آزمون سختی و سختی پذیری

آزمون سختی و سختی پذیری

آزمون سختی و سختی پذیری از دوران کودکی هر یک از ما با کلمة سختی آشنا بوده‌ایم و به آن به عنوان موضوع ساده‌ای نگاه می‌کردیم. اگر از دوستان و همسایگان بخواهیم که سختی را تعریف کنند، نتیجة تعجب‌آوری خواهیم گرفت. بعضی‌ها ماده‌ای را سخت می‌دانند که در مقابل سایش مقاوم باشد و بعضی دیگر مقاومت در مقابل خمش و نفوذ را معیار سختی می‌دانند. در مقابل گروهی موادی را سخت می‌دانند که بتوانند مواد دیگر را در اثر ضربه بشکند و یا روی آن خراش ایجاد کند.  به این ترتیب از جوابهای گوناگونی که دریافت می‌کنیم در‌ می‌ یابیم که مردم عقاید متفاوتی نسبت به سختی مواد دارند. با ارزیابی جوابهای داده شده به نکتة مشخصی پی می‌بریم و آن اینکه سختی یک ماده خیلی پیچیده‌تر از آن است که مردم عادی فکر می‌ کنند. در بسیاری از فرهنگ‌های لغت سختی را اینگونه تعریف کرده‌اند : ((سختی یک ماده عبارتست از ظرفیت نسبی آن در مقابل نفوذ و خراش برداشتن و یا بر عکس ایجاد خراش و نفوذ ماده دیگر.)) چنین تعریفی تا حدود زیادی مبهم است. برای مثال فولاد و شیشه هر دو به عنوان سنگ فرش در پیاده‌ روها مصرف می‌شود و مقاومت سایش آنها کاملا مشهور است. بنابراین، بنا به تعریف فوق سختی آنها یکسان باشد. چنانکه می‌دانیم شیشه می‌تواند روی فولاد خراش ایجاد کند، بنابراین در تقسیم‌بندی مواد از نظر سختی،  شیشه بالاتر از فولاد قرار می‌گیرد، با این حال فولاد می‌تواند شیشه را بشکند. بنابراین با در نظر گرفتن توانایی شکستن مواد دیگر، فولاد باید سخت تر از شیشه باشد. نتیجة کلی اینکه نمی‌توان سختی را بر اساس خواص متعدد ارزیابی نمود، بلکه باید خاصیت مشخصی را مورد توجه قرار دهیم. مشکل تعیین سختی از همان ابتدا وجود داشت و امروزه نیز وجود دارد. در‌ حال حاضر در متالوژی آلیاژهای آهنی و غیر آهنی سختی بر اساس دو روش زیر اندازه‌گیری می‌شود. 1-  در شرایط ساکن با اعمال نیروی استاندارد ساچمه‌ای با شکل و ابعاد مشخص به داخل نمونه مورد آزمایش نفوذ می‌کند. مقاومت آلیاژ در مقابل نفوذ که با توجه به عمق نفوذ سنجیده می‌شود معیار سختی می‌باشد. 2-   چکشی که در آن ساچمه‌ای جایگزین شده است در شرایط سقوط آزاد از ارتفاع مشخص روی نمونه افتاده می‌شود. ارتفاع برگشتی چکش معیار سختی می‌باشد.   تاریخچه آزمایش سختی شواهد نشان می‌دهد سختی سنجی اولیه در سال 1772 شروع شد. در آن زمان ریومر (Reaumur  ) فشردن لبه‌های شمشال منشوری نسبت به هم را پیشنهاد کرد. روشهای ابتدایی ارزیابی سختی فلزات  (a) تعیین سختی مقایسه‌ای با روش ریومر: در این روش لبه دو نمونه فلزی منشوری شکل نسبت به هم فشرده می‌شود.  (b) روش سختی فوپل: در این روش دو نمونه نیمه استوانه‌ای شکل فلزی نسبت به هم فشرده شده و اندازة سطح تماس پهن شده تعیین می‌گردد، این تکنیک برای سختی سنجی گرم نیز به‌کار رفته است. در این روش نیروی اعمال شده بر هر دو شمسال مساوی بود و به این ترتیب می‌شد سختی دو قطعه فلزی را مستقیماً با همدیگر مقایسه کرد. در سال 1897 فوپل: (Foeppl) بجای شمشالهای منشوری از دو نیم استوانه استفاده کرد. وی نسبت سطح پهن شده به نیروی وارده را معیار سختی معرفی نمود. چند سال بعد برینل (Brinell) روش معروف خود را ارائه داد. در این روش در اثر نیروی وارده گلوله یا ساچمه فولادی سخت به سطح نمونه نفوذ می‌کند. نسبت سطح اثر نفوذ به نیروی اعمال شده معیار سختی می‌باشد، با استفاده از انواع ساچمه‌ها و اعمال نیرو‌های متفاوت می‌توان دامنه سختی قابل اندازه‌گیری را توسعه داد.    