سختی سنجی
سختی قطعات از راههای مختلفی قابل ارزیابی است:
- آزمون فرورفتگی استاتیک
- آزمون برگشتی (Rebound)
- آزمون خراش
- آزمون Damping
- آزمون برش
- آزمون سایش
- آزمون فرسایش
- آزمون الکترومغناطیس
- آزمون اولتراسونیک
سختی سنجی یکی از معتبرترین و ارزشمندترین راههای ارزیابی خواص مکانیکی فلزات است. سختی یک ماده عموماً به مقاومت به فروروندگی دائمی اطلاق میشود. بهطورکلی، یک فرورونده تا تحت یک فشار و زمان مشخص بر سطح ماده فشار اعمال میکند و اندازه و عمق نقطه اثر اندازهگیری می شود.
آزمون سختی سنجی به دو دسته تقسیم میشود:
- سختیسنجی ماکرو
- سختیسنجی میکرو
در سختیسنجی ماکرو، بار اعمالی بیش از یک کیلوگرم بوده و برای مواردی چون ابزار، قالبها، و ورقهای ضخیم استفاده میشود. در سختی سنجی میکرو، بار اعمالی کمتر از 1 کیلوگرم است و در مواردی مانند قطعات نازک، قطعات سختی سطحیشده، سطوح آبکاریشده و… استفاده میشود.
انتخاب روش سختی سنجی
اگر مادة مورد آزمایش ویژگیهای زیر را داشته باشد، انتخاب نسبتاً ساده و آزمایش با حداقل مهارت اپراتور انجامپذیر خواهد بود:
- بهشکل قطعات ساده و تخت با حداقل ضخامت ۱۸/۳ میلیمتر (۱۲۵/۰ اینچ) باشد.
- از مواد همگن تشکیل شده باشد.
- ترکیب سطحی آن اساساً مشابه مرکز آن باشد – سختکاری سطحی نشده باشد.
عوامل انتخاب
موارد زیر اکثر عواملی را نشان میدهند که برای انتخاب روش صحیح سختی سنجی باید مورد بررسی قرار گیرند:
محدودة سختی مادة آزمایش
برای انتخاب یک روش مناسب باید اطلاعاتی در مورد محدودة سختی از مواد مورد آزمایش داشته باشیم، که این موارد از تاریخچة فرایند و شرایط عمومی قطعه مشخص میشود.
برای فلزات غیرآهنی، انتخاب روش آزمون معمولاً دشوار نیست. مقیاس راکول(HRB) B رایجترین روش برای ارزیابی اکثر آلیاژهای مس، آلومینیوم، و منیزیم است و معمولاً نقطة شروع مناسبی محسوب میشود. درصورتیکه مقدار سختی از100 HRB بیشتر باشد، باید از مقیاس دیگری مانند راکول(HRC) C استفاده شود؛ وضعیتی که عمدتاً در آلیاژهای مس عملیات حرارتی شده مشاهده میشود. در مقابل، اگر مقدار سختی کمتر از حدود50 HRB باشد، نفوذ بیش از حد فرورونده موجب کاهش دقت شده و استفاده از مقیاسهای Eیا F توصیه میشود.
روش برینل نیز برای فلزات غیرآهنی کاربرد گستردهای دارد و معمولاً با بار500 کیلوگرم انجام میشود. بااینحال، زمانی که قطر فرورفتگی کمتر از۳ میلیمتر یا بیشتر از ۶ میلیمتر باشد، دقت نتایج کاهش مییابد. در تمام موارد، ضخامت و ابعاد قطعه باید با عمق فرورفتگی سازگار باشند. فولادهای کربنی و آلیاژی در حالت آنیلشده، نورد گرم، نورد سرد، آهنگری یا ریختهگری نیز غالباً با برینل یا راکول B ارزیابی میشوند. در مورد ورقهای فلزی، ضخامت اهمیت ویژهای دارد؛ بهگونهایکه استفاده از آزمون برینل برای ورقهای فولادی عموماً مناسب نیست و در ورقهای نازک معمولاً از مقیاسهای سوپرفیشیال 15T یا30T استفاده میشود.
