چگونه سختي مواد را اندازه مي گيرند؟

هر يک از ما از دوران کودکي با واژه سختي آشنا بوده ايم و به آن به عنوان موضوع ساده اي نگاه مي کرديم. اگر از دوستانمان بخواهيم که سختي را تعريف کنند، بعضي ها ماده اي را سخت مي دانند که در مقابل سايش مقاوم باشد و بعضي ديگر مقاومت در مقابل خمش و نفوذ را معيار سختي مي دانند که بتواند مواد ديگر را در اثر ضربه بکشند و يا روي آن خراش ايجاد کند. به اين ترتيب از پاسخ هاي گوناگوني که دريافت مي کنيم درمي يابيم که تعاريف متفاوتي نسبت به سختي مواد وجود دارد.
سختي ويژگي ذاتي و بنيادي يک ماده نيست. براي واژه سختي مي توان بيش از يک معني در نظر گرفت؛ مي توان آن را مقاومت ماده در برابر سايش يا مقاومت در مقابل تغيير شکل مومسان (تغيير فرم دائمي يا پلاستيک ) دانست. روش هاي گوناگون آزمون سختي سنجي بر اندازه گيري يکي از اين دو ويژگي ماده استوار است. اين آزمون ها از نوع نفوذي هستند و ممکن است استاتيک (ايستا) يا ديناميک (پويا) باشند. در آزمون هاي نفوذي استاتيک که متداول تر هستند، حفره اي با استفاده از نيرويي معين در قطعه ايجاد شده و ابعادش اندازه گيري مي شود. در آزمون هاي نفوذي ديناميک، پرتابه اي که آزادانه رها مي شود به سطح ماده برخورد مي کند. بخشي از انرژي پرتابه برخوردکننده صرف تغيير شکل ماده شده و باقيمانده آن موجب برگشتن وزنه از سطح مي شود.

آزمون هاي نفوذي استاتيک
 

در تمام آزمون هاي نفوذي استاتيک، نوعي فروزنده تحت اثر نيروي خارجي به سطح نمونه فرو برده مي شود. يکي از ابعاد اين فرورفتگي (عمق يا طول) اندازه گيري شده و براي تعيين عدد سختي به کار مي رود. اندازه فرورفتگي با ذات ماده، اندازه و نوع فرورونده و همچنين مقدار نيروي وارد شده تغيير مي کند. راکول (1)، برينل (2)، نوپ (3) و ويکرز(4) روش هايي هستند که غالبا براي تعيين سختي استفاده مي شوند. اصل بنيادي به کار گرفته شده در تمام اين آزمايش ها، مجموعه نيروهايي هستند که به يک فرورونده به منظور تعيين مقاومت ماده در برابرنفوذ، اعمال مي شوند. اگر ماده سخت باشد، فرورفتگي اي کوچک و کم عمق حاصل مي شود در حالي که اگر ماده نرم باشد، فرورفتگي اي کاملا بزرگ و عميق حاصل خواهد شد.
روش هاي اندازه گيري موجود شامل مشاهده بصري فرورفتگي يا عمق سنجي مي شود. آزمايشگرهاي راکول قادر به تعيين عمق فرورفتگي هستند در حالي که آزمايشگرهاي برينل، نوپ و ويکرز نياز به قطرسنجي فرورفتگي دارند.

آزمون سختي برينل
 

اولين آزمون سختي استاندارد شده از نوع نفوذي که با استقبال گسترده اي همراه بود، توسط يک مهندس مکانيک سوئدي به نام "يوهان آگوست برينل" در سال 1900 ارائه شد. آزمون سختي برينل از ايجاد فرورفتگي در سطح فلز به وسيله يک گلوله (به آن گوي يا ساچمه هم گفته مي شود) با قطر 10 ميلي متر تحت اثر نيروي 3 هزار کيلوگرم نيرو که به مدت 10 تا 15 ثانيه روي نمونه اعمال مي شود، استفاده مي کند. (3 هزار کيلوگرم نيرو براي فولاد و چدن مناسب است و براي فلزات و آلياژهاي نرم تر غيرآهني از نيروهاي کمتر استفاده مي شود) قطر فرورفتگي پس از برداشته شدن نيرو به وسيله ميکروسکوپ مدرج اندازه گيري مي شود. سپس ميانگين قطرهاي عمود بر هم فرورفتگي را بايد به دست آورد. عدد سختي برينل از تقسيم نيروي اعمالي بر مساحت سطح فرورفتگي به دست مي آيد.

