سختی سنجی فلزات از جمله آزمون‌ های اندازه گیری خواص مکانیکی مواد است که بسته به کاربرد، ممکن است به دلایل مختلفی انجام شود. واحد آموزش و مشاوره گروه صنعتی مبتکران در این مقاله کوشیده است تا چیستی و چرایی این دست از آزمون‌ها را مورد بررسی قرار دهد.

سختی فلزات چیست؟

پیش از اینکه سختی سنجی فلزات را مورد برررسی قرار دهیم، نیاز است تا با مفهوم سختی در فلزات  و مواد مختلف آشنا شویم. سختی عبارت است از میزان مقاومت مواد دربرابر یک عامل نفوذ کننده. همچنین طبق تعریفی دیگر، سختی را می‌توان میزان مقاومت یک ماده در برابر تغییر شکل موم‌سان یا همان پلاستیک دانست. بر اساس این تعریف منظور از تغییر شکل موم‌سان همان تغییر شکل دائم است.پ

بنابراین می‌توان گفت فلزاتی که از سختی بالاتری برخوردارند، مقاومت بالاتری دربرابر فشارهای خارجی و نفوذ از خود نشان می‌دهند. همچنین فولادهای سخت تر، مقاومت بیشتری دربرابر تغییر شکل دائم  و پلاستیک خواهند داشت.

طبق تعاریف ارائه شده از واژه سختی، می‌توان گفت در علم مواد سختی به طرق مختلفی معنی شده است. درکنار گوناگون‌ بودن تعاریف ارائه شده برای واژه سختی، باید توجه داشت که روش‌های سختی سنجی فلزات نیز می‌توانند متفاوت باشند.

عوامل موثر بر سختی فلزات

موارد مختلفی می‌توانند بر میزان سختی فلزات تاثیر‌گذار باشند. آنالیز، ریزساختار، اندازه دانه‌ها و جهت‌گیری آن‌ها، دما، روش اندازه‌گیری و غیره از جمله فاکتورهایی هستند که بر میزان و عدد سختی فلزات تاثیرگذارند. تغییر هرکدام از موارد ذکرشده می‌تواند در نتیجه‌ی آزمون سختی سنجی فلزات تاثیر گذار باشند. قابل ذکر است یکی از مرسوم ترین روش‌هایی که به وسیله آن می‌توان سختی فلزات را بهبود بخشید، ارتقای ریز ساختار از طریق اجرای فرآیند عملیات‌ حرارتی است. انواع عملیات‌ حرارتی از قبیل سخت کاری حجمی (کوئنچ-تمپر)، سخت کاری سطحی (نیتراسیون، سمانتاسیون و سخت‌کاری القایی) می‌توانند درجهت بهبود خواص مکانیکی فلزات، به ویژه سختی، موثر باشند.

حال که با معانی مختلف سختی و عوامل موثر بر آن در علم مواد آشنا شدیم، می‌توانیم انواع روش‌های آزمون سنجش سختی بر روی فلزات را دقیق‌تر مورد بررسی قرار دهیم.

تاریخچه سختی سنجی فلزات

سختی سنجی، آزمونی در جهت سنجش خاصیت مکانیکی سختی در مواد مختلف، به ویژه کانی‌ها، فلزات مختلف و فولادهاست. با نگاهی به تاریخچه این آزمون درمی‌یابیم که اجرای این دسته آزمایش های خواص مواد، از حدود 300 سال گذشته مرسوم شده است.

در روش های اولیه انجام سنجش سختی به منظور پی بردن به میزان سختی فلز از روش‌های مقایسه‌ای استفاده می‌شد. در روش‌های اولیه سنجش سختی، فلزات موردنظر به صورت دو قطعه فلزی بر روی یک دیگر کشیده می‌شدند. در نهایت قطعه فلزی که می‌توانست بر روی قطعی فلزی دیگر خط و خراش ایجاد کند، سختی بالاتری داشت. امروزه اساس کار آزمون سنجش سختی فلزات کم و بیش با گذشته مشابه است.

سنجش سختی با روش های نوین

به صورت کلی طریقه کار  تست سختی سنجی فلزات در بیشتر روش‌های امروزی، به این صورت است که با استفاده از یک ابزار نفوذکننده با قطر و سطح مقطع مشخص، میزان فشار خاصی به صورت فرورنده و نفوذی (راکول،برینل،ویکرز) به سطح قطعه نمونه وارد می‌گردد. سپس با افزایش میزان فشار وارده، مقاومت قطعه نمونه در برابر فشار نفوذی ابزار نفوذ کننده سنجیده ‌می‌شود. درواقع در این دسته از فعالیت‌های سختی سنجی ، سختی به وسیله سنجش میزان نفوذ دربرابر یک فشار خاص در قطعه نمونه سنجیده می‌شود.

به علت این که در این دست روش‌ها، از ابزار نفوذ کننده در جهت سنجش سختی فلزات استفاده می‌شود، این دسته از آزمون‌ها، سختی سنجی فروروندگی و یا سختی سنجی نفوذی نیز نامیده می‌شوند.

امروزه روش‌های دیگری نیز علاوه بر روش‌های نفوذی به منظور سنجش سختی فلزات وجود دارد (سختی سنجی واجهشی، سختی سنجی سایشی). برای مثال در اندازه گیری سختی فلزات با دستگاه سختی سنجی پرتابل، اندازه گیری سختی به وسیله اندازه گیری سرعت برخورد و بازگشت پرتابه انجام می‌شود و مکانیسم اندازه گیری سختی به صورت نفوذی نیست. اما معمولا برای اندازه گیری این خاصیت در روش‌های آزمایشگاهی (مثل راکول، برینل، ویکرز) از روش‌های نفوذی و فرورونده استفاده می‌شود.

