การวัดค่าความแข็งของวัสดุ และ เครื่องวัดค่าความแข็ง
ค่าความแข็งของวัสดุเป็นสมบัติทางกลของสารที่มีความสำคัญต่อการควบคุมคุณภาพของวัตถุดิบ กระบวนการผลิต ไปจนถึงคุณภาพของผลิตภัณฑ์ รอยกดบนชิ้นงานที่ได้จากเครื่องทดสอบความแข็งนั้นจะเป็นตัวบ่งบอกความแข็งแรง ความยืดหยุ่น ลักษณะโครงสร้างหรือองค์ประกอบของวัตถุดิบหรือผลิตภัณฑ์ได้เป็นอย่างดี
ผู้เขียนได้เรียบเรียงความสำคัญ วิธีการ เทคนิค และการทดสอบคุณภาพของเครื่องทดสอบความแข็ง โดยจะเน้นในส่วนของการทดสอบความแข็งทางด้านโลหะและพลาสติก ซึ่งอาจเป็นประโยชน์ต่อผู้อ่านในการพิจารณาเลือกเครื่องมือที่ถูกต้องเหมาะกับการใช้งานHardness Tester คืออะไร ?
ก่อนที่จะรู้ว่า Hardness Tester คืออะไรนั้น ต้องมาทราบกันก่อนว่า Hardness คืออะไร
Hardness หรือ ความแข็ง เป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่แสดงถึงความสามารถในการคงรูปของวัสดุต่างๆ เมื่อมีแรงภายนอกหรือโหลดมากระทำกับวัตถุนั้นๆ ความแข็งเป็นปริมาณสัมพัทธ์ที่มีความแตกต่างจากปริมาณทางฟิสิกส์อื่นๆ เช่น ระยะทาง เวลา ปริมาตร หรือกระแสไฟฟ้า ตรงที่ไม่มีจำนวนหรือมาตรฐานที่แน่นอน แต่จะขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะทางกายภาพอย่างอื่น เช่น tensile strength, yield strength, ขีดจำกัดความยืดหยุ่น ความต้านทานการเกิดรอย เป็นต้น
ความแข็งของวัสดุจึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมคุณภาพของผลิตภัณฑ์ การคำนวณน้ำหนัก ความดัน หรืออุณหภูมิ เพื่อที่จะดูว่าวัสดุนั้นมีความสามารถในการยืดหยุ่นได้หรือไม่เป็นสิ่งที่ยุ่งยาก การวัดค่าความแข็งเป็นหนึ่งในวิธีการดังกล่าวที่ดูเหมือนจะเป็นวิธีที่ง่ายและดีที่สุด
Hardness Tester จึงเป็นเครื่องมือที่ใช้ในการวัดและทดสอบค่าความแข็งนั่นเองคำจำกัดความ
ได้มีการให้คำจำกัดความของความแข็งตามวิธีการออกเป็น 3 แบบหลักๆ ได้แก่ Scratch Hardness, Indentation Hardness และ Rebound Hardness
Scratch Hardness
Scratch Hardness มักถูกนำไปใช้ในการวัดความแข็งของแร่ แร่ที่มีความแข็งมากกว่าจะทำให้แร่ที่มีความแข็งน้อยกว่าเกิดริ้วรอยขีดข่วนขึ้น เป็นที่ทราบกันดีว่าเพชรบริสุทธิ์เป็นสารที่มีความแข็งมากที่สุด ดังนั้นจึงเป็นตัวที่นำไปใช้ในการทดสอบความแข็งของแร่ตัวอื่นๆ และทดสอบคุณภาพของเพชรด้วยกันเอง
Indentation Hardness
โดยหลักแล้ว Indentation Hardness จะนำไปใช้ในทางด้านวิศวกรรมและโลหะ หาความต้านทานในการเกิดรอยของวัสดุ ซึ่งจะทำการวัดโดยใช้หัวกดที่มีรูปร่างและขนาดต่างๆ กดลงบนวัสดุ และคำนวณทิศทางของผลการกดที่เกิดขึ้น
Indentation Hardness มีวิธีการที่ใช้ในการวัดความแข็งอย่างหลากหลาย แต่โดยทั่วไปแล้ว ได้แก่ Brinell Hardness Test, Rockwell Hardness Test, Vickers Hardness Test และ Knoop Hardness Test ผลที่ได้จากวิธีการต่างๆ นี้จะไม่มีความเกี่ยวข้องกันเลย
ลักษณะของหัวกดแบบ Rockwell
Rebound Hardness Rebound Hardness หรือที่รู้จักกันว่า Dynamic หรือ Absolute Hardness ใช้ในการวัดการคืนรูปของวัสดุ โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Scleroscope
