سختی مواد فلزی به توانایی مواد در مقاومت در برابر تغییر شکل موضعی، به ویژه تغییر شکل پلاستیک، فرورفتگی یا خراش اشاره دارد. این نشانگر نرمی یا سختی مواد است.
سختی بر اساس روش های آزمایش به سه نوع تقسیم می شود.
سختی خراش: این در درجه اول برای مقایسه سختی کانی های مختلف استفاده می شود. این روش شامل استفاده از میلهای است که یک سر آن سخت و سر دیگر آن نرم است و سپس میله را روی ماده مورد آزمایش میکشید. محل ظاهر شدن خراش ها سختی مواد را تعیین می کند. از نظر کیفی، جسم سختتر خراش طولانیتری بر جای میگذارد، در حالی که جسم نرمتر خراش کوتاهتری بر جای میگذارد.
سختی تورفتگی: این عمدتا برای مواد فلزی استفاده می شود. این روش شامل اعمال یک بار خاص برای فشار دادن یک فرورفتگی تعیین شده به ماده مورد آزمایش است. سختی ماده با میزان تغییر شکل پلاستیک موضعی روی سطح تعیین می شود. با توجه به تغییرات در فرورفتگی، بار و مدت بار، انواع مختلفی از آزمون های سختی فرورفتگی وجود دارد، از جمله سختی برینل، سختی راکول، سختی ویکرز و سختی میکرو.
سختی برگشت: این عمدتا برای مواد فلزی استفاده می شود. این روش شامل اجازه دادن به یک چکش طراحی شده است که آزادانه از یک ارتفاع معین سقوط کند و بر نمونه ماده مورد آزمایش ضربه بزند. سختی ماده با مقدار انرژی کرنشی که نمونه در طول ضربه جذب می کند (و سپس آزاد می کند) تعیین می شود که با ارتفاعی که چکش به آن باز می گردد اندازه گیری می شود.
رایج ترین تست های سختی برای مواد فلزی - سختی برینل، سختی راکول و سختی ویکرز - در دسته سختی فرورفتگی قرار می گیرند. مقدار سختی نشان دهنده توانایی ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک زمانی است که جسم دیگری به سطح آن فشار داده می شود. تستهای سختی برگشت (شور، لیب) سختی را بر اساس میزان تغییر شکل الاستیک فلز اندازهگیری میکنند، با مقدار سختی که نشاندهنده ظرفیت ماده برای تغییر شکل الاستیک است.
سختی برینل
یک فرورفتگی با قطرDساخته شده از فولاد سخت شده یا توپ کاربید با نیروی آزمایش مربوطه به سطح نمونه فشار داده می شود.F. پس از زمان نگهداری مشخص شده، نیروی آزمایش حذف می شود و یک فرورفتگی با قطر باقی می ماندd. مقدار سختی برینل با تقسیم نیروی آزمایش بر مساحت سطح فرورفتگی محاسبه می شود. مقدار حاصل سختی برینل است که با نشان داده می شودHBSیاHBW.
H تفاوت بینHBSوHBWدر نوع تورفتگی مورد استفاده نهفته است.HBSبه آزمایشی اطلاق می شود که از یک توپ فولادی سخت شده به عنوان فرورفتگی استفاده می کند که معمولاً برای اندازه گیری مقادیر سختی برینل در مواد با سختی کمتر از 450 مانند فولادهای نرم، چدن خاکستری و فلزات غیر آهنی استفاده می شود.HBWاز طرف دیگر، از یک توپ کاربید به عنوان فرورفتگی استفاده می کند و برای اندازه گیری مقادیر سختی برینل در مواد با سختی زیر 650 استفاده می شود.
برای یک قطعه آزمایشی و تحت شرایط آزمایش یکسان، نتایج دو روش متفاوت خواهد بود، باHBWمقادیر اغلب بالاتر ازHBSارزش ها با این حال، هیچ رابطه کمی ثابتی بین این دو وجود ندارد.
از سال 2003، چین استاندارد بین المللی را پذیرفته و استفاده از توپ های فولادی سخت شده را با توپ های کاربید برای تست سختی برینل جایگزین کرده است. در نتیجه،HBSدیگر استفاده نمی شود وHBWبه نماد استاندارد برای سختی برینل تبدیل شده است. در بسیاری از موارد،HBبه تنهایی برای نشان دادن سختی برینل استفاده می شود که معمولاً به آن اشاره داردHBW. با این حال،HBSممکن است هنوز در برخی از مقالات و مقالات علمی دیده شود.
تست سختی برینل برای موادی مانند چدن، آلیاژهای غیرآهنی و فولادهای مختلف آنیل شده یا گرم شده مناسب است. برای آزمایش مواد خیلی سخت، خیلی کوچک، خیلی نازک یا نمونه هایی که نمی توانند فرورفتگی های بزرگ روی سطوحشان را تحمل کنند، مناسب نیست.
سختی راکول
این روش از یک فرورفتگی مخروطی الماس با زاویه راس 120 درجه یا یک توپ فولادی سخت شده به عنوان فرورفتگی، در ترکیب با پیکربندی بار خاص استفاده میکند. آزمایش با بار اولیه 10 کیلوگرم شروع می شود و به دنبال آن بار کل (که مجموع بار اولیه و بار اصلی است) 60، 100 یا 150 کیلوگرم است. فرورفتگی تحت این بارها به صورت متوالی به داخل نمونه فشار داده می شود. پس از اعمال بار کلی، سختی با تفاوت در عمق فرورفتگی بین عمق زیر بار اولیه و عمق زیر بار کل پس از برداشتن بار اصلی تعیین می شود، در حالی که بار اولیه باقی می ماند.
