سختي و سختي پذيري

از دوران كودكي هر يك از ما با كلمة سختي آشنا بوده‌ايم و به آن به عنوان موضوع ساده‌اي نگاه مي‌كرديم. اگر از دوستان و همسايگان بخواهيم كه سختي را تعريف كنند، نتيجة تعجب‌آوري خواهيم گرفت. بعضي‌ها ماده‌اي را سخت مي‌دانند كه در مقابل سايش مقاوم باشد و بعضي ديگر مقاومت در مقابل خمش و نفوذ را معيار سختي مي‌دانند. در مقابل گروهي موادي را سخت مي‌دانند كه بتوانند مواد ديگر را در اثر ضربه بشكند و يا روي آن خراش ايجاد كند.  به اين ترتيب از جوابهاي گوناگوني كه دريافت مي‌كنيم در‌ مي‌ يابيم كه مردم عقايد متفاوتي نسبت به سختي مواد دارند. با ارزيابي جوابهاي داده شده به نكتة مشخصي پي مي‌بريم و آن اينكه سختي يك ماده خيلي پيچيده‌تر از آن است كه مردم عادي فكر مي‌ كنند.

در بسياري از فرهنگ‌هاي لغت سختي را اينگونه تعريف كرده‌اند : ((سختي يك ماده عبارتست از ظرفيت نسبي آن در مقابل نفوذ و خراش برداشتن و يا بر عكس ايجاد خراش و نفوذ ماده ديگر.)) چنين تعريفي تا حدود زيادي مبهم است. براي مثال فولاد و شيشه هر دو به عنوان سنگ فرش در پياده‌ روها مصرف مي‌شود و مقاومت سايش آنها كاملا مشهور است. بنابراين، بنا به تعريف فوق سختي آنها يكسان باشد. چنانكه مي‌دانيم شيشه مي‌تواند روي فولاد خراش ايجاد كند، بنابراين در تقسيم‌بندي مواد از نظر سختي،  شيشه بالاتر از فولاد قرار مي‌گيرد، با اين حال فولاد مي‌تواند شيشه را بشكند.

بنابراين با در نظر گرفتن توانايي شكستن مواد ديگر، فولاد بايد سخت تر از شيشه باشد. نتيجة كلي اينكه نمي‌توان سختي را بر اساس خواص متعدد ارزيابي نمود، بلكه بايد خاصيت مشخصي را مورد توجه قرار دهيم.

مشكل تعيين سختي از همان ابتدا وجود داشت و امروزه نيز وجود دارد. در‌ حال حاضر در متالوژي آلياژهاي آهني و غير آهني سختي بر اساس دو روش زير اندازه‌گيري مي‌شود.

1-  در شرايط ساكن با اعمال نيروي استاندارد ساچمه‌اي با شكل و ابعاد مشخص به داخل نمونه مورد آزمايش نفوذ مي‌كند. مقاومت آلياژ در مقابل نفوذ كه با توجه به عمق نفوذ سنجيده مي‌شود معيار سختي مي‌باشد.

2-   چكشي كه در آن ساچمه‌اي جايگزين شده است در شرايط سقوط آزاد از ارتفاع مشخص روي نمونه افتاده مي‌شود. ارتفاع برگشتي چكش معيار سختي مي‌باشد.

تاريخچه آزمايش سختي

شواهد نشان مي‌دهد سختي سنجي اوليه در سال 1772 شروع شد. در آن زمان ريومر (Reaumur  ) فشردن لبه‌هاي شمشال منشوري نسبت به هم را پيشنهاد كرد.

روشهاي ابتدايي ارزيابي سختي فلزات  (a) تعيين سختي مقايسه‌اي با روش ريومر: در اين روش لبه دو نمونه فلزي منشوري شكل نسبت به هم فشرده مي‌شود.  (b) روش سختي فوپل: در اين روش دو نمونه نيمه استوانه‌اي شكل فلزي نسبت به هم فشرده شده و اندازة سطح تماس پهن شده تعيين مي‌گردد، اين تكنيك براي سختي سنجي گرم نيز به‌كار رفته است. در اين روش نيروي اعمال شده بر هر دو شمسال مساوي بود و به اين ترتيب مي‌شد سختي دو قطعه فلزي را مستقيماً با همديگر مقايسه كرد. در سال 1897 فوپل: (Foeppl) بجاي شمشالهاي منشوري از دو نيم استوانه استفاده كرد. وي نسبت سطح پهن شده به نيروي وارده را معيار سختي معرفي نمود. چند سال بعد برينل (Brinell) روش معروف خود را ارائه داد. در اين روش در اثر نيروي وارده گلوله يا ساچمه فولادي سخت به سطح نمونه نفوذ مي‌كند. نسبت سطح اثر نفوذ به نيروي اعمال شده معيار سختي مي‌باشد، با استفاده از انواع ساچمه‌ها و اعمال نيرو‌هاي متفاوت مي‌توان دامنه سختي قابل اندازه‌گيري را توسعه داد.

