معمولا اصطلاح سختی به خاصیت اجسام در مقابل نفوذ جسم دیگری به سطح آن ها و میزان مقاومت و نفوذ پذیری آن ها اطلاق می شود.

رایج ترین آزمایش سختی، مشتمل بر حرکت یک جسم نفوذ کننده و یا فرورونده به داخل جسم مورد آزمایش و ثبت نیروی ...........


آزمایش سختی

معمولا اصطلاح سختی به خاصیت اجسام در مقابل نفوذ جسم دیگری به سطح آن ها و میزان مقاومت و نفوذ پذیری آن ها اطلاق می شود.

رایج ترین آزمایش سختی، مشتمل بر حرکت یک جسم نفوذ کننده و یا فرورونده به داخل جسم مورد آزمایش و ثبت نیروی لازم برای این کار و یا اندازه گیری مقدار فرورفتگی در برابر نیروی معین می باشد که این آزمایش، آزمایش سختی فروروندگی نامیده می شود.

در آزمون های فروروندگی ایستا، که متداول تر  هستند، حفره ای تحت فشار معین در قطعه ایجاد شده  و ابعادش اندازه گیری می شود. هر چه حفره ایجاد شده در شرایط استاندارد، بزرگتر باشد ماده نرم تر است،و بر عکس. اگرچه آزمون های فروکردنی مقاومت در برابر سایش را اندازه گیری نمی کنند، ولی عموما موادی که بر اساس این آزمون هاارزیابی می شوند، مقاومت خوبی هم در مقابل سایش و فرسایش سطحی دارند. در آزمون های فروکردنی پویا، وزنه یا آونگی که آزادانه رها می شود، به سطح ماده برخورد می کند. بخشی از انرژی وزنه برخورد کننده، صرف تغییر شکل پلاستیک ماده شده و باقی مانده آن موجب برگشتن وزنه از سطح می شود. ماده سخت، انرژی زیادی جذب نمی کند زیرا تغییر شکل پلاستیک آن چشم گیر نیست؛ در نتیجه وزنه برخورد کننده تا ارتفاع بیشتری بر می گردد. این نوع آزمون برای فلزات فوق العاده سخت، بسیار مناسب است. این آزمون ها همچنین برای ارزیابی گروه دیگری از مواد، که معمولا خیلی سخت تلقی نمی شوند، یعنی لاستیک ها، به کار می روند. برای اندازه گیری سختی فولادها، می توان از نوعی روش برقی بدون تماس استفاده کرد..

هر چند که خاصیت اندازه گیری شده، پسماندزدایی مغناطیس است، ولی برای هر نوع فولاد
رابطه ای تقریبا خطی بین پسماندزدایی مغناطیسی و سختی وجود دارد. آزمون های سختی از نوع فرو کردنی به مقیاس وسیعی برای بررسی نمونه های فلزی به کار می روند، انجام این آزمون ها نسبتا آسان است و نیازی به نمونه های دقیقا ماشین کاری شده ندارد. نتایج آزمون شاخصی از استحکام فلز ها را به دست می دهد (رابطه های تجربی خاصی بین مقادیر سختی و استحکام کششی در مورد بعضی فلز ها وجود دارد). علاوه بر این، نتایج آزمون سختی می تواند روش مناسبی برای بررسی میزان تاثیرات عملیات حرارتی باشد.

در تمام اواع آزمون های فروروندگی ایستا، نوعی فرورونده تحت اثر نیروی خارجی به سطح نمونه مورد آزمایش، فرو برده می شود. فرورونده موجب تغییر شکل موضعی ماده می شود. بخشی از تغییر شکل ماده در اثر اعمال نیرو، الاستیک و بخش دیگری از آن پلاستیک است. پس از برداشتن نیرو، کرنش الاستیک ایجاد شده در ماده بر طرف می شود ولی کرنش پلاستیک بر جای مانده و اثری  دائمی روی سطح قطعه باقی می گذارد. یکی از ابعاد این فرورفتگی (عمق یا طول) اندازه گیری شده و برای تعیین عدد سختی به کار می رود.