เทคนิคการทดสอบความแข็ง เดิมเทคนิคในการทดสอบความแข็งมีด้วยกัน 3 วิธี คือ Brinell Hardness, Rockwell Hardness และ Vickers Hardness ซึ่งการทดสอบจะวัดความลึกของหัวกดที่จมลงไปในเนื้อวัสดุ ภายใต้แรงกดและระยะเวลาที่กำหนด ในปัจจุบันวิธีการวัดความแข็ง ได้แก่ Rockwell Hardness, Brinell Hardneess, Vickers Hardness, Knoop Hardness และ Shore
Rockwell hardness Test
เป็นวิธีการวัดความแข็งโดยการวัดและเปรียบเทียบความลึกของรอยกดบนพื้นผิววัสดุเมื่อมีแรงกดขนาดต่างๆ มากระทำ ซึ่งจะแบ่งออกเป็น 2 ช่วง คือ แรงกดนำ (preload) ขนาด 10 กิโลกรัม สำหรับการทดสอบแบบปกติ และขนาด 3 กิโลกรัม เพื่อทำการทดสอบพื้นผิว และใส่เพิ่มเข้าไปให้ได้ แรงกดเต็ม (full load) เป็น 60, 100 หรือ 150 สำหรับการทดสอบแบบปกติ และ 15, 30 หรือ 45 เพื่อการทดสอบพื้นผิว แล้วทำการคำนวณค่าความแข็ง Rockwell หัวกดที่ใช้อาจเป็นลูกเหล็กกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดต่างๆ หรือรูปกรวยที่มีมุม 120 องศา และมีเพชรทรงกลมขนาดรัศมี 0.2 มิลลิเมตรอยู่ที่ปลาย การทดสอบแบบนี้เป็นการทดสอบที่ง่าย รวดเร็ว เหมาะสำหรับชิ้นงานที่มีความแข็งสม่ำเสมอตลอดชิ้นงาน
การทดสอบแบบ Brinell
เป็นวิธีการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางของรอยกดที่เกิดจากหัวกดประเภทเหล็กหรือคาร์ไบด์ที่มีรูปร่างเป็นทรงกลมขนาดต่างๆ บนพื้นผิวของวัสดุ แต่โดยทั่วไปมักมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มิลลิเมตร และแรงกดขนาด 50-3,000 กิโลกรัม แล้วนำไปคำนวณค่าความแข็ง Brinell ตัวเลขต่างๆ ที่ได้จะบอกถึงเงื่อนไขที่ใช้ในการทดสอบ เช่น 75 HBW 10/500/30 หมายความว่า ความแข็ง Brinell มีค่าเท่ากับ 75 หัวกดที่ใช้มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาด 10 มิลลิเมตร ที่แรงกด 500 กิโลกรัม และใช้เวลาในการกด 30 วินาที เป็นต้น การทดสอบนี้มีข้อจำกัดของวัสดุที่นำมาใช้ทดสอบนั้นต้องมีค่าความแข็งไม่เกิน 650 HBW ถ้ามากกว่านี้ วิธีการแบบ Rockwell และ Vickers จะมีความเหมาะสมมากกว่า
การทดสอบแบบ Brinell จะให้รอยกดที่มีความลึกและกว้างกว่าวิธีการอื่นๆ จึงเหมาะสำหรับการวัดค่าความแข็งของตัวอย่างที่มีขนาดใหญ่ และใช้ได้ทั้งวัสดุที่มีลักษณะเป็นเนื้อเดียว (homogeneous) หรือเนื้อผสม (heterogeneous) เนื่องจากขนาดของรอยกดจะครอบคลุมเฟสหรือองค์ประกอบทั้งหมดของเนื้อวัสดุ
การทดสอบแบบ Brinell จะให้รอยกดที่มีความลึกและกว้างกว่าวิธีการอื่นๆ จึงเหมาะสำหรับการวัดค่าความแข็งของตัวอย่างที่มีขนาดใหญ่ และใช้ได้ทั้งวัสดุที่มีลักษณะเป็นเนื้อเดียว (homogeneous) หรือเนื้อผสม (heterogeneous) เนื่องจากขนาดของรอยกดจะครอบคลุมเฟสหรือองค์ประกอบทั้งหมดของเนื้อวัสดุ
Vickers Hardness Test
ลักษณะของหัวกดแบบ Vickers
เทคนิคนี้เป็นการพัฒนามาจากการทดสอบแบบ Brinell เพื่อลดปัญหาของความถูกต้องในการวัด หัวกดที่ใช้ในวิธีการนี้ คือ เพชร ซึ่งมีรูปร่างเป็นปิระมิดฐานสี่เหลี่ยมจัตุรัส และมีมุมระหว่างผิวหน้าด้านตรงข้ามกันเท่ากับ 136 องศา แรงกดที่ใช้อยู่ระหว่าง 1 กรัม - 100 กิโลกรัม ใช้ระยะเวลากดประมาณ 10-15 วินาที รอยที่เกิดขึ้นมีขนาดเล็กในระดับไมครอนจึงต้องอาศัยกล้องจุลทรรศน์ในการช่วยคำนวณความแข็ง
