سختی و سختی پذیری

در بسیاری از فرهنگ‌های لغت سختی را اینگونه تعریف کرده‌اند: سختی یک ماده عبارتست از ظرفیت نسبی آن در مقابل نفوذ و خراش برداشتن و یا بر عکس ایجاد خراش و نفوذ ماده دیگر. چنین تعریفی تا حدود زیادی مبهم است. برای مثال فولاد و شیشه هر دو به عنوان سنگ فرش در پیاده‌ روها مصرف می‌شود و مقاومت سایش آنها کاملا مشهور است. بنابراین، بنا به تعریف فوق سختی آن ها یکسان باشد.
چنانکه می‌دانیم شیشه می‌تواند روی فولاد خراش ایجاد کند، بنابراین در تقسیم‌بندی مواد از نظر سختی،  شیشه بالاتر از فولاد قرار می‌گیرد، با این حال فولاد می‌تواند شیشه را بشکند. بنابراین با در نظر گرفتن توانایی شکستن مواد دیگر، فولاد باید سخت تر از شیشه باشد. نتیجة کلی اینکه نمی‌توان سختی را بر اساس خواص متعدد ارزیابی نمود، بلکه باید خاصیت مشخصی را مورد توجه قرار دهیم. مشکل تعیین سختی از همان ابتدا وجود داشت و امروزه نیز وجود دارد. در‌ حال حاضر در متالوژی آلیاژهای آهنی و غیر آهنی سختی بر اساس دو روش زیر اندازه‌گیری می‌شود.

1. در شرایط ساکن با اعمال نیروی استاندارد ساچمه‌ای با شکل و ابعاد مشخص به داخل نمونه مورد آزمایش نفوذ می‌کند. مقاومت آلیاژ در مقابل نفوذ که با توجه به عمق نفوذ سنجیده می‌شود معیار سختی می‌باشد.
2. چکشی که در آن ساچمه‌ای جایگزین شده است در شرایط سقوط آزاد از ارتفاع مشخص روی نمونه افتاده می‌شود. ارتفاع برگشتی چکش معیار سختی می‌باشد.

تاریخچه آزمایش سختی

شواهد نشان می‌دهد سختی سنجی اولیه در سال 1772 شروع شد. در آن زمان ریومر (Reaumur) فشردن لبه‌های شمشال منشوری نسبت به هم را پیشنهاد کرد.

روش های ابتدایی ارزیابی سختی فلزات

1. تعیین سختی مقایسه‌ای با روش ریومر: در این روش لبه دو نمونه فلزی منشوری شکل نسبت به هم فشرده می‌شود.
2. روش سختی فوپل: در این روش دو نمونه نیمه استوانه‌ای شکل فلزی نسبت به هم فشرده شده و اندازة سطح تماس پهن شده تعیین می‌گردد، این تکنیک برای سختی سنجی گرم نیز به‌کار رفته است. در این روش نیروی اعمال شده بر هر دو شمسال مساوی بود و به این ترتیب می‌شد سختی دو قطعه فلزی را مستقیماً با همدیگر مقایسه کرد.

در سال 1897 فوپل: (Foeppl) بجای شمشال های منشوری از دو نیم استوانه استفاده کرد. وی نسبت سطح پهن شده به نیروی وارده را معیار سختی معرفی نمود. چند سال بعد برینل (Brinell) روش معروف خود را ارائه داد. در این روش در اثر نیروی وارده گلوله یا ساچمه فولادی سخت به سطح نمونه نفوذ می‌کند. نسبت سطح اثر نفوذ به نیروی اعمال شده معیار سختی می‌باشد، با استفاده از انواع ساچمه‌ها و اعمال نیرو‌های متفاوت می‌توان دامنه سختی قابل اندازه‌گیری را توسعه داد.

آزمایش سختی Hardness test

از خواص مهم مکانیکی فلزات سختی آنها است که این مشخصه در فلزات معرف و فاکتوریست متناسب با سایر خصوصیات مکانیکی آنها، سختی مجموعه‌ای از خواص و مشخصاتی است که یک فلز با یک جسم ممکن است دارا باشد.

