چگونه سختی مواد را اندازه می گیرند؟ 

هر یک از ما از دوران کودکی با واژه سختی آشنا بوده ایم و به آن به عنوان موضوع ساده ای نگاه می کردیم. اگر از دوستانمان بخواهیم که سختی را تعریف کنند، بعضی ها ماده ای را سخت می دانند که در مقابل سایش مقاوم باشد و بعضی دیگر مقاومت در مقابل خمش و نفوذ را معیار سختی می دانند که بتواند مواد دیگر را در اثر ضربه بکشند و یا روی آن خراش ایجاد کند. به این ترتیب از پاسخ های گوناگونی که دریافت می کنیم درمی یابیم که تعاریف متفاوتی نسبت به سختی مواد وجود دارد.
سختی ویژگی ذاتی و بنیادی یک ماده نیست. برای واژه سختی می توان بیش از یک معنی در نظر گرفت؛ می توان آن را مقاومت ماده در برابر سایش یا مقاومت در مقابل تغییر شکل مومسان (تغییر فرم دائمی یا پلاستیک ) دانست. روش های گوناگون آزمون سختی سنجی بر اندازه گیری یکی از این دو ویژگی ماده استوار است. این آزمون ها از نوع نفوذی هستند و ممکن است استاتیک (ایستا) یا دینامیک (پویا) باشند. در آزمون های نفوذی استاتیک که متداول تر هستند، حفره ای با استفاده از نیرویی معین در قطعه ایجاد شده و ابعادش اندازه گیری می شود. در آزمون های نفوذی دینامیک، پرتابه ای که آزادانه رها می شود به سطح ماده برخورد می کند. بخشی از انرژی پرتابه برخوردکننده صرف تغییر شکل ماده شده و باقیمانده آن موجب برگشتن وزنه از سطح می شود.

آزمون های نفوذی استاتیک

در تمام آزمون های نفوذی استاتیک، نوعی فروزنده تحت اثر نیروی خارجی به سطح نمونه فرو برده می شود. یکی از ابعاد این فرورفتگی (عمق یا طول) اندازه گیری شده و برای تعیین عدد سختی به کار می رود. اندازه فرورفتگی با ذات ماده، اندازه و نوع فرورونده و همچنین مقدار نیروی وارد شده تغییر می کند. راکول (1)، برینل (2)، نوپ (3) و ویکرز(4) روش هایی هستند که غالبا برای تعیین سختی استفاده می شوند. اصل بنیادی به کار گرفته شده در تمام این آزمایش ها، مجموعه نیروهایی هستند که به یک فرورونده به منظور تعیین مقاومت ماده در برابرنفوذ، اعمال می شوند. اگر ماده سخت باشد، فرورفتگی ای کوچک و کم عمق حاصل می شود در حالی که اگر ماده نرم باشد، فرورفتگی ای کاملا بزرگ و عمیق حاصل خواهد شد.
روش های اندازه گیری موجود شامل مشاهده بصری فرورفتگی یا عمق سنجی می شود. آزمایشگرهای راکول قادر به تعیین عمق فرورفتگی هستند در حالی که آزمایشگرهای برینل، نوپ و ویکرز نیاز به قطرسنجی فرورفتگی دارند.

آزمون سختی برینل

اولین آزمون سختی استاندارد شده از نوع نفوذی که با استقبال گسترده ای همراه بود، توسط یک مهندس مکانیک سوئدی به نام "یوهان آگوست برینل" در سال 1900 ارائه شد. آزمون سختی برینل از ایجاد فرورفتگی در سطح فلز به وسیله یک گلوله (به آن گوی یا ساچمه هم گفته می شود) با قطر 10 میلی متر تحت اثر نیروی 3 هزار کیلوگرم نیرو که به مدت 10 تا 15 ثانیه روی نمونه اعمال می شود، استفاده می کند. (3 هزار کیلوگرم نیرو برای فولاد و چدن مناسب است و برای فلزات و آلیاژهای نرم تر غیرآهنی از نیروهای کمتر استفاده می شود) قطر فرورفتگی پس از برداشته شدن نیرو به وسیله میکروسکوپ مدرج اندازه گیری می شود. سپس میانگین قطرهای عمود بر هم فرورفتگی را باید به دست آورد. عدد سختی برینل از تقسیم نیروی اعمالی بر مساحت سطح فرورفتگی به دست می آید.