فولادهای کربنی، آلیاژی، ابزار، و زنگنزن که تحت عملیات سختکاری یا سختکاری و تمپر قرار گرفتهاند، معمولاً با فروروندة الماسی و از طریق روشهایی نظیر راکولC ، ویکرز، اسکلروسکوپ (Scleroscope) یا آزمونهای ریزسختی آزمایش میشوند. در بین این روشها، راکول C متداولترین گزینه است. بااینحال، مقادیر کمتر از20 HRC معمولاً قابل اعتماد تلقی نمیشوند و در محدودة کمتر از30 HRC نیز احتمال بروز خطا و کاهش دقت وجود دارد.
چدنهای خاکستری، نشکن، گرافیت فشرده، و چکشخوار معمولاً با روش برینل ارزیابی میشوند، هرچند در برخی قطعات کوچک از راکول B نیز استفاده میشود. وجود فاز گرافیت که سختی قابل اندازهگیری ندارد، باعث میشود سختی اندازهگیریشده کمتر از مقدار واقعی باشد و میزان این اختلاف به مقدار گرافیت یا معادل کربن چدن وابسته است. چدنهای کوئنچ و تمپرشده اغلب با راکول C آزمایش میشوند، اما در این حالت نیز اختلاف میان سختی واقعی و سختی اندازهگیریشده میتواند قابل توجه باشد. چدنهای سفید و سایر انواع خاص نیز عمدتاً با راکول C ارزیابی میشوند. باوجوداین، تعیین سختی واقعی چدنها تنها از طریق آزمونهای ریزسختی امکانپذیر است.
اندازة قطعه کار
ابعاد و وزن قطعه میتوانند علاوه بر تکنیک آزمون، بر انتخاب روش نیز اثر مستقیم داشته باشند. برای قطعاتی با وزن بیش از حدود ۱۶ تا 23 کیلوگرم، استفاده از دستگاههای متداول برینل یا راکول رایج است. در مورد قطعات بسیار بزرگ که انتقال آنها به دستگاههای ثابت دشوار است، استفاده از دستگاههای قابل حمل (پرتابل) گزینة منطقیتری محسوب میشود. در کاربردهای میدانی، اسکلروسکوپ و دستگاههای اولتراسونیک مزایای قابل توجهی دارند؛ بااینحال، دقت این روشها بهشدت به کیفیت سطح وابسته است و برای آزمون چدنها مناسب نیستند. در مواردی که تعداد زیادی قطعة بزرگ و مشابه بهطور منظم آزمایش میشوند، این موضوع میتواند در انتخاب روش آزمون نقش تعیینکنندهای داشته باشد.
شکل قطعة کار
بهترین شرایط برای آزمون سختی، یک بلوک چهارگوش با اندازة کافی است که اجازة هرگونه سختی سنجی را میدهد؛ اما در عمل اغلب قطعات دارای اشکال پیچیده هستند. به همین دلیل، استفاده از سندانها، آداپتورها، و تجهیزات نگهدارندة ویژه ضروری است. برای قطعات سنگین مانند شفتهای بلند، میتوان از تکیهگاههای خارجی، وزنههای تعادل یا دستگاههایی استفاده کرد که قبل از اعمال بار، قطعه را بهطور محکم مهار میکنند. قطعات حلقوی معمولاً با آداپتورهای مخصوص و قطعات استوانهای با استفاده از ضرایب اصلاحی در آزمونهای برینل و راکول ارزیابی میشوند.
میزان تختبودن سطح
در آزمون برینل روی سطوح استوانهای، فرورفتگی بیضوی ایجاد میشود که با میانگینگیری از دو اندازهگیری متعامد میتوان اثر آن را اصلاح کرد. همچنین، برای دستیابی به نتایج دقیق در آزمونهای برینل، راکول، اسکلروسکوپ، و ریزسختی، سطح آزمون از حالت کاملاً عمود نسبت به جهت فرورونده میتواند حداکثر 3 درجه اختلاف داشته باشد. در قطعات با شکل نامنظم نیز میتوان از نگهدارندههای قابل تنظیم برای ایجاد شرایط مناسب آزمون استفاده کرد.
