آزمون سختی پلیمرها

مقدمه

اندازه گیری سختی یکی از اصلی ترین و رایج ترین آزمون های فیزیکی و مکانیکی مواد است. سختی، به عنوان مقاومت یک ماده در برابر نفوذ و فرورفتگی ناشی از یک جسم صلب سخت تر از آن و یا به عبارت دیگر مقاومت در برابر ایجاد دندانه دائمی در سطح ماده و تغییر شکل سطح تعریف می شود.

با توجه به تعریف سختی آزمون های استاندارد برای سنجش این خاصیت تعریف شده اند. مطابق شکل 1، در این آزمون ها یک جسم نفوذ کنندۀ سخت به سطح نمونه مورد آزمایش فشار داده می شود. با اعمال فشار یک تنش سه جهتی ( کششی، فشاری و برشی ) ایجاد و سبب تغییر شکل در سطح نمونه می شود. این آزمون به دلیل سادگی، بسیار رایج و مورد استفاده است. به دلیل غیر مخرب بودن این آزمون ها برای نمونه، امکان اندازه گیری سختی اجزای کوچک و لایه های نازک فراهم می شود. در شکل 2 یک تجهیز آزمون قابل مشاهده است.

شکل1 – نمایش طرح آزمون سختی

شکل 2 – دستگاه دیجیتال آزمون سختی

انواع آزمون های استاندارد سختی

انواع مختلف آزمون های سختی بر اساس متفاوت بودن هندسه شکل فشار دهنده (indenter) است. رایج ترین آن ها شامل: 1- آزمون سختی برینل (Brinell) (کره)، 2- آزمون سختی راکول (Rockwell) (مخروط و کره) و 3- آزمون سختی Shore Dorumeter
در این بین آزمون سختی Shore Durometer محبوبیت بیش تری دارد که در ادامه به صورت جامع به آن پرداخته خواهد شد.

1) آزمون سختی برینل (Brinell)

آزمون سختی برینل شامل یک جسم نفوذ کننده با قطر 10 میلی متر (به شکل کره) از جنس استیل و یا کاربید (شکل 3)، است که تا بار معادل 3000 کیلوگرم می تواند به نمونه ماده مورد نظر وارد کند. برای مواد نرم تر این بار به 1500 و 500 کیلوگرم کاهش پیدا می کند. نمونه مورد نظر 10 تا 30 ثانیه تحت بار نفوذ کننده قرار می گیرد. این آزمون طبق استاندارد ISO 6506 و BS 240:1986 رده بندی می شود. عدد سختی برینل از معادله زیر محاسبه می شود که در آن HB، عدد سختی برینل، F، بار وارده به کیلوگرم، D، قطر کره نفوذ کننده به میلی متر و d، قطر دندانه ایجاد شده بر اثر فرورفتگی است.

شکل 3– نمایش طرح آزمون سختی برینل

برای مثال نتایج حاصل از آزمون سختی برینل بر روی یک ماده به صورت “75 HB 10/500/30” که به معنای عدد سختی برینل در قطر کره نفوذ کننده 10 میلی متر و بار وارد شده 500 کیلوگرم در 30 ثانیه است.

2) آزمون سختی راکول (Rockwell)

آزمون سختی راکول شامل نفوذ کننده مخروطی شکل از جنس الماس یا استیل است. ابتدا نیروی اولیه  ̥F به وسیلۀ نفوذ کننده به مدت 10 ثانیه اعمال شده و به میزان h₁ نفوذ می کند، سپس نیروی F₁ به مدت 15 ثانیه اعمال شده و به میزان h₂ نفوذ شکل می کند.  مقدار سختی راکول مطابق شکل 4 محاسبه می شود. استاندارد این آزمون سختی، ISO2039-2  است. عمدتاً برای پلاستیک های سخت که در آن ها کشسانی یا خزش پلیمر، اثر کمی بر نتیجه آزمون دارد نظیر پلی کربنات، نایلون، پلی استایرن و استال استفاده می شود.

شکل 4– طرح و محاسبه آزمون سختی راکول

3) آزمون سختی Shore Durometer

شاید محبوب ترین و رایج ترین روش اندازه گیری سختی مواد روش Shore Durometer است که خود به دو نوع مختلف تقسیم می شود.  Shore A که در آن یک سوزن به شکل مخروط ناقص و Shore D که در آن یک سوزن به شکل مخروط با نوک کروی شکل است. (شکل5) این آزمون طبق استانداردهای ASTM D2240 یا ISO 868  قابل انجام است. در هر دو مورد نیرو توسط وزنه و یک فنر اعمال می شود و عمق فرو رفتگی به عنوان میزانی برای سنجش سختی است. یکی از مزیت های روش Shore  قابل حمل بودن تجهیزات این آزمون به دلیل کوچک بودن دستگاه آن است.

شکل 5- آزمون Shore A و Shore D

آزمون Shore A برای تعیین سختی لاستیک های نرم و پلاستیک های خیلی نرم مانند PVC نرم شده به کار می رود. در این روش سوزن مخروطی ناقص، زاویه 35 درجه و قطر صفحه صاف 0/79 میلی متر دارد و طبق معادلۀ زیر محاسبه می شود که در آن F، نیروی وارده بر حسب میلی نیوتن و H_a مقدار سختی است.

F = 550 + 75 H_a

آزمون Shore D برای لاستیک های سخت و ترموپلاستیک هایی مانند PTFE کاربرد دارد. زاویه قرارگیری سوزن در این روش، 30 درجه و با شعاع کروی 0/1 میلی متر است که طبق معادلۀ زیر محاسبه می شود.

F = 445 H_d

جدول 1– کاربرد آزمون سختی Shore A  و Shore D در مواد مختلف

شکل 7– محدوده سختی پلیمرها

شکل 8– مقایسه محدوده سختی در آزمون سختی Shore A و Shore D

منابع:

1. Brown, Handbook of polymer testing, Rapra Technology, 2002
2. Hardness Comparison of Polymer Specimens Produced with Different Processes, 2018
3. Wear of polymers, B. J. Briscoe, S. K. Sinha, 2002, SAGE Journals
4. https://www.plastikmedia.co.uk/how-hard-is-soft-plunkett-associates-offer-a-new-service

گردآورنده:

علی باقری