مهترین مشخصات سختی

• مقاومت در مقابل سائیدگی
• مقاومت در مقابل بریدن،
• خراش برداشتن
• قدرت بریدن مواد دیگ
• مقاومت در مقابل تغییر شکل گرفتن پلاستیکی 
• دارا بودن مدول الاستیسیته زیاد، تنش تسلیم و مقاومت کششی بالا داشتن
• دارای شکنندگی زیاد بودن و کم بودن قابلیت انعطاف و خاصیت چکش‌خواری

البته بطوری که ملاحظه می‌شود اغلب این خواص با یکدیگر مربوط هستند. اما سنجیدن تمام خواص با یک آزمایش سختی غیر‌ ممکن است بنابراین آزمایش سختی نمی‌تواند تمام خواص فوق را بسنجد و برای سنجیدن آن ها  از آزمایش های مکانیکی دیگر مثل کشش و ضربه و غیره کمک گرفت.
اولین آزمایش سختی توسط MOHS در سال 1822 ابداع گردید بدین ترتیب که از خراشیده شدن و خراشاندن فلزات نرم وسخت استفاده نمود و لیستی از ده جسم تهیه نمود بدین طریق که جسم می‌توانست موادی را که در آن لیست پائین‌تر از خود نوشته شده است خراش دهد اما نه مواد بالاتر از خود را. این دو رویه در مورد فلزات نیز مورد استفاده قرار گرفته است. اما طریقة آزمایش سختی استاتیک بعدها معمول‌تر شد.
همانگونه که در قسمت مقدمه اشاره شد، دستگاه های سختی سنج در صنعت نقش غیر قابل انکاری دارند. این دستگاه ها، دستگاههای مکانیکی هستند که بعضاً برخی از آنها ترکیبی از علوم مکانیکی و الکتریکی می باشند. چندین مدل از این دستگاهها در بازار امروز وجود دارد که هر روزه به تعداد آن ها اضافه می شود اما از انواع اصلی آن ها می توان دستگاه های راکول، برنیل، ویکرز، اولتراسونیک و لیپ را نام برد. شاید بهتر باشد که به جای کلمه ی دستگاه از کلمه روش استفاده کرد زیرا هرکدام از آن ها دارای مکانیزم متفاوتی است و دستگاههایی وجود دارند که هم به روش راکول و هم به روش ویکرز کار می کنند. دو مورد آخر یعنی اولتراسونیک و لیپ در ایران کاربرد کمتری دارند که بعداً درمورد آن ها به تشریح پرداخته خواهد شد.

انواع آزمایش سختی سنجی (Hardness test)

بطور کلی هدف از این آزمایش آشنایی با روشهای مختلف سختی سنجی می باشد روش های مختلفی که بترتیب از نظر دقت و کاربرد آن در آزمایشگاه های تحقیقاتی و صنایع بکار گرفته می‌شود بشرح زیر است:

1. روش مقاومت در برابر فرورفتگی  (Indentation - Hardness) این روش خود شامل برنیل، ویکرز، راکول و انواع آن، میکروسختی می باشد که به تفصیل در قسمتهای بعدی شرح داده خواهد شد.
2. روش شور (SHORE)
• این روش برای اندازه‌گیری صفحات نازک بکار می‌رود ودر این روش یک هرم الماس یا منشور از ارتفاع معینی رها شده، پس از برخورد با صفحه مجدداً به طرف بالا برگشت می‌کند. ارتفاع رها شده را مبین سختی می‌نامند. این روش بروش دینامیکی نیز معروف است: (Robounder  dynamic hardness) بدین ترتیب که هر چه هرم یا منشور الماس پس از برخورد با صفحه ارتفاع بالاتری برگردد، جسم سخت‌تر است زیرا انرژی کمتری صرف تغییر نرم جسم می‌شود و بالعکس.
3. روش مقاومت در مقابل خراش دادن (Scratch  hardness)
• در روش مینرالوژی از روش ایجاد خراش استفاده می‌شود. مینرالها و سایر مواد بر حسب قدرت خراش دادن بر دیگر مواد طبقه بندی شده و آنرا بصورت جدولی به نام (MOHS) معروف است نشان می‌دهند. این جدول از یک تا ده، درجه بندی شده که نرم ترین آنها تا لک و سختی  آن یک بوده و سخت ترین آنها الماس که سختی آن 10 می باشد. معمولا این روش برای سختی سنجی  فلزات بکار نمی رود. زیرا سختی فلزات معمولا بین 4 تا 5 اعداد موجود در جدول بوده  در نتیجه از دقت لازم  برخوردار نمی باشد.
4. روش مقاومت در مقابل سایش (Wear hardness)
• این روش فقط در مواقع لازم وضروری مورد استفاده قرار می گیرد.
5. روش مقاومت در مقابل ماشین کاری از قبیل: فرز کاری، تراشکاری، سوهان کاری، مته زدن
   قابل توجه است که بطور کلی امروزه روش مقاومت در مقابل ایجاد فرورفتگی  تحت نیروی ثابت بمنظور داشتن دقت و سرعت عمل بیشتر از روشهای دیگر سختی سنجی متداول گشته که در این آزمایشگاه از روش فوق استفاده می شود.
6. شرایط نمونه آزمایش: قبل از شروع می بایستی نمونه شرایط زیر را  دارا باشد تا سختی با دقت زیاد بدست آید.
1. نمونه‌های تهیه شده می تواند شکلهای منظم و یا نامنظمی داشته باشد.
2. مشکلی در مورد شکلهای منظم برای فیکس کردن آن بر روی میز دستگاه وجود ندارد. ولی در مورد شکلهای نامنظم می بایستی از گیره های مخصوص که در استفاده کرد و اگر نمونه دارای ابعاد بسیار کوچک بود که نمی توانستم با گیره مخصوص آن را نگه داریم از مانت سرد وگرم استفاده کرد و آنرا داخل مانت قرار می دهیم در مورد روش تهیه مانت‌ها در آخر این بخش توضیحات لازم داده شده است.
3. دو مقطع نمونه کاملا مسطح وموازی باشد.
4. سطح بالایی نمونه که با نگه دارنده تماس دارد می بایستی توسط سمباده پولیش شود.
5. نقاطی که بعنوان محل سختی سنجی استفاده می شود زیاد به لبه خارجی نمونه نزدیک نباشد که امکان تغییر شکل دادن آن نقطه وجود دارد.
6. نقاطی که برای سختی سنج استفاده می شوند حداقل 3 تا 5 برابر قطر اثر فرو زنده یا (Indentor) با یکدیگر فاصله داشته باشند.
7. ضخامت نمونه مورد آزمایش کمتر از 5  تا 10 برابر عمق اثر نباشد.

راکول

• راکول برای اندازه گیری سختی فلزات نسبتاً سخت مورد استفاده قرار می گیرد که بر سه نوع است:
• راکول A: که نیروی 60 کیلوگرم را اعمال می کند
• راکول B که نیروی 100 کیلوگرم را اعمال می کند
• راکول C که نیروی 150 کیلوگرم را اعمال می کند
• راکول هم بصورت ساچمه ای و هم بصورت سوزنی موجود است. اساس کار اغلب این دستگاه ها به نقطه اثر ایجاد شده به روی سطح فلز است.