آزمون سختی ویکرز

این آزمایش در سال 1923 توسط "اسمیت" و "ساندلند" در شرکت ویکرز لیمیتد انگلستان به عنوان جایگزینی برای سختی برینل توسعه یافت و استفاده شد. در این آزمون از یک هرم الماسی مربع القاعده به عنوان فرورونده استفاده می شود. زاویه بین وجوه مقابل هرم 136 درجه است. عدد سختی ویکرز تحت عنوان نیرو تقسیم بر مساحت سطح فرورفتگی تعریف می شود. در آزمایش، این سطح از طریق اندازه گیری میکروسکوپی طول قطرهای فرورفتگی محاسبه شده است.
امتیاز آزمون ویکرز در مقایسه با برینل این است که بدون توجه به اندازه فرورفتگی، شکل هندسی حفره های آزمون ویکرز همیشه یکسان است؛ در نتیجه الگوی سیلان مومسان برای حفره های کم عمق و عمیق مشابه است و بنابراین سختی محاسبه شده مستقل از اندازه نیروی وارده خواهد بود. نکته مهم برای دستیابی به بهترین جواب آزمون سختی، انتخاب نیروی مناسب برای مواد مختلف است. فولاد و چدن با نیروی 30 کیلوگرم نیرو، آلیاژهای آلومینیوم با 5 کیلوگرم نیرو و آلیاژهای مس با نیروی 10 کیلوگرم نیرو آزمون می شوند.

آزمون سختی راکول

این روش سختی سنجی توسط " استنلی. پی. راکول" در 1919 ابداع شد. دستگاه آزمایش راکول، دستگاه آزمایش سریع با خواندن مستقیم است. استقبال گسترده از آن به خاطر سرعت بالای آن، نبود خطای اپراتور در اندازه گیری، توانایی تشخیص کوچک ترین تفاوت سختی در فولادهای سخت شده و نیز اندازه کوچک فروررفتگی می باشد. قطعاتی که عملیات حرارتی شده اند با این روش آزمون شده و نیاز به آماده سازی سطحی خاصی ندارند. زیرا این روش از دو مرحله اعمال نیرو استفاده می کند که بارگذاری مرحله اول باعث از بین رفتن اکسیدها و پوسته های سطحی می شود. این آزمایش از عمق فرورفتگی به عنوان مقیاسی برای سختی استفاده می کند. باید یادمان باشد سیستم اندازه گیری دستگاه به طور عکس عمل می کند به طوری که یک عدد کوچک به معنی عمق زیاد فرورفتگی و در نتیجه سختی کم است به همین ترتیب سختی های بالایی که مربوط به عمق های کم می باشند، با اعداد سختی بزرگ تری نشان داده می شوند. چندین مجموعه مقیاس سختی راکول وجود دارد. زیرا چند فرورونده و چند نیروی استاندارد برای آزمایش به کار می روند. فرورونده ها گلوله های فولادی سخت شده با قطرهای مختلف یا مخروط الماسی با زاویه راس 120 درجه هستند. ابتدا یک نیروی جزئی (کم) به اندازه 10 کیلوگرم وارد می شود و سپس نیروی کلی (زیاد) اعمال می شود. بدین ترتیب در مقیاس C ابتدا نیروی 10 کیلوگرم نیرو وارد شده سپس نیروی کلی 140 کیلوگرم نیرو اعمال می شود تا نیروی اصلی 150 کیلوگرم نیرو مقیاس C وارد شده باشد.
از آن جایی که آزمون سختی راکول وابسته به نیرو و فرورونده می باشد، لازم است ترکیبی از نیرو و فرورونده مورد استفاده مشخص شود که این مشخص کردن به وسیله پیشوندگذاری اعداد سختی با یک حرف که بیانگر مشخص بودن ترکیب نیرو فرورونده برای مقیاس سختی به کار گرفته شده است، انجام می شود. عدد سختی راکول بدون پیشوند حرفی، فاقد معنی است. فولاد سخت شده، در مقیاس C با فرورونده الماسی و بار اصلی 150 کیلوگرم آزمایش می وشد. مواد نرم تر معمولا در مقیاس B با گلوله فولادی به قطر 1/6 میلی متر و بار اصلی 100 کیلوگرم آزمون می شوند. بسیاری از مقیاس های دیگر برای مواد گوناگون موجود است. مقیاس های مختلف راکول با هم همپوشانی دارند و نکته شایان توجه این است که ترکیب مناسب فرورونده و نیرو برای ماده موردنظر انتخاب شود. بد نیست بدانیم برخلاف آزمون سختی برینل و ویکرز که واحد Kg/mm (به توان 2) دارند، عدد سختی راکول بدون واحد است. مقیاس های دیگری سختی راکول نیز وجود دارند. اینها مقیاس های N و T و W هستند که در آنها نیروهای فروروندگی کمتری اعمال می شود به اینها روش superficial نیز گفته می شود که کاربردشان برای سختی سنجی نمونه های نازک است. تذکر این نکته لازم است که روش انجام این آزمون ها نیز دقیقا همانند روش انجام مقیاس های دیگر راکول اما با نیروی اولیه 3 کیلوگرم نیرو پیش از اعمال بار اصلی است.