اندازه فرو رفتگی، یعنی مقدار کرنش پلاستیک، با طبیعت ماده مورد آزمایش، اندازه و نوع فرورونده و همچنین مقدار نیروی وارد شده، تغییر می کند. نکته مهم این است که عمق فرورفتگی در مقایسه با ضخامت قطعه مورد آزمایش کوچک باشد، در غیر این صورت ممکن است ناحیه تغییر شکل الباستیک و حتی ناحیه تغییر شکل پلاستیک، از تمام عمق قطعه گذشته و با میز دستگاه وارد عمل شده و در نهایت منجر به عدد سختی نادرست شود. به عنوان یک قاعده کلی عمق حفره ایجاد شده نباید از یک هشتم ضخامت نمونه آزمایش تجاوز کند. به همین ترتیب محل ایجاد فرورفتگی نباید نزدیک لبه نمونه یا نزدیک فرورفتگی دیگر باشد، چرا که در این حالت نیز، جواب نادرست خواهد بود.

بسیاری از آلیاژهای فلزی ساختار همگن ندارند و ممکن است تنها یک بار اندازه گیری سختی  نتیجه ای  که بیانگر خاصیت کل ماده باشد، به دست ندهد، بنابراین اندازه گیری باید در چند نوبت انجام شود. غالبا حداقل تعداد آزمایش سه است. اگر نتیجه این سه آزمون به قدر کافی به هم نزدیک نباشد، باید آزمون های بیشتری انجام داد. بعضی آلیاژها شامل دو فاز نرم و سخت هستند و ایجاد فرورفتگی های کوچک ممکن است منجر به وجود پراکندگی زیاد در جواب شود.

به طور کلی هر چه فرورفتگی وسیع تر و عمق آن بیشتر باشد، نتیجه آزمایش به میانگین واقعی سختی ماده نزدیکتر است. البته ممکن است در بعضی موارد، ایجاد فرورفتگی عمیق، غیر عملی و یا نامعقول باشد. اگر ماده به شکل یک قطعه نازک یا بسیار کوچک باشد، ایجاد فرورفتگی عمیق غیر عملی است، همچنین اگر هدف تعیین سختی پوسته، تنها ایجاد فرورفتگی های کوچک می تواند مفهوم داشته باشد.

به طور معمول سه آزمون فروروندگی ایستا بیشتر از بقیه مورد استفاده قرار می گیرند. این آزمون ها شامل آزمون ویکرز الماسی، آزمون برینل و آزمون راکول می باشند. در هر یک از این روش ها، سطحی که سختی آن اندازه گیری می شود، باید برخط اثر نیروی فروکن عمود بوده و موقعیت آن به گونه های باشد که هنگام آزمایش حرکت نکند. میزان آماده سازی سطح نمونه چندان اهمیت ندارد، ولی لازم است هر گونه پوسته، زنگ زدگی و آلودگی از سطح آن زدوده شود. معمولا سطح خوب سنگ زده شده کافی است. هنگامی که تعیین سختی مواد بسیار نازک مانند تیغ صورت تراشی، قطعات بسیار کوچک، لایه نازک سخت شده قطعه سخت شده پوسته ای، یا احتمالا فاز های میکروسکوپی مختلف یک آلیاژ مورد نظر باشد، می توان از آزمون ریز سختی استفاده کرد. در این موارد باید همانند بررسی های ریز ساختار، سطح نمونه پرداخت بسیار خوب (صیقل کاری درجه بالا) داشته باشد. دو آزمون متداول ریز سختی آزمون های ویکرز الماسب و نوپ الماسی هستند. نتایج آزمون های ریز سختی عموما کمتر از نتایج حاصل از فرورفتگی های بزرگتر قابل اعتمادند. معمولا نتایج این آزمایش ها سختی بالاتری را نشان می دهند.

روش های سختی سنجی

آزمایش برینل

یکی از قدیمی ترین آزمایش های سختی سنجی، آزمایش برینل می باشد. این آزمایش، یک آزمون سختی سنجی ایستایی می باشد که عبارت است از فشردن ساچمه فولادی سخت بر روی سطح یک نمونه. مشخصات انجام این روش از آزمون سختی در استاندارد ASTM E 10-66 تعیین گردیده است.

در این آزمون، معمولا از ساچمه ای به قطر 10 میلی متر از جنس فولاد سخت و یا کربور تنگستن، برای اعمال یک بار بر روی سطح ماده استفاده می شود که برای فلزات سخت، مقدار بار 3000 کیلوگرم، برای فلزات نیمه سخت 1500 کیلوگرم و برای مواد نرم 500 کیلوگرم و یا کمتر می باشد.

