مروری بر روش های سختی سنجی مواد

خواص مکانیکی مواد دسته ای از خواص ماده هستند که عکس العمل آن ها را در برابر نیروهای فیزیکی وارد شده بررسی می کنند. خواصی مانند استحکام تسلیم، استحکام کششی، فشاری و برشی، سفتی، سختی و استحکام ضربه ای، بررسی ریز ساختار، پدیده های خستگی، خزش، مقاومت به اکسید شدن، مقاومت به انواع خوردگی و … که در مقالات پیشین به بررسی آن ها پرداختیم. اصولا برای اندازه گیری خواص گفته شده از آزمون های مخرب استفاده می شود. این آزمون ها به دو صورت ماکرو (Macro) و میکرو (Micro) انجام می گیرد که البته روش های ماکرو را می توان با تغییر کاربری به مقیاس میکرو برد. در نگارش این مقاله سعی داریم تا ضمن معرفی سختی، به بررسی روش های سختی سنجی مواد بپردازیم.

سختی چیست؟

سختی، از ویژگی های اصلی و ذاتی یک ماده نیست. برای مثال در یک ماده خاص، مقدار سختی در دو نقطه مختلف آن ممکن است فرق داشته باشد. در صورتی که خصوصیتی مثل مدول الاستیسیته (E) برای یک ماده کاملا مشخص است. برای واژه سختی می توان بیش از یک معنی تعریف کرد:

• طبق تعریف اول سختی را می توان به صورت مقاومت ماده در برابر سایش دانست.
• طبق تعریف دوم سختی را می توان به صورت مقاومت در مقابل تغییر شکل پلاستیک یا دائمی دانست.
• اما بر طبق تعریف سوم که رایج تر است، اصطلاح سختی را می توان به میزان مقاومت اجسام در برابر تغییر شکل پلاستیک توسط فرورفتن جسم تیز در آن ها نسبت داد.

به طور کل برای کسی که با علم مکانیک و مواد سروکار دارد به احتمال زیاد سختی به معنی “مقاومت در برابر فرورفتگی” است. لازم به ذکر است که سختی یک عدد بدون بعد است و عدد بیش تر در هر مقیاس، به معنی ماده سخت تر است.

سختی سنجی چیست؟

سختی سنجی، یک آزمون مکانیکی ارزشمند، واضح و معمول است که در طول ۲۵۰ سال گذشته برای اکثر مواد و به خصوص فلزات مورد استفاده قرار گرفته است. شواهد نشان می دهند سختی سنجی اولیه در سال ۱۷۷۲ شروع شد. در آن زمان لبه دو نمونه فلزی منشوری شکل بر روی هم فشار داده می شدند و هر ماده ای که بر روی دیگری خراش می انداخت سخت تر شناخته می شد. امروزه اصول سختی سنجی بر پایه‌ی اندازه گیری مقاومت جسم در برابر فرورفتگی سنجیده می شود.

اساس این آزمون به صورت اندازه گیری میزان نفوذ جسم نفوذکننده درون نمونه‌ی آزمایش است. در مرحله‌ی بعد نیز نیروی لازم برای این کار افزایش یافته یا مقدار فرو روندگی در برابر نیرویی معین اندازه گیری می شود. به این ترتیب می توان سختی جسم مورد نظر را اندازه گیری کرد. امروزه از روش های مختلف سختی سنجی به منظور اندازه گیری میزان سختی فلزات به ویژه پس از سخت کاری و عملیات حرارتی استفاده می شود. در ادامه به تحلیل روش های سختی سنجی خواهیم پرداخت.