آزمون سختي ويکرز
 

اين آزمايش در سال 1923 توسط "اسميت" و "ساندلند" در شرکت ويکرز ليميتد انگلستان به عنوان جايگزيني براي سختي برينل توسعه يافت و استفاده شد. در اين آزمون از يک هرم الماسي مربع القاعده به عنوان فرورونده استفاده مي شود. زاويه بين وجوه مقابل هرم 136 درجه است. عدد سختي ويکرز تحت عنوان نيرو تقسيم بر مساحت سطح فرورفتگي تعريف مي شود. در آزمايش، اين سطح از طريق اندازه گيري ميکروسکوپي طول قطرهاي فرورفتگي محاسبه شده است.
امتياز آزمون ويکرز در مقايسه با برينل اين است که بدون توجه به اندازه فرورفتگي، شکل هندسي حفره هاي آزمون ويکرز هميشه يکسان است؛ در نتيجه الگوي سيلان مومسان براي حفره هاي کم عمق و عميق مشابه است و بنابراين سختي محاسبه شده مستقل از اندازه نيروي وارده خواهد بود. نکته مهم براي دستيابي به بهترين جواب آزمون سختي، انتخاب نيروي مناسب براي مواد مختلف است. فولاد و چدن با نيروي 30 کيلوگرم نيرو، آلياژهاي آلومينيوم با 5 کيلوگرم نيرو و آلياژهاي مس با نيروي 10 کيلوگرم نيرو آزمون مي شوند.

آزمون سختي راکول
 

اين روش سختي سنجي توسط " استنلي. پي. راکول" در 1919 ابداع شد. دستگاه آزمايش راکول، دستگاه آزمايش سريع با خواندن مستقيم است. استقبال گسترده از آن به خاطر سرعت بالاي آن، نبود خطاي اپراتور در اندازه گيري، توانايي تشخيص کوچک ترين تفاوت سختي در فولادهاي سخت شده و نيز اندازه کوچک فروررفتگي مي باشد. قطعاتي که عمليات حرارتي شده اند با اين روش آزمون شده و نياز به آماده سازي سطحي خاصي ندارند. زيرا اين روش از دو مرحله اعمال نيرو استفاده مي کند که بارگذاري مرحله اول باعث از بين رفتن اکسيدها و پوسته هاي سطحي مي شود. اين آزمايش از عمق فرورفتگي به عنوان مقياسي براي سختي استفاده مي کند. بايد يادمان باشد سيستم اندازه گيري دستگاه به طور عکس عمل مي کند به طوري که يک عدد کوچک به معني عمق زياد فرورفتگي و در نتيجه سختي کم است به همين ترتيب سختي هاي بالايي که مربوط به عمق هاي کم مي باشند، با اعداد سختي بزرگ تري نشان داده مي شوند. چندين مجموعه مقياس سختي راکول وجود دارد. زيرا چند فرورونده و چند نيروي استاندارد براي آزمايش به کار مي روند. فرورونده ها گلوله هاي فولادي سخت شده با قطرهاي مختلف يا مخروط الماسي با زاويه راس 120 درجه هستند. ابتدا يک نيروي جزئي (کم) به اندازه 10 کيلوگرم وارد مي شود و سپس نيروي کلي (زياد) اعمال مي شود. بدين ترتيب در مقياس C ابتدا نيروي 10 کيلوگرم نيرو وارد شده سپس نيروي کلي 140 کيلوگرم نيرو اعمال مي شود تا نيروي اصلي 150 کيلوگرم نيرو مقياس C وارد شده باشد.
از آن جايي که آزمون سختي راکول وابسته به نيرو و فرورونده مي باشد، لازم است ترکيبي از نيرو و فرورونده مورد استفاده مشخص شود که اين مشخص کردن به وسيله پيشوندگذاري اعداد سختي با يک حرف که بيانگر مشخص بودن ترکيب نيرو فرورونده براي مقياس سختي به کار گرفته شده است، انجام مي شود. عدد سختي راکول بدون پيشوند حرفي، فاقد معني است. فولاد سخت شده، در مقياس C با فرورونده الماسي و بار اصلي 150 کيلوگرم آزمايش مي وشد. مواد نرم تر معمولا در مقياس B با گلوله فولادي به قطر 1/6 ميلي متر و بار اصلي 100 کيلوگرم آزمون مي شوند. بسياري از مقياس هاي ديگر براي مواد گوناگون موجود است. مقياس هاي مختلف راکول با هم همپوشاني دارند و نکته شايان توجه اين است که ترکيب مناسب فرورونده و نيرو براي ماده موردنظر انتخاب شود. بد نيست بدانيم برخلاف آزمون سختي برينل و ويکرز که واحد Kg/mm (به توان 2) دارند، عدد سختي راکول بدون واحد است. مقياس هاي ديگري سختي راکول نيز وجود دارند. اينها مقياس هاي N و T و W هستند که در آنها نيروهاي فروروندگي کمتري اعمال مي شود به اينها روش superficial نيز گفته مي شود که کاربردشان براي سختي سنجي نمونه هاي نازک است. تذکر اين نکته لازم است که روش انجام اين آزمون ها نيز دقيقا همانند روش انجام مقياس هاي ديگر راکول اما با نيروي اوليه 3 کيلوگرم نيرو پيش از اعمال بار اصلي است.