انواع مختلفی از دستگاه ها که می توان با آنها آزمایش برینل را انجام داد ساخته شده است. تفاوت انواع مختلف این دستگاه ها به شرح زیر است:

1-   روش وارد آوردن بار، به عنوان مثال اعمال نیرو توسط فشار روغن، چرخ دنده و پیچ و یا استفاده از اهرم و وزنه.

2-   روش اجرای عملیات، به عنوان مثال استفاده از نیروی دست و یا نیروی ماشین.

3-   روش اندازه گیری بار وارده، به عنوان مثال استفاده از پیستون و وزنه، فشارسنج بورودون، نیروسنج و یا اهرم و وزنه.

4-   اندازه دستگاه، برای مثال دستگاه بزرگ و یا دستگاه کوچک (سیار و قابل حمل).

آزمایش برینل را می توان توسط دستگاه آزمون عمومی (یونیورسال) با اضافه کردن یک مبدل مناسب که ساچمه را نگه دارد، انجام داد.

برای انجام آزمایش برینل، قطعه نمونه را بر روی سندان قرار داده و سندان را بالا می برند به طوری که با ساچمه مماس شود. پمپ نمودن روعن به داخل سیلندر اصلی، سبب اعمال یک نیروی رو به پایین به پیستون اصلی دستگاه و در نتیجه فشار وارد آوردن بر روی ساچمه می شود. این فشار باعث فرورفتن ساچمه بر روی سطح قطعه مورد آزمایش می گردد. پیستون کاملا روان کار می کند و لذا تلفات اصطکاک قابل چشم پوشی است. با نصب یک فشار سنج، مقدار تقریبی بار وارده نشان داده می شود.

هنگامی که بار وارده، به مقدار مورد نظر برسد، وزنه تعادل بالای دستگاه با عمل یک پیستون کوچک، به بالا کشیده می شود. این عمل به منزله ضامن اطمینانی است که بار زیادی بر روی ساچمه وارد نشود.

در آزمایش های استاندارد، قطر حفره ایجادشده توسط ساچمه، به وسیله میکروسکوپ میکرومتر و یا میکروسکوپ برینل که یک صفحه شفاف مدرج در میدان دید آن می باشد، اندازه گرفته می شود.

آزمایش برینل معیار خوبی برای اندازه گیری سختی می باشد ولی دارای محدودیت هایی است. یکی از این محدودیت ها، مناسب نبودن آن برای مواد بسیار سخت می باشد. در این موارد، ساچمه اکثرا تغییر شکل می دهد. همچنین برای قطعات خیلی نازک که احتمالا عمق حفره ایجاد شده بیشتر از ضخامت قطعه باشد، این روش مناسب نمی باشد. یکی دیگر از محدودیت ها، مناسب نبودن آن برای قطعاتی است که سطح آنها سخت شده باشد. در این موارد ممکن است عمق حفره ایجاد شده از ضخامت لایه سخت شده بیشتر باشد و در نتیجه نرمی مغز قطعه آزمون را بی اعتبار کند.

در آزمایش استاندارد، بار کامل به مدت 30 ثانیه بر روی فلزات آهنی و 60 ثانیه بر روی فلزات نرم تر وارد می آید. عدد سختی برینل، مقدار اسمی فشار بر واحد سطح حفره ایجاد شده بر حسب کیلوگرم بر میلی متر مربع می باشد.

این عدد با تقسیم بار وارده بر سطح حفره ایجادشده که کره در نظر گرفته می شود، محاسبه
می گردد. مقدار بار وارده و قطر حفره ایجاد شده در فرمول زیر قرار داده می شود:

 

که در این فرمول، BHN عدد سختی برینل (کیلوگرم بر میلی متر مربع)، L مقدار بار اعمال شده (به کیلوگرم)، D قطر ساچمه (میلی متر) و d قطر حفره ایجاد شده به میلی متر می باشد.

عدد سختی برینل معمولا در محدوده 90 تا 630 قرار دارد. اعداد بزرگتر نشان گر سختی بیشتر می باشد. هر اندازه که عمق حفره ایجاد شده بر روی سطح قطعه زیادتر باشد قطر این حفره نیز بیشتر بوده و عدد سختی کوچکتر خواهد بود.

چنانچه ساچمه، حفره ای ایجاد کند که قطر دایره آن بیشتر از 6 میلی متر باشد، بار کمتری بایستی برای آزمایش استفاده شود.

