استاندارد ایزو 10113: اندازه‌گیری r-value در محصولات تخت (ورق و نوار)

استاندارد ایزو 10113 یا ISO 10113:2020 با عنوان «مواد فلزی — ورق و نوار — تعیین نسبت کرنش پلاستیک (Plastic Strain Ratio)» روش مرجع بین‌المللی برای اندازه‌گیری r-value در محصولات تخت (ورق و نوار) است. این ویرایش سوم در ژانویهٔ 2020 منتشر و در نوامبر 2020 نسخهٔ «اصلاح‌شده»‌اش نیز ارائه شد. کمیتهٔ مسئول این سند ISO/TC 164/SC 2 (آزمون‌های مکانیکی فلزات) است و در رده‌بندی ICS 77.040.10 قرار می‌گیرد. نقش استاندارد بسیار روشن است: چگونه r-value را به‌شکل یکنواخت و قابل مقایسه اندازه‌گیری کنیم.

r-value دقیقاً چیست و به چه کار می‌آید؟

r-value (که به آن ضریب لَنکفورد یا نسبت ناهمسانگردی پلاستیک هم می‌گویند) نسبت «کرنش پلاستیک حقیقیِ عرض» به «کرنش پلاستیک حقیقیِ ضخامت» در آزمون کشش یک‌محورهٔ ورق است. هرچه r-value بزرگ‌تر باشد، مقاومت ماده به نازک‌شدن در حین شکل‌دهی بیشتر است—پس برای کشش عمیق (deep drawing) عدد بالاتر r معمولاً نشانهٔ «کششی‌تر بودن» ورق است. در عمل r را در کرنش‌های معینی از آزمون کشش (مثلاً حدود 15–20٪ برای فولادهای کم‌کربن) تعیین می‌کنند تا رفتار در محدودهٔ شکل‌دهی صنعتی سنجیده شود.

استاندارد ایزو 10113 این کمیت را هم تعریف و هم روش محاسبه/اندازه‌گیری آن را دقیق می‌کند. اصل داستان ساده است: اندازه‌گیری تغییرات طول و عرضِ نمونه در کشش، و سپس استنتاج کرنش ضخامت با استفاده از قانون «حفظ حجم» (جمع کرنش‌های پلاستیک حقیقی در سه راستا تقریباً صفر است). به‌همین دلیل استاندارد اجازه می‌دهد r را یا مستقیماً از اندازه‌گیری عرض و ضخامت (پس از تخلیهٔ بار و حذف جزء الاستیک) محاسبه کنید، یا غیرمستقیم از طول و عرض مشتق بگیرید.

دامنهٔ کاربرد استاندارد ایزو 10113 و ارتباط با استانداردهای دیگر

دامنهٔ سند، محصولات تخت فلزی (ورق/نوار) است و اجرای آن عملاً بر بستر یک آزمون کشش مطابق ISO 6892-1 انجام می‌شود. خود متن استاندارد ایزو 10113 به ISO 6892-1 برای اصطلاحات/الزامات آزمون کشش ارجاع می‌دهد و برای تجهیزات سنجش کرنش نیز انطباق اکستنسومتر با ISO 9513 را گوشزد می‌کنند (کلاس دقت). در نتیجه، اگر دستگاه کشش و اکستنسومتر شما به‌روز و کالیبرهٔ کلاس 0.5/1.0 باشد، به‌راحتی می‌توانید r را طبق 10113 تولید کنید.

استانداردِ جفتِ رایج در پروژه‌های ورق‌کاری ISO 10275 است که نمایهٔ سخت‌شوندگی کششی (n-value) را می‌دهد؛ معمولاً در تحلیل قابلیت شکل‌دهی، r و n را کنار هم گزارش می‌کنند: r معیار مقاومت به نازک‌شدن و n معیار توانِ توزیع کرنش.

