روش های سختی سنجی فلزات

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. اساس کار دستگاه های سختی سنجی شامل ایجاد نقطه اثر بر سطح فلز و بررسی آن می باشد.

هر روش سختی سنجی کاربرد خاصی دارد. جهت انتخاب روش سختی سنجی متناسب با نیازها و فعالیت کاری خاص، در ادامه، کاربردها و نیازمندی های روش های سختی سنجی ارائه شده است:

• سختی سنجی لیب

جهت سختی سنجی قطعات سنگین که جابجایی آن دشوار است، این روش بسیار موثر بوده و شاید گاهی اوقات تنها گزینه همین روش باشد. از دیگر کاربردهای این روشِ سختی سنجی، چک کردن سختی در زمان خرید مواد اولیه فلزی است. همچنین در انتهای پروسه ی تولید، زمانی که قطعات مونتاژ شده باشند برای تست سختی قطعات نیاز به باز کردن آنها نیست. در این روش جهت سختی سنجی اطراف و زیر قطعه نیاز به تغییر وضعیت آن نبوده و شکل قطعه مشکلی در سختی سنجی آن ایجاد نمی کند.

این روش محدودیتی از نظر سختی ندارد. جهت انجام آزمون سختی به روش لیب می بایست وزن قطعه بالای 1 کیلو و ضخامت آن بیشتر از 12 میلیمتر باشد.

انواع دستگاه های سختی سنج یونیورسال (راکول – سوپرفیشیال – ویکرز – میکرو ویکرز- برینل) به دو روش مستقیم و غیر مستقیم انجام می شود.

• سختی سنجی راکول

روش های راکول از پرکاربردترین روش های سختی سنجی است. در این روش، سرعت سختی سنجی بالا بوده و به علت عدم دخالت اپراتور در فرایند تست، خطای کاربری حداقل است یا اصلاً وجود ندارد. در سختی سنجی به روش های راکولی می بایست ضخامت قطعه ی تحت آزمون، حداقل 10 برابر عمق فرورفتگی ایندنتور راکول باشد. در روش فوق، نیازی به پولیش کامل و آینه بودن قطعه کار نیست.

از محدودیت های سختی سنجی به روش راکول می توان به ضعف در سختی سنجی قطعات نرم و نازک به علت نیروی بالای تست، و همچنین ایجاد خطا در نتایج تست لوله به علت خم شدن لوله در اثر اعمال نیروی بالا اشاره کرد.

کاربردهای روش های سختی سنجی راکول مطابق جدول 5 استاندارد ASTME18 به ترتیب زیر می باشد:

جدول مقیاس های سختی سنجی راکول

راکول برای اندازه گیری سختی فلزات نسبتاً سخت مورد استفاده قرار می گیرد که بر سه نوع است :

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

راکول هم بصورت ساچمه ای و هم بصورت سوزنی موجود است.

اساس کار اغلب این دستگاهها به نقطه اثر ایجاد شده به روی سطح فلز است. راکول ساچمه ای به کمک ۱ ساچمه کار می کند بطوریکه وزن اعمال شده به روی فلز بواسطه ی این ساچمه فلز منتقل می شود که دارای اندازه های مختلفی است ولی راکول سوزنی به کمک یک سوزن این نیرو را روی فلز ایجاد می کند که نقطه اثر آن بصورت یک مخروط ۱۲۰ درجه خواهد بود. راکول های از نوع A و C هردو نقطه اثر آن ها بصورت یک مخروط ۱۲۰ درجه است ولی راکول، ساچمه ندارد و دارای سوزن هرمی شکل با زاویه ۱۳۰ درجه است که نقطه اثر آن یک چهار گوش است.

آزمایش سختی راكول شبیه آزمایش برینل است كه در آن عدد سختی، نسبتی از بزرگی حفره ای است كه توسط یك دندانه(عمق نفوذ) و با وارد آوردن یك بار ثابت معین بر روی قطعه نمونه بوجود می آید. آزمایش راكول با آزمایش برینل از نظر اصول متفاوت است، زیرا در آزمایش راكول سه نوع بار و دندانه مختلف را می توان انتخاب نمود.
اختلاف آزمایش راكول با آزمایش برینل در كوچكتر بودن بار وارده و شكل دندانه ایجاد كننده حفره است و در نتیجه حفره ایجاد شده كوچكتر و كم عمیق تر خواهد بود. بنابراین طیف كاربرد آن وسیعتر از آزمایش برینل و انجام آن سریعتر می باشد چون می توان مستقیماَ قرائت عدد سختی را انجام داد.