وقتی که ساچمه به داخل سطح قطعه نفوذ می کند، برآمدگی هایی در لبه های حفره ایجاد شده به وجود می آید، که موجب کاهش دقت در قرائت قطر دایره عرقچین می شود. به درست بودن اعداد محدوده بالای برینل، و خصوصا اعداد بالای 650 برینل نمی توان اطمینان داشت. دلایل این عدم دقت به شرح این است:

1)    قطر حفره ایجاد شده به قدری کوچک است که جزئی ترین عدم دقت در خواندن، اثر بزرگی در محاسبه عدد برینل خواهد داشت.

2)    ساچمه، پس از تماس با سطح قطعه از شکل کروی خارج شده و سطح تماس آن با قطعه، مسطح شده که باعث عدم دقت زیاد در اندازه گیری قطر حفره ایجاد شده می گردد. البته تعداد کمی از مواد هستند که عدد برینل آنها بالای 650 باشد. به سادگی این نتیجه حاصل می شود که برای موادی که عدد برینل آنها بیش از 150 باشد، نیروی مورد نیاز 3000 کیلوگرم، برای اعداد 75 تا 300 برینل، بار مورد نیاز 1500 کیلوگرم و برای موادی که عدد برینل آنها زیر 100 باشد، بار مورد نیاز 500 کیلوگرم خواهد بود.

به منظور آزادی عمل قابل قبول در آزمایش ها، این اعداد به گونه ای انتخاب شده اند که با یکدیگر هم پوشانی داشته باشند. ضخامت قطعات نمونه جهت آزمایش نبایستی کمتر از ده برابر عمق حفره ایجاد شده باشد. چنانچه قطعات نازکتر به عنوان نمونه مورد آزمایش قرار گیرند، عدد سختی به دست 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. یکی از این معایب این است که این آزمایش، مخرب می باشد، زیرا بر روی نمونه آزمایش، حفره ای بر جا می ماند.

در بیشتر این موارد باقی ماندن این حفره، قطعه را غیر قابل استفاده می کند. از طرف دیگر، اکثر دستگاه های آزمایش برینل سنگین هستند (بیشتر از 90 کیلوگرم) که باعث ایجاد اشکال در جابجایی  و تحرک گردیده و مناسب استفاده در خارج از آزمایشگاه نمی باشند. همچنین دستگاه برینل نسبت به سایر دستگاه ها گران تر می باشد.

آزمایش برینل دارای محاسنی نیز می باشد، چون قدمت آن زیاد و کاملا جا افتاده است، بیشتر محققان با آن آشنایی داشته و عموما نتایج آزمایشات برینل، در صنایع مورد قبول واقع گردیده است. این آزمایش را می توان سریع و معمولا در کمتر از دو دقیقه انجام داد. صرف نظر از قیمت و هزینه اولیه دستگاه، انجام آزمایش معمولا ارزان تمام می شود و در نهایت وجود نقایص درونی مواد از جمله وجود یک نقطه سخت و یا حفره، اثر بزرگی در نتیجه آزمایش برینل نخواهد داشت.

آزمایش راکول

آزمایش سختی راکول شبیه آزمایش برینل است که در آن عدد سختی، نسبتی از بزرگی حفره ای است که توسط یک دندانه و با وارد آوردن یک بار ثابت معین بر روی قطعه نمونه به وجود می آید. مشخصات انجام این روش از آزمون سختی در استاندارد ASTME18-74 تعیین گردیده است.

آزمایش راکول با آزمایش برینل از نظر اصول متفاوت است، زیرا در آزمایش راکول سه نوع بار و سه نوع دندانه مختلف را می توان انتخاب کرد. اختلاف آزمایش راکول با آزمایش برینل در کوچکتر بودن بار وارده و شکل دندانه ایجاد کننده حفره است و در نتیجه حفره ایجاد شده کوچکتر و کم عمق تر خواهد بود. بنابراین طیف کاربرد آن وسیع تر از آزمایش برینل و انجام آن سریع تر
می باشد، چون می توان مستقیما قرائت عدد سختی را انجام داد. آزمایش راکول توسط دستگاهی انجام می شود که به صورت خاص برای این کار طراحی شده و در آن از مجموعه ای از وزنه ها و اهرم ها برای وارد کردن بار استفاده می شود.