 آزمايش سختي       Hardness  test

از خواص مهم مكانيكي فلزات سختي آنها است كه اين مشخصه در فلزات معرف و فاكتوريست متناسب با ساير خصوصيات مكانيكي آنها ، سختي مجموعه‌اي از خواص و مشخصاتي است كه يك فلز با يك جسم ممكن است دارا باشد ، اهم اين خواص عبارتند از: مقاومت در مقابل سائيدگي، مقاومت در مقابل بريدن ، خراش برداشتن ، قدرت بريدن مواد ديگر ، مقاومت در مقابل تغيير شكل گرفتن پلاستيكي ، دارا بودن مدول الاستيسيته زياد ، تنش تسليم و مقاومت كششي بالا داشتن ، داراي شكنندگي زياد بودن و كم بودن قابليت انعطاف و خاصيت چكش‌خواري ، البته بطوري كه ملاحظه مي‌شود اغلب اين خواص با يكديگر مربوط هستند. اما سنجيدن تمام خواص با يك آزمايش سختي غير‌ ممكن است بنابراين آزمايش سختي نمي‌تواند تمام خواص فوق را بسنجد و براي سنجيدن آنها  از آزمايشهاي مكانيكي ديگر مثل كشش و ضربه و غيره كمك گرفت.

اولين آزمايش سختي توسط MOHS در سال  1822 ابداع گرديد بدين ترتيب كه از خراشيده شدن و خراشاندن فلزات نرم وسخت استفاده نمود و ليستي از ده جسم تهيه نمود بدين طريق كه جسم مي‌توانست موادي را كه در آن ليست پائين‌تر از خود نوشته شده است خراش دهد اما نه مواد بالاتر از خود را. اين دو رويه در مورد فلزات نيز مورد استفاده قرار گرفته است. اما طريقة آزمايش سختي استاتيك بعدها معمول‌تر شد .

آزمايش سختي برنيل    Brinell   Hardness  Test       

 اين آزمايش كه به منظور اندازه‌گيري سختي فلزات انجام مي‌شود اولين بار توسط T.A.Brinell در سال 1900 ابداع گرديد.

انواع آزمايش سختي سنجي (Hardness test )

بطور كلي هدف از اين آزمايش آشنايي با روشهاي مختلف سختي سنجي مي باشد روشهاي مختلفي كه بترتيب از نظر دقت و كاربرد آن در آزمايشگاههاي تحقيقاتي و صنايع بكار گرفته مي‌شود بشرح زير است :

1- روش مقاومت در برابر فرورفتگي  (Indentation -  Hardness   ) اين روش خود شامل برنيل، ويكرز، راكول و انواع آن، ميكروسختي مي باشد كه به تفصيل در قسمتهاي بعدي شرح داده خواهد شد.

2- روش شور   ( SHORE  )

اين روش براي اندازه‌گيري صفحات نازك بكار مي‌رود ودر اين روش يك هرم الماس يا منشور از ارتفاع معيني رها شده، پس از برخورد با صفحه مجدداً به طرف بالا برگشت مي‌كند. ارتفاع رها شده را مبين سختي مي‌نامند. اين روش بروش ديناميكي نيز معروف است:  ( Robounder  dynamic hardness ) بدين ترتيب كه هر چه هرم يا منشور الماس پس از برخورد با صفحه ارتفاع بالاتري برگردد، جسم سخت‌تر است زيرا انرژي كمتري صرف تغيير نرم جسم مي‌شود و بالعكس.

3- روش مقاومت در مقابل خراش دادن  ( Scratch  hardness  )

در روش مينرالوژي از روش ايجاد خراش استفاده مي‌شود. مينرالها و ساير مواد بر حسب قدرت خراش دادن بر ديگر مواد طبقه بندي شده و آنرا بصورت جدولي به نام (MOHS) معروف است نشان مي‌دهند. اين جدول از يك تا ده، درجه بندي شده كه نرم ترين آنها تا لك و سختي  آن يك بوده و سخت ترين آنها الماس كه سختي آن 10 مي باشد. معمولا اين روش براي سختي سنجي  فلزات بكار نمي رود. زيرا سختي فلزات معمولا بين 4 تا 5 اعداد موجود در جدول بوده  در نتيجه از دقت لازم  برخوردار نمي باشد.

