از دوران كودكی هر یك از ما با كلمه سختی آشنا بوده‌ایم و به آن به عنوان موضوع ساده‌ای نگاه می‌كردیم. اگر از دوستان و همسایگان بخواهیم كه سختی را تعریف كنند، نتیجه تعجب‌ آوری خواهیم گرفت. بعضی‌ها ماده‌ای را سخت می‌دانند كه در مقابل سایش مقاوم باشد و بعضی دیگر مقاومت در مقابل خمش و نفوذ را معیار سختی می‌دانند. در مقابل گروهی موادی را سخت می‌دانند كه بتوانند مواد دیگر را در اثر ضربه بشكند و یا روی آن خراش ایجاد كند. به این ترتیب از جواب های گوناگونی كه دریافت می‌كنیم در‌ می‌ یابیم كه مردم عقاید متفاوتی نسبت به سختی مواد دارند. با ارزیابی جواب های داده شده به نكته مشخصی پی می‌بریم و آن اینكه سختی یك ماده خیلی پیچیده‌تر از آن است كه مردم عادی فكر می‌ كنند.

در بسیاری از فرهنگ‌های لغت سختی را اینگونه تعریف كرده‌اند: (سختی یك ماده عبارتست از ظرفیت نسبی آن در مقابل نفوذ و خراش برداشتن و یا بر عكس 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 آن ها كاملا مشهور است. بنابراین، بنا به تعریف فوق سختی آن ها یكسان باشد. چنان كه می‌دانیم شیشه می‌تواند روی فولاد خراش ایجاد كند، بنابراین در تقسیم‌بندی مواد از نظر سختی، شیشه بالاتر از فولاد قرار می‌گیرد، با این حال فولاد می‌تواند شیشه را بشكند.

بنابراین با در نظر گرفتن توانایی شكستن مواد دیگر، فولاد باید سخت تر از شیشه باشد. نتیجه كلی اینكه نمی‌توان سختی را بر اساس خواص متعدد ارزیابی نمود، بلكه باید خاصیت مشخصی را مورد توجه قرار دهیم.

مشكل 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 ساكن با اعمال نیروی استاندارد ساچمه‌ای با شكل و ابعاد مشخص به داخل نمونه مورد آزمایش نفوذ می‌كند. مقاومت آلیاژ در مقابل نفوذ كه با توجه به عمق نفوذ سنجیده می‌شود معیار سختی می‌باشد.
2. چكشی كه در آن ساچمه‌ای جایگزین شده است در شرایط سقوط آزاد از ارتفاع مشخص روی نمونه افتاده می‌شود. ارتفاع برگشتی چكش معیار سختی می‌باشد. 

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 كرد.

برخی از روش های سختی سنجی شامل موارد زیر می شود: 

1. تعیین سختی مقایسه‌ای با روش ریومر: در این روش لبه دو نمونه فلزی منشوری شكل نسبت به هم فشرده می‌شود.
2. روش سختی فوپل: در این روش دو نیمه نمونه در شکلی فلزی به هم فشرده شده و اندازه سطح تماس پهن شده تعیین می‌گردد، این تكنیك برای سختی سنج گرم نیز به‌كار 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 كرد.

در سال 1897 فوپل (Foeppl) بجای شمشال های منشوری از دو نیم استوانه استفاده كرد. 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 می‌كند. 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.

از خواص مهم مكانیكی فلزات سختی آن ها است كه این مشخصه در فلزات معرف و فاكتوریست متناسب با سایر خصوصیات مكانیكی آن ها، سختی مجموعه‌ای از خواص و مشخصاتی است كه یك فلز با یك جسم ممكن است دارا باشد، اهم این خواص عبارتند از: مقاومت در مقابل سائیدگی، مقاومت در مقابل بریدن، خراش برداشتن، قدرت بریدن مواد دیگر، مقاومت در مقابل تغییر شكل گرفتن پلاستیكی، دارا بودن مدول الاستیسیته زیاد، تنش تسلیم و مقاومت كششی بالا داشتن، دارای شكنندگی زیاد بودن و كم بودن قابلیت انعطاف و خاصیت چكش‌خواری، البته بطوری كه ملاحظه می‌شود اغلب این خواص با یكدیگر مربوط هستند. اما سنجیدن تمام خواص با یك آزمایش سختی غیر‌ ممكن است بنابراین آزمایش سختی نمی‌تواند تمام خواص فوق را بسنجد و برای سنجیدن  آن ها از آزمایش های مكانیكی دیگر مثل كشش و ضربه و غیره كمك گرفت.