انواع روش های سختی سنجی فلزات

 روش های سختی سنجی فلزات را براساس ضخامت سطح مقطع مورد سنجش به صورت کلی می‌توان، به دو دسته ماکرو و میکرو دسته‌بندی نمود. معمولا برای مقاطع ضخیم از روش‌های برینل، ویکرز و راکول استفاده می‌شود. همچنین با تغییر در روش‌های سختی سنجی ماکرو، می‌توان ازآن‌ها برای سختی سنجی مقاطع با ضخامت پایین و همچنین قطعات سخت کاری سطحی شده نیز استفاده نمود (مثل روش‌های سوپر فیشیال راکول و میکرو ویکرز). از میان روش‌‌های میکرو نیز می‌توان به روش سختی سنجی نوپ (Knoop) اشاره نمود.

روش سختی سنجی برینل

سختی سنجی برینل از اولین روش‌های استاندارد اندازه گیری سختی فلزات است که توسط مهندس سوئدی یوهان آگوست برینل، در سال 1900 میلادی معرفی گردید. در سختی سنجی به روش برینل برخلاف روش سختی سنجی راکول که در ادامه به آن اشاره می‌کنیم، عمق اثر ایجاد شده ملاک سنجش نیست، بلکه قطر اثر معیاری برای سنجش سختی است. در واقع در این روش سختی، به وسیله اندازه‌گیری قطر عرقچین ایجاد شده به وسیله فرورفتن گلوله فولادی (یا گلوله از جنس کاربید تنگستن) محاسبه می‌گردد.

آزمایش سختی سنجی برینل

در روش سختی سنجی برینیل، برای اندازه گیری سختی فلزات از یک گلوله کروی شکل، برای ایجاد اثر فرورفتگی در قطعه نمونه استفاده می‌شود. جنس گلوله فرورونده می‌تواند از فولاد سخت شده و یا کاربید تنگستن باشد. توجه شود که نیروی اعمالی به گوی فرورونده بسته به سختی قطعه نمونه مورد سنجش، می‌تواند متفاوت باشد. برای مثال میزان فشار وارده به فلزات نرم در حدود 500 کیلوگرم و برای فلزات سخت شده می‌تواند تا حدود 3000 کیلوگرم افزایش پیدا کند.

همچنین زمان اعمال نیرو بسته به نرم یا سخت بودن قطعه فلزی مورد سنجش، می‌تواند بین 10 تا 60 ثانیه متغیر باشد. هرچقدر قطعه نمونه سختی کمتری داشته باشد، زمان اعمال نیرو افزایش پیدا می‌کند(حداکثر تا 60 ثانیه).

طبق رابطه زیر عدد سختی برینل ( به عنوان یکی از واحد های سختی سنجی فلزات)، حاصل نیروی اعمالی بخش بر مساحت اثر(قطر عرقچین ایجاد شده) می‌باشد. واحد سختی سنجی برینل با Hb  نمایش داده می‌شود.

سختی سنجی برینل

سختی سنجی برینل 

L:نیروی اعمال شده در آزمون بر حسب Kg

D:قطر گلوله بر حسب  mm

d:قطر فرو رفتگی ایجاد شده بر حسب mm

مزایا و معایب استاندارد سختی سنجی برینل

در استاندارد سختی سنجی برینل به علت آنکه اثر فرورفتگی نسبت به سایر روش‌های اندازه گیری سختی فلزات بزرگتر است، عدد سختی حاصله میانگینی از ناهمگنی‌های موضعی می‌باشد؛ به این صورت که غیر یکنواختی‌های جزئی که ممکن است بر روی سطح قطعه وجود داشته باشد، تاثیر چندانی بر نتیجه سختی سنجی ندارند.

از معایب روش سختی سنجی برینیل آن است که از این روش نمی‌توان برای سختی سنجی فلزات بسیار سخت، خیلی نرم و یا نازک استفاده نمود. در صورتی که قطعه نمونه مورد سنجش، سختی خیلی بالایی داشته باشد، ممکن است باعث شکست گوی فرورونده شود. از طرفی دیگر، در صورت نازک بودن قطعه نمونه، ممکن است عمق فرورفتگی بیش از قطر قطعه مورد سنجش باشد.

روش سختی سنجی راکول

سختی سنجی راکول، از متداول ‌ترین تست‌های سنجش سختی فلزات است که توسط استنلی راکول در سال 1919 معرفی شده است. از علل گستردگی تست سختی سنجی راکول می‌توان به سریع بودن، حداقل بودن خطا و همچنین عدم نیاز به آماده سازی سطح پیش از انجام این آزمون اشاره نمود. اساس اندازه گیری سختی فلزات در روش راکول، اندازه‌گیری عمق اثر فرورونده تحت فشار ثابت می‌باشد.

انواع سختی سنجی راکول

به علت آنکه در آزمایش سختی سنجی راکول چندین نوع ابزار فرورونده با بار فشاری استاندارد متفاوتی می‌تواند برای انجام آزمایش به کار گرفته شود، چندین مقیاس متفاوت سختی راکول وجود دارد. در روش راکول، فرورونده‌ها می‌توانند بسته به نوع آزمون از جنس فولادهای سخت شده (برای قطعات با سختی پایین) و همچنین از نوع مخروط الماسی با زاویه راس 120 درجه (برای قطعات با درجه سختی بالا) باشد. بنابراین همانطور که به آن اشاره شد چندین مقیاس متفاوت راکول وجود دارد که معروف‌ترین و متداول‌ترین آن ها راکول  A,B,C  می‌باشد که با HRC,HRB,HRA  نمایش داده می‌شوند.