آشنایی با آنالیزهای سختی سنجی مواد

آنالیز سختی یکی از آنالیزهای پر کاربرد برای بررسی خواص مکانیکی مواد و زیر مجموعه آنالیزهای مکانیکی است. از دیگر آنالیزهای مکانیکی می توان به آزمون کشش، آزمون ضربه، آزمون فشار، آزمون خزش و آزمون خستگی اشاره کرد که در این مقاله سعی براین است که به آزمون سختی سنجی و انواع آن پرداخته شود.

تعریف سختی:

عموما تعاریف زیادی برای سختی انواع مواد در طبیعت ارائه شده است که هرکدام بسته به نوع کاربردی که دارند می توانند صحیح باشند اما در کل هنوز هیچ نوع تعریف جامع و مشخصی برای آن وجود ندارد. به طور معمول و رایج، سختی را میزان مقاومت یک ماده در برابر اعمال نیروی های پلاستیک به ماده می گویند. نیروی اعمال شده از طریق فرو کردن یک جسم نوک تیز به درون ماده اتفاق می افتد. از آنجایی که سختی کمیتی بدون بعد است هر ماده که مقاومت بیشتری در برابر فروکردن جسم نوک تیز از خود نشان دهد ماده سخت تری خواهد بود.

آنالیز سختی :

به طور کلی به هر نوع عملیاتی که سختی یک ماده را اندازه گیری می کند، آنالیز سختی و یا سختی سنجی گفته می شود. روش های گوناگونی برای سختی سنجی انواع مواد ارائه شده است که استفاده از هرکدام بسته شرایط آزمایش دارد مثلا در گذشته و برای اولین بار دانشمند و زمین شناس معروف آقای ریومر در سال 1772 از طریق سایش دو جسم بر روی یکدیگر عملیات سختی را انجام دادند که بعدها مورد استقبال قرار گرفت. همانطور که در تعریف سختی اشاره شد، امروزه برای تعیین سختی یک ماده بیشتر عملیات سختی سنجی از طریق فرو کردن جسم نوک تیز به درون ماده انجام می پذیرد و هرچقدر که ماده مقاومت بیشتری از خود نشان دهد، سخت تر خواهد بود.

نکته ای که برای عملیات سختی سنجی باید مورد توجه قرار گیرد این است که جسم نوک تیزی که برای فرو کردن به داخل ماده استفاده می شود بهتر است ماده ای سخت تر از آن جسمی باشد که سختی آن اندازه گرفته می شود.

انواع روش های سختی سنجی

• روش سختی سنجی برینل

یکی از روش های قدیمی و البته موثر در تعیین سختی نمونه های مورد آزمایش روش برینل می باشد که اولین بار توسط آقای برینل در سال 1900 میلادی به انجام رسید. این آزمون به این ترتیب می باشد که میله ای فولادی (معمولا از جنس کاربید تنگستن) با قطر 10 میلی متر را با نیرویی مشخص به داخل نمونه فشار می دهند و از تغییر شکل ایجاد شده در سطح نمونه (cosɸ) و همچنین با داشتن نیروی وارد شده و قطر نهایی نمونه میزان سختی مورد نظر برای نمونه محاسبه می شود. نکته مهم در سختی سنجی به روش برینل توجه به گزارش دقیق میزان تغییرات به وجود آمده در سطح نمونه می باشد.

از این روش سختی سنجی مثل هر روش دیگری محدودیت هایی دارد که مهمترین آن این است که از این روش برای تعیین سختی مواد خیلی سخت، استفاده نمی شود زیرا ماده سخت باعث ایجاد تغییر شکل در نوک ساچمه فولادی مورد استفاده می شود و همین باعث می شود که اعداد گزارش شده با خطا مواجه شوند. همچنین در سختی سنجی مواد نازک نیز این روش با خطا همراه می شود زیرا نوک ساچمه از عرض نمونه عبور می کند و قطری که در نهایت گزارش می شود با خطا همراه خواهد بود. در کل این روش برای موادی نرم و فلزات رنگی مانند آلومینیوم، مس و برنج استفاده می شود.

شکل 1: آزمایش سختی سنجی به روش برینل

• روش سختی سنجی ویکرز

یکی از موثرترین و بهترین روش ها برای سختی سنجی ، سختی سنجی به روش ویکرز می باشد که اولین بار در سال 1922 میلادی توسط اسمیت و ساندلند انجام شد. در این روش از یک میله با قاعده مربعی شکل استفاده می شود که جنس نوک میله معمولا از الماس می باشد و این میله از بالا با نیروی خیلی زیاد در جسم فرو می رود و باعث ایجاد خراشی تقریبا لوزی شکل روی سطح نمونه می شود. سپس با استفاده از فرمول زیر میزان سختی نمونه مورد نظر را اندازه گیری می کنند. از آنجایی که در این روش، سختی گستره زیادی از مواد از خیلی نرم تا مواد خیلی سخت را می توان اندازه گیری کرد، مورد توجه بسیاری از پژوهشگران می باشد.