دندانه فرورونده یا نفوذ کننده ممکن است یک ساچمه فولادی سخت شده به قطر  اینچ یا  اینچ بوده و یا یک مخروط الماسه با زاویه 120 درجه که نوک مخروط آن گرد شده و برینل نامیده می شود، باشد. عدد سختی که روی نشانگر مدرج می توان قرائت کرد، یک عدد دلخواه قراردادی است که به طور معکوس با عمق حفره ایجاد شده، متناسب می باشد. مقیاس به کار رفته برای آزمایش، نشان دهنده بار وارده و نوع دندانه استفاده شده می باشد.

در موقع استفاده از دستگاه، ابتدا یک بار کوچک به اندازه 10 کیلوگرم بر روی قطعه وارد می نمایند تا سبب ایجاد یک حفره کوچک شده و دندانه، داخل این حفره مستقر و محکم شود. سپس درجه تنظیم دستگاه روی علامت "SET" قرار داده شده و بار اصلی بر روی قطعه وارد می آید. بار اصلی معمولا بین 60 تا 100 کیلوگرم برای ساچمه فولادی است و در بعضی مواقع در صورت لزوم مقدار بار ممکن است بیشتر شود. برای دندانه الماسه بریل، نیروی 150 کیلوگرم به کار برده می شود.

قطر ساچمه فولادی معمولا  اینچ است ولی ساچمه هایی با قطرهای  و  و  اینچ برای موادی با سختی کمتر نیز قابل استفاده می باشند. پس از آن که بار اصلی بر روی قطعه وارد آمده و برداشته شد، عدد سختی از روی نشانگر مدرج خوانده می شود در حالی که بار کوچک اولیه هم چنان در محل قرار دارد. جدول 1 نشان دهنده مقیاس، نوع دندانه مورد استفاده، بار وارده و ماده مناسب نمونه آزمون در دستگاه سختی سنج راکول می باشد.

مقیاس

علامت

فرورونده

مجموع بار فررونده

ماده مناسب مقیاس

A

 

مخروط الماسی

60

تسمه نازک فولادی سخت شده

B

 

گوی  اینچی فولادی

100

فولاد نرم و فولاد با کربن متوسط عملیات حرارتی نشده

C

 

مخروط الماسی

150

فولادهای سخت و باز پخت شده و فولادهای آلیاژی

D

 

مخروط الماسی

100

فولادهای سختی پوسته ای شده

E

 

گوی  اینچی فولادی

100

چدن، آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای منیزیم

F

 

گوی  اینچی فولادی

60

مس و برنج

G

 

گوی  اینچی فولادی

150

برنز، فلز توپ و مس بریلیم دار

H

 

گوی  اینچی فولادی

60

آلومینیوم نرم و پلاستیک های گرمانرم

K

 

گوی  اینچی فولادی

150

آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم

L

 

گوی  اینچی فولادی

60

پلاستیک های گرمانرم نرم

M

 

گوی  اینچی فولادی

100

پلاستیک های گرمانرم

P

 

گوی  اینچی فولادی

150

مواد یاتاقان و دیگر مواد بسیار نرم یا نازک

R

 

گوی  اینچی فولادی

60

پلاستیک های گرمانرم بسیار نرم

S

 

گوی  اینچی فولادی

100

مواد بسیار نرم یا نازک

V

 

گوی  اینچی فولادی

150

مواد بسیار نرم یا نازک

جدول 1: مقیاس های سختی راکول ]1[

1- BS4175 (1961)

 

در سختی سنجی راکول، عدد سختی به تنهایی وجود ندارد، چون عدد سختی به نوع دندانه استفاده شده و میزان بار وارده بستگی دارد. بنابراین یک حرف مشخص کننده لازم است تا مقادیر به دست آمده از آزمایش مفهوم گردد.

نشانگر مدرج دستگاه دارای دو دسته ارقام است که یکی قرمز و دیگری سیاه بوده و به اندازه 30 واحد سختی با یکدیگر اختلاف دارند. این نشانگر ها برای مقیاس های B و C طراحی  شده بودند که این مقیاس ها برای اولین بار به صورت استاندارد در آمده و به صورت معمول دارای بیشترین کاربرد بودند. اعداد قرمز برای خواندن نتایج مربوط به استفاده از دندانه ساچمه ای، بدون در نظر گرفتن اندازه قطر ساچمه و یا مقدار بار وارده می باشد و اعداد سیاه فقط برای دندانه های الماسه به کار می رود.

