سختی به دو نوع کلی microindentation و macroindentation تقسیم می‌شوند. در microindentation نیرو کمتر از حدوداً ۵N می‌باشد.
  • زمان اندازه گیری فرورفتگی: در فلزات با توجه به ثابت و دائمی بودن تغییر شکل، سنجش فرورفتگی پس از اعمال نیرو انجام می‌شود. اما در لاستیک ها با توجه به رفتار الاستیک این مواد، سنجش فرورفتگی در هنگام اعمال نیرو صورت می‌گیرد. در پلاستیک ها هر دو مورد فوق رایج است.
  • نحوه اندازه گیری سختی (از روی عمق نفوذ، مساحت ناحیه فرورفته، میزان نیرو)

همچنین آزمون سختی را به سه روش می‌توان انجام داد:

  1. اعمال یک نیروی ثابت و اندازه گیری فرورفتگی حاصل
  2. سنجش نیروی لازم جهت ایجاد یک فرورفتگی مشخص و ثابت
  3. استفاده از یک فنر، که نتیجه آن تغییر نیرو با عمق نفوذ خواهد بود.

از آنجاییکه در گذشته اندازه گیری نیرو دشوار و پیچیده بوده است، روش دوم مرسوم نمی باشد. در دستگاه های تعیین سختی که روی یک میز کار ثابت شده اند، از روش اول استفاده می‌شود، و در دستگاه های قابل حمل روش سوم به کار می‌رود.

در جدول زیر انواع روش های تعیین سختی نشان داده شده است:

سنجش در هنگام اعمال نیرو

سنجش پس از اعمال نیرو

تعیین سختی از روی عمق نفوذ تعیین سختی از روی مساحت فرورفتگی
سختی نفوذ کره سختی Vickers
سختی IRHD مقاومت نفوذ Buchholz
سختی ?-Rockwell تعیین سختی از روی عمق نفوذ
سختی Shore سختی Rockwell
سختی Barcol تعیین سختی از روی نسبت نیرو به مساحت فرورفتگی
تعیین سختی از روی قطر فرورفتگی سختی Knoop
سختی Vickers تحت بار
روش های آزمون ویژه
فرایند UCI

هنگام انجام آزمون سختی برای پلاستیک ها بایستی رفتار موادی را نیز در نظر گرفت. تغییر شکل ممکن است کاملاً الاستیک، ویسکوالاستیک و یا پلاستیک باشد. بنابراین موارد موثر زیر نیز بایستی ثبت شود:

  • دمای آزمایش
  • زمان افزایش نیرو
  • طول مدتی که تمام نیرو اعمال می‌شود
  • تاریخچه ماده (فرایند و انبار)

همچنین عواملی از قبیل آرایش یافتگی، تنش های باقیمانده و مورفولوژی بر روی نتایج آزمون تاثیر گذار می‌باشد.

یکی از اصلی ترین منابع خطا در تعیین سختی مواد پدیده strain hardening می‌باشد. برای از بین بردن این خطا بایستی میزان فرورفتگی و در نتیجه کرنش حاصل خیلی کم باشد.

با توجه به عوامل متعددی که ذکر شد، عموماً نتایج به دست آمده از یک روش را نمی توان با نتایج به دست آمده از روش های دیگر مقایسه نمود. البته در پاره ای موارد بین برخی از روش ها روابطی به دست آمده است.

۲ انواع روش های تعیین سختی

با توجه به مواردی که ذکر شد، روش های مختلفی برای تعیین سختی پلیمرها وجود دارد. در ادامه برخی از این روش ها توضیح داده شده است.

۲-۱ Shore Durometer

شاید بتوان گفت که رایج ترین روش، سختی سنج Shore است که خود دارای دو نوع می‌باشد. در Shore A از یک سوزن به شکل مخروط ناقص استفاده می‌شود و در Shore D سوزن به شکل یک مخروط با نوک کروی شکل می‌باشد. در هر دو مورد نیرو توسط وزنه و یک فنر اعمال می‌شود، و عمق فرورفتگی به عنوان معیاری برای سنجش سختی می‌باشد، طبق رابطه زیر:

    \[ D = 100 - \frac{h}{0.025} \]

که در این رابطه h عمق فرورفتگی در زمان اعمال کل نیرو می‌باشد و واحد آن بایستی mm باشد. Shore A برای تعیین سختی لاستیک های نرم و پلاستیک های خیلی نرم، مانند PVC نرم شده به کار می‌رود، و Shore D در مورد لاستیک های سخت و ترموپلاستیک هایی مانند PTFE کاربرد دارد. یکی از مزیت های روش Shore امکان کاربرد سیار آن می‌باشد، چرا که معمولاً از دستگاه های دستی وکوچک استفاده می‌شود.

