سختی سنجی

سختی (Hardness)یکی از ویژگی‌های مهم مواد است که در فرآیندهای ماشینکاری آگاهی از آن اجتناب ناپذیر است. برای سختی دو تعریف عمده وجود دارد که یکی تعریف قدیمی و دیگری تعریف جدید آن است که در زیر به آن اشاره می‌شود.

تعریف قدیمی: این تعریف توسط یک کانی‌شناس آلمانی به نام موس (Mohs) در سال 1811 ارائه شده است. وی کانی‌ها را به 10 درجه سختی تقسیم کرد. نرم‌ترین ماده (Talk) با درجه یک و سخت‌ترین ماده (Diamond) با درجه ده شماره‌گذاری شده بود. بر اساس تعریف آقای موس در این درجه بندی هر ماده‌ای که بتواند ماده دیگر را خراش دهد سخت تر است.
تعریف جدید: درتعریف قدیمی، سختی در مورد کانی‌ها کاربرد دارد ولی در مورد فلزات و آلیاژهای فلزی قابل استفاده نیست. زیرا مثلاً آلومینیوم در حالیکه از آهن نرم تر است می‌تواند لایه اکسیدی آهن را خراش دهد . پس تعریف جدید سختی به این صورت است :

مقاومت جسم در برابر فرورفتن جسم دیگر در سطح آن

روشهای مختلف سختی سنجی عبارتند از:

سختی سنجی برینل
سختی سنجی ویکرز (Vickers)
سختی سنجی نوپ (Knoop)
سختی سنجی راکول
چکش پلدی
روش سوهان

لازم به ذکر است که انجام تست سختی بر روی فلزات به دو دسته قابل تقسیم است :

میکرو
ماکرو

در انجام این تست به صورت ماکرو به کمک هر یک از روش‌های بالا سختی نمونه مورد بررسی قرار می‌گیرد و بنابر موارد محاسباتی موجود به دست می‌آید. معمولاً به منظور ایجاد سهولت در کار و سرعت بخشیدن به آن موارد درخواست شده به هر روش مانند طول قطر اثر نفوذ کننده‌ها، عمق اثر و .. درون برگ‌هایی نوشته شده و اپراتور از طریق تطبیق آن‌ها با داده‌های آزمایش عدد سختی را ارائه می‌دهد. به طور کلی روش ویکرز به منظور سختی گرفتن از نمونه‌های فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، در مقابل در سختی سنجی برینل به منظور حصول این عدد در فلزات غیر آهنی نظیر مس و آلومینوم به کار برده می‌شود .لازم به ذکر است نیروهای اعمالی به نمونه در روش‌های فوق توسط استانداردهای مربوطه تعیین شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد، به عنوان مثال استاندارد‌های موجود برای نمونه‌های فولادی در زیر بیان می‌گردد:

ویکرز ASTM E92
برینل ASTM E10
راکول ASTM E18

اثر فرورونده در ویکرز به صورت مربعی بوده که به توسط هرم الماسه شکل می‌گیرد ، در نهایت با اندازه گیری قطر مربع و داشتن میزان نیروی اعمالی از جانب دستگاه می‌توان عدد سختی را استخراج نمود. این اثر در برینل و راکول هر یک به ترتیب گرد و سوراخی به سمت عمق می‌باشد که توسط ساچمه و هرم مخروطی به وجود آمده و با اندازه گیری قطر و عمق می‌توان عدد مورد نظر را به دست آورد. در سختی‌های مختلف علامت‌های A، B و C به ترتیب بیانگر نیروی اعمالی به نمونه بوده و بسته به نوع آن از از نرم به سخت قابل تغییر است.

اساس کار این روش‌ها نقطه اثر ایجاد شده به روی سطح فلز است برای این سه روش باید نکات زیر را رعایت کرد :
نمونه ممکن است شکل منظم یا نامنظمی داشته باشد برای نمونه‌های با شکل منظم شکل فیکس کردن برروی میز دستگاه وجود ندارد ولی برای نمونه‌های با اشکال نا منظم باید از گیره‌های مخصوص استفاده کرد برای نمونه‌های با ابعاد بسیار کوچک که نمی‌توان با گیره مخصوص آنها را نگه داشت از مانت سرد و گرم استفاده می‌شود توضیحات لازم داده شده است .
دو مقطع نمونه باید کاملا مسطح و موازی باشند سطح بالایی نمونه که با نگه دارنده تماس دارد باید پولیش شود .
نقاطی که برای سختی سنجی استفاده می‌شود نباید زیاد به لبه خارجی نمونه نزدیک نباشد زیرا امکان تغییر شکل دادن آن نقطه وجود دارد و حداقل فاصله این نقاط از هم باید 3 تا 5 برابر قطر اثر فرورونده باشد .