آزمون ریزسختی (سختی میکرو)

در بسیاری از مواد نیاز است تا سختی ناحیه ای بسیار کوچک اندازه گیری شود. به دست آوردن سختی یک پوشش گالوانیزه، تعیین سختی رزوه های یک پیچ کوچک، تعیین سختی یک فاز میکروسکوپی یا تعیین سختی یک چرخ دنده نازک ساعت می تواند از مثال های رایج باشد. چند سیستم آزمون برای این موارد وجود دارد که دو تا از پر کاربردترین آنها آزمون های میکرو ویکرز و توپ است. اصول روش آزمایش میکرو ویکرز همانند آزمون ویکرز استاندارد است با این تفاوت که نیروهای اعمالی در حد گرم هستند. انواع این آزمون ها توسط دستگاهی که بخشی از آن یک میکروسکوپ متالورژی است، انجام می شود. مشاهده آزمونه در زیر میکروسکوپ با بزرگ نمایی های تا 150 برابر (برای مشاهده و انجام آزمون) و تا 600 برابر (برای انجام اندازه گیری قطرهای اثر) امکان انجام آزمون با نیروهای کم را به ما می دهد. نیروی مورد استفاده معمولا بین 10 تا یک هزار گرم است. البته برخی دستگاه ها نیروی 2 هزار گرم نیز دارند.

آزمون نوپ

این آزمون توسط فردریک نوپ و همکارانش در انجمن ملی استاندارد ایالات متحده در سال 1939 ابداع شد. در این روش از یک فرورونده هرمی استفاده می شود که قطر بزرگ حفره ایجاد شده توسط آن 7 برابر قطر کوچکش و در حدود سی برابر عمق آن است. امتیاز این نوع فرورونده در مقایسه با فرورونده آزمون میکروویکرز، که فرورفتگی مربعی ایجاد می کند، در این است که طول فرورفتگی نوپ حدود سه برابر قطر فرورفتگی ویکرز است و می تواند با دقت بیشتری اندازه گیری شود. این روش برای مواردی که یکی از ابعاد ناحیه آزمایشی بزرگ تر از بعد دیگر باشد. (مثلا پوشش های نازک یا فازهای کشیده شده) بسیار مناسب است. گستره نیروهای مورد استفاده در آزمون نوپ همانند آزمون میکرو ویکرز است. نتایج آزمون سختی نوپ بسیار شبیه نتایج آزمون میکرو ویکرز است با این تفاوت که همواره اعداد نوپ 20 تا 25 واحد بزرگ تر از اعداد میکرو ویکرز برای همان ماده هستند. به یاد داشته باشیم سختی نوپ را با نماد HK نشان می دهند گفتنی است استاندارد ASTM C 730 روش سختی سنجی شیشه را با نوپ بیان می کند.