این روش معمولاً درسختی راکولتست کردن عمق فرورفتگی تحت بار اولیه و بار کل برای محاسبه مقدار سختی استفاده می شود که نشان دهنده مقاومت ماده در برابر فرورفتگی تحت هر دو بار است.
تست سختی راکول از سه نیروی آزمایشی مختلف و سه نوع فرورفتگی استفاده میکند که منجر به 9 ترکیب ممکن میشود که هر کدام مربوط به یکی از 9 مقیاس سختی راکول است. این 9 ترازو تقریباً تمام مواد فلزی رایج را پوشش می دهد. پرکاربردترین ترازوها هستندHRA, HRB، وHRC، باHRCکه بیشترین کاربرد را دارد.
جدول استاندارد تست سختی راکول معمولی
|
نمادهای سختی |
انواع Indenter |
F/N (kgf) |
محدوده سختی |
برنامه های کاربردی |
|
HRA |
مخروط الماس 120 درجه |
588.4(60) |
20~88 |
فولادهای کاربید، سرمت و سخت شده با سطح |
|
HRB |
Ø1.588 میلی متر توپ فولادی سخت شده |
980.7(100) |
20~100 |
فولادهای آنیل شده و نرمال شده، آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای مس، چدن |
|
HRC |
مخروط الماس 120 درجه |
1471(150) |
20~70 |
فولاد کوئنچ، فولاد سکوریت شده و فولاد سخت شده با سطح عمیق |
رامقیاس HRCمعمولاً برای مقادیر سختی از 20 تا 70 HRC استفاده می شود. هنگامی که مقدار سختی زیر 20 HRC باشد، حساسیت تست کاهش مییابد، زیرا نوک مخروطی این دندانه بیش از حد عمیق به مواد نفوذ میکند. در این مورد،مقیاس HRBباید به جای آن استفاده شود، زیرا برای مواد نرم تر مناسب تر است.
هنگامی که سختی نمونه از 67 HRC بیشتر شود، فشار در نوک فرورفتگی بیش از حد بالا میرود که میتواند به الماس آسیب برساند و طول عمر فرورفتگی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. بنابراین، به طور کلی توصیه می شود که بهمقیاس HRAبرای مواد با سختی بیشتر از 67 HRC.
تست سختی راکول ساده، سریع است و فرورفتگیهای کوچکی ایجاد میکند و برای آزمایش سطوح محصول نهایی و همچنین قطعات سختتر و نازکتر مناسب است. به دلیل فرورفتگی کوچک، مقدار سختی می تواند برای موادی با ریزساختار یا سختی ناهموار نوسان بیشتری داشته باشد و در نتیجه دقت کمتری در مقایسه با آزمون سختی برینل ایجاد می کند. تست سختی راکول معمولاً برای اندازه گیری سختی فولادها، فلزات غیرآهنی، مواد کاربید و سایر آلیاژها استفاده می شود.
سختی ویکرز
اصل اندازه گیری سختی ویکرز مشابه سختی برینل است. از یک فرورفتگی هرم الماس با زاویه 136 درجه و نیروی آزمایشی مشخص استفاده شده است.Fبر روی سطح مواد اعمال می شود. پس از حفظ بار برای یک دوره مشخص، نیروی آزمایش حذف می شود. مقدار سختی با فشار متوسط اعمال شده بر روی واحد سطح تورفتگی هرم بر پایه مربع تعیین می شود و مقدار سختی با نماد نشان داده می شود.HV.
تست سختی ویکرز دارای محدوده اندازه گیری گسترده ای است که قادر به اندازه گیری مواد با مقادیر سختی متفاوت از10 تا 1000 HV. فرورفتگی کوچک است و به ویژه برای اندازهگیری مواد نازکتر و لایههای سختشده سطحی مانند سطوح کربوره یا نیترید شده مناسب است.
سختی لیب
در تست سختی لیب، از یک بدنه ضربه ای با یک فرورفتگی توپ کاربید تنگستن برای ضربه زدن به سطح نمونه تحت یک نیروی خاص استفاده می شود و باعث برگشت آن می شود. به دلیل سختی متفاوت مواد، سرعت برگشت متفاوت است. دستگاه ضربه مجهز به آهنربای دائمی است و با بالا و پایین رفتن بدنه ضربه ای، سیم پیچ اطراف سیگنال الکترومغناطیسی تولید می کند که متناسب با سرعت برگشت است. سپس این سیگنال از طریق یک مدار الکترونیکی به مقدار سختی لیب تبدیل می شود و مقدار با نماد نشان داده می شود.HL.
سختی سنج لیب به میز کار نیاز ندارد. سنسور سختی آن به اندازه یک قلم است و می توان آن را مستقیماً با دست کار کرد. این امر باعث می شود که بدون مشکل، قطعه کار بزرگ و سنگین یا نمونه های پیچیده هندسی را آسان کنید.
مزیت دیگر سختی سنج لیب این است که آسیب سطحی بسیار کمی به محصول وارد می کند و در برخی موارد می توان از آن برایآزمایش غیر مخرب. این به ویژه برای تست سختی در جهات مختلف، فضاهای باریک و مناطق تخصصی منحصر به فرد است، جایی که سایر روش ها ممکن است چالش برانگیز باشند.