4- روش مقاومت در مقابل  سايش    (Wear hardness)

اين روش فقط در مواقع لازم وضروري مورد استفاده قرار مي گيرد .

5-روش مقاومت در مقابل ماشين كاري از قبيل : فرز كاري، تراشكاري، سوهان كاري، مته زدن

قابل توجه است كه بطور كلي امروزه روش مقاومت در مقابل ايجاد فرورفتگي  تحت نيروي ثابت بمنظور داشتن دقت و سرعت عمل بيشتر از روشهاي ديگر سختي سنجي متداول گشته كه در اين آزمايشگاه از روش فوق استفاده مي شود.

شرايط نمونه آزمايش

قبل از شروع مي بايستي نمونه شرايط زير را  دارا باشد تا سختي با دقت زياد بدست آيد.

1-   نمونه‌هاي تهيه شده مي تواند شكلهاي منظم و يا نامنظمي داشته باشد.

مشكلي در مورد شكلهاي منظم براي فيكس كردن آن بر روي ميز دستگاه وجود ندارد. ولي در مورد شكلهاي نامنظم مي بايستي از گيره هاي مخصوص كه در استفاده كرد و اگر نمونه داراي ابعاد بسيار كوچك بود كه نمي توانستم  با گيره مخصوص آن را نگه داريم از مانت سرد وگرم استفاده كرد و آنرا داخل مانت قرار مي دهيم در مورد روش تهيه مانت‌ها در آخر اين بخش توضيحات لازم داده شده است.

2-   دو مقطع نمونه كاملا مسطح وموازي باشد.

3-   سطح بالايي نمونه كه با نگه دارنده تماس دارد مي بايستي توسط سمباده پوليش شود.

4-  نقاطي كه بعنوان محل سختي سنجي استفاده مي شود زياد به لبه خارجي نمونه نزديك نباشد كه امكان تغيير شكل دادن آن نقطه وجود دارد.

5-  نقاطي كه براي سختي سنج استفاده مي شوند حداقل 3 تا5   برابر قطر اثر فرو زنده يا       ( Indentor )  با يكديگر فاصله داشته باشند.

6-   ضخامت نمونه مورد آزمايش كمتر از 5  تا 10 برابر عمق اثر نباشد.

آزمايش برنيل

براي اندازه‌گيري سختي مواد فلزي در اين روش از نيروي 500- 3000 كيلو‌گرم و گلوله يا ساچمه‌اي با قطر 10 ميلي‌متر استفاده مي‌شود. معمولاً براي فلزات غير آهني نظير آلياژهاي مس و آلومينيوم نيروي 500 كيلو‌گرم و براي فلزات سخت مانند فولاد و چدن از نيروي 3000  كيلو‌گرم استفاده مي‌شود. بعد از نفوذ ساچمه، براي مدت مشخصي نيرو همچنان اعمال مي‌شود( 10-15  ثانيه براي چدن و فولاد و حدود 30 ثانيه براي فلزات نرم ) تا تغيير شكل مومساني كامل انجام گيرد. با مشخص بودن نيروي اعمال شده بر حسب كيلو‌گرم (L) قطر ساچمه بر حسب ميلي‌متر (D) و قطر تصوير نفوذ در صفحه دستگاه بر‌حسب ميلي‌متر (d) مي‌توان با استفاده از فرمول زير سختي برنيل را بدست آورد.

آزمايش سختي ويكرز:    The Vickers Hardness Test                                                     

اين آزمايش در سال 1924 معرفي گرديد و مورد استفاده قرار گرفت در اين آزمايش از نفوذ يك هرم مربع‌ القاعده و قائم استفاده مي‌گردد كه جنس آن از الماس مصنوعي بود و زاوية رأس آن 136 درجه است. اين آزمايش اثر كوچكتري روي فلزات باقي گذاشته و ضمناٌ براي فلزات نرم مناسب‌تر مي‌باشد. در آزمايش برنيل چون اثر نيروي وارده شكل گلوله نيز بطور الاستيك تغيير مي‌نمود لذا شكل ايجاد شده با نيروي وارده بستگي داشته و از اين رو نسبت P/D²  حائز اهميت بود. اما چون در اين آزمايش هرم كوچك الماس تغيير شكل نمي‌دهد و شكل ايجاد شده در نمونة آزمايشي بستگي به نيروي وارده نداشته و از اين رو جوابهاي بدست ‎آمده دقيق‌تر و قابل تشخيص‌تر است. مثلاٌ سختي ويكرز 600 دو برابر سختي ويكرز 300 است ولي در آزمايش برنيل اين مقياس و تناسب برقرار نيست و ورقهاي نازك به روش برنيل حق تقدم دارند.

