مقالات تجارت آلیاژ مقالاتی از فلزات پرکاربرد
در دنیای مهندسی مواد، سختی سنجی فلزات نقشی کلیدی در ارزیابی و سنجش استحکام، مقاومت و دوام این محصول صنعت فولاد ایفا می‌کند. این فرآیند ظریف، گامی اساسی در تضمین کیفیت، ایمنی و عملکرد بی‌نقص سازه‌ها، ماشین‌آلات و ابزار‌های ساخته‌شده از فلزات است.
در ادامه مطلب به آشنایی سختی سنجی فلزات خواهیم پرداخت و با اهمیت و روش های این فرآیند آشنا می‌شویم.
سختی چیست؟
سختی، مفهومی چندوجهی است که در طول تاریخ تعاریف مختلفی به خود دیده است.
1)مقاومت در برابر سایش
در یک تعریف اولیه، سختی به عنوان مقاومت ماده در برابر سایش و خراشیدگی ناشی از تماس با اجسام دیگر تعریف می‌شود.
2) مقاومت در برابر تغییر شکل
در تعریف دیگری، سختی به عنوان مقاومت ماده در برابر تغییر شکل پلاستیک یا دائمی در اثر اعمال نیرو یا فشار بیان می‌شود.
3) مقاومت در برابر فرورفتگی
اما رایج‌ترین تعریف سختی، به مقاومت ماده در برابر فرو رفتن جسم تیز در آن اشاره دارد. این تعریف که در علم مکانیک و مواد کاربرد فراوانی دارد، سختی را با قابلیت نفوذپذیری ماده مرتبط می‌کند.
سختی سنجی فلزات چیست؟
سختی‌سنجی فلزات، آزمونی مکانیکی با قدمتی ۲۵۰ ساله، نقشی اساسی در ارزیابی مقاومت مواد، به ویژه فلزات ایفا می‌کند. این آزمون که در ابتدا با خراش دادن دو نمونه فلزی بر روی یکدیگر آغاز شد، امروزه به علمی دقیق و پیچیده تبدیل شده است.
تاریخچه سختی‌سنجی
شواهد حاکی از آن است که اولین گام‌ها در مسیر سختی‌سنجی به سال ۱۷۷۲ برمی‌گردد. در آن زمان، لبه‌های دو نمونه فلزی تیز به یکدیگر فشرده می‌شد و ماده‌ای که خراش ایجاد می‌کرد، سخت‌تر تلقی می‌شد. با گذشت زمان، روش‌های سختی‌سنجی تکامل یافتند و امروزه بر پایه اندازه‌گیری مقاومت جسم در برابر فرورفتگی بنا شده‌اند.
اصول سختی‌سنجی
در این آزمون، میزان نفوذ جسم نفوذکننده به درون نمونه آزمایش اندازه‌گیری می‌شود. سپس، نیروی لازم برای این نفوذ یا مقدار فرو رفتن در برابر نیرویی مشخص، مبنای تعیین سختی قرار می‌گیرد.
دستگاه سختی سنج چیست؟
دستگاه سختی سنجی فلزات، ابزاری پرتابل و کاربرپسند است که به شما در سنجش دقیق و سریع سختی طیف گسترده‌ای از فلزات در صنایع مختلف یاری می‌رساند. این محصول با دقت و کیفیتی قابل رقابت با نمونه‌های اروپایی و آسیایی، به عنوان راه حلی مقرون به صرفه برای نیاز‌های صنعتی شما ارائه می‌شود.
کاربرد دستگاه سختی سنج فلزات
1) کنترل کیفیت
• تولید قطعات فلزی: در مراحل مختلف تولید قطعات فلزی از جمله فولاد، چدن، آلومینیوم، برنج و مس برای تضمین کیفیت و استحکام آن‌ها استفاده می‌شود.
• بازرسی و نگهداری: برای بررسی سلامت و پایداری قطعات فلزی در حین استفاده و در طول زمان به کار می‌رود.