ضخامت نمونه مورد آزمایش نباید کمتر از 5 تا 10 برابر عمق اثر باشد.

سختی سنجی به روش راکول

راکول برای اندازه گیری سختی فلزات نسبتا سخت مورد استفاده قرار می‌گیرد بر سه نوع است :

راکول A که نیروی 60 کیلو گرم اعمال می‌شود
راکول B که نیرویی 100 کیلوگرم اعمال می‌شود.
راکول C که نیرویی 150 کیلوگرم اعمال می‌شود

راکول هم به صورت ساچمه ای و هم به صورت سوزنی موجود است راکول ساچمه ای وزن اعمال شده برروی فلز به وسیله ی یک ساچمه فلزی منتقل می‌شود ولی راکول سوزنی به کمک یک سوزن این نیرو را روی فلز اعمال می‌کند که نقطه اثر آن بصورت یک مخروط 120 درجه خواهد بود ، نقطه اثر راکول نوع A و C به صورت یک مخروط 120 درجه است ولی راکول B ساچمه ندارد و یک سوزن هرمی شکل با زاویه 120 درجه دارد که نقطه اثر آن یک چهارگوش است. دستگاه آزمایش راکول دستگاه آزمایش سریع با خواندن مستقیم است. این روش برای انجام آزمون‌های مقایسه ای سریع بسیار مناسب است. در این آزمون‌ها عمق فرو رفتگی اندازه گیری شده و مستقیما به وسیله یک عقربه روی صفحه مدرج گردی که به طور غیر مستقیم به 100 قسمت تقسیم شده ( هر قسمت نمایشگر 0.01 mm از عمق حفره است ) خوانده می‌شود در این روش یک عدد کوچک روی صفحه به معنی عمق زیاد فرو رفتگی و در نتیجه سختی کم (ماده نرم) و بر عکس است. چندین مجموعه مقیاس سختی راکول وجود دارد زیرا چند فرورونده و چند تیزی استاندارد برای آزمایش به کار می‌رود. فرورونده‌ها گلوله‌های فولادی سخت شده با قطری‌های مختلف و یا یک الماس با زاویه راس 120 درجه هستند. فرورونده‌های کروی استاندارد دارای قطرهای 1/16 اینچ، 1/8 اینچ و 1/2 اینچ هستند. بارهای استاندارد 100 و 60 و 150 کیلو گرم می‌باشند هر کدام از مقیاس‌های سختی راکول با یکی از حروف A، B و غیره مشخص می‌شوند. هنگامی که یک فرورونده تحت اثر نیروی درون ماده‌ای فشرده می‌شود هر دو نوع کرنش کشسان و مومسان در آن دیده می‌شود. ولی از آن‌جا که سختی فرو کردنی مقاومت در مقابل تغییر شکل مومسان است باید نیرویی کشسان قبل از خواندن سختی حذف شود. البته برای اطمینان از این که اندازه خوان عدد درستی را نشان می‌دهد هنگام خواندن یک نیروی مختصر فرورونده اعمال می‌شود تا از تماس کامل فرورونده با کف فرورفتگی اطمینان حاصل شود. این امر از طریق اعمال یک نیروئ جزئی (کم) و یک نیروی کلی (زیاد) حاصل می‌شود. روش استفاده از این دو نیرو در ترتیب عملیات سختی‌سنجی به شرح زیر است:

نمونه در تماس با فرورونده قرار می‌گیرد. آن قدر نمونه به سمت فرورونده نزدیک می‌شود تا عقربه کوچک صفحه نمایش به محل از پیش تعیین شده روی صفحه برسد با این کار فرو رونده یک فنر فشرده می‌شود تا نیروی وارد شده از فنر بر روی ماده از طریق فرو رونده به 10 کیلوگرم برسد .
صفحه نمایش روی مرجع درست (صفر برای فرورونده الماسی و 30 برای فرورونده کروی) مورد نظر نیروی اصلی 100 و 60 و 150 کیلوگرم وارد شود .
نیروی کلی به مدت 4 تا 7 ثانیه نگاه داشته می‌شود .
ضمن نگاه داشتن نیروی جزیی روی نمونه نیروی کلی برداشته می‌شود تا بافت کشسان حاصل شود .
عدد سختی از روی صفحه نمایش خوانده می‌شود.