عدد سختي ويكرز :   Vickers Pyramid Number   (V.P.N)

عدد سختي ويكرز با H.V   نمايش داده مي‌شود و عبارتست از نيروي وارده تقسيم بر سطح توليد شده و هر‌گاه زاوية راس هرم α باشد، خواهيم داشت:

مقدار نيرو در آزمايش ويكرز:

مقدار نيرو در آزمايش ويكرز كمتر از نيروي مورد استفاده در آزمايش برنيل بوده و با سخت بودن نمونه مورد آزمايش افزايش مي‌يابد، اين نيرو معمولاٌ بين 30 تا 5 كيلو‌گرم بوده و نيروهاي زياد مثلاٌ بالاي 125 كيلو‌گرم بايد دقت شود تا به الماس دستگاه لطمه نزند. در جداول ضميمه كه براي آزمايش ويكرز تهيه شده طوري است كه با محاسبة ميانگين اقطار لوزي ايجاد شده در نمونه (d) مقدار عددي سختي ويكرز را مي‌توان بدست آورد .

آزمايش راكول :

جدول انواع مختلف سختي سنجي راكول:

اين روش بسته به نوع فرو رونده‌ها و نيروي وارده براي آلياژهاي مختلف يا حروف A و Bو C و … مشخص شده كه جدول فوق نماينگر اين مطلب مي‌باشد.

استفاده از اين متد بخاطر سرعت عمل زياد و نبودن خطاي اندازه‌گيري كاربرد بيشتري داشته و با علامت (HR  ) نشان داده مي‌شود.

در اين آزمايش يك نمونه فولادي را پس از عمليات حرارتي از قسمت ابتدا آن سريع در آب سرد كرده‌ايم كه در آزمايشگاه عمليات حرارتي به آن نمونه ( جميني ) گفته مي‌شود سختي آنرا به روش راكول (C  ) اندازه‌گيري مي‌نمائيم چون هر‌ چه از قسمت سرد شده بطرف بالا مي‌رويم سختي آن كم مي‌شود. منحني تغييرات سختي از لبة پاييني با فواصل مشخص را رسم مي‌نمائيم. براي سختي راكول از نوع يك نمونه برنجي را پس از آماده سازي سطح آن چندين نقطة آنرا سختي سنجي نموده و ميانگين آنها را به عنوان سختي در گزارش مي‌آوريم در اين روش ( راكول ) چون از سيستم نوري دستگاه استفاده نمي‌شود  نيازي به روشن كردن لامپ دستگاه نيست. وقتي نمونه روي ميز دستگاه قرار گرفت با چرخاندن بوش صفحه‌اي قطعه را طوري به نوك فرو رونده نزديك مي‌نمائيم كه عقربة شاخص كوچك مقابل نقطة قرمز يا (3) و عقربة بزرگ روي صفر صفحة مندرج قرار بگيرد اگر اين عقربة بزرگ به خوبي روي صفر قرار نگرفت، حلقة اطراف ساعت اندازه‌گيري را بطرف چپ يا راست پيچانده تا عقربة بزرگ دقيقاٌ  روي صفر قرار بگيرد، اكنون با رها كردن اهرم بار‌ دهنده ابتدا نيروي 10  KG اوليه سپس مابقي نيروي  انتخابي به نمونه وارد مي‌شود. بهتر است براي سختي هر نمونه سه نقطه سختي سنجي شده و مقدار متوسط آن سه نقطه سختي قطعة مورد نظر خواهد شد. توصيه مي‌شود از صفحه مدرج c 

براي سختي‌هاي 20   تا  70 مورد استفاده قرار بگيرد در غير اين صورت ممكن است مخروط الماسي بخاطر فشار بيش از حد مجاز شكسته شود. صفحة مدرج  B بطور كلي براي تعيين سختي فلزات نرم پيش‌بيني شده و مي‌توان از نوع گلوله‌هاي فولادي بقطر               

استفاده نموده و فرو روندة مخروط الماسي براي فلزات سخت بكار برده شود.الماسي براي فلزات سخت بكار برده شود.