اصول سختی سنجی و کاربردهای آن
مفهوم سختي
سايش يا مقاومت در مقابل تغيير شكل مومسان یا همان تغيير فرم دائمي يا پلاستيك موضعي، دانست. روشهاي گوناگون آزمون سختي سنجي بر اندازه گيري يكي از اين دو ويژگي ماده استوار است؛ البته انواع آزمون هايي كه بيانگر تغيير شكل مومسان موضعي هستند را فقط مي توان براي موادي به كار برد كه قابليت تغيير شكل مومسان داشته باشند يعني فلزات و پلاستيك هاي گرمانرم(ترمو پلاست). اين آزمون ها از نوع نفوذي هستند و ممكن است استاتيكيا ديناميكباشند.
در آزمون هاي فروكردني استاتيك كه متداول تر هستند، حفره اي با استفاده از نيرويي معين در قطعه ايجاد شده و ابعادش اندازه گيري مي شود. هر چه حفره ايجاد شده در شرايط استاندارد، بزرگتر باشد، ماده نرمتر است و برعكس. در آزمونهاي نفوذي ديناميك، پرتابه اي كه آزادانه رها مي شود به سطح ماده برخورد مي كند.
بخشي از انرژي پرتابه برخورد كننده صرف تغيير شكل مومسان ماده شده و باقيمانده آن موجب برگشتن وزنه از سطح مي شود. ماده سخت انرژي زيادي جذب نمي كند زيرا تغيير شكل مومسان آن چشمگير نيست، در نتيجه پرتابه تا ارتفاع بيشتري بر مي گردد.
بیشتر بخوانید: نکات ایمنی کار با سانتریفیوژ
اين آزمون علاوه بر برخي فلزات، براي ارزيابي گروه ديگري از مواد، كه معمولا خيلي سخت تلقي نمي شوند يعني لاستيكها به كار مي روند. بر خلاف اين تناقض ظاهري، كه ارتفاع بازگشت پرتابه براي يك ماده نرم زياد است و به معني سختي بالا مي باشد، اين آزمون با موفقيت براي تعيين خواص مواد لاستيك گونه به كار مي رود.
آزمون هاي سختي سنجي از نوع فروكردني به مقياس وسيعي براي بررسي نمونه هاي فلزي به كار مي روند. قابل ذکر است نتايج سختي سنجي مي تواند شاخصي از استحكام فلز نيز باشد زيرا رابطه هاي تجربي فرموله شده اي بين مقادير سختي و استحكام كششي در مورد برخي فلزات وجود دارد.
آزمون های نفوذی استاتيک
در تمام آزمون هاي نفوذي استاتيك، نوعي فرو رونده تحت اثر نيروي خارجي به سطح نمونه مورد آزمايش فرو برده مي شود. فرو رونده موجب تغيير شكل موضعي ماده مي شود. بخشي از تغيير شكل ماده در اثر اعمال نيرو، كشسان و بخش ديگري از آن مومسان است. پس از برداشتن نيرو، كرنش كشسان ايجاد شده در ماده برطرف مي شود ولي كرنش مومسان برجاي مانده و اثري دائمي روي سطح قطعه باقي مي گذارد.
به عنوان يك قاعده كلي، عمق حفره ايجاد شده نبايد از يك هشتم ضخامت نمونه مورد آزمايش تجاوز كند. به همين ترتيب محل ايجاد فرورفتگي نبايد نزديك لبه نمونه يا نزديك يك فرورفتگي ديگر باشد چرا كه در اين حالت نيز جواب نادرست خواهد بود.
به دلیل ساختار ناهمگن آلياژهاي فلزي ساختار همگن، گاهی با يكبار اندازه گيري سختي، نتيجه اي كه بيانگر خاصيت كل ماده باشد به دست نمی آید و باید اندازه گيري بايد در چند نوبت انجام شود. معمولا آزمايش را حداقل 3 بار انجام مي گیرد. اگر نتيجه اين سه آزمون به قدر كافي به هم نزديك نباشد، بايد آزمونهاي بيشتري انجام داد. به طور كلي هر چه فرورفتگي وسيعتر و عمق آن بيشتر باشد نتيجه آزمايش به ميانگين سختي ماده نزديكتر است.
راكول، برينل، نوپو و ويكرز روش هايي هستند كه غالبا براي تعيين سختي استفاده مي شوند. اصل بنيادي مورد استفاده در تمام اين آزمايشها، مجموعه نيروهايي هستند كه به يك فرورونده به منظور تعيين مقاومت ماده در برابر نفوذ، اعمال مي شوند. اگر ماده سخت باشد.