سختی سنجی مینرالوژی (موس) «MOHS»

این روش در واقع همان روش قدیمی مذکور است که بعدها در سال ۱۸۲۲ به روش سختی سنجی ماینرالوژی (کانی شناسی) تکامل یافت. در این روش مینرال ها (سنگ ها) و سایر مواد بر حسب قدرت خراش دادن بر دیگر مواد طبقه بندی شده و در جدول MOHS جایگذاری می شوند. نرم ترین کانی این جدول “تالک” دارای سختی ۱ و سخت ترین آن ها یعنی الماس با سختی ۱۰ هستند. بر اساس جدول زیر، جسم سخت تر قایلیت ایجاد خراش بر روی جسم نرم تر را دارد. این روش، تست ساده ای برای سنجش سختی محسوب می شود اما معمولا برای فلزات مورد استفاده قرار نمی گیرد.

8

دقیــقه مطالعه

سختی سنجی موس (Mohs hardness)

سختی همواره از ویژگی‌های مهم مواد به شمار می‌آید، چرا که با اندازه گیری آن می‌تو...

سختی سنجی شُور «SHORE»

سختی سنجی شور روشی قدیمی است که معمولا برای اندازه‌گیری سختی صفحات نازک به کار می‌رود. در این روش یک هرم الماسی (یا منشور) از ارتفاع معینی رها شده و پس از برخورد با صفحه مجدداً به طرف بالا باز می گردد. با توجه به ارتفاع بازگشت، می توان سختی را به روش شور محاسبه کرد. بدین ترتیب که هر چه هرم یا منشور الماس پس از برخورد با صفحه به ارتفاع بالاتری برگردد، جسم سخت‌تر است، زیرا انرژی کمتری صرف تغییر شکل نرم جسم می‌شود.

سختی سنجی برینل «HB»

یکی از قدیمی ترین روش های سختی سنجی، آزمایش برینل است. برینل یک آزمون سختی سنجی ایستایی است که بر اساس صورت فشردن یک ساچمه فولادی سخت بر روی سطح نمونه تعریف می شود.

در این آزمون معمولا از یک ساچمه به قطر ۱۰ میلی متر از جنس فولاد سخت یا کربور تنگستن، برای اعمال بار بر روی سطح ماده استفاده می شود. برای فلزات سخت، مقدار بار ۳۰۰۰ کیلوگرم، برای فلزات نیمه سخت ۱۵۰۰ کیلوگرم و برای نرم ۵۰۰ کیلوگرم یا کمتر تعبیه می شود. در آزمایشات استاندارد، بار کامل به مدت سی ثانیه بر روی فلزات آهنی و ۶۰ ثانیه بر روی فلزات نرم تر وارد می آید. عدد سختی برینل (BHN) مقدار فشار وارد بر واحد سطح حفره ایجاد شده بر حسب کیلوگرم بر میلی متر مربع است.

تست برینل را می توان توسط یک دستگاه آزمون عمومی (یونیورسال) با اضافه کردن یک مبدل مناسب که ساچمه را نگه دارد، انجام داد. در آزمایش برینل استاندارد قطر حفره ایجاد شده توسط ساچمه، به وسیله یک میکروسکوپ میکرومتر و یا میکروسکوپ برینل که یک صفحه شفاف مدرج در میان آن است، اندازه گرفته می شود.

سختی سنجی برینل معیار خوبی برای اندازه گیری سختی است اما دارای محدودیت هایی است. یکی از این محدودیت ها مناسب نبودن آن برای قطعات خیلی سخت است. چرا که در این مواد ساچمه عموما تغییر شکل می دهد. همچنین برای قطعات خیلی نازک که عمق حفره ایجاد شده بیشتر از ضخامت قطعه باشد، این روش پیشنهاد نمی شود.

سختی سنجی ویکرز «HV»

در تست سختی ویکرز از یک هرم الماسی با قاعده مربع به عنوان سنبه استفاده می شود. زاویه میان وجوه مقابل این هرم ۱۳۶ درجه است. بار اعمالی نیز معمولا بین ۱۰ تا ۱۵ ثانیه اعمال می‌شود. اثر این روش روی نمونه آزمایش مربعی شکل است.