اولین آزمایش سختی توسط MOHS در سال 1822 ابداع گردید بدین ترتیب كه از خراشیده شدن و خراشاندن فلزات نرم وسخت استفاده نمود و لیستی از ده جسم تهیه نمود بدین طریق كه جسم می‌توانست موادی را كه 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 طریقه آزمایش سختی استاتیك بعدها معمول‌تر شد.

 این آزمایش كه به منظور اندازه‌گیری سختی فلزات انجام می‌شود اولین بار توسط T.A.Brinell در سال 1900 ابداع گردید.

بطور كلی هدف از این آزمایش آشنایی با روش های مختلف سختی سنجی می باشد روش های مختلفی كه به ترتیب از نظر دقت و كاربرد آن در آزمایشگاه های تحقیقاتی و صنایع بكار گرفته می‌شود بشرح زیر است:

1. روش مقاومت در برابر فرورفتگی  (Indentation -Hardness): این روش خود شامل برنیل، ویكرز، راكول و انواع آن، میكروسختی می باشد كه به تفصیل در قسمت های بعدی شرح داده خواهد شد.
2. روش شور (SHORE): این روش برای اندازه‌گیری صفحات نازك بكار می‌رود ودر این روش یك هرم الماس یا منشور از ارتفاع معینی رها شده، پس از برخورد با صفحه مجدداً به طرف بالا برگشت می‌كند. ارتفاع رها شده را مبین سختی می‌نامند. این روش بروش دینامیكی نیز معروف است (Robounder dynamic hardness) بدین ترتیب كه هر چه هرم یا منشور الماس پس از برخورد با صفحه ارتفاع بالاتری برگردد، جسم سخت‌تر است زیرا انرژی كمتری صرف تغییر نرم جسم می‌شود و بالعكس.
3. روش مقاومت در مقابل خراش دادن (Scratch hardness): در روش مینرالوژی از روش ایجاد خراش استفاده می‌شود. مینرال ها 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 یك تا ده، درجه بندی شده كه نرم ترین  آن ها تا لك و سختی آن یك بوده و سخت ترین  آن ها الماس كه سختی آن 10 می باشد. معمولا این روش برای سختی سنجی فلزات بكار 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 كاری از قبیل: فرز كاری، تراشكاری، سوهان كاری، مته زدن قابل توجه است كه بطور كلی امروزه روش مقاومت در مقابل ایجاد فرورفتگی تحت نیروی ثابت به منظور داشتن دقت و سرعت عمل بیشتر از روشهای دیگر سختی سنجی متداول گشته كه در این آزمایشگاه از روش فوق استفاده می شود.

قبل از شروع می بایستی نمونه شرایط زیر را دارا باشد تا سختی با دقت زیاد بدست آید.

1. نمونه‌های تهیه شده می تواند شكل های منظم و یا نامنظمی داشته باشد. مشكلی در مورد شكلهای منظم برای فیكس كردن آن بر روی میز دستگاه وجود ندارد. ولی در مورد شكل های نامنظم می بایستی از گیره های مخصوص كه در استفاده كرد و اگر نمونه دارای ابعاد بسیار كوچك بود كه نمی توانستم با گیره مخصوص آن را نگه داریم از مانت سرد وگرم استفاده كرد و آن را داخل مانت قرار می دهیم در مورد روش تهیه مانت‌ها در آخر این بخش توضیحات لازم داده شده است.
2.  دو مقطع نمونه كاملا مسطح وموازی باشد.
3. سطح بالایی نمونه كه با نگه دارنده تماس دارد می بایستی توسط سمباده پولیش شود.
4. نقاطی كه بعنوان محل سختی سنجی استفاده می شود زیاد به لبه خارجی نمونه نزدیك نباشد كه امكان تغییر شكل دادن آن نقطه وجود دارد.
5. نقاطی كه برای سختی سنج استفاده می شوند حداقل 3 تا 5 برابر قطر اثر فرو زنده یا (Indentor) با یكدیگر فاصله داشته باشند.
6. ضخامت نمونه مورد آزمایش كمتر از 5 تا 10 برابر عمق اثر نباشد.

