تست قطعات لاستیکی؛ استانداردها، روش‌ها و تحلیل تخصصی رفتار مکانیکی

در صنایع خودروسازی، هوافضا، پزشکی و الکترونیک، استفاده از قطعات لاستیکی به دلیل خاصیت ارتجاعی، مقاومت در برابر عوامل محیطی و دوام بالا، بسیار گسترده است. با این حال، اطمینان از عملکرد صحیح این قطعات نیازمند انجام آزمون‌های استاندارد و تحلیل دقیق رفتار مکانیکی آن‌هاست. در این مقاله تخصصی، به بررسی جامع انواع تست قطعات لاستیکی، استانداردهای مرجع مانند ASTM D412 و ASTM D2240، و تحلیل دقیق نمودار تنش-کرنش، چقرمگی، مدول الاستیک و رفتار مکانیکی لاستیک‌ها و مقایسه آن با پلاستیک‌ها می‌پردازیم.

این مقاله به‌صورت خاص برای طراحان و مهندسان فعال در حوزه طراحی قطعات لاستیکی و پلاستیکی خودرو تهیه شده است تا با درک دقیق‌تری از روش‌های آزمون، مفاهیم مکانیکی و رفتار مواد، تصمیمات بهتری در انتخاب متریال، طراحی ابعادی و پیش‌بینی عملکرد قطعه در شرایط کاری اتخاذ کنند.

بخش اول: استانداردهای مهم در تست قطعات لاستیکی

ASTM D412 — آزمون کشش لاستیک

عنوان کامل: Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Elastomers—Tension

هدف: اندازه‌گیری مقاومت کششی، کرنش در پارگی و مدول کششی لاستیک‌ها

روش اجرا:

- نمونه به شکل دمبل (Type C یا D)
- کشش با نرخ ثابت تا پارگی با دستگاه یونیورسال
- داده‌ها: تنش کششی (Tensile Strength)، کرنش شکست (Elongation at Break)، مدول کششی (Modulus at 100%, 200%)
- تعیین چقرمگی به‌صورت انرژی جذب‌شده تا شکست (مساحت زیر نمودار)

کاربرد در طراحی: تحلیل مقاومت و قابلیت تغییرشکل در طراحی قطعات مانند اورینگ، واشر، کوپلینگ، گردگیر و بوش‌های لاستیکی خودرو

ASTM D2240 — آزمون سختی Shore

عنوان کامل: Standard Test Method for Rubber Property—Durometer Hardness

هدف: تعیین سختی سطحی لاستیک‌ها با استفاده از سختی‌سنج Shore (نوع A برای نرم، نوع D برای سخت)

روش اجرا:

- قرار دادن سختی‌سنج روی نمونه و اندازه‌گیری مقاومت سطح در برابر فرورفتگی
- آزمون در دمای مشخص، با حداقل ضخامت نمونه 6 میلی‌متر یا لایه‌های چسبیده

کاربرد: تشخیص سفتی نسبی لاستیک‌ها و مقایسه ترکیبات مختلف در شرایط کاری

کاربرد در طراحی: انتخاب سختی مناسب برای اجزایی که نیاز به جذب ضربه یا نرمی تماس دارند، مثل گردگیر یا پایه موتور

تست‌های قطعات لاستیکی قابل انجام در آزمایشگاه شرکت اروند نگر ارشد

ردیف	نام ابزار /دستگاه/ مواد	موارد کاربرد	شماره استاندارد	دامنه اندازه گیری
1	سختی سنج	اندازه گیری سختی لاستیک	ISO 48	0~100
2	تنسایل	استحکام کششی لاستیک	ISO 37	0~2 TON
3		ازدیاد طول لاستیک	ISO 37
4		مدول تنش-کرنش لاستیک	ISO 37
5	تنسایل، آون و فریزر	خواص مکانیکی لاستیک پس از تحمل شرایط دمایی		200~ 40- درجه سانتی گراد 0~2 TON
6	تنسایل، محفظه روغن و مواد شیمیایی	خواص مکانیکی لاستیک پس از قرار گیری در روغن یا مواد شیمیایی		0~2 TON
7	OVEN	مقاومت حرارتی به دمای بالا	D45 1234	200~70 درجه سانتی گراد
8	فریزر	مقاومت به دمای پایین	Q-JLY J7110849	تا 40- درجه سانتی گراد
9	تست اشتعال	سرعت سوختن	D45 1333

بخش دوم: تحلیل مفاهیم مکانیکی در آزمون کشش

تنش (Stress)

تنش معیاری از نیروی وارد شده بر سطح مقطع است و با واحد پاسکال (Pa یا MPa) بیان می‌شود:

کرنش (Strain)

کرنش نشان‌دهنده میزان تغییر طول نسبی نسبت به طول اولیه است:

در طراحی و تولید قطعات پلیمری، درک انواع تنش وارد بر ماده از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا عملکرد نهایی این قطعات به نوع و شدت تنش بستگی دارد. تنش‌ها به طور کلی به دو دسته‌ی اصلی تنش نرمال و تنش برشی تقسیم می‌شوند. تنش نرمال می‌تواند کششی یا فشاری باشد و به صورت عمود بر سطح وارد می‌شود، در حالی که تنش برشی در راستای سطح عمل می‌کند. بررسی دقیق این تنش‌ها در فرآیند قالب‌گیری، تست کیفیت و کاربرد نهایی قطعات پلیمری ضروری است.

جدول انواع تنش در قطعات پلیمری:

نوع تنش فارسی	نام انگلیسی (Stress Type)	جهت نیرو / منبع تنش	توضیح	مثال در قطعات پلیمری
تنش کششی	Tensile Stress	عمود بر سطح (به بیرون)	باعث افزایش طول می‌شود	در موتور خودرو یا ماشین‌آلات صنعتی، تسمه‌های لاستیکی تحت نیروی کششی دائمی قرار دارند تا نیرو را بین دو محور منتقل کنند.
تنش فشاری	Compressive Stress	عمود بر سطح (به داخل)	باعث کاهش طول می‌شود	فشار بر لاستیک‌های نصب شده درپایه‌های کاور روی موتور خودرو
تنش برشی	Shear Stress	موازی با سطح	باعث لغزش بین لایه‌ها می‌شود	برش خوردن خار قفل پلاستیکی در درب خودرو هنگام مونتاژ نادرست
تنش پیچشی	Torsional Stress	حول محور طولی	باعث پیچ‌خوردگی یا دوران می‌شود	پیچش دکمه چرخشی پلاستیکی در کنترل پنل خودرو
تنش پسماند	Residual Stress	درونی – بدون نیروی خارجی	تنش باقی‌مانده پس از فرآیند تولید یا قالب‌گیری	تاب‌برداشتن یا ترک‌های ریز پس از تزریق پلاستیک
تنش حرارتی	Thermal Stress	ناشی از تغییرات دما	به دلیل انبساط یا انقباض غیر یکنواخت ایجاد می‌شود	ترک‌برداشتن روکش پلیمری آرم خودرو پس از شست‌وشوی داغ-سرد متوالی

نمودار تنش – کرنش لاستیک و پلاستیک

نمودار واقعی تنش-کرنش، اطلاعات کلیدی درباره رفتار ماده تحت بار را ارائه می‌دهد. در شکل زیر، منحنی لاستیک و پلاستیک در کنار هم نشان داده شده‌اند:

در این نمودارها، رفتار سه دسته مواد پلیمر را مشاهده می‌کنید:

پلیمر شکننده (Brittle Polymers) – خط صاف با شکست سریع و بدون ناحیه پلاستیک
پلاستیک (Plastic Polymers) – دارای ناحیه الاستیک خطی، نقطه تسلیم (Yield Point)، سپس ناحیه پلاستیک، و در نهایت نقطه گسیختگی
لاستمر/الاستومر (Elastomeric Polymers) – تنش نسبتاً پایین تا کرنش بالا، رفتار عمدتاً الاستیک و بازگشتی تا نقطه پارگی

ناحیه‌های مهم در نمودار تنش-کرنش (Stress-Strain Curve):

نماد	نام ناحیه (فارسی)	نام ناحیه (انگلیسی)	توضیح
A	ناحیه الاستیک	Elastic Region	تغییر شکل موقت، قانون هوک حاکم است، ماده پس از باربرداری به حالت اولیه بازمی‌گردد.
B	نقطه تسلیم (در پلاستیک)	Yield Point	آغاز تغییر شکل دائم در مواد پلیمری سخت‌تر مانند پلاستیک‌ها.
C	ناحیه پلاستیک	Plastic Region	ماده دچار تغییر شکل دائم می‌شود، مناسب برای تحلیل رفتار بعد از تسلیم.
D	نقطه گسیختگی	Fracture Point	لحظه شکست و پارگی ماده؛ پایان عمر مکانیکی نمونه.