راکول ساچمه ای به کمک یک ساچمه کار می کند بطوریکه وزن اعمال شده به روی فلز بواسطه ی این ساچمه فلز منتقل می شود که دارای اندازه های مختلفی است ولی راکول سوزنی به کمک یک سوزن این نیرو را روی فلز ایجاد می کند که نقطه اثر آن بصورت یک مخروط 120 درجه خواهد بود. راکول های از نوع A و C هردو نقطه اثر آن ها بصورت یک مخروط 120 درجه است ولی راکول، ساچمه ندارد و دارای سوزن هرمی شکل با زاویه 130 درجه است که نقطه اثر آن یک چهار گوش است.
 دستگاه آزمایش راکول، دستگاه آزمایش سریع با خوادن مستقیم است. این روش برای انجام آزمونها، مقایسه ای سریع بسیار مناسب است. در این آزمون، یا در واقع مجموعه آزمونهای، عمق فرو رفتگی اندازه گیری شده و مستقیماً به وسیله یک عقربه روی صفحه ی مدرج گردی که به طور غیر مستقیم به 100 قسمت تقسیم شده است (هر قسمت نمایشگر00 1/1 میلیمتر از عمق حفره است) خوانده می شود. بنابراین، یک عدد کوچک روی صفحه به معنی عمق زیاد فرو رفتگی و در نتیجه سختی کم (ماده نرم)، و بر عکس است.
چندین مجموعه مقیاس سختی راکول وجود دارد زیرا، چند فرو رونده و چند نیروی استاندارد برای آزمایش به کار می روند(استاندارد 891 انگلیسی مربوط به آزمون سختی راکول است). فرو رونده ها، گلوله های فولادی سخت شده با قطرهای مختلف، یا یک الماس با زاویه راس 120 درجه هستند. فرو رونده ها کروی استاندارد دارای قطرهای 16/1 اینچ (1.588 میلیمتر)، 8/1 اینچ (3.175 میلیمتر)، 4/1 اینچ (6.350 میلیمتر) و 2/1 اینچ (2.710 میلیمتر) هستند. بارهای استاندارد، 60، 100 و 150 کیلوگرم هستند. هر کدام از مقیاس های سختی راکول با یکی از حروف A ،B و غیره مشخص می شوند.
هنگامی که یک فرو رونده تحت اثر نیرو به درون ماده ای فشرده می شود، هردو نوع کرنش کشسان و مومسان در آن دیده می شود، ولی از آنجا که سختی فرو کردنی مقاومت در مقابل تغییر شکل مومسان است، باید نیروی فرو شونده قبل از خواندن سختی حذف شود. البته برای اطمینان از این که اندازه خوان عدد درست سختی را نشان می دهد، هنگام خواندن، یک نیروی مختصر روی فرو رونده اعمال می شود تا مطمئن شویم که فرورونده در تماس کامل با کف فرو رفتگی قرار دارد. این امر در سختی سنج راکول از طریق اعمال یک نیروی جزئی (کم) و یک نیروی کلی (زیاد) حاصل می شود.

روش استفاده از این دو نیرو

با تشریح ترتیب عملیات سختی سنجی بهتر درک می شود:

 

1.  نمونه ی آزمایش را در تماس با فرو رونده قرار دهید و آنقدر آن را به سمت فرو رونده حرکت دهید تا عقربه ی کوچک صفحه نمایش به محل از پیش تعیین شده روی صفحه برسد. با این عمل فرورونده روی یک فنر فشرده می شود تا نیروی وارد شده از فنر بر روی ماده از طریق فرو رونده به 10 کیلو گرم برسد.
2. صفحه نمایش را روی مرجع درست (صفر برای فرورونده الماسی و 30 برای فرو رونده کروی) قرار دهید.
3. نیروی کلی 50، 90 یا 140 کیلوگرم را اعمال کنید تا بر حسب مقیاس مورد نظر نیروی اصلی 60 ، 100، 150 کیلوگرم وارد شود. 
4. نیروی کلی را به مدت 4 تا 7 ثانیه نگاه دارید.
5. ضمن نگاهداشتن نیروی جزیی روی نمونه، نیروی کلی را بر دارید تا بافت کشسان حاصل شود. 
6. عدد سختی را از روی صفحه نمایش بخوانید.

 