در آزمونهای ریزسختی، استفاده از فیکسچرها و تجهیزات نگهدارنده برای ایجاد سطحی هموار و پایدار ضروری است، هرچند در روش ریزسختی اولتراسونیک بهدلیل تفاوت اصول اندازهگیری، امکان آزمون سطوح غیرمسطح نیز وجود دارد.
شرایط سطح قطعة کار
شرایط سطح شامل دو عامل اصلی کیفیت پرداخت سطح و وضعیت متالورژیکی سطح است
بهطورکلی، هرچه اندازة فرورفتگی کوچکتر باشد، نیاز به پرداخت سطحی دقیقتر افزایش مییابد. آزمون برینل بهدلیل استفاده از فروروندة بزرگ حتی روی سطوح ماشینکاریشده و نسبتاً زبر نیز انجامپذیر است. در مقابل، آزمون راکول به سطوح پرداختشده و آزمون ویکرز و سایر روشهای ریزسختی به سطوح بسیار صیقلی نیاز دارند. در آزمونهای ریزسختی با بارهای کمتر از ۱۰۰ گرم، سطح نمونه باید کیفیتی مشابه نمونههای آمادهشده برای بررسیهای متالوگرافی داشته باشد. عامل دوم، وضعیت متالورژیکی سطح است. پدیدههایی نظیر دکربوریزاسیون، کربوریزاسیون، وجود آستنیت باقیمانده، و سایر تغییرات شیمیایی یا ساختاری سطح میتوانند نتایج آزمون را تحتتأثیر قرار دهند و در بسیاری از موارد استفاده از بیش از یک روش آزمون را ضروری سازند.
ماهیت مادة آزمایش: همگن یا غیرهمگن
سوابق تولید قطعه، ازجمله نورد، آهنگری، ریختهگری، یا تولید به روش متالورژی پودر (P/M)، میتواند بر انتخاب روش آزمون اثرگذار باشد. بهطورکلی، محصولات نوردی و آهنگریشده با ترکیب شیمیایی مشابه، رفتار مشابهی در آزمون سختی دارند. همچنین، اغلب فولادها و فلزات غیرآهنی ریختهگریشده را میتوان مشابه نمونههای نوردی یا آهنگری آنها ارزیابی کرد، مگر در مواردی که کاهش چگالی ناشی از ریختهگری قابل توجه باشد. در قطعات متالورژی پودر (P/M)، علاوه بر وجود گرافیت، تخلخل نیز بر نتایج تأثیر میگذارد. در این قطعات، آزمون راکول متداولترین روش است، اما تعیین سختی واقعی تنها با اندازهگیری جداگانة فازهای تشکیلدهنده امکانپذیر خواهد بود.
میزان تأثیرپذیری قطعه از اثر فرورفتگی
یکی از عوامل مهم در انتخاب روش آزمون سختی، اندازه و اثر فرورفتگی باقیمانده روی قطعه است. این اثر میتواند از فرورفتگیهای بزرگ برینل با قطری بیش از ۴ میلیمتر تا آثار میکروسکوپی حاصل از آزمونهای ریزسختی متغیر باشد.
در بسیاری از قطعات خام مانند آهنگریها و ریختهگریها، اثر فرورفتگی برینل مشکلی ایجاد نمیکند. اما در قطعات نهایی، این فرورفتگیها ممکن است از نظر ظاهری نامطلوب بوده یا حتی موجب تمرکز تنش و کاهش استحکام قطعه شوند. در برخی موارد، گزارش شده است که ترک یا شکست قطعه در حین سرویس از محل فرورفتگی آزمون برینل آغاز شده است. همچنین در بعضی ریختهگریهای چدن چکشخوار، انجام آزمون برینل موجب ایجاد ترکهای ریز در محل فرورفتگی و مردودشدن قطعات در آزمون ذرات مغناطیسی شده است.
فرورفتگیهای ایجادشده توسط آزمون راکول بهدلیل ابعاد کوچکتر معمولاً آسیب کمتری ایجاد میکنند، اگرچه در قطعات بسیار دقیق آنها نیز ممکن است نامطلوب باشند. در مقابل، آثار بهجامانده از اسکلروسکوپ و آزمونهای ریزسختی عموماً بسیار کوچک بوده و بهندرت موجب محدودیت در کاربرد قطعه میشوند.