چطور نمونه ببُریم و چه نتایجی گزارش کنیم؟

چون r به راستای نورد حساس است، استاندارد ایزو 10113 تصریح می‌کند که نمونه‌ها معمولاً در سه راستا نسبت به جهت نورد بریده و آزمون شوند: ۰° (طولی)، ۴۵° و ۹۰° (عرضی). آنگاه سه مقدار r0، r45 و r90 به‌دست می‌آید. برای خلاصه‌سازی رفتار صفحه‌ای، استاندارد «میانگین وزنی r» را به‌صورت زیر معرفی می‌کند: rˉ=r0+2r45+r904\bar{r}=\frac{r_{0}+2r_{45}+r_{90}}{4}rˉ=4r0​+2r45​+r90​​

همچنین ناهمسانگردی صفحه‌ای (Δr) را نیز تعریف می‌کند که شاخص گوشه‌زنی (earing) در کشش عمیق است و از ترکیب همین سه r به‌دست می‌آید. این فرمول‌ها در متن رسمی 10113 (ویرایش 2020) آمده‌اند و در منابع فنی شکل‌دهی نیز همان‌ها به‌کار می‌روند.

مطالعه پیشنهادی: استاندارد ایزو 10100: آزمون‌های پذیرش سیلندر هیدرولیک

روش‌های اجرایی در استاندارد ایزو 10113 (دستی، نیمه‌اتوماتیک، تمام‌اتوماتیک)

در ویرایش 2020، استاندارد سه راهکار را برای اندازه‌گیری ارائه می‌کند:

1. روش دستی: اندازه‌گیری طول و عرض با ابزارهای دستی پس از رسیدن به کرنش هدف (و تخلیهٔ الاستیک).
2. روش نیمه‌اتوماتیک (فقط اکستنسومتر طول): طول با اکستنسومتر، ولی عرض به‌صورت دستی اندازه‌گیری می‌شود.
3. روش تمام‌اتوماتیک (اکستنسومتر طول + اکستنسومتر عرض): تغییرات طول و عرض به‌صورت لحظه‌ای و در حین آزمون ثبت می‌شود. استاندارد برای بهبود تکرارپذیری، این روش را ترجیح می‌دهد.

نکتهٔ مهمِ ویرایش 2020: برای افزایش قابلیت تکرار و کاهش وابستگی به ناهمگنی موضعی، اندازه‌گیری عرض باید در چند نقطه در طول ناحیهٔ سنجه انجام و میانگین‌گیری شود؛ همچنین طول بخش موازی نمونه بهتر است حداقل ۶ برابر عرض اولیهٔ ناحیهٔ سنجه (b₀) باشد تا میدان کرنش یکنواخت‌تر بماند. این دو توصیه صراحتاً در متن 2020 آمده‌اند.

محاسبات و فرمول‌بندی به زبان ساده

در تعریف رسمی، r چنین بیان می‌شود:
r=εp,b/εp,ar = \varepsilon_{p,b} / \varepsilon_{p,a}r=εp,b​/εp,a​، که در آن εp,b\varepsilon_{p,b}εp,b​ کرنش پلاستیک حقیقی عرض و εp,a\varepsilon_{p,a}εp,a​ کرنش پلاستیک حقیقی ضخامت است. چون اندازه‌گیری ضخامتِ در حین کشش سخت و کم‌دقت است، استاندارد اجازه می‌دهد از حفظ حجم استفاده کنید: εp,a+εp,b+εp,l=0\varepsilon_{p,a} + \varepsilon_{p,b} + \varepsilon_{p,l} = 0εp,a​+εp,b​+εp,l​=0. بنابراین با اندازه‌گیری دقیق طول و عرض (و حذف جزء الاستیک)، εp,a\varepsilon_{p,a}εp,a​ را نتیجه می‌گیرید و r را محاسبه می‌کنید. برای گزارش‌گری، r باید در کرنش پلاستیک مهندسیِ مشخص (یا بازهٔ مشخص) محاسبه شود تا مقایسهٔ نتایج ممکن باشد.

چرا r-value برای مهندسی شکل‌دهی حیاتی است؟

• قابلیت کشش عمیق (drawability): هرچه rˉ\bar{r}rˉ بالاتر، تمایل ورق به حفظ ضخامت در کشش بیشتر است و احتمال شکست به‌دلیل «نازک‌شدن موضعی» کاهش می‌یابد.
• گوشه‌زنی در فنجانِ کششی: Δr شاخصی است که یکنواختی جریان ماده در صفحهٔ ورق را بازتاب می‌دهد؛ هرچه به صفر نزدیک‌تر، گوشه‌ها (ear) کمتر.
  این تفسیرها در ادبیات شکل‌دهی و منابع صنعتی (فولادهای AHSS و …) به‌تفصیل آمده و با نتایج تجربی هم‌خوان است.