برای اندازه‌گیری سختی مواد فلزی در این روش از نیروی 500- 3000 كیلو‌گرم و گلوله یا ساچمه‌ای با قطر 10 میلی‌متر استفاده می‌شود. معمولاً برای فلزات غیر آهنی نظیر آلیاژهای مس و آلومینیوم نیروی 500 كیلو‌گرم و برای فلزات سخت مانند فولاد و چدن از نیروی 3000 كیلو‌گرم استفاده می‌شود. بعد از نفوذ ساچمه، برای مدت مشخصی نیرو همچنان اعمال می‌شود (10-15 ثانیه برای چدن و فولاد و حدود 30 ثانیه برای فلزات نرم) تا تغییر شكل مومسانی كامل انجام گیرد. با مشخص بودن نیروی اعمال شده بر حسب كیلو‌گرم (L) قطر ساچمه بر حسب میلی‌متر (D) و قطر تصویر نفوذ در صفحه دستگاه بر‌حسب میلی‌متر (d) می‌توان با استفاده از فرمول زیر سختی برنیل را بدست آورد.    

آزمایش سختی ویكرز: The Vickers Hardness Test

این آزمایش در سال 1924 معرفی گردید و مورد استفاده قرار گرفت در این آزمایش از نفوذ یك هرم مربع‌ القاعده و قائم استفاده می‌گردد كه جنس آن از الماس مصنوعی بود و زاویه رأس آن 136 درجه است. این آزمایش اثر كوچكتری روی فلزات باقی گذاشته و ضمناٌ برای فلزات نرم مناسب‌تر می‌باشد. در آزمایش برنیل چون اثر نیروی وارده شكل گلوله نیز بطور الاستیك تغییر می‌نمود لذا شكل ایجاد شده با نیروی وارده بستگی داشته و از این رو نسبت P/D² حائز اهمیت بود. اما چون در این آزمایش هرم كوچك الماس تغییر شكل نمی‌دهد و شكل ایجاد شده در نمونه آزمایشی بستگی به نیروی وارده نداشته و از این رو جواب های بدست ‎آمده دقیق‌تر و قابل تشخیص‌تر است. مثلاٌ سختی ویكرز 600 دو برابر سختی ویكرز 300 است ولی در آزمایش برنیل این مقیاس و تناسب برقرار نیست و ورق های نازك به روش برنیل حق تقدم دارند.

عدد سختی ویكرز با H.V نمایش داده می‌شود و عبارتست از نیروی وارده تقسیم بر سطح تولید شده و هر‌گاه زاویه راس هرم α باشد، خواهیم داشت:

مقدار نیرو در آزمایش ویكرز

مقدار نیرو در آزمایش ویكرز كمتر از نیروی مورد استفاده در آزمایش برنیل بوده و با سخت بودن نمونه مورد آزمایش افزایش می‌یابد، این نیرو معمولاٌ بین 30 تا 5 كیلو‌گرم بوده و نیروهای زیاد مثلاٌ بالای 125 كیلو‌گرم باید دقت شود تا به الماس دستگاه لطمه نزند. در جداول ضمیمه كه برای آزمایش ویكرز تهیه شده طوری است كه با محاسبه میانگین اقطار لوزی ایجاد شده در نمونه (d) مقدار عددی سختی ویكرز را می‌توان بدست آورد.

