آزمایش سختی

[bigbang]

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.