آزمون ريزسختي (سختي ميکرو)
 

در بسياري از مواد نياز است تا سختي ناحيه اي بسيار کوچک اندازه گيري شود. به دست آوردن سختي يک پوشش گالوانيزه، تعيين سختي رزوه هاي يک پيچ کوچک، تعيين سختي يک فاز ميکروسکوپي يا تعيين سختي يک چرخ دنده نازک ساعت مي تواند از مثال هاي رايج باشد. چند سيستم آزمون براي اين موارد وجود دارد که دو تا از پر کاربردترين آنها آزمون هاي ميکرو ويکرز و توپ است. اصول روش آزمايش ميکرو ويکرز همانند آزمون ويکرز استاندارد است با اين تفاوت که نيروهاي اعمالي در حد گرم هستند. انواع اين آزمون ها توسط دستگاهي که بخشي از آن يک ميکروسکوپ متالورژي است، انجام مي شود. مشاهده آزمونه در زير ميکروسکوپ با بزرگ نمايي هاي تا 150 برابر (براي مشاهده و انجام آزمون) و تا 600 برابر (براي انجام اندازه گيري قطرهاي اثر) امکان انجام آزمون با نيروهاي کم را به ما مي دهد. نيروي مورد استفاده معمولا بين 10 تا يک هزار گرم است. البته برخي دستگاه ها نيروي 2 هزار گرم نيز دارند.

آزمون نوپ
 

اين آزمون توسط فردريک نوپ و همکارانش در انجمن ملي استاندارد ايالات متحده در سال 1939 ابداع شد. در اين روش از يک فرورونده هرمي استفاده مي شود که قطر بزرگ حفره ايجاد شده توسط آن 7 برابر قطر کوچکش و در حدود سي برابر عمق آن است. امتياز اين نوع فرورونده در مقايسه با فرورونده آزمون ميکروويکرز، که فرورفتگي مربعي ايجاد مي کند، در اين است که طول فرورفتگي نوپ حدود سه برابر قطر فرورفتگي ويکرز است و مي تواند با دقت بيشتري اندازه گيري شود. اين روش براي مواردي که يکي از ابعاد ناحيه آزمايشي بزرگ تر از بعد ديگر باشد. (مثلا پوشش هاي نازک يا فازهاي کشيده شده) بسيار مناسب است. گستره نيروهاي مورد استفاده در آزمون نوپ همانند آزمون ميکرو ويکرز است. نتايج آزمون سختي نوپ بسيار شبيه نتايج آزمون ميکرو ويکرز است با اين تفاوت که همواره اعداد نوپ 20 تا 25 واحد بزرگ تر از اعداد ميکرو ويکرز براي همان ماده هستند. به ياد داشته باشيم سختي نوپ را با نماد HK نشان مي دهند گفتني است استاندارد ASTM C 730 روش سختي سنجي شيشه را با نوپ بيان مي کند.