مقیاس B برای آزمایش مواد با سختی متوسط که سختی آنها از صفر تا 100 باشد، استفاده می شود. چنانچه ساچمه برای سختی بیشتر از 100 استفاده شود، احتمال دارد که سطح برخورد ساچمه با قطعه، مسطح شده و بنابراین نتایج خوانده شده صحیح نباشند.

مقیاس C بیشترین مورد استفاده را برای مواردی که عدد سختی آنها بیشتر از 100 B باشد، دارد. عدد سختی سخت ترین فولادها، در حدود 70C می باشد.

دامنه مفید کاربرد مقیاس C از عدد 20C به بالا می باشد. تغییرات در تراش الماسه برینل سبب عدم دقت در خواندن سختی موادی که سختی آنها زیر 20C بوده و همچنین میزان فرورفتگی در آنها کوچک باشد، می گردد. به منظور بالا بردن میزان دقت آزمایش، باید سعی شود مقیاسی انتخاب گردد که کوچک ترین اندازه ساچمه، مورد استفاده قرار گیرد، زیرا هر چه اندازه دندانه بزرگ تر شود، دقت و حساسیت نتایج آزمون کمتر خواهد شد.

مقیاس های راکول به 100 قسمت مساوی تقسیم شده اند که هر قسمت یا هر عدد سختی برابر با 002/0 میلی متر عمق فرورفتگی است. بنابراین اختلاف دو عدد سختی 53B و 56B برابر با  خواهد شد. از آن جایی که مقیاس ها به صورت معکوس در نظر گرفته شده اند، هر اندازه عدد مربوط به نتیجه آزمون بزرگتر باشد، سختی قطعه زیادتر خواهد بود.

سطح قطعه مورد آزمایش بایستی صاف و بدون پلیسه، اکسیده، چاله و یا مواد خارجی در رو و زیر آن باشد. ضخامت قطعه مورد آزمایش باید به قدری باشد که در موقع آزمایش بر روی سندان شکم نداده و تغییر شکل پیدا نکند. زیرا اگر قطعه تغییر شکل پیدا کند، نتیجه صحیح به دست نمی آید. روی سطوح کروی را باید با سوهان و یا سنگ زدن، صاف کرد. تمام قطعات بایستی با ضخامت ثابت تحت آزمایش قرار گیرند.

به منظور جلوگیری از اشتباهاتی که به علت برخورد با یک نقطه سخت، ناخالصی قطعه، چاله و سوراخ های کوچک و یا سایر معایب موجود بر روی سطح قطعه به وجود می آید، معمولا بر روی هر قطعه، سه آزمایش در سه نقطه مختلف آن انجام شده و معدل نتیجه سه آزمایش به عنوان عدد سختی آن قطعه ثبت می گردد. عدد سختی راکول را می توان به برینل تبدیل کرد و بالعکس.

برای تبدیل عدد سختی راکول با مقیاس C که بین 20 تا 40 باشد، عدد سختی برینل از فرمول زیر محاسبه می شود:

 

و برای سختی راکول C که بیشتر از 40 باشد از فرمول زیر محاسبه می شود:

 

 

و برای محاسبه عدد سختی برینل در برابر عدد سختی راکول B که بین 35 تا 100 باشد از فرمول زیر استفاده می شود:

آزمایش ویکرز

محاسبه سختی مواد با استفاده از نسبت بار وارده به سطح فرورفتگی (مثل آزمایش برینل) شامل سایر آزمون ها نیز می گردد که یکی از آن ها آزمایش تعیین سختی به طریقه ویکرز می باشد. در این آزمون از یک دندانه الماسه کوچک، به شکل هرم مربع القاعده استفاده می گردد که زاویه نوک آن 136 درجه و بار وارده از 5 تا 120 کیلوگرم با تقسیمات 5 کیلوگرمی می تواند تغییر کند.

به منظور اجرای آزمایش، قطعات نمونه را روی سندان قرار داده و به وسیله یک پیچ، سندان به سمت بالا حرکت می کند تا قطعه دقیقا نزدیک نوک دندانه قرار گیرد. سپس با آزاد کردن اهرم شروع کننده آزمایش، یک بازوی سنگین که نسبت آن 20 به یک می باشد، رها شده و وزن بازو به آرامی بر روی دندانه وارد می آید و سپس بازو به محل اولیه بر می گردد. آماده کردن مجدد دستگاه برای آزمایش به وسیله فشار دادن یک پدال پایی انجام می شود. پس از آن که سندان به پایین آورده شد، میکروسکوپ بر روی قطعه قرار گرفته و قطر مربع فرورفتگی با دقت 001/0 میلی متر اندازه گرفته می شود.