بیشترین درجه اطمینان به نتایج آزمون هنگامی است که عدد سختی بین 20 و 70 باشد. اگر نمونه بیش از اندازه نازک باشد، نتیجه بیانگر خاصیت واقعی ماده نخواهد بود. حد ضخامت نمونه های آزمایش سختی راکول در مقیاس های مختلف در استاندارد انگلیسی 891 (1962) آمده است. مقیاسهای مختلف راکول با یکدیگر همپوشی دارند و نکته مهم این است که ترکیب مناسب فرورونده و نیروی فشاربرای ماده ی مورد نظر انتخاب شود. عمق حفره نباید از 100 درجه ی صفحه نمایش تجاوز کند. نکته بسیار مهم دیگر این است که هنگام گزارش عدد سختی راکول حتماً مقیاس مربوطه همراه عدد ذکر شود، درغیر این صورت عدد سختی فاقد معنی خواهد بود.
مقیاسه ای دیگر سختی راکول نیز وجود دارند. این مقیاس ها، مقیاسه ای N و T هستند و انواع دیگری از مقیاسهای A و B، ولی با نیروهای فرورونده کمتر، می باشند که برای آزمایش نمونه های نازک در نظر گرفته شده اند. این آزمایشها بر اساس استاندارد انگلیسی 4175 انجام می شوند. مقیاسه ای مورد استفاده با فرورونده مخروطی N 15 ،N 30 ،N 45 و مقیاسه ای مورد استفاده با فرورونده ی گلوله فولادی 16/1 اینچی T 15 ،T 30 ،T 45 نام دارند. در هر حالت عدد اول بیانگر نیروی اصلی وارد شده بر فرورونده بر حسب کیلوگرم است.
روش انجام آزمون های N و T دقیقاً مطابق مطابق روش انجام آزمایش مقیاس های دیگر راکول با همان نیروی جزیی 10 کیلوگرم پیش از اعمال بار اصلی است. نوع راکول علامت اختصاری عامل نفوذ کننده نیروی اولیه (kg) نیروی ثانویه (kg) حد مجاز A (سختی نرم) HRA مخلوط الماسه 10 60 90-70 B (سختی متوسط) HRB ساچمه به قطر mm1.88 10 100 100-35 C (سختی خیلی سخت) HRC مخلوط الماسه 10 150 67-20 نفوذ اولیه ونفوذ ثانویه است. هر چه نفوذ کمتر باشد سختی بیشتر است.
ویکرز: ویکرز بر دو نوع است
میکرو ویکرز که در اوزان گرمی تا وزن 1 کیلوگرم مورد استفاده قرار می گیرد.
ماکرو ویکرز که در اوزان 2 تا 120 کیلوگرم مورد استفاده قرار می گیرد.
ویکرز همانند میکرومتر عمق فرورفتگی را اندازه گیری می کند.
از آن جایی که گستره ی استفاده از میکرو ویکرز در اوزان بسیار کم است، دستگاه هایی که اندازه گیری را به روش میکرو ویکرز انجام می دهند باید در محیطی ایزوله قرار گیرند. ویکرز بیشتر در صنایع خودروسازی مورد استفاده قرار می گیرد و گستره ی اوزانی که بیشترین استفاده را دارند، وزن های 5 و 10 و 30 کیلوگرم است.