آزمون هاي سختي سنجي ديناميک
 

سختي فلزات به روش ديناميک، به کمک اندازه گيريه ميزان جهش يک پرتابه سخت پس از برخورد به سطح آزمايش شده به دست مي آيد. جهش بيشتر نشان دهنده سختي بيشتر است. در اثر برخورد، اثر کوچکي روي نمونه به جاي مي ماند. مقدار اين اثر نشان دهنده خاصيت پلاستيک قطعه است که تظاهر"سختي استاتيکي" فلز مي باشد. بخشي از انرژي پرتابه صرف ايجاد اين اثر گشته و تقريبا باقيمانده انرژي صرف باز جهاندن پرتابه مي شود. دستگاهي که بر اساس روش ديناميک ساخته شده و در صنعت مرسوم است به ليب (5) موسوم مي باشد. البته روش هاي ديناميک ديگري نيز براي سختي سنجي وجود دارند، اما کاربردي و رايج نيستند.

آزمون ليب
 

اين روش سختي سنجي که توسط " ديتمار ليب" در 1977 به ثبت رسيد. چون دستگاه ساخت اين شرکت با نام تجاري Equotip عرضه شد، اين روش را با اين نام هم مي شناسند. از اين تاريخ به بعد عدد سختي جديدي وارد قلمرو اندازه گيري سختي شد که به افتخار مخترع آن با LH نشان داده مي شود. روش انجام آزمون اين گونه است که يک پرتابه از فولاد غيرمغناطيس (پارامغناطيس) با نوک توپي شکل از جنس کاربيد تنگستن به قطر 3 ميلي متر و وزن 5/5 گرم بر اثر نيروي يک فنر فشاري در داخل يک لوله از فولاد غيرمغناطيس به جلو پرتاب مي شود. اگر سرعت پرتابه در هنگام برخورد به سطح قطعه مورد آزمون که بستگي به نيروي فنر، جرم پرتابه و جهت يا راستاي حرکت پرتابه دارد، V1 ناميده شود و سرعت پرتابه پس از برخورد با سطح کار در زمان برگشت (در همان راستا با عکس جهت اول ) V2 باشد، همواره V1 بزرگ تر از V2 خواهد بود. بديهي است که تغيير شکل پلاستيک قطعه در محل برخورد باعث کاهش سرعت اوليه مي گردد و انرژي جذب شده به شکل يک فرورفتگي کوچک بر سطح کار قابل مشاهده است. دو سرعت مذکور تقريبا در يک ميلي متري نقطه برخورد پرتابه با قطعه اندازه گيري شده و ثبت مي گردد. روش آشکارسازي اين گونه است که يک آهنرباي دائمي در بدنه پرتابه نصب مي باشد و عبور پرتابه از داخل يک سيم پيچ ولتاژي را در سيم پيچ القا مي کند. شار مغناطيسي با بيشتر شدن سرعت، افزايش يافته و در نتيجه ولتاژ بيشتري در سيم پيچ القا مي شود. محل سيم پيچ به گونه اي تعبيه شده تا در يک ميلي متري نقطه برخورد، حداکثر ميزان ولتاژ را داشته باشد. در دستگاه هاي ليب اين عدد به مقياس هاي آشناي ويکرز، برينل و راکول تبديل مي گردد. اين روش جاي خود را در صنعت به عنوان روشي پرتابل باز کرده است و در بسياري از موارد که نياز به سختي سنجي در محل وجود دارد از آن بهره گرفته مي شود.

تبديل سختي ها به هم در مقياس هاي مختلف
 

با توجه به اختلاف روش ارزيابي سختي ماده در مقياس هاي راکول، برينل و ويکرز هيچ فرمول کلي براي تبديل سختي از يک مقياس به مقياس ديگر وجود ندارد. بنابراين آزمايش سختي بايد در همان مقياسي که اطلاعات مربوطه وجود دارد، انجام شود. البته لازم به ذکر است که در رابطه با برخي از آلياژها، جداولي تهيه شده است که سختي هاي متناظر در مقياس هاي مختلف به دست مي دهد. در استفاده از اين جداول بايد به اين مسئله توجه شود که علاوه بر ترکيب شيميايي، ساير مشخصات آلياژ (مانند ساختار ميکروسکوپي و ماروسکوپي و اندازه دانه) ذکر شده در جدول با مشخصات آلياژ تحت بررسي يکسان باشد در غير اين صورت جدول غيرقابل استفاده خواهد بود. البته گفتني است چنين جداولي براي بسياري از آلياژها وجود ندارد. مي توان در صورت نياز از استاندارد ASTM E 140 براي تبديل سختي استفاده کرد.