• مطالعات علمی: در مطالعه خواص مکانیکی فلزات و آلیاژ‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
2) انتخاب مواد
با اندازه‌گیری سختی، می‌توان ماده مناسب را برای هر کاربرد خاص انتخاب کرد و از هدر رفتن منابع و هزینه‌ها جلوگیری کرد. برای مثال، سختی مورد نیاز برای ابزار‌های برش و حفاری بسیار بیشتر از قطعات انعطاف‌پذیر است.
3) پیش‌بینی عملکرد
سختی فلزات با عملکرد آن‌ها در شرایط مختلف مانند سایش، خوردگی و ضربه ارتباط مستقیمی دارد. با اندازه‌گیری سختی، می‌توان اطلاعات ارزشمندی در مورد مقاومت فلز در برابر تنش‌ها و شرایط مختلف به دست آورد.
۴) عیب‌یابی
سختی سنجی می‌تواند برای شناسایی عیوب و نواقص در قطعات فلزی مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، نواقصی مانند ترک‌ها یا ناخالصی‌ها می‌توانند سختی فلز را به طور قابل توجهی کاهش دهند.
کاربرد‌های دیگر
• بررسی تطابق با استاندارد‌ها: سختی فلزات باید با استاندارد‌های مربوطه مطابقت داشته باشد.
• تحقیقات و توسعه: در مطالعات علمی و تحقیقاتی برای بررسی خواص جدید مواد و آلیاژ‌ها به کار می‌رود.
• آموزش: در دانشگاه‌ها و مراکز آموزشی برای آموزش دانشجویان و مهندسان در زمینه علم مواد استفاده می‌شود.
انواع روش‌های سختی سنجی فلزات
در ادامه مطلب به تحلیل روش‌های مختلف سختی سنجی فلزات می‌پردازیم.
1) سختی سنجی برینل
آزمون برینل، یکی از قدیمی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین روش‌های اندازه‌گیری سختی فلزات است. این آزمون، گویی با فشردن یک ساچمه فولادی سخت بر روی سطح فلز، مقاومت آن در برابر تغییر شکل را به چالش می‌کشد.
نحوه انجام آزمون برینل
- ساچمه فولادی: در این آزمون، از یک ساچمه به قطر ۱۰ میلی‌متر از جنس فولاد سخت یا کربور تنگستن به عنوان ابزاری برای اعمال بار بر روی سطح فلز استفاده می‌شود.
- بارگذاری: مقدار بار اعمال شده بر روی ساچمه، به سختی فلز مورد آزمایش بستگی دارد. برای فلزات سخت ۳۰۰۰ کیلوگرم، برای فلزات نیمه سخت ۱۵۰۰ کیلوگرم و برای فلزات نرم ۵۰۰ کیلوگرم یا کمتر در نظر گرفته می‌شود.
- مدت زمان بارگذاری: در آزمایشات استاندارد، بار کامل به مدت ۳۰ ثانیه بر روی فلزات آهنی و ۶۰ ثانیه بر روی فلزات نرم‌تر اعمال می‌شود.
- محاسبه سختی: عدد سختی برینل (BHN) با تقسیم بار اعمال شده بر واحد سطح حفره ایجاد شده بر حسب کیلوگرم بر میلی‌متر مربع محاسبه می‌شود.
- اندازه‌گیری حفره: قطر حفره ایجاد شده توسط ساچمه، به وسیله میکروسکوپ میکرومتر یا میکروسکوپ برینل که صفحه‌ای شفاف مدرج در میان آن است، اندازه‌گیری می‌شود.
کاربرد‌ها
کنترل کیفیت: در مراحل مختلف تولید قطعات فلزی برای تضمین کیفیت و استحکام آن‌ها استفاده می‌شود.
انتخاب مواد: با اندازه‌گیری سختی برینل، می‌توان ماده مناسب را برای هر کاربرد خاص انتخاب کرد.