آزمون های سختی سنجی دینامیک

سختی فلزات به روش دینامیک، به کمک اندازه گیریه میزان جهش یک پرتابه سخت پس از برخورد به سطح آزمایش شده به دست می آید. جهش بیشتر نشان دهنده سختی بیشتر است. در اثر برخورد، اثر کوچکی روی نمونه به جای می ماند. مقدار این اثر نشان دهنده خاصیت پلاستیک قطعه است که تظاهر"سختی استاتیکی" فلز می باشد. بخشی از انرژی پرتابه صرف ایجاد این اثر گشته و تقریبا باقیمانده انرژی صرف باز جهاندن پرتابه می شود. دستگاهی که بر اساس روش دینامیک ساخته شده و در صنعت مرسوم است به لیب (5) موسوم می باشد. البته روش های دینامیک دیگری نیز برای سختی سنجی وجود دارند، اما کاربردی و رایج نیستند.

آزمون لیب

این روش سختی سنجی که توسط " دیتمار لیب" در 1977 به ثبت رسید. چون دستگاه ساخت این شرکت با نام تجاری Equotip عرضه شد، این روش را با این نام هم می شناسند. از این تاریخ به بعد عدد سختی جدیدی وارد قلمرو اندازه گیری سختی شد که به افتخار مخترع آن با LH نشان داده می شود. روش انجام آزمون این گونه است که یک پرتابه از فولاد غیرمغناطیس (پارامغناطیس) با نوک توپی شکل از جنس کاربید تنگستن به قطر 3 میلی متر و وزن 5/5 گرم بر اثر نیروی یک فنر فشاری در داخل یک لوله از فولاد غیرمغناطیس به جلو پرتاب می شود. اگر سرعت پرتابه در هنگام برخورد به سطح قطعه مورد آزمون که بستگی به نیروی فنر، جرم پرتابه و جهت یا راستای حرکت پرتابه دارد، V1 نامیده 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. بدیهی است که تغییر شکل پلاستیک قطعه در محل برخورد باعث کاهش سرعت اولیه می گردد و انرژی جذب شده به شکل یک فرورفتگی کوچک بر سطح کار قابل مشاهده است. دو سرعت مذکور تقریبا در یک میلی متری نقطه برخورد پرتابه با قطعه اندازه گیری شده و ثبت می گردد. روش آشکارسازی این گونه است که یک آهنربای دائمی در بدنه پرتابه نصب می باشد و عبور پرتابه از داخل یک سیم پیچ ولتاژی را در سیم پیچ القا می کند. شار مغناطیسی با بیشتر شدن سرعت، افزایش یافته و در نتیجه ولتاژ بیشتری در سیم پیچ القا می شود. محل سیم پیچ به گونه ای تعبیه شده تا در یک میلی متری نقطه برخورد، حداکثر میزان ولتاژ را داشته باشد. در دستگاه های لیب این عدد به مقیاس های آشنای ویکرز، برینل و راکول تبدیل می گردد. این روش جای خود را در صنعت به عنوان روشی پرتابل باز کرده است و در بسیاری از موارد که نیاز به سختی سنجی در محل وجود دارد از آن بهره گرفته می شود.

تبدیل سختی ها به هم در مقیاس های مختلف

با توجه به اختلاف روش ارزیابی سختی ماده در مقیاس های راکول، برینل و ویکرز هیچ فرمول کلی برای تبدیل سختی از یک مقیاس به مقیاس دیگر وجود ندارد. بنابراین آزمایش سختی باید در همان مقیاسی که اطلاعات مربوطه وجود دارد، انجام شود. البته لازم به ذکر است که در رابطه با برخی از آلیاژها، جداولی تهیه شده است که سختی های متناظر در مقیاس های مختلف به دست می دهد. در استفاده از این جداول باید به این مسئله توجه شود که علاوه بر ترکیب شیمیایی، سایر مشخصات آلیاژ (مانند ساختار میکروسکوپی و ماروسکوپی و اندازه دانه) ذکر شده در جدول با مشخصات آلیاژ تحت بررسی یکسان باشد در غیر این صورت جدول غیرقابل استفاده خواهد بود. البته گفتنی است چنین جداولی برای بسیاری از آلیاژها وجود ندارد. می توان در صورت نیاز از استاندارد ASTM E 140 برای تبدیل سختی استفاده کرد.