بخش سوم؛ مفاهیم کلیدی در رفتار پلیمرها

در طراحی قطعات پلیمری، درک دقیق رفتار مکانیکی ماده تحت بارگذاری‌های مختلف ضروری است. پلیمرها (شامل ترموپلاستیک‌ها و الاستومرها) ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند که آن‌ها را از فلزات و سرامیک‌ها متمایز می‌کند. برخی از مفاهیم کلیدی که باید به آن‌ها توجه شود عبارتند از:

۱. مدول الاستیسیته (Elastic Modulus)

بیانگر شیب اولیه منحنی تنش-کرنش در ناحیه کشسان خطی است و نشان‌دهنده مقاومت ماده در برابر تغییر شکل در کرنش‌های کوچک می‌باشد. در ترموپلاستیک‌ها این پارامتر معمولاً ثابت است، اما در الاستومرها به شدت وابسته به کرنش است (مدول غیرخطی).

۲. نقطه تسلیم (Yield Point)

نقطه‌ای از منحنی تنش-کرنش که ماده از رفتار الاستیک به رفتار پلاستیک گذر می‌کند. برای بسیاری از ترموپلاستیک‌ها، این نقطه وجود دارد و طراحی باید طوری باشد که تنش‌های اعمالی از آن عبور نکنند.
در الاستومرها معمولاً نقطه تسلیم به‌صورت کلاسیک تعریف‌پذیر نیست و رفتار کشسان تا کرنش‌های زیاد ادامه دارد.

۳. کشش در نقطه تسلیم (Yield Strain)

میزان کرنشی که تا نقطه تسلیم رخ می‌دهد. در مواد سخت‌تر، این مقدار کم است، در حالی‌که در مواد نرم‌تر مانند الاستومرها می‌تواند بسیار زیاد باشد.

۴. استحکام در نقطه شکست (Ultimate Tensile Strength)

بالاترین تنشی که ماده پیش از پاره‌شدن یا گسیختگی تحمل می‌کند. این مقدار برای بسیاری از ترموپلاستیک‌ها مشخص و عددی است، اما در مواد با رفتار نرم (مثل الاستومرها)، این نقطه ممکن است همراه با کرنش‌های بسیار بزرگ ظاهر شود.

۵. چقرمگی (Toughness)

مساحت زیر منحنی تنش-کرنش است و میزان انرژی لازم برای شکستن ماده را نشان می‌دهد. پلیمرهایی با چقرمگی بالا می‌توانند انرژی زیادی را قبل از گسیختگی جذب کنند؛ این ویژگی برای قطعات ضربه‌پذیر یا منعطف بسیار مهم است.

ویژگی / ماده	پلاستیک	لاستیک
مدول الاستیک	بالا (100–3000 MPa)	پایین (0.1–10 MPa)
نقطه تسلیم	مشخص (Yield Point)	ندارد (منحنی بدون شکست ناگهانی)
کرنش گسیختگی	کم (<10٪)	زیاد (300٪–800٪)
چقرمگی	متوسط	بسیار بالا
سختی Shore	بالا (Shore D)	پایین تا متوسط (Shore A)
رفتار حرارتی	شکننده در دمای پایین	انعطاف‌پذیر در بازه وسیع دمایی

پلاستیک‌ها برای قطعات ساختاری با نیاز به دقت ابعادی و سختی بالا مناسب‌ترند، در حالی‌که لاستیک‌ها در نواحی نیازمند تغییر شکل زیاد، جذب انرژی و تحمل سیکل‌های تنش-کرنش انتخاب بهتری هستند.

برای طراحی قطعات ترموپلاستیکی، پارامترهای کلیدی شامل مدول الاستیسیته، نقطه تسلیم، مقاومت کششی نهایی و پایداری ابعادی هستند و تمرکز بر رفتار در تغییر شکل‌های کوچک است.
در مقابل، طراحی با الاستومرها نیازمند بررسی رفتار غیرخطی در کرنش‌های زیاد، مدول وابسته به کرنش، چقرمگی و میرایی است، زیرا عملکرد آن‌ها بیشتر در جذب انرژی و تغییر شکل‌های بزرگ معنا پیدا می‌کند.

نتیجه‌گیری

آزمون‌های استاندارد مانند ASTM D412 و ASTM D2240 ابزارهایی حیاتی برای ارزیابی عملکرد قطعات لاستیکی در شرایط کاری مختلف هستند. تحلیل دقیق نمودار تنش-کرنش، استخراج مفاهیمی مانند چقرمگی، مدول و رفتار الاستیک–پلاستیک به درک بهتر خواص و کاربردهای فنی این مواد کمک شایانی می‌کند. در طراحی و تولید قطعات لاستیکی، شناخت این مفاهیم نه‌تنها موجب بهینه‌سازی کیفیت می‌شود، بلکه باعث انتخاب ترکیبات مناسب‌تر و کاهش هزینه‌های آزمون و خطا خواهد شد.

سارا ارشاد

آنالیز و مهندسی