در دستگاه های آزمایش استاندارد ویکرز، دو تیغه درون چشمی میکروسکوپ تعبیه شده اند. تیغه ها طوری تنظیم می شوند که درست بر لبه های فرورفتگی منطبق شوند. فاصله بین دو تیغه از روی مقیاس متصل به چشمی خوانده می شود. عدد خوانده شده، عدد چشمی نام دارد و همراه هر دستگاه آزمایش جدول هایی برای تبدیل عدد چشمی به عدد سختی ویکرز به ازای نیروهای مختلف وجود دارد. عدد چشمی را می توان با دقت ۰٫۰۰۱ میلی متر خواند.

برای دستیابی به بهترین جواب آزمون سختی، نیروی فرورونده باید طوری انتخاب شود که قطر فرورفتگی حدود ۰٫۵ میلی متر باشد. ضخامت ماده آزمایش در این روش نباید کمتر از ۱٫۵ برابر قطر فرورونده باشد. از طریق سختی سنجی ویکرز می‌توان سختی فلزات خیلی سخت تا خیلی نرم را اندازه گرفت. محدودیت اصلی این روش سرعت کم آزمایش است. سختی سنجی ویکرز با نیروهای کمتر می تواند در میکروسختی سنجی به کار گرفته شود.

 سختی سنجی نوپ «HK»

تست سختی سنجی نوپ روشی نسبتا جدید است که در ایالات متحده امریکا ابداع شد. در این روش از یک هرم الماسی استفاده می شود که قطر حفره بزرگ ایجاد شده توسط آن هفت برابر قطر کوچکش و در حدود سی برابر عمق آن است. سختی سنجی نوپ به طور خاص برای مواد بسیار ترد و صفحات نازک استفاده می‌ شود. در این روش دندانه‌ی الماسی بر روی سطح پولیش شده با نیرویی مشخص (معمولا ۱۰۰ گرم) در زمانی مشخص نگه داشته و نتیجه آن نیز به وسیله میکروسکوپ نوری اندازه گیری می‌شود.

امتیاز این نوع فرو رونده در مقایسه با فرو رونده آزمون ویکرز در این است که طول فرورفتگی نوپ حدودا سه برابر قطر فرورفتگی ویکرز است و سختی را می توان با دقت بیشتری اندازه گیری کرد.

انجام تست سختی نوپ بر روی سطوح غیر تخت پیشنهاد نمی‌شود. چرا که نتایج تحت تاثیر انحنا قرار می‌گیرد حتی اگر شعاع انحنای سطح کاملا در راستای قطر کوچک دندانه باشد. یکی از محدودیت های این روش نسبت به ویکرز این است که به دلیل نفوذ کمتر فرو رونده، تست نوپ حساسیت بیشتری به شرایط سطحی نمونه دارد. این روش را مانند روش ویکرز می توان در مقیاس میکرو نیز به کار گرفت.

سختی سنجی راکول «RH»

روش راکول عمق نفوذ پایدار ایجاد شده توسط یک نیرو که بر روی نفوذ کننده اعمال شده را اندازه می گیرد. ابتدا یک نیروی اولیه ۱۰ کیلوگرمی به عنوان “پیش بار” با استفاده از نفوذ کننده به نمونه وارد می شود. سپس، بار اضافی که “بار اصلی” نامیده می شود برای رسیدن به تمام بار مورد نیاز آزمون اعمال می شود. این نیرو برای مدت زمانی که از قبل تعیین شده نگه داشته می شود تا اجازه بازگشت الاستیک وجود داشته باشد. سپس این بار رها شده و تفاوت عمق ایجاد شده با دو نیرو اندازه گیری می شود. با استفاده از جدول تبدیل سختی استاندارد، مقدار سختی راکول برای نیروی اعمال شده، قطر نفوذ کننده و عمق نفوذ اندازه گیری می شود.

در روش راکول انواع فرو رونده و نیروهای مختلف را می توان به کار برد. مقیاس های مختلف راکول و نمونه های مورد آزمون در جدول زیر آورده شده است. در اکثر موارد برای اندازه گیری سختی فلزات از سه روش زیر بیشتر استفاده می شود:

• راکول A که نیروی ۶۰ کیلوگرم را اعمال می کند.
• راکول B که نیروی ۱۰۰ کیلوگرم را اعمال می کند.
• راکول C که نیروی ۱۵۰ کیلوگرم را اعمال می کند.