پیش‌بینی عملکرد: سختی فلزات با عملکرد آن‌ها در شرایط مختلف مانند سایش، خوردگی و ضربه ارتباط مستقیمی دارد.
عیب‌یابی: سختی سنجی برینل می‌تواند برای شناسایی عیوب و نواقص در قطعات فلزی مورد استفاده قرار گیرد.
محدودیت‌ها
مناسب نبودن برای قطعات خیلی سخت: در این مواد ساچمه عموماً تغییر شکل می‌دهد و نتیجه دقیق به دست نمی‌آید.
نامناسب برای قطعات خیلی نازک: اگر عمق حفره ایجاد شده بیشتر از ضخامت قطعه باشد، این روش پیشنهاد نمی‌شود.
2) سختی سنجی راکول
روش راکول عمق نفوذ یک جسم نوک تیز (مانند مخروط الماسی یا توپ فولادی) را در فلز تحت دو بار مختلف اندازه‌گیری می‌کند و از این طریق سختی فلز را تعیین می‌کند.
نحوه انجام آزمون راکول
۱. اعمال بار اولیه ۱۰ کیلوگرمی به عنوان پیش بار
۲. اعمال بار اصلی (۶۰، ۱۰۰، ۱۵۰کیلوگرم)
۳. نگه داشتن بار اصلی برای مدت زمان مشخص
۴. برداشتن بار اصلی و اندازه‌گیری عمق نفوذ
۵. محاسبه عدد سختی راکول با استفاده از جدول تبدیل
انواع روش راکول
• راکول A: برای فولادهای نرم و متوسط (بار ۶۰ کیلوگرم، مخروط الماسی)
• راکول B: برای فولادهای سخت‌تر و آلیاژ‌های غیرآهنی (بار ۱۰۰ کیلوگرم، توپ فولادی)
• راکول C: برای سخت‌ترین فولاد‌ها (بار ۱۵۰ کیلوگرم، مخروط الماسی)
نکات مهم
• عدد سختی راکول بدون حرف پیشوند بی‌معنی است.
• هر روش راکول برای طیف خاصی از سختی فلزات مناسب است.
• سختی سنجی راکول روشی غیر مخرب است.
کاربرد‌ها
• کنترل کیفیت در تولید قطعات فلزی
• انتخاب مواد مناسب برای هر کاربرد
• پیش‌بینی عملکرد فلزات در شرایط مختلف
• عیب‌یابی قطعات فلزی
مزایای روش راکول
• ساده و سریع
• دقت بالا
• قابلیت استفاده برای طیف وسیعی از فلزات
• غیر مخرب
معایب روش راکول
• نیاز به دستگاه تخصصی
• عدم امکان اندازه‌گیری سختی قطعات بسیار نازک
3) سختی سنجی ویکرز
آزمون ویکرز، روشی برای اندازه‌گیری سختی فلزات است که با استفاده از یک هرم الماسی با قاعده مربع به عنوان سنبه انجام می‌شود. این هرم، با زاویه‌ای ۱۳۶ درجه بین وجوه مقابل خود، تحت بار قرار می‌گیرد و اثری به شکل فرورفتگی بر روی سطح فلز نمونه ایجاد می‌کند.
مراحل انجام آزمون ویکرز
۱. اعمال بار: بار اعمالی به طور معمول بین ۱۰ تا ۱۵ ثانیه بر روی نمونه اعمال می‌شود.
۲. ایجاد فرورفتگی: اثر این بار، ایجاد یک فرورفتگی مربعی شکل بر روی سطح فلز نمونه است.
۳. اندازه‌گیری قطر فرورفتگی: در دستگاه‌های استاندارد ویکرز، دو تیغه درون چشمی میکروسکوپ تعبیه شده‌اند که دقیقاً بر لبه‌های فرورفتگی منطبق می‌شوند. فاصله بین این دو تیغه از روی مقیاس متصل به چشمی خوانده می‌شود.