ค่าความแข็งที่ได้จะแสดงออกมาดังเช่น 800 HV/10 ซึ่งหมายถึง มีค่าความแข็ง Vickers 800 และใช้แรงกด 10 กิโลกรัม ค่าความแข็งที่ได้จากวิธีการนี้จะให้ผลที่ชัดเจนและเป็นรูปแบบมากกว่าวิธีการอื่นๆ และสามารถใช้ทดสอบวัสดุได้อย่างหลากหลายทั้งที่มีองค์ประกอบสม่ำเสมอและไม่สม่ำเสมอ
ค่าความแข็งที่ได้จะแสดงออกมาดังเช่น 800 HV/10 ซึ่งหมายถึง มีค่าความแข็ง Vickers 800 และใช้แรงกด 10 กิโลกรัม ค่าความแข็งที่ได้จากวิธีการนี้จะให้ผลที่ชัดเจนและเป็นรูปแบบมากกว่าวิธีการอื่นๆ และสามารถใช้ทดสอบวัสดุได้อย่างหลากหลายทั้งที่มีองค์ประกอบสม่ำเสมอและไม่สม่ำเสมอ
Knoop Hardness Test วิธีการนี้จะคล้ายคลึงกับวิธี Vickers แต่หัวกดที่ใช้เป็นเพชรรูปร่างปิระมิดที่มีมุมเป็น 130 องศา และ 172 องศา 30 ลิปดา เนื่องจากหัวกดมีลักษณะเรียวยาวจึงสร้างรอยกดที่มีความยาวของเส้นทแยงมุมมากกว่าวิธีการอื่นๆ ถึง 7 เท่า ทำให้สามารถเห็นภาพรอยกดได้อย่างชัดเจนแม้ใช้แรงกดต่ำ เทคนิคนี้จึงเหมาะสำหรับการทดสอบฟิล์มบาง หรือวัสดุที่เปราะแตกง่าย รวมถึงการทดสอบสมบัติที่ขึ้นอยู่กับทิศทาง (anisotropy) ได้
ลักษณะของหัวกดแบบ Knoop
Shore Shore Scleroscope เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการคำนวณความแข็งของวัสดุในเทอมของความยืดหยุ่น โดยหัวกดที่มีปลายเป็นเพชรจะถูกปล่อยออกจากตำแหน่งความสูงที่กำหนดลงบนส่วนที่ต้องการทดสอบ ค่าความแข็งจะขึ้นอยู่กับความสูงของหัวกดที่กระดอนกลับ วัสดุที่มีความแข็งมาก หัวกดก็จะกระดอนสูง
Shore Scleroscope
ค่าความแข็ง Shore จะหมายถึงค่าที่วัดความต้านทานของวัสดุที่จะทำให้เกิดรอย ยิ่งค่านี้มีค่าสูงมากเท่าไหร่ จะยิ่งแสดงว่าวัสดุจะเกิดรอยได้ยาก การทดสอบด้วยวิธีนี้เป็นที่นิยมใช้ในการทดสอบความแข็งของพลาสติกและยางเช่นเดียวกันกับวิธีการ Rockwell
วิธีอื่นๆ
นอกจากวิธีการที่กล่าวมาข้างต้นแล้วยังมีวิธีการอื่นๆอีก ได้แก่ Moh Hardness Test ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้สำหรับดูว่าวัสดุสามารถเกิดรอยขีดข่วนจากวัสดุอื่นได้มากน้อยเท่าไหร่วิธีการนี้เหมาะสมสำหรับการวัดความแข็งของแร่ธาตุแต่ไม่เหมาะสำหรับการวัดความแข็งในอุตสาหกรรมเหล็กหรือเซรามิกส์ อีกวิธีคือ Barcol Hardness เป็นวิธีการหาค่าความแข็งโดยการคำนวณจากความสามารถในการต้านรอยที่เกิดจากเหล็กแหลมที่มีโหลดสปริง
สำหรับวิธีการพิจารณาเลือกเครื่องมือการสอบเทียบ และการควบคุมคุณภาพของ Hardness Tester จะกล่าวถึงในตอนต่อไปเอกสารอ้างอิง
1. http://www.indentec.com/reference.html
2. http://www3.tky.3web.ne.jp/~kb01/E/whatis.html
3. http://www.hardnesstesters.com
4. http://www.calce.umd.edu/general/Facilities/Hardness_ad_.htm
5. ดร. จินตมัยสุวรรณประทีป. การทดสอบความแข็ง บางสิ่งที่อาจมองข้าม. LAB.TODAY. ปีที่ 1. ฉบับที่ 5. กรกฎาคม-สิงหาคม2545. 57.