از معایب این روش می توان به طولانی بودن زمان آزمون سختی و همچنین دقیق نبودن اندازه گیری نقطه اثر میله بر نمونه اشاره کرد اما با این حال تجربه نشان داده که میزان سختی های به دست آمده از این روش نسبت به روش های دیگر معمولا دقیق تر بوده است.

شکل 2: آزمایش سختی سنجی به روش ویکرز

• سختی سنجی به روش راکول

یکی دیگر از روش های سختی سنجی، سختی سنجی به روش راکول می باشد که تا حدی شبیه به روش برینل می باشد. این روش که بیشتر در آمریکا مرسوم می باشد اولین بار توسط استنلی راکول در سال 1919 میلادی مورد استفاده قرار گرفت. اساس این روش به اندازه گیری اختلاف عمق نفوذ فرو رونده به داخل نمونه می باشد. در این روش ابتدا یک بار ابتدایی 10 کیلوگرمی به نمونه وارد می شود سپس نیروی اصلی به نمونه وارد می شود و بین 7 تا 10 ثانیه به نمونه نیرو وارد می کند در مرحله بعدی نیروی اصلی از روی نمونه برداشته می شود و فقط نیروی 10 کیلوگرمی باقی می ماند. در این لحظه دستگاه اختلاف نفوذ میله فرو رونده در نمونه را در هر دو حالت محاسبه نموده و عددی را روی صفحه نمایش نشان می دهد که این عدد نشان دهنده میزان سختی جسم مورد نظر می باشد. هرچقدر این عدد بزرگتر باشد یعنی نفوذ بیشتری در نمونه صورت گرفته و نمونه نرم تر است و هرچقدر عدد کوچکتر باشد جسم سخت تر می باشد.

آزمایش راکول سه حالت مختلف دارد که حالت های این آزمون مربوط به نیروی اصلی اعمال شده می باشد. به این صورت که نیروی اولیه همان 10 کیلوگرم ثابت می باشد ولی برای نیروی اصلی سه حالت C,B,A دارد که به ترتیب نیروی های 150،100،60  کیلوگرمی به نمونه وارد می کند.

عددی که از سختی سنجی به روش راکول به دست می آید معمولا یک عدد است و از آن نمی توان میزان استحکام ماده را به دست آورد. برای تعیین میزان سختی جسم مورد نظر در آزمایش راکول طبق استاندارد ASTM E18 اعداد به دست آمده را با هم مقایسه می شود.

• سختی سنجی مینرالوژی (موس)

سختی سنجی به روش مینرالوژی (موس، کانی شناسی) تقریبا شباهت زیادی به همان روش ابتدایی سختی سنجی که توسط ریومر مطرح شده بود، دارد. اساس این روش تقابل دو جسم و خراش افتادن روی دیگری می باشد و میزان سختی اجسام همین قدرت خراش افتادن بر دیگری می باشد. در این روش اغلب برای کانی ها استفاده می شود طبق جدول زیر به هر ماده یک نمره اختصاص داده می شود. مثلا به نرم ترین کانی شناسایی شده تالک نمره سختی 1 می دهند و به سخت ترین ماده شناسایی شده الماس نمره 10 می دهند. هرماده ای که قرار باشد سختی آن را اندازه گرفته شود، به ترتیب از کانی شماره یک شروع و تا کانی شماره 10 امتحان می شود تا بررسی شود کدام مورد می تواند بر روی نمونه خراش ایجاد کند. هرکدام که خراش ایجاد کرد، میزان سختی تقریبی برای جنس مورد نظر بدست می آید.

به طور مثال اگر سختی نمونه ای قرار باشد با استفاده از روش موس به دست آورده شود، ابتدا تک به تک این کانی ها را برای خراش انداختن روی آن به ترتیب نمره از یک استفاده می شود. مثلا اگر کانی توپاز با نمره 8 روی این نمونه خراش ایجاد کند میزان سختی نمونه را عددی بین 7 تا 8 در نظر گرفته می شود.

این روش بیشتر برای تعیین سختی شیشه ها و سرامیک ها مورد استفاده قرار می گیرد و برای فلزات معمولا روش مورد قبولی نمی باشد زیرا گستره سختی فلزات نزدیک به هم می باشد و با این اعداد یک تا 10 ممکن است نتوان مقایسه درستی انجام داد.

در این مقاله سعی بر آن شد که ابتدا تعریفی از سختی و سختی سنجی ارائه داده شود و سپس به مرور به توضیح 4 نوع از روش های متداول و کاربردی سختی سنجی پرداخته شد. البته که روش های متداول دیگری نظیر سختی سنجی شُور ، سختی سنجی نوپ، روش لیپ و ... وجود دارند که بسته به نوع نمونه و همچنین کاربرد آن، روش سختی سنجی انتخاب می شود.