روش هاي ديگر سختي سنجي
 

براي برخي مواد نظير مواد معدني، يکي از بهترين روش هاي سختي سنجي، اندازه گيري مقاومت سايش است. سختي خراش طبق مقياس موس(6) اندازه گيري مي شود که توسط يک زمين شناس آلماني به نام "فردريش موس"، در 1822 معرفي شد. اين مقياس شامل 10 ماده معدني استاندارد مي شود که به ترتيب قابليت خراشيده شدنشان مرتب مي شوند. نرم ترين ماده معدني در اين مقياس، تالک مي باشد ( با سختي خراش 1). در حالي که الماس سختي برابر 10 دارد. بايد بدانيم فواصل بين اعداد موس برابر نيستند. يعني الماس با سختي 10 بسيار سخت تر از کوراندوم با سختي 9 است اما فلورايت با سختي 4 فقط اندکي سخت تر از کلسيت با سختي 3 است. ناخن اندازه اي حدود 2، شيشه سختي 5، مس آنيل شده عدد 3 و مارتنزيت سختي معادل 7 دارد. بر اساس اين نوع سنجش سختي، مواد مطابق با توانايي شان براي خراشيدن يکديگر، ارزيابي مي شوند. مي دانيد ماده اي که روي ماده اي ديگر بتواند خراش ايجاد کند از آن سخت تر است. بدين ترتيب در اين آزمون، نمونه هاي استاندارد توسط ماده آزمايشي خراشيده مي شوند. عدد سختي ماده بين سختي دو نمونه استاندارد متوالي قرار مي گيرد: چنان چه ماده بتواند نمونه نرم تر را بخراشد ولي قادر به خراشيدن نمونه سخت تر نباشد. مقياس موس براي فلزات خيلي مناسب نيست زيرا فواصل مقدار سختي در بازه سختي هاي بالا، زياد نيست. اکثر فلزات سخت در بازه 4 تا 8 سختي موس قرار مي گيرند.
روش هاي سختي سنجي ديگري نيز وجود دارند که کمتر رايج هستند مثلا در سختي سنجي به روش التزاسونيک از نيروهاي تا 800 گرم استفاده شده و عمق اثر با يک پروب اندازه گيري شده و عدد سختي در معيار راکول سي يا ويکرز به صورت ديجيتال گزارش مي شود. از ويژگي هاي مهم اين روش قابليت خودکار شدن آن است به طوري که با تمهيدات لازم مي توان تا 1200 قطعه را در ساعت سختي سنجي کرد.

سختي سنجي مواد و قطعات مختلف
 

بايد به ياد داشته باشيم که روش هاي ديگر سختي سنجي نيز براي ساير مواد وجود دارند. مي توان در اينجا به چوب اشاره کرد. براي سختي سنجي انواع چوب ها از روشي به نام Janka استفاده مي شود که اساس آن اين است که با چه نيرويي بر حسب پوند نيرو (Ibf) نيمي از يک گلوله با قطر 0/444 اينچ، درون چوب فرو مي رود. بدين ترتيب انواع چوب هاي درختان را طبقه بندي مي کنند که معياري براي آسان بودن يا دشواري بريدن يا ميخ کاري چوب بوده و به عنوان راهنمايي براي چگونگي کاربرد آن بر اساس استحکام به کار مي رود.
در اينجا بد نيست به سختي سنجي گروه مهمي از مواد يعني لاستيک ها و پلاستيک ها بپردازيم. سختي اين مواد با وسيله کوچکي به نام دورومتر (7) اندازه گيري مي شود. دورومتر معمولي يک وسيله کوچک دستي است که در آن فرورونده کروي تحت اثر نيروي فنر يا وزنه، روي سطح ماده فشرده شده و يک عقربه عدد سختي را روي صفحه مدرج نمايش مي دهد. انواع مختلفي از اين دستگاه براي آزمايش گسترده کامل الاستومرها و پلاستيک ها از بسيار نرم تا بسيار سخت، از مقياس A تا D وجود دارد.

پي نوشت ها :
 

1- Rockwell
2- Brinell
3- Knoop
4- Vickers
5- Leeb
6- Mohs
7- Durometer
 

منبع: ماهنامه دانشمند شماره 575