تعداد قطعات یکسان برای آزمایش
تعداد قطعات یکسان یا مشابهی که باید آزمایش شوند، میتواند در انتخاب روش و همچنین تکنیک مناسب برای آزمون سختی سنجی تفاوت ایجاد کند. همچنین، مهم است بدانیم که آیا یک قطعه مربوط به تولید دستهای (Batch production) است یا تولید انبوه (Mass production). دستگاه اسکلروسکوپ در شرایط خاص، برای انجام آزمایشهای بسیار سریع مناسب است و بهکرّات برای آزمون سختی در تولیدات با حجم بالا استفاده میشود. همچنین تحت شرایط مشخص، آزمون سختی اولتراسونیک (Ultrasonic hardness test) میتواند برای اندازهگیری سختی میکرو (Microhardness) تعداد زیادی قطعه مشابه بهکار رود.
در دسترس بودن تجهیزات
بهطور معمول، آزمون سختی در تولید انبوه با استفاده از یکی از دستگاههای برینل یا راکول انجام میشود. هریک از این دستگاهها در سیستمهای نیمهاتوماتیک یا کاملاً اتوماتیک قابل استفاده هستند؛ بهطوریکه قطعات ردشده (Rejects) بهصورت خودکار جدا میشوند.
تبدیل سختی
از دیدگاه علمی، مهم است که بتوان نتایج حاصل از یک نوع آزمون سختی را به نتایج مربوط به نوع دیگری از آزمون سختی تبدیل کرد. چون یک آزمون سختی، یک ویژگی کاملاً تعریفشده از یک ماده را اندازهگیری نمیکند و همچنین همة آزمونهای رایج سختی براساس یک نوع اندازهگیری یکسان نیستند؛ این تبدیلها بر پایة اصول بنیادی نیستند؛ بنابراین، روابط تبدیل سختی جهانی هنوز توسعه نیافتهاند.
این تبدیلها برای فولادهای کربنی و آلیاژی عملیات حرارتیشده و تقریباً برای تمام فولادهای ساختمانی آلیاژی و فولادهای ابزار، در شرایط آهنگریشده، آنیلشده، نرمالهشده، و کوئنچ و تمپرشده کاربرد دارند. اگرچه برای آلیاژهایی با مدول الاستیسته بسیار متفاوت و برای موادی با قابلیتهای کرنش سختی بیشتر، به جداول تبدیل متفاوتی نیاز است. در نتیجه، جداول جداگانهای نیز برای فولادهای زنگنزن آستنیتی، چدنهای سفید پرآلیاژ مقاوم به سایش، آلیاژهای آلومینیوم، و آلیاژهای آلومینیوم کاریشده، مسهای کارشده با خلوص بالا، برنج کارتریجی، و آلیاژهای نیکل و نیکل بالا توسعه داده شدهاند.
این جداول با جزئیات بیشتری در استاندارد ASTM E140″، “Standard Hardness Conversion Tables for Metals (جداول استاندارد تبدیل سختی برای فلزات) توضیح داده شدهاند.
رفتار فرورفتگی (Indentation) سختی سنجی برای فلزات نرم، به میزان کرنش سختی (Strain Hardening) ماده در هنگام آزمون وابسته است؛ که این موضوع نیز به مقدار کارسختی قبلی ماده قبل از آزمون بستگی دارد. همچنین، مدول الاستیسیته نیز بر نتایج تبدیل سختی در سختیهای بالا تأثیر میگذارد.
در سطوح سختی پایین، تبدیلها بین مقیاسهای سختی که عمق نفوذ و آنهایی که قطر نفوذ را اندازهگیری میکنند، بهدلیل اختلاف در مدولهای الاستیسیته، تحتتأثیر قرار میگیرند. روش استاندارد گزارشکردن اعداد سختی تبدیلشده، عدد سختی اندازهگیریشده و مقیاس آزمون را داخل پرانتز نشان میدهد؛ برای مثال:
451HB (48 HRC) یعنی سختی برینل برابر 451 HB است که تقریباً معادل سختی راکول C برابر 48 HRC میباشد.
واژههای کلیدی: سختی، ویکرز، برینل (Brinell)، راکول (Rockwell)، سختی سنجی ، تبدیل سختی
منبع