دندانه فرو رونده یا نفوذ كننده ممكن است یك ساچمه فولادی سخت شده بوده و یا یك مخروط الماسه با زاویه ۱۲۰ درجه كه نوك مخروط آن گرد شده و بریل نامیده می شود، باشد. عدد سختی كه روی نشانگر مدرج می توان قرائت نمود، یك عدد دلخواه قراردادی است كه به طور معكوس با عمق حفره ایجاد شده، متناسب می باشد. مقیاس بكار رفته برای آزمایش، نشان دهنده بار وارده و نوع دندانه استفاده شده می باشد.

بعضی از دستگاههای آزمایش راكول، به صورت خاص برای تعیین سختی سطح ساخته شده اند. این آزمایش برای تعیین سختی سطح قطعاتی طراحی شده است كه در آن فقط یك فرو رفتگی سطحی و كم عمق، مورد نظر می باشد. دستگاههای آزمایش سختی سنجی سطحی از لحاظ اصول كاركرد، بادستگاههای معمولی راكول یكسان می باشند هر چند این دستگاهها، نیروهای كوچك تر و سبكتری را مورد استفاده قرار داده و دارای سیستم های دقیق تری جهت اندازه گیری عمق فرو رفتگی می باشند. دستگاههای آزمایش سختی سنجی سطحی راكول می توانند بار كوچكی به مقدار ۳ كیلوگرم و بارهای بزرگی به مقدار ۱۵، ۳۰ یا ۴۵ كیلوگرم را به كار ببرند. یك درجه بر روی نشانگر دارای دندانه هایی مشابه با سایر دستگاههای سختی سنج راكول می باشند. آزمایش راكول هم مثل آزمایش برینل دارای مزایا، معایب و محدودیت هایی می باشد. آزمایش راكول یك آزمایش دقیق و حساس است و می توان آن را سریع اجراء نمود و نتیجه را مستقیماَ از روی دستگاه قرائت نمود، بدون اینكه نیاز به محاسبه داشته باشد. این آزمایش مانند آزمایش برینل در سطح جهانی مورد قبول قرار گرفته است.
آزمایش راكول یك ازمایش معتبر است كه هر كس می تواند‌ آن را انجام داده و نتایج یكسانی را بر روی یك نمونه بدست آورد و بستگی به مهارت اپراتور ندارد.
آزمایش راكول را بر روی طیف وسیعی از مواد گوناگون می توان انجام داده و سختی آنها را بدست آورد. معایب آزمایش راكول بسیار شبیه آزمایش برینل است. دستگاه آزمایش نسبتاَ گران و مناسب استفاده در خارج از آزمایشگاه نبوده و ازمایش عموماَ مخرب محسوب می شود.

• سختی سنجی برینل

جهت سختی سنجی قطعات نرم و فلزات رنگین از قبیل مس، برنج و آلومینیوم، از روش برینل استفاده می شود. در این روش سختی سنجی باید به مقدار نیرو در گزارش ها توجه کرد. زیرا تغییر نیروی روش برینل باعث تغییر سختی قرائت شده می شود. در روش برینل، دقت کاربر در قرائت قطر اثر و در نهایت سختی اندازه گیری شده موثر است.

در این روش، نسبت به سایر روش های سختی سنجی، سطح بیشتری از قطعه تحت آزمون قرار می گیرد. و اثر برجای مانده از نوک ایندنتور بیشتر از سایر روش های سختی سنجی است.

از محدودیت های روش فوق می توان به پیچیدگی کار به منظور اضافه شدن سیستم اپتیک به دستگاه سختی سنج اشاره کرد. همچنین دو پهن شدن احتمالی ساچمه ایندنتور در نیروهای زیاد و قطعات سخت، خارج شدن دستگاه از کالیبره را به همراه دارد.

یكی از قدیمی ترین آزمایشات سختی سنجی، آزمایش برینل می باشد. این آزمایش، یك آزمون سختی سنجی ایستایی می باشد كه عبارتست از فشردن یك ساچمه فولادی سخت بر روی سطح یك قطعه نمونه.
در این آزمون معمولاَ از یك ساچمه به قطر ۱۰ میلی متر از جنس فولاد سخت و یا كربور تنگستن، برای اعمال یك بار بر روی سطح ماده استفاده می شود كه برای فلزات سخت، مقدار بار ۳۰۰۰ كیلوگرم، برای فلزات نیمه سخت ۱۵۰۰ كیلوگرم و برای نرم ۵۰۰ كیلوگرم و یا كمتر می باشد.