بیشترین درجه اطمینان به نتایج آزمون هنگامی است که عددسختی بین 20 تا 70 باشد. اگر نمونه بیش از اندازه نازک باشد نتیجه بیانگر خاصیت واقعی ماده نخواهد بود. مقیاس‌های مختلف راکول با یکدیگر همپوشی دارند. مهم این است که ترکیب مناسب فرورونده و نیروی فشار برای ماده مورد نظر انتخاب شود. عمق حفره نباید از 100 درجه صفحه نمایش تجاوز کند. هنگام گزارش عدد سختی راکول حتما مقیاس مربوط باید همراه عدد ذکر شود. در غیر این صورت عددسختی فاقد معنی خواهد بود. مقیاس‌های دیگر سختی راکول نیز وجود دارند که مقیاس T و N هستند. و انواع دیگری از مقیاس‌های A و B هستند. ولی با نیروی فرورونده کمتر که برای آزمایش نمونه‌های نازک اجرا می‌شود. مقیاس‌های مورد استفاده با فرورونده‌های مخروطی N30، N45 و N15 مقیاس‌های مورد استفاده فرو رونده گلوله فولادی 1/16 اینچی T45, T30, T15 نام دارد. در هر حالت عدد اول بیانگر نیروی اصلی وارد شده بر فرورونده برحسب کیلوگرم است. روش انجام آزمون‌های T و N دقیقا مطابق روش‌های بیان شده با همان نیروی جزیی 10 کیلوگرم پیش از اعمال بار اصلی است. در زیر جدول انواع مختلف سختی سنجی راکول آمده است:

سختی برینل

برینل یکی از روش‌های سختی سنجی با مکانیزم ساچمه‌ای است. استاندارد اروپایی این تست DIN50351 می‌باشد. ساچمه‌هایی که در برینل مورد استفاده قرار می‌گیرد معمولاً 5 و 10 میلیمتری است. در ایران بیشترین استفاده برینل برای نیروهای 187 و 250 کیلوگرم است. در صنعت فولاد و فولادسازی از روش برینل با نیروی 3000 کیلوگرم و ساچمه 10 میلیمتری استفاده می‌شود. از دیگر زمینه‌های کاربرد برینل می‌توان به ریخته‌گری اشاره کرد. برای اندازه‌گیری سختی مواد فلزی در این روش از نیروی ایستایی 500 تا 3000 کیلوگرم و گلوله یا ساچمه‌ای فولادی سخت شده به قطر 10 میلیمتر استفاده می‌شود. برای فلزات خیلی سخت (معمولا 400 تا 600 برنیل) از گلوله کاربید تنگستن استفاده می‌شود. معمولا برای فلزات غیر آهنی و نرم‌تر نظیر آلیاژهای مس و آلومینیوم نیرویی 500 کیلوگرم و برای فلزات سخت مانند فولاد و چدن از نیرویی 3000 کیلوگرم استفاده می‌شود. بعد از نفوذ ساچمه برای مدت مشخصی نیرو همچنان اعمال می‌شود (10 تا 15 ثانیه برای چدن و فولاد حدود 30 ثانیه برای فلزات نرم) تا تغییر شکل مومسان کامل انجام گیرد. سپس فرو رفتگی با میکروسکوپ مدرج اندازه‌گیری می‌شود. معمولا دو قطر متعامد فرورفتگی را اندازه گرفته و میانگین آنها برای محاسبه‌ی عددسختی به کار می‌رود.

فرورفتگی‌های ایجاد شده توسط یک فرورونده کروی از نظر شکل هندسی مشابه هم نیستند و هر فرو رونده دو نوع فرورفتگی ایجاد می‌کند .