در صورت لزوم، از ساچمه هایی به قطر 1 یا 2 میلی متر به عنوان دندانه نیز می توان استفاده نمود. از دستگاه ویکرز اصولا در پژوهش ها استفاده می شود. یکی از مزایای دستگاه ویکرز که بعضی از کاربران این دستگاه به آن اعتراف کرده اند، دقت اندازه گیری ابعاد فرورفتگی حاصله است.

اندازه گیری قطر مربع، بسیار دقیق تر از اندازه گیری قطر دایره است زیرا برای اندازه گیری قطر دایره بایستی فاصله دو خط مماس بر دایره اندازه گرفته شود. روش ویکرز، نسبتا سریع بوده و با آن می توان سختی نمونه های نازک تا 006/0 اینچ ضخامت را اندازه گرفت. گفته شده است که تا محدوده 1300 درجه سختی (تقریبا 150 درجه سختی برینل) نتایج این روش دارای دقت مطلوب می باشد. به نظر می رسد که امکان مسطح شدن دندانه دستگاه ویکرز کمتر از دندانه برینل باشد. از معایب آزمایش ویکرز این است که این آزمایش، مخرب بوده و سرعت اجرای آن کمتر از آزمایش برینل و راکول است و سطح نمونه را بایستی قبل از آزمایش پرداخت کرد که این کار وقت زیادی می گیرد.

اگر چه آزمایش ویکرز بسیار دقیق تر از راکول و برینل است، ولی قیمت دستگاه آن نیز بسیار گران تر می باشد. در مقابل، نتایج آزمایش ویکرز در سطح وسیعی از صنایع پذیرفته شده است. عدد سختی دستگاه ویکرز با دندانه الماس هرمی شکل، که به صورت خلاصه، DPH نوشته می شود، از فرمول زیر محاسبه می شود.

 

که در این فرمول DPH عبارت است از عدد سختی ویکرز با دندانه الماسه هرمی شکل بر حسب کیلوگرم بر میلی متر مربع، P بار وارده بر حسب کیلوگرم و d قطر مربع فرورفتگی بر حسب میلی متر است.

ریز سختی

چند سیستم آزمایش ریز سختی وجود دارد که دو سیستم از متداول ترین آنها آزمون های ویکرز الماسی و نوپ الماسی است. اصول روش آزمایش ریز سختی ویکرز الماسی همانند آزمون ویکرز استاندارد است با این تفاوت که به جای نیروی فرورونده چند کیلوگرمی، نیروها در حد گرم هستند. انواع این آزمون ها روی میکروسکوپ های متالوژیکی، که برای این کار طراحی شده اند، انجام

می شوند. فرو رونده هرم الماسی کوچک روی صفحه یک عدسی شیئی مخصوص جاسازی شده است. سطح نمونه آزمایش، پرداخت بسیار براق شده و برای مطالعات میکروگرافی، حکاکی (اچ) می شود. مشاهده قطعه از زیر میکروسکوپ با درشت نمایی 200 تا 2000، امکان متمرکز کردن عدسی روی دانه های مجزای ماده و فروکردن هرم الماسی با نیروی کم، در آن نقطه را فراهم می سازد. نیروی مورد استفاده معمولا بین 1 تا 100 گرم است. پس از آن قطرهای لبه مربع شکل فرورفتگی به دقت اندازه گیری و طبق روش گفته شده در قبل، سختی ماده محاسبه می شود. دقت متعارف اندازه گیری با میکروسکوپ الحاقی در حدود  میلی متر است.

مشخصات انجام این آزمایش در استاندارد ASTM E334-69 تعیین گردیده است.

در این آزمون نوپ الماسی دندانه «نوپ» از الماس ساخته شده و به گونه ای تراش داده می شود که یک فرورفتگی به شکل لوزی ایجاد کند که نسبت قطر بزرگ به کوچک آن، هفت به یک می باشد. سختی سنج «توکن» که دندانه نوپ در آن به کار برده شده است، می تواند بارهایی از 25 تا 360 گرم را بر روی نمونه آزمون وارد کند. این دستگاه به شکل کاملا خودکار، فرورفتگی را بر روی قطعه ایجاد می کند.