تفاوت انواع مختلف این دستگاهها به شرح زیر است:

۱-روش وارد آوردن بار، به عنوان مثال اعمال نیرو توسط فشار روغن، چرخ دنده و پیچ و یا استفاده از اهرم و وزنه.
۲-روش اجرای عملیات، به عنوان مثال استفاده از نیروی دست و یا نیروی ماشین.
۳-روش اندازه گیری بار وارده، به عنوان مثال استفاده از پیستون و وزنه، فشار سنج بوردون، نیروسنج و یا اهرم و وزنه.
۴-اندازه دستگاه، برای مثال دستگاه بزرگ و یا دستگاه كوچك (سیار و قابل حمل).

آزمایش برینل را می توان توسط یك دستگاه آزمون عمومی (یونیورسال) با اضافه كردن یك مبدل مناسب كه ساچمه را نگهدارد، انجام داد. آزمایش بر روی ورق های فلزی را می توان با استفاده از ابزارهای دستی مثل انبردست و  ساچمه و گیره فنری با قدرت ۲۲ پوند انجام داد. برای انجام آزمایش برینل، قطعه نمونه را بر روی سندان قرار داده و سندان را بالا می برند به طوری كه یا ساچمه مماس شود. پمپ نمودن روغن به داخل سیلندر اصلی، سبب اعمال یك نیروی رو به پایین به پیستون اصلی دستگاه و در نتیجه فشار وارد آوردن بر روی ساچمه می شود. این فشار باعث فرو رفتن ساچمه بر روی سطح قطعه مورد آزمایش می گردد. پیستون كاملاَ روان، كار می نماید لذا تلفات اصطكاك قابل چشم پوشی است. با نصب یك فشار سنج بوردون، مقدار تقریبی بار وارده نشان داده می شود. هنگامی كه بار وارده، به مقدار مورد نظر برسد، وزنه تعادل بالای دستگاه با عمل یك پیستون كوچك، به بالا كشیده می شود. این عمل به منزله ضامن اطمینانی است كه بار زیادی بر روی ساچمه وارد نشود. در آزمایشات استاندارد، قطر حفره ایجاد شده توسط ساچمه، به وسیله یك میكروسكوپ میكرومتر و یا میكروسكوپ برینل كه یك صفحه شفاف مدرج در میان دید آن می باشد، اندازه گرفته می شود. آزمایش برینل معیار خوبی برای اندازه گیری سختی می باشد ولی دارای محدودیت هایی است. یكی از این محدودیت ها، مناسب نبودن آن برای مواد بسیار سخت می باشد. در این موارد، ساچمه اكثراَ تغییر شكل می دهد. همچنین برای قطعات خیلی نازك كه احتمالاَ عمق حفره ایجاد شده بیشتر از ضخامت قطعه باشد، این روش مناسب نمی باشد. یكی دیگر از محدودیت ها، مناسب نبودن آن برای قطعاتی است كه سطح آنها سخت شده باشد. در این موارد ممكن است عمق حفره ایجاد شده از ضخامت لایه سخت شده بیشتر باشد، و در نتیجه نرمی مغز قطعه، نتیجه آزمون را بی اعتبار نماید. در آزمایشات استاندارد، بار كامل بمدت ۳۰ ثانیه بر روی فلزات آهنی و ۶۰ ثانیه بر روی فلزات نرمتر وارد می آید. عدد سختی برینل، مقدار اسمی فشار بر واحد سطح حفره ایجاد شده برحسب كیلوگرم بر میلیمتر مربع می باشد. این عدد با تقسیم بار وارده بر سطح حفره ایجاد شده كه كره در نظر گرفته می شود محاسبه می گردد. مقدار بار وارده و قطر حفره ایجاد شده در فرمول زیر قرار داده می شود:

كه در این فرمول BHN عدد سختی برینل (كیلوگرم بر میلی مترمربع)، P مقدار بار اعمال شده (به كیلوگرم)، D قطر ساچمه (میلی متر) و d قطر حفره ایجاد شده به میلی متر می باشد. به منظور آزادی عمل قابل قبول در ازمایشات، این اعداد به گونه ای انتخاب شده اند كه با یكدیگر همپوشی داشته باشند. ضخامت قطعات نمونه جهت آزمایش نبایستی كمتر از ده برابر عمق حفره ایجاد شده باشد. چنانچه قطعات نازكتر بعنوان نمونه مورد آزمایش قرار گیرند، عدد سختی بدست آمده، در حقیقت عدد سختی اندازه گیری شده مربوط به سندان زیر قطعه مورد آزمایش می باشد. آزمایش برینل دارای محدودیت ها و معایبی نیز می باشد. یكی از این معایب این است كه این آزمایش، مخرب می باشد، زیرا بر روی نمونه آزمایش ، حفره ای بر جا  می ماند. در بیشتر موارد باقی ماندن این حفره، قطعه را غیرقابل استفاده می نماید. از طرف دیگر اكتریت دستگاه های آزمایش برینل سنگین هستند (بیشتر از ۲۰۰ پوند) كه باعث ایجاد اشكال در جابجایی و  تحرك گردیده و مناسب استفاده در خارج از آزمایشگاه نمی باشد. همچنین دستگاه برینل نسبت به سایر دستگاه ها گرانتر می باشد. برای مثال یك دستگاه برینل ساده با متلقات و میكروسكوپ، معمولاَ بیش از ۵۰۰۰ دلار قیمت دارد. از طرف دیگر این آزمایش یك آزمایش نظری است كه عواملی مثل آموزش كاربران، تجربه و استعداد آنها در اندازه گیری ابعاد حفره ایجاد شده، ممكن است در نتایج آزمایش اثر داشته باشد. اگرچه این اثرات معمولا كم است، ولی نتایج خوانده شده توسط دو نفر از كاربران بر روی یك قطعه نمونه و در یك آزمایش، ممكن است به طور متوسط تا ۱۰ درصد اختلاف داشته باشد. هم چنین لزوم محاسبه شده عدد برینل (BHN) بجای خواندن مستقیم، یك محدودیت و نقص محسوب می شود.
از طرفی آزمایش برینل هم محاسنی دارد، چون قدمت آن زیاد و كاملاَ جا افتاده است، بیشتر مردم با آن آشنایی داشته و عموماَ نتایج آزمایشات برینل، در صنایع مورد قبول واقع گردیده است. این آزمایش را می توان سریع و معمولا در كمتر از دو دقیقه انجام داد. صرفنظر از قیمت و هزینه اولیه دستگاه، انجام آزمایش معمولا ارزان تمام می شود و در نهایت وجود نقایص درونی مواد از جمله وجود یك نقطه سخت و یا یك حفره ، اثر بزرگی در نتیجه آزمایش برینل نخواهد داشت.

• سختی سنجی ویکرز

ویکرز تنها روشی است که گستره ی سختی از نرم ترین تا سخت ترین فلز را پوشش می دهد. کاربرد این روش بیشتر آزمایشگاهی است تا تولیدی. در این روش، سختی حاصله قابل تبدیل به تمام واحدهای دیگر سختی است.

از مزایای این روش می توان به حذف مشکل تغییر شکل ایندنتور به علت دارا بودن الماس طبیعی در نوک آن اشاره کرد.

از محدودیت های این روش سختی سنجی می توان به حساسیت بیشتر نسبت به ساختار دستگاه اشاره کرد که در صورت عمود نبودن ایندنتور به قطعه کار، اثر به جا مانده مربع نخواهد بود. همچنین اضافه شدن سیستم اپتیک به دستگاه سختی سنج، بر پیچیدگی دستگاه می افزاید.

در سختی سنجی ویکرز نیز همانند روش برینل می بایست به مقدار نیرو در گزارش ها توجه کرد. زیرا تغییر نیرو باعث تغییر سختی قرائت شده می شود.

دستگاه سختی سنج ویکرز گرانتر از سایر مدل بوده و نسبت به سایر روش های سختی سنجی (به جز میکرو ویکرز)، سطح قطعه ی تحت آزمون باید بیشتر پولیش گردد.

• میکرو سختی سنجی ویکرز

روش میکرو ویکرز جهت سختی سنجی لایه های سطحی قطعه، بکار گرفته می شود. این روش به علت استفاده از نیروهای زیر 1 کیلو، برای سختی سنجی لبه های کار مناسب است. جهت رسم گراف سختی در قطعه و یا برش های آن از این روش استفاده می شود. در صنایع مختلف مانند پروتزهای پزشکی کاربرد دارد.

روش میکرو ویکرز نیاز به سیستم اپتیک با بزرگنمایی بیشتر و دقیق تر دارد. سطح قطعه کار باید کاملاً آینه باشد، در غیر اینصورت اثر ایجاد شده قابل مشاهده یا اندازه گیری نخواهد بود. در روش فوق به علت حساسیت بالا، پراکندگی سختی زیاد است.

از مزایای این روش می توان به دقت بالای ایندنتور میکروویکرز نسبت به ایندنتور ویکرز معمولی اشاره کرد.

محاسبه سختی مواد با استفاده از نسبت بار وارده به سطح فرو رفتگی (مثل آزمایش برینل) شامل سایر آزمونها نیز می گردد كه یكی از آنها آزمایش تعیین سختی به طریقه ویكرز می باشد. در این ازمایش از یك دندانه الماسه كوچك، به شكل هرم مربع القاعده استفاده می گردد كه زاویه نوك آن ۱۳۶ درجه و بار وارده از ۵ تا ۱۲۰ كیلوگرم با تقسیمات ۵ كیلوگرمی می تواند تغییر نماید.