جدول انواع مختلف سختی سنجی راكول:

انواع راكول مقدار نیروی استاندارد جنس و شكل فرو رونده‌ها زمینه‌های كاربردی

 

60 KG	A مخروط الماس فولادهایی كه سطحی سخت شده‌اند
100 KG	B گلوله فولادی فولادهای كم كربن،مس و آلومینیم و آلیاژهای آن
150  KG	C مخروط الماس فولادهای پر‌ كربن و سختی تا عمق زیاد چدن های سخت
100  KG	D مخروط الماس فولادهایی با سختی متوسط و ضخامت كم
100 KG	E گلوله فولادی آلیاژهای چدن آلومینیم و منیزیم
60  KG	F گلوله فولادی آلومینیم و مس آنیل شده
150 KG	G گلوله فولادی چدن و آهن مالیبل مس، برنز، فسفر
60  KG	H گلوله فولادی روی، سرب، آلومینیم

 

این روش بسته به نوع فرو رونده‌ها و نیروی وارده برای آلیاژهای مختلف یا حروف A و B و C و … مشخص شده كه جدول فوق نماینگر این مطلب می‌باشد.

استفاده از این متد بخاطر سرعت عمل زیاد و نبودن خطای اندازه‌گیری كاربرد بیشتری داشته و با علامت (HR) نشان داده می‌شود.

در این آزمایش یك نمونه فولادی را پس از عملیات حرارتی از قسمت ابتدا آن سریع در آب سرد كرده‌ایم كه در آزمایشگاه عملیات حرارتی به آن نمونه (جمینی) گفته می‌شود سختی آنرا به روش راكول (C) اندازه‌گیری می‌نمائیم چون هر‌ چه از قسمت سرد شده بطرف بالا می‌رویم سختی آن كم می‌شود. منحنی تغییرات سختی از لبه پایینی با فواصل مشخص را رسم می‌نمائیم. برای سختی راكول از نوع یك نمونه برنجی را پس از آماده سازی سطح آن چندین نقطه آنرا سختی سنجی نموده و میانگین  آن ها را به عنوان سختی در گزارش می‌آوریم در این روش (راكول) چون از سیستم نوری دستگاه استفاده نمی‌شود نیازی به روشن كردن لامپ دستگاه نیست. وقتی نمونه روی میز دستگاه قرار گرفت با چرخاندن بوش صفحه‌ای قطعه را طوری به نوك فرو رونده نزدیك می‌نمائیم كه عقربه شاخص كوچك مقابل نقطه قرمز یا (3) و عقربه بزرگ روی صفر صفحه مندرج قرار بگیرد اگر این عقربه بزرگ به خوبی روی صفر قرار نگرفت، حلقه اطراف ساعت اندازه‌گیری را بطرف چپ یا راست پیچانده تا عقربه بزرگ دقیقاٌ روی صفر قرار بگیرد، اكنون با رها كردن اهرم بار‌ دهنده ابتدا نیروی 10 KG اولیه سپس مابقی نیروی انتخابی به نمونه وارد می‌شود. بهتر است برای سختی هر نمونه سه نقطه سختی سنجی شده و مقدار متوسط آن سه نقطه سختی قطعه مورد نظر خواهد شد.

توصیه می‌شود از صفحه مدرج c برای سختی‌های 20 تا 70 مورد استفاده قرار بگیرد در غیر این صورت ممكن است مخروط الماسی بخاطر فشار بیش از حد مجاز شكسته شود. صفحه مدرج B بطور كلی برای تعیین سختی فلزات نرم پیش‌بینی شده و می‌توان از نوع گلوله‌های فولادی به قطر استفاده نموده و فرو رونده مخروط الماسی برای فلزات سخت بكار برده شود.الماسی برای فلزات سخت بكار برده شود.

انواع فرو رونده‌ها مقدار نیروی وارده علامت سختی سنج حد مجاز اندازه‌گیری صفحه مدرج

 

60-240	B   گلوله فولادی  100 25-100	HRB
240-900	C مخروط الماس  150 20-70	HRC
390-900	A مخروط الماس  60 70-90	HRA