یک نکته مهم در اینجا طول مدت اعمال نیرو قبل از خواندن سختی می‌باشد، چرا که هرچه زمان بیشتری نیرو اعمال شود، مقدار کمتری برای سختی به دست خواهد آمد. در استاندارد ISO زمان ۱۵ ثانیه ذکر شده است و در استاندارد ASTM زمان ۱ ثانیه.

۲-۲ نفوذ ساچمه

در این روش از یک ساچمه فولادی به قطر ۵mm استفاده می‌شود. در ابتدا وزن ۹.۸N اعمال شده، فرورفتگی حاصل به عنوان سطح مرجع در نظر گرفته می‌شود، یعنی دستگاه روی صفر تنظیم می‌گردد. در ضمن این نیروی اولیه باعث می‌شود آثار سطحی کاهش یافته، تماس بین نمونه و ساچمه به خوبی برقرار شود. سپس بار اصلی با وزن های ۴۹، ۱۳۲، ۳۵۸ و یا ۹۶۱ نیوتن بارگذاری می‌شود، طوری که عمق نهایی فرورفتگی بین ۰.۱۵mm تا ۰.۳۵mm باشد. مقدار سختی از رابطه زیر به دست می‌آید:

    \[ H = 0.0535 \frac{F}{h-0.04} \]

F (برحسب نیوتون) مقدار کل نیرو بوده و h (برحسب mm) عمق فرورفتگی پس از گذشت ۳۰ ثانیه می‌باشد. نتیجه آزمون به صورت مثلاً H_{132/30}=20Nmm^{-2}  میباشد، که در آن عدد اول نشان دهنده میزان بار اضافی و عدد دوم زمان اعمال نیرو می‌باشد.

۲-۳ سختی نفوذ ساچمه IRHD

این روش بیشتر برای لاستیک های نرم و نسبتاً سخت و همچنین ترموپلاستیک های خیلی نرم، مانند PVC نرم شده، به کار می‌رود. برحسب قطر ساچمه و میزان بار، چهار نوع متفاوت از این روش وجود دارد:

نوع کاربرد قطر ساچمه (mm) میزان بار (N)
N معمولی (normal) ۲.۵ ۵.۴
H سختی بالا (high hardness) ۱ ۵.۴
L سختی پایین (low hardness) ۵ ۵.۴
M سختی میکرو (microhardness) ۰.۳۹۵ ۰.۱۴۵

در این روش نیز ابتدا یک بار اولیه اعمال می‌شود و دستگاه روی صفر تنظیم می‌گردد. سپس طبق جدول فوق بار نهایی اعمال شده و پس از ۳۰ ثانیه عمق فرورفتگی در زمان اعمال نیرو اندازه گیری می‌شود. درجه بین المللی سختی لاستیک (IRHD1) با توجه به عمق فرورفتگی و از روی جداولی به دست می‌آید. این مقیاس سختی به گونه ای تنظیم شده است که سختی صفر مربوط به ماده ای با مدول یانگ صفر و سختی ۱۰۰ مربوط به ماده ای با مدول یانگ بینهایت می‌باشد.

۲-۴ سختی Rockwell

در این روش نیز از یک ساچمه فولادی استفاده می‌شود. ابتدا نیروی اولیه F0 به مدت ۱۰ ثانیه اعمال می‌شود و دستگاه روی صفر تنظیم می‌گردد. سپس نیروی F1 به مدت ۱۵ ثانیه اعمال می‌شود و سپس این نیرو از روی ساچمه برداشته می‌شود. عمق فرورفتگی h که در نمونه پس از حذف نیروی F1 باقی می‌ماند (هنوز نیروی F­۰ برقرار است)، اندازه گیری شده و طبق رابطه زیر سختی Rockwell به دست می‌آید:

    \[ HR = 130-\frac{h}{0.002} \]

h برحسب mm و HR برحسب N.mm^{-2}میباشد. برحسب قطر و مقدار نیرو سختی Rockwell انواع مختلفی دارد:

نوع قطر ساچمه (mm) میزان بار (N)
R ۱۲.۷ ۵۸۸.۴
L ۶.۳۵ ۵۸۸.۴
M ۶.۳۵ ۹۸۰.۷
E ۳.۱۷۵ ۹۸۰.۷

نوع سختی Rockwell بایستی به گونه ای انتخاب شود که سختی بین ۵۰ و ۱۱۵ به دست آید. با توجه به اینکه عمق فرورفتگی پس از حذف نیروی F1 اندازه گیری می‌شود، در انواع فوق تنها تغییر شکل پلاستیک لحاظ می‌شود.