آزمایش سختی       Hardness  test از خواص مهم مکانیکی فلزات سختی آنها است که این مشخصه در فلزات معرف و فاکتوریست متناسب با سایر خصوصیات مکانیکی آنها ، سختی مجموعه‌ای از خواص و مشخصاتی است که یک فلز با یک جسم ممکن است دارا باشد ، اهم این خواص عبارتند از: مقاومت در مقابل سائیدگی، مقاومت در مقابل بریدن ، خراش برداشتن ، قدرت بریدن مواد دیگر ، مقاومت در مقابل تغییر شکل گرفتن پلاستیکی ، دارا بودن مدول الاستیسیته زیاد ، تنش تسلیم و مقاومت کششی بالا داشتن ، دارای شکنندگی زیاد بودن و کم بودن قابلیت انعطاف و خاصیت چکش‌خواری ، البته بطوری که ملاحظه می‌شود اغلب این خواص با یکدیگر مربوط هستند. اما سنجیدن تمام خواص با یک آزمایش سختی غیر‌ ممکن است بنابراین آزمایش سختی نمی‌تواند تمام خواص فوق را بسنجد و برای سنجیدن آنها  از آزمایشهای مکانیکی دیگر مثل کشش و ضربه و غیره کمک گرفت. اولین آزمایش سختی توسط MOHS در سال  1822 ابداع گردید بدین ترتیب که از خراشیده شدن و خراشاندن فلزات نرم وسخت استفاده نمود و لیستی از ده جسم تهیه نمود بدین طریق که جسم می‌توانست موادی را که در آن لیست پائین‌تر از خود نوشته شده است خراش دهد اما نه مواد بالاتر از خود را. این دو رویه در مورد فلزات نیز مورد استفاده قرار گرفته است. اما طریقة آزمایش سختی استاتیک بعدها معمول‌تر شد .   آزمایش سختی برنیل    Brinell   Hardness  Test          این آزمایش که به منظور اندازه‌گیری سختی فلزات انجام می‌شود اولین بار توسط T.A.Brinell در سال 1900 ابداع گردید.     انواع آزمایش سختی سنجی (Hardness test ) بطور کلی هدف از این آزمایش آشنایی با روشهای مختلف سختی سنجی می باشد روشهای مختلفی که بترتیب از نظر دقت و کاربرد آن در آزمایشگاههای تحقیقاتی و صنایع بکار گرفته می‌شود بشرح زیر است : 1- روش مقاومت در برابر فرورفتگی  (Indentation -  Hardness   ) این روش خود شامل برنیل، ویکرز، راکول و انواع آن، میکروسختی می باشد که به تفصیل در قسمتهای بعدی شرح داده خواهد شد. 2- روش شور   ( SHORE  ) این روش برای اندازه‌گیری صفحات نازک بکار می‌رود ودر این روش یک هرم الماس یا منشور از ارتفاع معینی رها شده، پس از برخورد با صفحه مجدداً به طرف بالا برگشت می‌کند. ارتفاع رها شده را مبین سختی می‌نامند. این روش بروش دینامیکی نیز معروف است:  ( Robounder  dynamic hardness ) بدین ترتیب که هر چه هرم یا منشور الماس پس از برخورد با صفحه ارتفاع بالاتری برگردد، جسم سخت‌تر است زیرا انرژی کمتری صرف تغییر نرم جسم می‌شود و بالعکس. 3- روش مقاومت در مقابل خراش دادن  ( Scratch  hardness  ) در روش مینرالوژی از روش ایجاد خراش استفاده می‌شود. مینرالها و سایر مواد بر حسب قدرت خراش دادن بر دیگر مواد طبقه بندی شده و آنرا بصورت جدولی به نام (MOHS) معروف است نشان می‌دهند. این جدول از یک تا ده، درجه بندی شده که نرم ترین آنها تا لک و سختی  آن یک بوده و سخت ترین آنها الماس که سختی آن 10 می باشد. معمولا این روش برای سختی سنجی  فلزات بکار نمی رود. زیرا سختی فلزات معمولا بین 4 تا 5 اعداد موجود در جدول بوده  در نتیجه از دقت لازم  برخوردار نمی باشد. 4- روش مقاومت در مقابل  سایش    (Wear hardness) این روش فقط در مواقع لازم وضروری مورد استفاده قرار می گیرد . 5-روش مقاومت در مقابل ماشین کاری از قبیل : فرز کاری، تراشکاری، سوهان کاری، مته زدن قابل توجه است که بطور کلی امروزه روش مقاومت در مقابل ایجاد فرورفتگی  تحت نیروی ثابت بمنظور داشتن دقت و سرعت عمل بیشتر از روشهای دیگر سختی سنجی متداول گشته که در این آزمایشگاه از روش فوق استفاده می شود.   