کاربر قطعه را زیر میکروسکوپ قرار داده و یک سطح را برای انجام آزمایش سختی، مشخص
می کند. آزمایش انجام می شود و فرورفتگی ایجاد شده به وسیله میکروسکوپ اندازه گرفته
می شود. عدد سختی نوپ عبارت است از نسبت بار وارده (برحسب کیلوگرم) به سطح فرورفتگی ایجاد شده (برحسب میلی متر مربع) که از رابطه زیر محاسبه می گردد:

 

در این رابطه:

KHN عدد سختی نوپ (برحسب کیلوگرم بر میلی متر مربع)، P بار وارده به کیلوگرم و L قطر بزرگ لوزی فرورفتگی می باشد.

عدد سختی نوپ بین 60 تا 1000 بوده و عبارت است از مقاومت سطح قطعات نسبت به فرورفتگی و یا اندازه پلاستیک شدن سطح قطعات.

دستگاه توکن نوپ و دستگاه های مشابه آن مثل دستگاه ویلسون نوپ، برای آزمایش سختی قطعات کوچک و با آزمایش سختی بر روی سطح کوچک از قطعه مناسب می باشند.

اگر چه دستگاه های توکن، اکثرا مجهز به دندانه نوپ هستند ولی می توان از دندانه آزمون ویکرز به شکل هرم لوزی القاعده 136 درجه نیز استفاده کرد.

آزمون سختی اتصالات جوش داده شده

اندازه گیری سختی می تواند می تواند اطلاعاتی را در مورد تغییرات متالوژیکی ایجاد شده توسط جوشکاری ارائه کند. در فولادی سازه، به عنوان مثال سرد کردن سریع از درجه حرارت های HAZ، ممکن است موچب تشکیل مارتنزیت با سختی بسیار بالاتر از سختی فلز پایه گردد. اگر چه در مناطقی از HAZ، جایی که درجه حرارت حداکثر پایین تر است، سختی ممکن است به دلیل اثرات تمپر کمتر از سختی فلز پایه باشد. جوشکاری مواد کار سرد شده یا پیر سخت شده ممکن است منجر به سختی HAZ بسیار پایین به دلیل بازیابی و تبلور مجدد یا فراپیری شود. مقادیر سختی در اتصال جوشکاری شده معمولا نسبت به شرایط جوشکاری شامل فرآیند مورد استفاده، حرارت ورودی، درجه حرارت پیش گرم و بین پاسی، ترکیب شیمیایی الکترود و ضخامت ورق حساس می باشد.

آزمون سختی جوش ها معمولا روی مقاطع سطح اتصال سنگ زده شده، پولیش شده یا پولیش و اچ شده انجام می شود. جای فرورفتگی فرورونده ها در مناطق خاصی شامل خط مرکزی جوش، مناطق ریشه و وجه فلز رسوب یافته، HAZ فلز پایه ایجاد می شود (شکل 17). نوع آزمون سختی مورد استفاده در ابتدا بستگی به سختی یا استحکام ماده، اندازه اتصال جوشکاری شده و نوع اطلاعات مورد نیاز دارد. آزمون برینل یک محل فرورفتگی بزرگ، معمولا به قطر 2 تا mm 6/5 به وجود می آورد و بنابراین تنها برای جوش های بزرگ مانند ورق های سنگین مناسب می باشند. آزمون راکول محل های فرورفتگی بسیار کوچکتر ایجاد می کند اما حتی این نوع آزمون هم در مقیاس ماکروسکوپی است و محل های فرورفتگی ممکن است بزرگ تر از سطوح مورد نظر باشند (خط ذوب یا منطقه دانه درشت HAZ). آزمون های ویکرز و نوپ محل های فرورفتگی به نسبت کوچکتری ایجاد می کنند و بنابراین به خوبی برای اندازه گیری های سختی مناطق مختلف HAZ مناسب می باشند.

 

 

 

 

تحقیقاتی در جهت یافتن ارتباط بین سختی و استحکام برای مواد مشخص صورت پذیرفته است، اما چنین رابطه هایی در مورد اتصالات جوشکاری شده به دلیل غیر همگن بودن اتصال باید با دقت کافی مورد استفاده قرار گیرند.  



تاريخ : ۱۳٩٠/۱٢/۱ | ٦:٠٧ ‎ب.ظ | نویسنده : مهدی خادمیون | نظرات ()
  • قالب وبلاگ | قالب وبلاگ