عدد سختی راکول بدون حرف پیشوند، بی معنی است. فولاد سخت شده در مقیاس راکول C با سنبه الماسی و بار اصلی ۱۵۰ کیلوگرم آزمایش می شود. دامنه مفید این مقیاس از حدود ۲۰RC تا ۷۰RC است. مواد نرم تر معمولا در مقیاس B با گلوله فولادی به قطر ۰٫۱۵ سانتی متر یا یک شانزدهم اینچ و بار اصلی ۱۰۰kg اندازه گیری می شوند. دامنه این مقیاس از ۰RB تا ۱۰۰RB متغیر است. مقیاس راکول A با فرورونده الماسی و بار اصلی ۶۰ کیلوگرم نیز گسترده ترین مقیاس سختی راکول است و برای موادی از برنج آنیل شده تا کاربیدهای سمانته شده به کار می رود.

8

دقیــقه مطالعه

پیش‌نویس خودکار

خواص مکانیکی مواد دسته ای از خواص ماده هستند که عکس العمل آن ها را در برابر...

در این بخش برای آشنایی بیشتر با تست راکول توجه شما را به فیلم کوتاهی که در این زمینه تهیه شده، جلب می کنیم.

فرمول های محاسبه عدد سختی

در جدول زیر فرمول های محاسبه‌ی عدد سختی برای روش هایی که دارای رابطه‌ی سختی هستند آورده شده است.

مقایسه‌ی روش های سختی سنجی

انتخاب یک روش تست سختی سنجی بستگی به هدف آزمایش، سهولت آن و دقت مورد نظر دارد. در روش برینل چون سطح اثر بزرگ است فقط نمونه های ضخیم با این روش آزمایش می شوند. سطح نمونه‌ی آزمون در روش برینل نباید لزوما به صافی سطح مورد نیاز در سختی سنجی با سنبه های کوچکتر باشد. در مقابل روش راکول سریع و ساده است. به علت کوچک تر بودن نیرو و دندانه نسبت به روش برینل با این روش می توان نمونه های نازک تر را سختی سنجی کرد. همچنین مواد سخت به خوبی مواد نرم قابل آزمایش اند.

سنجشگر ویکرز، حساس ترین دستگاه سختی سنجی است. این روش یک مقیاس پیوسته برای تمام مواد دارد و عدد سختی آن مستقل از نیروست. به علت امکان به کارگیری نیروهای کم در این روش می توان نمونه هایی بسیار نازک تر از نمونه های مورد آزمایش با دیگر روش ها را سختی سنجی کرد. همچنین سطح اثر مربع ساده ترین شکل برای اندازه گیری دقیق است. سختی سنجی به روش نوپ نیز مزایای خاص خود را دارد. در هر حال در هر فرایند صنعتی و آزمایشگاهی باید با در نظر گرفتن تمامی معیارهای موجود از جمله هزینه و حساسیت قطعه، یکی از این روش ها انتخاب شود.

شما می توانید برای آشنایی با سایر روش های آزمون های مخرب مواد به پست های زیر که در همین وب سایت تهیه شده، مراجعه کنید:

• آزمون کشش (Tensile Test)
• آزمون فشار (Compression Test)
• آشنایی با تست ضربه (Impact Test)
• تست خمش مواد (Bending Test)
• خزش و مکانیزم های آن (Creep and Mechanisms)
• از خستگی در مواد چه می دانیم؟ (Fatigue Test)
• متالوگرافی و کاربردهای آن (Metallography)

منابع

Dieter, G.E. and D.J. Bacon, Mechanical metallurgy. Vol. 3
William D.Callister,Jr. &David G.Rethwisch, Material Science and Engineering An Introduction
Introduction to physical metallurgy,S.H.Avne
packmangroup.com