نکات اجرایی برای آزمایشگاه‌ها و خطوط QC

• کالیبراسیون اکستنسومترها را مطابق ISO 9513 بررسی کنید؛ دقت کلاس 0.5/1.0 برای نتایج قابل اتکا ضروری است.
• چند-نقطه‌ای سنجیدن عرض و میانگین‌گیری طول ناحیهٔ سنجه را جدی بگیرید—این توصیهٔ مستقیم ویرایش 2020 است و تکرارپذیری r را به‌طور محسوسی بالا می‌برد.
• جهت‌بری نمونه‌ها (۰/۴۵/۹۰ درجه) را دقیق رعایت کنید و در گزارش، مقدار کرنش مرجع (مثلاً 20٪) را شفاف بنویسید؛ r به کرنش و جهت وابسته است.
• اگر نیاز دارید سنجش خودکارِ r را با نرم‌افزار انجام دهید، از اکستنسومترهای عرضیِ «میانگین‌گیر چند نقطه» یا سامانه‌های اپتیکی استفاده کنید تا مطابق توصیهٔ 2020 عمل کرده باشید.

تفاوت‌های نسخهٔ 2020 نسبت به گذشته و همتاهای ملی

ویرایش 2020 نسبت به 2006 چند نکتهٔ اجرایی را شفاف‌تر کرده است—از جمله ترجیح اندازه‌گیری لحظه‌ای عرض در چند نقطه و شرط طول موازی ≥ 6b₀—تا پراکندگی نتایج بین آزمایشگاه‌ها کاهش یابد. نسخهٔ اروپایی/ملی هم‌ارز (EN ISO 10113:2020) نیز دقیقاً همین دامنه و تغییرات را پذیرفته است.

ارتباط r-value با n-value (چرا هر دو را با هم بخواهیم؟)

n-value (به‌روش ISO 10275) شاخص توان کارسختی است و نشان می‌دهد ماده چقدر کرنش را به‌طور یکنواخت پخش می‌کند؛ r-value نشان می‌دهد ماده چقدر در برابر نازک‌شدن مقاومت دارد. برای پیش‌بینی کیفیت کشش عمیق، هر دو شاخص لازم‌اند: rˉ\bar{r}rˉ بالا برای مقاومت به نازک‌شدن و n مناسب برای توزیع کرنش و تأخیر در ناپایداری. استانداردها و منابع فنی هر دو کمیت را کنار هم توصیه می‌کنند.

جمع‌بندیِ اجرا: قدم‌های عملی بر مبنای استاندارد ایزو 10113

1. نمونه‌برداری ۰°/۴۵°/۹۰° نسبت به جهت نورد و تعیین کرنش مرجع (مثلاً 15–20٪).
2. اجرای آزمون کشش مطابق ISO 6892-1 با اکستنسومتر هم‌خوان با ISO 9513.
3. انتخاب روش نیمه‌اتوماتیک (طول با اکستنسومتر، عرض دستی) یا تمام‌اتوماتیک (طول + عرض با اکستنسومتر)؛ در حالت دوم، حتماً عرض را در چند نقطه بسنجید و طول موازی ≥ ۶b₀ باشد.
4. محاسبهٔ r0، r45، r90 و سپس rˉ\bar{r}rˉ و Δr بر اساس فرمول‌های استاندارد؛ نتایج را با کرنش مرجع گزارش کنید.
5. در تحلیل قابلیت شکل‌دهی، r و n را با هم ببینید تا تصویر کاملی از «مقاومت به نازک‌شدن» و «توان پخش کرنش» داشته باشید.

منابع کلیدی برای استناد

• صفحهٔ رسمی ISO: مشخصات ویرایش 2020 (تاریخ انتشار، نسخهٔ اصلاح‌شده، کمیته و ICS). ISO
• متن/پیش‌نمایش استاندارد: تعریف رسمی r، قانون حفظ حجم، فرمول‌های rˉ\bar{r}rˉ و Δr و روش‌های 8.3/8.4. Iteh Standards+1
• توصیه‌های جدید 2020 برای اندازه‌گیری عرض در چند نقطه و طول موازی ≥ ۶b₀. Iteh Standards
• کاربرد مهندسی r-value در کشش عمیق و نقش کرنش مرجع (15–20٪). AHSS Guidelines
• هم‌بستگی با ISO 10275 (n-value) و منابع صنعتی مرتبط. ISOZwickRoell Materials Testing