بیشتر بخوانید: سانتریفیوژ آزمایشگاهی چیست و روش کار با آن چگونه است؟
فرورفتگي اي كوچك و كم عمق حاصل مي شود در حالي كه اگر ماده نرم باشد، فرورفتگي اي كاملا بزرگ و عميق حاصل خواهد شد. اين آزمايشها اغلب بر اساس يكي از دو عبارت زير دسته بندي مي شوند:
اندازه نيروي اعمالي در آزمايش
روش اندازه گيري استفاده شده
آزمايش ماكرو آزمايشي است كه در آن نيرويي بيش از 1 كيلوگرم اعمال شود و در حالت مشابه، آزمايش ميكرو به آزمايشي گفته مي شود كه نيرويي كمتر از 1 كيلوگرم اعمال شود. آزمايشگر هاي راكول و برينل در دسته آزمايشهاي ماكرو قرار دارند، در حالي كه آزمايشگر هاي نوپ براي ريز سختي سنجي(ميكرو سختي) کاربرد دارند و آزمايشگر هاي ويكرز، هم براي ماكرو و هم براي ميكرو استفاده می شود.
روش هاي اندازه گيري موجود شامل مشاهده بصري فرورفتگي يا عمق سنجي مي شود. آزمايشگر هاي راكول قادر به تعيين عمق فرورفتگي هستند، در حالي كه آزمايشگر هاي برينل، نوپ و ويكرز نياز به قطرسنجي فرورفتگي دارند.
هنگام سختي سنجي سطحي كه سختي آن اندازه گيري مي شود باید بر خط نيروي فرو رونده عمود باشد و موقعيت نمونه طوری باشد كه هنگام آزمايش حركت نكند. در سختي سنجي ماكرو، معمولا يك سطح خوب سنگ زده شده كافي است و لازم است هر گونه پوسته، زنگ زدگي و آلودگي از سطح آن زدوده شود.
بیشتر بخوانید: روش های آنالیز فلزات سنگین
اصول كار
وقتي نيرو از طريق تماس با فرورونده به نمونه وارد مي شود، نمونه تسليم مي شود. پس از اينكه نيرو برداشته شد، ترميم شكل اندكي در ناحيه پلاستيكي در خلاف جهت جريان اوليه اما بيش از يك حجم كوچك انتظار مي رود. پس از برداشتن نيرو به دليل اينكه ترميم پلاستيكي بطور كامل انجام نمي شود، تنش هاي دو محوري پسماند، در صفحاتي موازي با صفحات آزاد و بدون تنش، باقي مي ماند.
مقدار سختي با توجه به ميزان تغيير فرم دائمي يا جريان پلاستيك ماده بر اثر نيروي وارده، محاسبه مي شود. كميت تغيير فرم بر مبناي سطح يا عمق فرورفتگي تعیین مي شود. روابط عددي با هم نسبت عكس دارند از اين رو با افزايش اندازه و عمق فرورفتگي، مقدار سختي كاهش مي يابد.
آزمون ريز سختي (سختي ميكرو)
در بسياري از موارد نياز است تا سختي ناحيه اي بسيار كوچك اندازه گيري شود. چند سيستم آزمون براي اين موارد وجود دارد كه از پر كاربردترين آنها می توان آزمونهاي ميكرو ويكرز و نوپ را نام برد. یکی از متداول ترین استانداردهای این دو آزمون، ASTM E384 است. اصول روش آزمايش ميكرو ويكرز مانند آزمون ويكرز استاندارد است، با اين تفاوت كه نيروهاي اعمالي در حد گرم هستند.
انواع اين آزمونها بوسیله دستگاهي كه بخشي از آن يك ميكروسكوپ متالورژي است، انجام مي شود. مشاهده آزمونه در زير ميكروسكوپ با بزرگنمايي هاي تا 150 برابر براي مشاهده و انجام آزمون و تا 600 برابر براي انجام اندازه گيري قطرهاي اثر، امكان انجام آزمون با نيروهاي كم را به ما مي دهد.
مقدار سختي فلزات به روش ديناميك، به كمك اندازه گيري ميزان جهش يك پرتابه سخت پس از برخورد به سطح مورد آزمايش به دست مي آيد. جهش بيشتر نشان دهنده سختي بيشتر است. در اثر برخورد، اثر كوچكي روي نمونه به جاي مي ماند. مقدار اين اثر نشان دهنده خاصيت پلاستيك قطعه مورد آزمايش است كه تظاهر سختي استاتيكي فلز مي باشد. بخشي از انرژي پرتابه صرف ايجاد اين اثر گشته و تقريبا باقيمانده انرژي صرف باز جهاندن پرتابه مي شود.
بیشتر بخوانید: روش های آنالیز طلا
ديگر روش های سختی سنجی
براي برخي مواد نظير مواد معدني، يكي از بهترين روشهاي سختي سنجي، اندازه گيري مقاومت سايش است. سختي خراش طبق مقياس موس 14 اندازه گيري مي شود. اين مقياس شامل 10 ماده معدني استاندارد مي شود كه به ترتيب قابليت خراشيده شدنشان مرتب مي شوند.
ماده اي كه روي ماده اي ديگر بتواند خراش ايجاد كند از آن سخت تر است. بدين ترتيب در اين آزمون، نمونه هاي استاندارد توسط ماده مورد آزمايش خراشيده مي شوند. عدد سختي ماده بين سختي دو نمونه استاندارد متوالي قرار مي گيرد: چنانچه ماده بتواند نمونه نرمتر 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 . اكثر فلزات سخت در بازه 4 تا 8 سختي موس قرار مي گيرند.