شرایط نمونه آزمایش قبل از شروع می بایستی نمونه شرایط زیر را  دارا باشد تا سختی با دقت زیاد بدست آید. 1-   نمونه‌های تهیه شده می تواند شکلهای منظم و یا نامنظمی داشته باشد. مشکلی در مورد شکلهای منظم برای فیکس کردن آن بر روی میز دستگاه وجود ندارد. ولی در مورد شکلهای نامنظم می بایستی از گیره های مخصوص که در استفاده کرد و اگر نمونه دارای ابعاد بسیار کوچک بود که نمی توانستم  با گیره مخصوص آن را نگه داریم از مانت سرد وگرم استفاده کرد و آنرا داخل مانت قرار می دهیم در مورد روش تهیه مانت‌ها در آخر این بخش توضیحات لازم داده شده است. 2-   دو مقطع نمونه کاملا مسطح وموازی باشد. 3-   سطح بالایی نمونه که با نگه دارنده تماس دارد می بایستی توسط سمباده پولیش شود. 4-  نقاطی که بعنوان محل سختی سنجی استفاده می شود زیاد به لبه خارجی نمونه نزدیک نباشد که امکان تغییر شکل دادن آن نقطه وجود دارد. 5-  نقاطی که برای سختی سنج استفاده می شوند حداقل 3 تا5   برابر قطر اثر فرو زنده یا       ( Indentor )  با یکدیگر فاصله داشته باشند. 6-   ضخامت نمونه مورد آزمایش کمتر از 5  تا 10 برابر عمق اثر نباشد.   آزمایش برنیل برای اندازه‌گیری سختی مواد فلزی در این روش از نیروی 500- 3000 کیلو‌گرم و گلوله یا ساچمه‌ای با قطر 10 میلی‌متر استفاده می‌شود. معمولاً برای فلزات غیر آهنی نظیر آلیاژهای مس و آلومینیوم نیروی 500 کیلو‌گرم و برای فلزات سخت مانند فولاد و چدن از نیروی 3000  کیلو‌گرم استفاده می‌شود. بعد از نفوذ ساچمه، برای مدت مشخصی نیرو همچنان اعمال می‌شود( 10-15  ثانیه برای چدن و فولاد و حدود 30 ثانیه برای فلزات نرم ) تا تغییر شکل مومسانی کامل انجام گیرد. با مشخص بودن نیروی اعمال شده بر حسب کیلو‌گرم (L) قطر ساچمه بر حسب میلی‌متر (D) و قطر تصویر نفوذ در صفحه دستگاه بر‌حسب میلی‌متر (d) می‌توان با استفاده از فرمول زیر سختی برنیل را بدست آورد.                          آزمایش سختی ویکرز:    The Vickers Hardness Test                                                      این آزمایش در سال 1924 معرفی گردید و مورد استفاده قرار گرفت در این آزمایش از نفوذ یک هرم مربع‌ القاعده و قائم استفاده می‌گردد که جنس آن از الماس مصنوعی بود و زاویة رأس آن 136 درجه است. این آزمایش اثر کوچکتری روی فلزات باقی گذاشته و ضمناٌ برای فلزات نرم مناسب‌تر می‌باشد. در آزمایش برنیل چون اثر نیروی وارده شکل گلوله نیز بطور الاستیک تغییر می‌نمود لذا شکل ایجاد شده با نیروی وارده بستگی داشته و از این رو نسبت P/D²  حائز اهمیت بود. اما چون در این آزمایش هرم کوچک الماس تغییر شکل نمی‌دهد و شکل ایجاد شده در نمونة آزمایشی بستگی به نیروی وارده نداشته و از این رو جوابهای بدست ‎آمده دقیق‌تر و قابل تشخیص‌تر است. مثلاٌ سختی ویکرز 600 دو برابر سختی ویکرز 300 است ولی در آزمایش برنیل این مقیاس و تناسب برقرار نیست و ورقهای نازک به روش برنیل حق تقدم دارند. عدد سختی ویکرز :   Vickers Pyramid Number   (V.P.N) عدد سختی ویکرز با H.V   نمایش داده می‌شود و عبارتست از نیروی وارده تقسیم بر سطح تولید شده و هر‌گاه زاویة راس هرم α باشد، خواهیم داشت:   مقدار نیرو در آزمایش ویکرز: مقدار نیرو در آزمایش ویکرز کمتر از نیروی مورد استفاده در آزمایش برنیل بوده و با سخت بودن نمونه مورد آزمایش افزایش می‌یابد، این نیرو معمولاٌ بین 30 تا 5 کیلو‌گرم بوده و نیروهای زیاد مثلاٌ بالای 125 کیلو‌گرم باید دقت شود تا به الماس دستگاه لطمه نزند. در جداول ضمیمه که برای آزمایش ویکرز تهیه شده طوری