۴. محاسبه عدد سختی: عدد خوانده شده، عدد چشمی نامیده می‌شود و با استفاده از جدول‌های تبدیل موجود در هر دستگاه، به عدد سختی ویکرز (HV) تبدیل می‌شود. دقت اندازه‌گیری عدد چشمی 0.001 میلی‌متر است.
۵. انتخاب نیروی مناسب: برای دستیابی به بهترین نتیجه، نیروی فرو رونده باید طوری انتخاب شود که قطر فرورفتگی حدود 0.5 میلی‌متر باشد.
۶. ضخامت نمونه: ضخامت ماده آزمایش در این روش نباید کمتر از 1/5 برابر قطر فرورفتگی باشد.
کاربرد‌ها
• اندازه‌گیری سختی فلزات: از طریق سختی‌سنجی ویکرز می‌توان سختی طیف وسیعی از فلزات، از خیلی سخت تا خیلی نرم، را اندازه گرفت.
• میکروسختی‌سنجی: با استفاده از نیرو‌های کمتر، می‌توان از این روش برای اندازه‌گیری سختی در مقیاس میکروسکوپی نیز استفاده کرد.
مزایا
• دقت بالا: این روش یکی از دقیق‌ترین روش‌های اندازه‌گیری سختی فلزات است.
• قابلیت استفاده برای طیف وسیعی از فلزات: ویکرز برای اندازه‌گیری سختی انواع مختلف فلزات، از جمله فولاد، آلومینیوم، مس و برنج مناسب است.
• غیر مخرب: این روش نیازی به برش یا تغییر شکل نمونه ندارد و به همین دلیل غیر مخرب محسوب می‌شود.
معایب
• سرعت کم: انجام آزمون ویکرز زمان‌بر است و به همین دلیل برای اندازه‌گیری سریع سختی فلزات مناسب نیست.
• نیاز به دستگاه تخصصی: به دستگاه ویکرز تخصصی نیاز است.
• عدم امکان اندازه‌گیری سختی سطوح نازک: ضخامت نمونه باید حداقل 1/5 برابر قطر فرورفتگی باشد، به همین دلیل ویکرز برای اندازه‌گیری سختی سطوح نازک مناسب نیست.
سه واحد رایج برای مقایسه سختی فلزات
برای مقایسه سختی فلزات، از واحد‌های مختلفی استفاده می‌شود. هر کدام از این واحد‌ها، زبانی خاص برای بیان استحکام و قابلیت اطمینان فلزات در برابر تنش‌ها و فشار‌ها دارند.
• برینل (Brinell): این واحد با HB نشان داده می‌شود و از فرورفتگی یک توپ فولادی در سطح فلز برای اندازه‌گیری سختی استفاده می‌کند. برینل برای فلزات نرم‌تر مانند فولاد و برنج مناسب است.
• ویکرز (Vickers): واحد HV برای این روش استفاده می‌شود و از فرورفتگی یک هرم الماسی در سطح فلز برای اندازه‌گیری سختی استفاده می‌کند. ویکرز برای فلزات سخت‌تر مانند فولاد ضد زنگ و تیتانیوم مناسب است.
• راکول (Rockwell): این واحد با HRC نشان داده می‌شود و از فرورفتگی یک توپ فولادی یا الماسی در سطح فلز تحت بار‌های مختلف استفاده می‌کند. راکول برای طیف وسیعی از فلزات از جمله فولاد، آلومینیوم و مس مناسب است.
انتخاب واحد مناسب
انتخاب واحد مناسب سختی به نوع فلز، دقت مورد نیاز و کاربرد مورد نظر بستگی دارد. به طور کلی، برای فلزات نرم‌تر از برینل، برای فلزات سخت‌تر از ویکرز و برای طیف وسیعی از فلزات از راکول استفاده می‌شود.