روش های دیگر سختی سنجی

برای برخی مواد نظیر مواد معدنی، یکی از بهترین روش های سختی سنجی، اندازه گیری مقاومت سایش است. سختی خراش طبق مقیاس موس(6) اندازه گیری می شود که توسط یک زمین شناس آلمانی به نام "فردریش موس"، در 1822 معرفی شد. این مقیاس شامل 10 ماده معدنی استاندارد می شود که به ترتیب قابلیت خراشیده شدنشان مرتب می شوند. نرم ترین ماده معدنی در این مقیاس، تالک می باشد ( با سختی خراش 1). در حالی که الماس سختی برابر 10 دارد. باید بدانیم فواصل بین اعداد موس برابر نیستند. یعنی الماس با سختی 10 بسیار سخت تر از کوراندوم با سختی 9 است اما فلورایت با سختی 4 فقط اندکی سخت تر از کلسیت با سختی 3 است. ناخن اندازه ای حدود 2، شیشه سختی 5، مس آنیل شده عدد 3 و مارتنزیت سختی معادل 7 دارد. بر اساس این نوع سنجش سختی، مواد مطابق با توانایی شان برای خراشیدن یکدیگر، ارزیابی می شوند. می دانید ماده ای که روی ماده ای دیگر بتواند خراش ایجاد کند از آن سخت تر است. بدین ترتیب در این آزمون، نمونه های استاندارد توسط ماده آزمایشی خراشیده می شوند. عدد سختی ماده بین سختی دو نمونه استاندارد متوالی قرار می گیرد: چنان چه ماده بتواند نمونه نرم تر را بخراشد ولی قادر به خراشیدن نمونه سخت تر نباشد. مقیاس موس برای فلزات خیلی مناسب نیست زیرا فواصل مقدار سختی در بازه سختی های بالا، زیاد نیست. اکثر فلزات سخت در بازه 4 تا 8 سختی موس قرار می گیرند.
روش های سختی سنجی دیگری نیز وجود دارند که کمتر رایج هستند مثلا در سختی سنجی به روش التزاسونیک از نیروهای تا 800 گرم استفاده شده و عمق اثر با یک پروب اندازه گیری شده و عدد سختی در معیار راکول سی یا ویکرز به صورت دیجیتال گزارش می شود. از ویژگی های مهم این روش قابلیت خودکار شدن آن است به طوری که با تمهیدات لازم می توان تا 1200 قطعه را در ساعت سختی سنجی کرد.

سختی سنجی مواد و قطعات مختلف

باید به یاد داشته باشیم که روش های دیگر سختی سنجی نیز برای سایر مواد وجود دارند. می توان در اینجا به چوب اشاره کرد. برای سختی سنجی انواع چوب ها از روشی به نام Janka استفاده می شود که اساس آن این است که با چه نیرویی بر حسب پوند نیرو (Ibf) نیمی از یک گلوله با قطر 0/444 اینچ، درون چوب فرو می رود. بدین ترتیب انواع چوب های درختان را طبقه بندی می کنند که معیاری برای آسان بودن یا دشواری بریدن یا میخ کاری چوب بوده و به عنوان راهنمایی برای چگونگی کاربرد آن بر اساس استحکام به کار می رود.
در اینجا بد نیست به سختی سنجی گروه مهمی از مواد یعنی لاستیک ها و پلاستیک ها بپردازیم. سختی این مواد با وسیله کوچکی به نام دورومتر (7) اندازه گیری می شود. دورومتر معمولی یک وسیله کوچک دستی است که در آن فرورونده کروی تحت اثر نیروی فنر یا وزنه، روی سطح ماده فشرده شده و یک عقربه عدد سختی را روی صفحه مدرج نمایش می دهد. انواع مختلفی از این دستگاه برای آزمایش گسترده کامل الاستومرها و پلاستیک ها از بسیار نرم تا بسیار سخت، از مقیاس A تا D وجود دارد.

پی نوشت ها :

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