عمیق
کم عمق

ازآن جا که این دو نوع فرورفتگی از نظر شکل هندسی مشابه هم نیستند الگوی سیلان مومسان در فرو رفتگی عمیق با الگوی سیلان مومسان در فرو رفتگی کم عمق تفاوتی دارد. یعنی مقاومت به تغییر شکل مومسان دو فرورفتگی با هم یکسان نیست. بنابراین این عدد سختی حاصل از آزمون برینل مستقل از نیروی وارد شده نیست. به عبارت دیگر اگر دو آزمایش سختی برینل با دو نیروی متفاوت روی یک ماده انجام شود عددسختی حاصل از بار ایستایی بیشتر و عدد سختی به دست آمده از بار ایستایی کمتر متفاوت است. در یک فرورفتگی کم عمق، قطر حفره (d) در مقایسه با قطر گلولهD کوچک است. زاویه بین سطح نمونه و مماس برگلوله بسیار کوچک است و مرز فرورفتگی به خوبی زیر میکروسکوپ قابل تشخیص نیست. در نتیجه نمی‌توان قطر فرورفتگی را به دقت اندازه گرفت در یک فرورفتگی عمیق حدود حفره به خوبی مشخص است. ولی با این که می‌توان قطر را با دقت اندازه‌گیری کرد افزایش چشمگیر عمق حفره و در نتیجه سطح تماس موجب افزایش زیادی در قطر d نمی‌شود. این امر نیز به نوبه خود سبب کاهش دقت اندازه گیری سختی می‌شود. به این دلیل مقادیر دقیق سختی برینل در صورتی به دست می‌آید که قطر فرو رفتگی درمحدوده 0.5D, 0.25D (D قطر فرورونده است) باشد. در نتیجه روش برینل برای مواد خیلی سخت مناسب نیست با نزدیک شدن سختی ماده مورد آزمایش به سختی فرورونده کروی احتمال تغییر شکل فرورونده مطرح می‌شود. آزمون برینل برای آزمایش موادی تا درجه سختی 400 مناسب است و برای فلزهایی با سختی بالاتر از 500 توصیه نمی‌شود.

سختی ویکرز

این آزمایش در سال 1924 معرفی و مورد استفاده قرارگرفت دراین آزمایش از نفوذ یک هرم مربع القاعده و قائم با زاویه راس 136 از جنس الماس مصنوعی استفاده می‌شود. دلیل انتخاب زاویه 136 دراین آزمایش این است که با مطلوبترین نسبت قطر فرو رفتگی به قطر گلوله در آزمایش سختی برنیل نزدیک است. این آزمایش اثر کوچکتری روی فلزات باقی می‌گذارد و برای فلزات نرم مناسب تر است. از آزمایش سختی به روش ویکرز به دلیل دقت بالا برای کارهای تحقیقاتی استفاده می‌شود. ویکرز بیشتر در صنایع خودرو سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد و گستره‌ی وزن‌هایی که بیشترین استفاده رادارند 5 و 10 و 30 کیلو گرم است.

ویکرز بر دو نوع است:

میکرو ویکرز که در اوزان گرمی تا وزن 1 کیلوگرمی مورد استفاده قرار می‌گیرد
ماکرو ویکرز که در اوزان 2 تا 120 کیلوگرم مورد استفاده قرار می‌گیرد

ویکرز همانند میکرومتر عمق فرورفتگی را اندازه گیری می‌کند از آن جایی که گستره استفاده از میکروویکرز در اوزان بسیار کم است دستگاه‌هایی که اندازه گیری را به روش میکرو ویکرز انجام می‌دهند باید در محیطی ایزوله قرار گیرند. در آزمایش برنیل چون بر اثر نیروی اعمالی شکل گلوله نیز به طور الاستیک تغییر می‌کرد، سختی به نیرویی اعمالی بستگی داشته و از این رو نسبت P/D² حائز اهمیت بود. اما در این آزمایش چون هرم کوچک الماس تغییر شکل نمی‌دهد و شکل ایحاد شده در نمونه آزمایشی بستگی به نیروی وارده ندارد، جواب‌های به دست آمده دقیق‌تر و قابل تشخیص‌تر است. مثلا سختی ویکرز 600 دو برابر سختی ویکرز 300 است. ولی درآزمایش برنیل این مقیاس و تناسب برقرار نیست. استانداردهای بین المللی این آزمایش ASTME92, DIN50133 است. عدد سختی ویکرز (HV) بصورت بر مساحت فرو رفتگی تعیین می‌شود در عمل این مساحت از مقادیر میکروسکوپی و قطرهای اثر محاسبه می‌گردد. در این آزمایش با به دست آوردن دو قطر می‌توان میانگین آنها را محاسبه و با استفاده از جدول موجود سختی قطعه را استخراج کرد. مقدار نیرو درآزمایش ویکرز کمتر از نیروی مورد استفاده در آزمایش برنیل بوده و با سخت تر شدن نمونه افزایش می‌یابد. این نیرو معمولا بین 5 تا 30 کیلو گرم بوده و برای نیروهای زیاد مثلا بالای 125 کیلو گرم باید دقت شود تا الماس دستگاه لطمه نخورد .

میکروسختی سنجی

یکی از روش‌های سختی سنجی، سختی سنجی در مقیاس کوچک یا میکروسختی سنجی است. در این روش این قابلیت وجود دارد که در بزرگنمایی‌های بالا ریز ساختار فلز مشاهده شود تا سختی فازهای موجود در ریز ساختار سنجش شود. بسیاری از فازها در ریز ساختار متالورژیکی

از نظر رنگ و شکل فاز شبیه به هم هستند و بهترین راه برای تماییز آن‌ها استفاده از تست میکروسختی سنجی است.