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Haedness
7. Unknown, Mandatory Guidance for Calibration Scopes of Accreditation for Hardness Measurements, A2LA, xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />xml:namespace prefix = st1 />12/08/03. http://www.a2fa.org/guidance/Scope_Hardness.pdf.
8. Trevor Sidaway, Hardness Testing - An Integral Part of Quality Control, Materials World, Vol. 12 no. 11 pp. 583-84, November 1994. http://www.amazon.com/details.asp?ArticleID=531
เครื่องวัดความแข็งของยาง( Durometer ) ชนิด เอ (Shore A)
คําสําคัญ ความแข็ง, ยาง, Durometer
โดยทั่วไปคุณลักษณะทางด้านความแข็ง คือ เรื่องราวของของแข็งที่รู้ข้อสรุปแน่นนอน และได
นํามาประยุกต์ใช้เป็นเครื่องมือเพื่อวัดค่าความแข็งของวัสดุซึ่งจะมีความแตกต่างทางกฎเกณฑและ
จุดมุ่งหมายต่างๆของการใช้งาน ค่าความแข็งคือผลจากการวัดที่มีรูปแบบภายใต้เงื่อนไขของการใชแรง
และชนิดของหัวกดกระทําลงบนพื้นที่ผิวของวัสดุได้รับการบรรจุเข้าสู่ระบบมาตรวิทยาและมีความ
หลากหลายของระบบและหน่วยของการวัด ซึ่งจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุเป็นสําคัญใช้เป็นตัวชี้บอกถึง
คุณภาพของผลิตภัณฑและใช้เป็นเครื่องมือหลักในการควบคุมคุณภาพของการผลิตจึงเกิดเป็นนิยามที่มาจาก
พื้นฐานการตรวจสอบที่หลากหลายในปัจจุบัน ซึ่งสามารถสรุปเปนขอกําหนดในทางฟสิกสไดดังนี้
1. เป็นการต้านทานการเคลื่อนที่ของแรงกดหรือน้ำหนักที่กดลงโดยเครื่องมือ
2. เป็นการดูดกลืนพลังงานภายใตการอัดหรือการสะทอนอันเนื่องมาจากความแข็งของวัสดุ
3. เป็นการต้านทานการขูดขีด, ตัด หรือ เจาะ
4. เป็นการต้านทานการทําให้เกิดรอย ฯลฯ
เครื่องวัดความแข็งในปจจุบันมีหลายชนิดขึ้นกับลักษณะการใชงานและ คุณลักษณะ การใชงาน
และการเลือกชนิดที่ใชตองมีความถูกต้องและเหมาะสมกับระบบการวัดวิเคราะหผลิตภัณฑ เครื่องวัดความ
แข็งของยางชนิด เอ (Type A) เปนเครื่องวัดวิเคราะหอีกชนิดหนึ่งที่ใชเป็นตัวชี้บอกค่าความแข็งทางด้านยาง
ซึ่งในที่นี้จะกลาวถึงเครื่องวัดความแข็งของยางชนิด เอ ที่ใชเปนมาตรฐานในป็จจุบันและไดรับการผลิตตาม
มาตรฐาน ASTM D 2240,JIS K 6253 กับ มาตรฐาน JIS K 6301 ซึ่งในข้อกําหนดที่เปนมาตรฐานสากล
เครื่องวัดความแข็งชนิดเดียวกันจะตองแสดงหรือพิสูจนใหเห็นไดว่ามีความสอดคล้องของค่าบ่งชี้และ
เป็นไปตามข้อกําหนดของคุณลักษณะเฉพาะของเครื่องมือชนิดนั้นๆ ซึ่งในเครื่องวัดความแข็งของยางชนิด