۲-۵ سختی α-Rockwell

در این روش برخلاف انواع M, L, R و E که در بالا توضیح داده شد، عمق فرورفتگی در زمان اعمال کل نیرو (F1+ F0) اندازه گیری می‌شود. در این صورت علاوه بر تغییر شکل پلاستیک، تغییر شکل الاستیک نیز لحاظ خواهد شد. قطر ساچمه ۱۲.۷mm می‌باشد. سختی α-Rockwell طبق رابطه زیر به دست می‌آید:

    \[ HR\alpha = 150-\frac{h}{0.002} \]

h برحسب mm و HR? برحسب N.mm^{-2} می‌باشد.

۲-۶ سختی Barcol

این روش برای تعیین سختی ترموست های تقویت شده با الیاف و ترموپلاستیک های سخت کاربرد دارد. دستگاه مربوطه به صورت دستی و قابل حمل طراحی و ساخته می‌شود. نیرو توسط یک فنر وارد می‌شود. سختی از رابطه زیر به دست می‌آید:

    \[ mmBarcol-hardness = 100-\frac{h}{0.0076} \]

مزیت این روش در مقایسه با Shore D ، امکان آزمودن مواد با سختی های بالاتر می‌باشد.

۲-۷ سختی Vickers

این روش در ابتدا برای فلزات به کار می‌رفته است، اما می‌توان برای پلاستیک ها نیز از این روش استفاده نمود. جسم نفوذ کننده به شکل یک منشور با سطح مقطع مربع و زاویه یال ۱۳۶° می‌باشد. نیرو معمولاً کمر از ۵N می‌باشد. سختی Vickers از رابطه زیر به دست می‌آید:

    \[ HV =\frac{F}{A}=\frac{1.8544F}{d^2} \]

F مقدار نیروی اعمالی (برحسب N)، A سطح مقطع فرورفتگی (برحسب mm2) و d میانگین دو قطر چهارضلعی حاصل از فرورفتگی (برحسب mm) می‌باشد. HV نیز سختی Vickers بوده و برحسب N.mm^{-2} به دست می‌آید.

قطرها معمولاً پس از اعمال نیرو و توسط میکروسکوپ نوری اندازه گیری می‌شوند.  البته با به کاربردن منشوری از الماس به عنوان ماده نفوذ کننده می‌توان سطح فرورفتگی و قطرها را در حین اعمال نیرو نیز مشاهده و اندازه گیری نمود.

سختی Vickers برای پلاستیک ها استاندارد نشده است، اما در تعیین سختی میکرو و تحت بار کم اهمیت ویژه ای کسب کرده است.

۲-۸ سختی Knoop

این روش در کل شبیه به روش Vickers می‌باشد، اما دو تفاوت عمده با آن دارد. یکی اینکه در جسم نفوذ کننده، سطح مقطع منشور یک لوزی به شدت غیرایزوتروپیک (نسبت اقطار ۷:۱) می‌باشد، و دیگر اینکه سختی Knoop از روی مساحت تصویر سطح فرورفتگی محاسبه می‌شود، در حالیکه در روش Vickers از مساحت ناحیه فرورفتگی استفاده می‌شد. به عبارت دیگر سختی Knoop با داشتن قطر بزرگ چهارضلعی فرورفته (l) از رابطه زیر به دست می‌آید:

    \[ HK =\frac{F}{A}=\frac{14.23F}{l^2} \]

با توجه به اینکه در این روش عمق فرورفتگی تقریباً \frac{1}{30} قطر بزرگ می‌باشد، روش Knoop برای سنجش سختی نمونه های بسیار نازک، باریک، نقاط نزدیک لبه، فویل ها و پوشش های پلاستیکی مناسب می‌باشد. همچنین با سنجش سختی در جهات مختلف می‌توان به غیرایزوتروپیک بودن مواد پی برد.

 ۳ منابع

  1. W. Grellman, S. seidler ; “Polymer testing”, Hanser, 2006
  2. R. Brown; “Handbook of polymer testing”, Rapra Technology, 2002

پی نوشت

  1. International Rubber Hardness Degrees

5 دیدگاه