سختی سنجی به روش ویکرز در میکروسختی سنجی:

این روش در سال 1925 میلادی توسط دو انگلیسی به نام‌های Sandland و Smith در کارخانه‌های فولادسازی ویکرز ارائه شد. چون ابزارهای فولادی مورد استفاده در روش برینل در سختی بالاتر از 400(kg/mm²) دقت کافی نداشتند و در بالاتر از 500kgf خودِ گلوله تغییر شکل الاستیک داده و ایجاد اشتباه می‌کرد. در این روش از فرورونده الماسه‌ای که شکل آن به صورت هرمی مربع القاعده از الماس با نوک فوق العاده تیز و زاویه راس °136 استفاده می‌شود. الماسه با یک نیروی مشخص بر سطح نمونه نفوذ می‌کند و اثری به شکل مربع مستطیل که دارای قطر‌های d₁ و d₂ می‌باشد به وجود می‌آورد.

عدد سختی ویکرز (HV) از تقسیم نیرو به سطح اثر(F/A) به دست می‌آید که نیرو بر حسب کیلوگرم‌نیرو (Kgf) و سطح بر حسب میلی‌متر مربع (mm²) محاسبه می‌شود. با استفاده از ابعاد هندسی مشخص هرم فرورونده می‌توان مقدار سطح اثر (A ) را به مقدار قطر‌های اثر ربط داد و اگر این‌کار انجام شود به جای سطح اثر می‌توانیم از مقدار متوسط قطر‌ها در فرمول استفاده کنیم.

به کمک ریزسختی سنجی می‌توان اثرهای بسیار ریز بر روی فازها ایجاد کرد که قطر این اثرها در حد میکرون می‌باشد. ابعاد دانه‌ها در فلزات از چند میکرون تا چند ده میکرون می‌باشد که در نتیجه می‌توان با استفاده از تنظیم نیروی مناسب، سطح اثر را به گونه‌ای تنظیم کرد که در داخل فاز مورد نظر قرار بگیرد. بنابراین مشخص است که سطح اثر در سختی ویکرز به مقدار نیروی اعمالی بستگی دارد در نتیجه برای قابل مقایسه شدن مقادیر سختی سنجی گزارش شده حتماً باید مقدار نیرو را در گزارش عدد سختی ذکر کنیم. روش استانداردی که برای این کار به‌کار برده می‌شود آن است که عدد گزارش نتیجه‌ی سختی با یک عدد 7 رقمی به صورت زیر اعلام می‌شود:

xxxHVyy

به عنوان مثال Hv30 با Hv50 به علّت اعمال نیروی متفاوت قابل مقایسه نیستند .

سختی سنجی به روش نوپ:

این روش سختی سنجی برای اندازه گیری سختی ساختارهای میکروسکوپیک به کار میرود و میکروسختی سنجی نامیده شده است . تنها فرفی که با روش ویکرز دارد در روش ویکرز طول اقطار هرم برابر هستند در حالی که در روش نوپ یکی از قطرها طول به مراتب بیشتری دارد و سطح اثر فرورونده بر روی نمونه به جای اینکه به شکل مربع مستطیل باشد به صورت یک لوزی ظریف است. مقدار بار به کار رفته نیز در حدود دهم گرم تا چندین گرم است. زاویه راس هرم در روش نوپ ´30 و °172 است.

عدد سختی نوپ نیز مانند عدد سختی ویکرز از تقسیم نیرو بر سطح اثر به دست می‌آید.

با توجه به هندسه‌ی هرم راس فرورونده می‌توان بین سطح اثر و قطر بزرگ هرم رابطه برقرار کرد و به جای سطح اثر از طول بزرگترین قطر استفاده کرد. تفاوت بکارگیری نوپ و ویکرز در آن است که سختی سنجی نوپ عمدتاً برای موارد ترد و سخت که نیاز به ایندنتور با قابلیت نفوذ بیشتر دارند استفاده می‌شود. در نتیجه در موارد سخت و ترد بهتر نفوذ می‌کند و همچنین هنگامی که بخواهیم ورق‌های بسیار نازک، فلزهای خاص مانند طلا و نقره و … را اندازه‌گیری کنیم باید از نیروهای بسیار کم استفاده کرد که مقدار نفوذ حداقل 0.1 ضخامت لایه باشد که سختی سنجی نوپ این حالت را دارد.