است که با محاسبة میانگین اقطار لوزی ایجاد شده در نمونه (d) مقدار عددی سختی ویکرز را می‌توان بدست آورد . آزمایش راکول : جدول انواع مختلف سختی سنجی راکول: انواع راکول    مقدار نیروی استاندارد    جنس و شکل فرو رونده‌ها    زمینه‌های کاربردی         A           60    KG    مخروط الماس    فولادهایی که سطحی  سخت شده‌اند         B           100    KG    گلولة فولادی    فولادهای کم کربن،مس و آلومینیم و آلیاژهای آن         C           150     KG    مخروط الماس    فولادهای پر‌ کربن و سختی تا عمق زیاد چدنهای سخت     D                      100     KG    مخروط الماس    فولادهایی با سختی متوسط و ضخامت کم         E           100    KG    گلولة فولادی    آلیاژهای چدن آلومینیم و منیزیم         F           60      KG    گلولة فولادی    آلومینیم و مس آنیل شده         G        150    KG         گلولة فولادی    چدن و آهن مالیبل مس، برنز، فسفر         H            60     KG     گلولة فولادی    روی، سرب، آلومینیم   این روش بسته به نوع فرو رونده‌ها و نیروی وارده برای آلیاژهای مختلف یا حروف A و Bو C و … مشخص شده که جدول فوق نماینگر این مطلب می‌باشد. استفاده از این متد بخاطر سرعت عمل زیاد و نبودن خطای اندازه‌گیری کاربرد بیشتری داشته و با علامت (HR  ) نشان داده می‌شود. در این آزمایش یک نمونه فولادی را پس از عملیات حرارتی از قسمت ابتدا آن سریع در آب سرد کرده‌ایم که در آزمایشگاه عملیات حرارتی به آن نمونه ( جمینی ) گفته می‌شود سختی آنرا به روش راکول (C  ) اندازه‌گیری می‌نمائیم چون هر‌ چه از قسمت سرد شده بطرف بالا می‌رویم سختی آن کم می‌شود. منحنی تغییرات سختی از لبة پایینی با فواصل مشخص را رسم می‌نمائیم. برای سختی راکول از نوع یک نمونه برنجی را پس از آماده سازی سطح آن چندین نقطة آنرا سختی سنجی نموده و میانگین آنها را به عنوان سختی در گزارش می‌آوریم در این روش ( راکول ) چون از سیستم نوری دستگاه استفاده نمی‌شود  نیازی به روشن کردن لامپ دستگاه نیست. وقتی نمونه روی میز دستگاه قرار گرفت با چرخاندن بوش صفحه‌ای قطعه را طوری به نوک فرو رونده نزدیک می‌نمائیم که عقربة شاخص کوچک مقابل نقطة قرمز یا (3) و عقربة بزرگ روی صفر صفحة مندرج قرار بگیرد اگر این عقربة بزرگ به خوبی روی صفر قرار نگرفت، حلقة اطراف ساعت اندازه‌گیری را بطرف چپ یا راست پیچانده تا عقربة بزرگ دقیقاٌ  روی صفر قرار بگیرد، اکنون با رها کردن اهرم بار‌ دهنده ابتدا نیروی 10  KG اولیه سپس مابقی نیروی  انتخابی به نمونه وارد می‌شود. بهتر است برای سختی هر نمونه سه نقطه سختی سنجی شده و مقدار متوسط آن سه نقطه سختی قطعة مورد نظر خواهد شد. توصیه می‌شود از صفحه مدرج c   برای سختی‌های 20   تا  70 مورد استفاده قرار بگیرد در غیر این صورت ممکن است مخروط الماسی بخاطر فشار بیش از حد مجاز شکسته شود. صفحة مدرج  B بطور کلی برای تعیین سختی فلزات نرم پیش‌بینی شده و می‌توان از نوع گلوله‌های فولادی بقطر                 استفاده نموده و فرو روندة مخروط الماسی برای فلزات سخت بکار برده شود.الماسی برای فلزات سخت بکار برده شود. سختی تقریبی فلز  HB    صفحة مدرج    انواع فرو رونده‌ها    مقدار نیروی وارده    علامت سختی سنج    حد مجاز اندازه‌گیری صفحه مدرج  60-240       B         گلولة فولادی       100    HRB             25-100      240-900          C    مخروط الماس      150      HRC         20-70            390-900          A    مخروط الماس       60     HRA         70-90

تاریخ: ۱۳۹۲/۴/۱