برینل

از دیگر روش ها یا دستگاه ها سختی سنجی می توان برینل را نام برد که مکانیزم آن ساچمه ای است. ساچمه هایی که در برینل مورد استفاده قرار می گیرند ساچمه های 5/2 و 5 و 10 میلی متری است. در کشور ما ایران بیشترین استفاده از برینل در وزن های 187 و 250 کیلوگرم است. در صنعت فولاد و فولادسازی از برنیل با وزن 3000 کیلوگرم و ساچمه 10 میلی متری استفاده می شود. از دیگر زمینه های کاربرد برینل می توان از کاربرد آن در ریخته گری نام برد.
آزمون برینل اولین آزمون از نوع فرو کردنی بود که کاربرد عمومی پیدا کرد. در این آزمون، در شکل اولیه اش، از یک گلوله فولادی سخت شده به قطر 10 میلیمتر تحت اثر نیروی ایستای 3000 کیلوگرم ( 29.43 کیلو نیوتن ) که به مدت 10 الی 15 ثانیه روی نمونه اعمال می شود، استفاده می کنند (نیروی 3000 کیلوگرم همراه با گلوله فرورونده ی 10 میلیمتری برای فولاد و چدن مناسب است. برای فلزها و آلیاژهای نرمتر غیره آهنی از نیروهای ایستای کمتر استفاده می شود.)، سپس قطر فرورفتگی به کمک یک میکروسکوپ مدرج اندازه گیری می شود. معمولاً دو قطر متعامد فرو رفتگی را اندازه گرفته و میانگین آن ها را برای محاسبه ی عدد سختی به کار می رود.
عدد سختی برینل از رابطه ی زیر بدست می آید:
آزمون برینل چند اشکال دارد. فرورفتگی های ایجاد شده توسط یک فرو رونده کروی از نظر شکل هندسی مشابه هم نیستند. دو نوع فرورفتگی ایجاد می کند: یکی عمیق و دیگری کم عمق. از آنجا که این دو نوع فرورفتگی از نظر شکل هندسی مشابه هم نیستند، الگوی سیلان مومسان در فرورفتگی عمیق با الگوی سیلان مومسان در فرو رفتگی کم عمق، قدری تفاوت دارد یعنی: مقاومت به تغییر شکل مومسان دو فرورفتگی با هم یکسان نیست. بنابراین، عدد سختی حاصل از آزمون برینل مستقل از نیروی وارد شده نیست. به عبارت دیگر اگر دو آزمایش سختی برینل، با دو نیروی متفاوت روی یک ماده انجام شود، عدد سختی حاصل از بار ایستای زیادتر با عدد سختی به دست آمده از بار ایستای کمتر تفاوت خواهد داشت.
پس از ایجاد فرو رفتگی در آزمون برینل، پارامتر اندازه گرفتنی قطر حفره (d) است. در یک فرورفتگی کم عمق، قطر (d) در مقایسه با قطر گلوله (D) کوچک است. زاویه ی بین سطح نمونه و مماس بر گلوله بسیار کوچک است و مرز فرورفتگی بخوبی در زیر میکروسکوپ قابل تشخیص نیست. در نتیجه، نمی توان قطر فرورفتگی را بدقت اندازه گرفت. در یک فرورفتگی عمیق، حدود حفره به خوبی مشخص است، ولی با این که می توان قطر را بدقت اندازه گیری کرد، افزایش چشمگیر عمیق حفره (و در نتیجه سطح تماس) موجب افزایش زیادی در قطر (d) نمی شود. این امر نیز به نوبه جود موجب کاهش دقت اندازه گیری سختی می شود. به این دلیل مقادیر دقیق سختی برینل فقط در صورتی به دست می آید که قطرفرو رفتگی (d) درمحدوده D 0.25 و. D 05 باشد (D قطرفرورونده است).
در نتیجه روش برینل برای مواد خیلی سخت مناسب نیست. با نزدیک شدن سختی ماده مورد آزمایش به سختی فرورونده کروی، احتمال تغییر شکل فرورونده مطرح می شود. آزمون برینل برای آزمایش موادی تا درجه سختی 400 مناسب است، و برای فلزهایی با سختی بالاتر از عدد 500 توصیه نمی شود. مقادیر سختی با هم قابل مقایسه اند ولی برای مقادیر سختی بالاتر، تفاوت بین اعداد به دست آمده از دو روش آزمون، برای یک ماده مشخص، زیادتر می شود. لازم به ذکر است که ضخامت plate باید حداقل 10 برابر h باشد. نمونه ای که می خواهیم ساچمه روی آن بگذاریم باید سیقلی باشد.اگر جواب آزمایش 500 بدست آمد قابل قبول نمی باشد. محل اثر باید 2.5 برابر d از لبه های  نمونه دور باشد.

لیپ

لیپ که روش دیگری برای سختی سنجی فلزات است در سیستم های بسیار بزرگ کاربرد دارد. زیرا نمی توان همواره  قطعه ی کار را به کارگاه حمل کرد و در آن جا به سختی سنجی پرداخت. بنابراین باید دستگاهی وجود داشته باشد که بتوان آن را به محیط های گوناگون که سیستم ها و قطعات سنگین در آن جا وجود دارد حمل کرد. این دستگاه که بصورت پرتابل و قابل حمل است به روش پرتابی کار می کند بطوریکه در درون استوانه ای یک ساچمه وجود دارد که با پرتاب آن به سمت سطح فلز و اندازه گیری سرعت برگشت آن می توان مقدار سختی آن را اندازه گرفت. سرعت ساچمه در هنگام برگشت بر روی مانیتوری که به آن متصل است، نمایش داده می شود. از بین دستگاه ها و روش های ذکر شده، راکول C و ویکرز بیشترین کاربرد را در ایران دارند.
بنابراین اساس کار اغلب دستگاه ها و روش های بالا بررسی نقطه اثر ایجاد شده بر روی سطح فلز است که برخی عمق این نقطه اثر را اندازه گیری می کنند و برخی قطرهای نقش ایجاد شده بر روی سطح فلز را اندازه گیری می کنند و سپس با تطابق آن اندازه ها با جدولی که از قبل تهیه شده است، میزان سختی را بدست می آورند.
برخی مدل های پیشنهادی با توجه به این زمینه کاری(توضیحات مربوط به تجهیزات در کاتالوگ ذکر شده)

• سختی سنج میوه FHT200محصول کمپانی Extech
• مداد تستر سختی Elcometer 501
• سختی سنج HT-6510F