سختی یک ویژگی اساسی مواد نیست، بلکه یک پاسخ اندازه گیری شده به یک روش فرورفتگی خاص است. پاسخ عملی مستقیم این است راکول، برینل و ویکرز سه تست سختی فرورفتگی مجزا هستند که هر کدام از فرورفتگی و بار متفاوتی استفاده میکنند و مقادیری را در واحدها یا مقیاسهای مختلف تولید میکنند. . راکول از اندازهگیری عمق استفاده میکند و یک عدد بدون بعد را در مقیاسهایی مانند HRC یا HRB گزارش میکند. برینل یک توپ کاربید را به سطح فشار می دهد و مقدار آن را گزارش می کند HBW (kgf/mm²) . ویکرز از یک هرم الماس استفاده می کند و سختی را به عنوان گزارش می دهد HV (همچنین بر حسب kgf/mm²) ، آن را برای همه چیز از پوشش های نازک گرفته تا مواد حجیم همه کاره می کند. الف دستگاه تست سختی جهانی این روشها را در یک ابزار واحد ادغام میکند و اغلب قابلیت سختی مارتنز را با سنجش عمق اضافه میکند. واحد اندازه گیری سختی واحد وجود ندارد. "واحد سختی" وابسته به مقیاس است و انتخاب بین آزمایش ها به نوع ماده، هندسه نمونه و اطلاعات خاص مورد نیاز بستگی دارد.
دستگاه تست سختی جهانی
A سختی سنج جهانی یک ابزار واحد است که برای انجام چندین روش تست سختی استاندارد، به طور معمول راکول، برینل، و ویکرز، با تعویض دندانهها، لنزهای شیئی و بارگذاری پروفایلها مهندسی شده است. این امر نیاز به تسترهای اختصاصی مجزا را از بین می برد. فراتر از روشهای نوری سنتی، ماشینهای جهانی پیشرفته از فناوری سنجش عمق برای اندازهگیری استفاده میکنند سختی مارتنز (HM) و مدول فرورفتگی مطابق با ISO 14577. این با ثبت منحنی نیرو-جابجایی پیوسته در طول چرخه فرورفتگی، ارائه پارامترهای مواد معادل با آزمایش تراکم با سرعت بالا به دست می آید. به عنوان مثال، یک ماشین جهانی مدرن، می تواند نیروهای آزمایشی را از آن اعمال کند 1 گرم تا 3000 کیلوگرم ، محدوده های میکرو، کم بار و ماکرو را برای تست های ویکرز، برینل، راکول و حتی Knoop و پلاستیک پوشش می دهد. سیستم های کنترل نیروی حلقه بسته، اغلب با نرخ نمونه برداری از 1 تا 2 کیلوهرتز اطمینان حاصل کنید که سرعت بارگذاری و زمان ماندگاری کاملاً مطابق با استانداردهایی مانند ASTM E92 و ISO 6506 است.
مبانی تست سختی راکول، برینل و ویکرز
هر سه آزمایش، مقاومت یک ماده را در برابر تغییر شکل دائمی پلاستیک تعیین میکنند، اما در هندسه فرورفتگی، اعمال بار و اصل اندازهگیری تفاوت اساسی دارند.
تست سختی راکول
روش راکول اندازه گیری می کند عمق نفوذ تفاضلی یک فرورفتگی تحت یک بار جزئی اولیه و به دنبال آن یک بار اصلی. بار جزئی (معمولاً 10 kgf یا 3 kgf) موقعیت مرجع را ایجاد می کند و عیوب سطح و تغییر شکل الاستیک را جذب می کند. سپس بار اصلی (60، 100 یا 150 کیلوگرم فات) اعمال می شود و برداشته می شود و افزایش دائمی در عمق نفوذ اندازه گیری می شود. عدد سختی با این عمق رابطه معکوس دارد و مستقیماً از صفحه صفحه یا صفحه نمایش دیجیتال خوانده می شود. الف ارزش راکول HRC 60 به عنوان مثال، مربوط به عمق تقریباً 0.080 میلی متر است. ترازوهای رایج عبارتند از HRC (مخروط الماس، 150 kgf) برای فولادهای سخت شده و HRB (گلوله 1/16 اینچی، 100 kgf) برای آلیاژهای نرمتر. مزیت اصلی سرعت است، زیرا نتیجه در چند ثانیه بدون اندازه گیری نوری به دست می آید.
تست سختی برینل
آزمون برینل از الف استفاده می کند فرورفتگی توپ کاربید تنگستن معمولاً به قطر 10 میلی متر، با نیروی آزمایشی بالا (معمولاً 3000 کیلوگرم در فلزات آهنی) به سطح فشار داده می شود. پس از برداشتن بار، قطر قالب دائمی به صورت نوری اندازه گیری می شود. عدد سختی برینل (HBW) به عنوان بار اعمال شده تقسیم بر مساحت سطح کروی فرورفتگی محاسبه می شود. یک نتیجه معمولی به صورت نوشته شده است 350 HBW 10/3000 ، نشان دهنده سختی برینل 350 با استفاده از یک توپ 10 میلی متری و بار 3000 کیلوگرمی برای مدت زمان ماندگاری 10 تا 15 ثانیه است. فرورفتگی بزرگ تغییرات ریزساختاری محلی را به طور متوسط محاسبه می کند و برینل را برای ریخته گری، آهنگری و مواد با ساختار دانه درشت ایده آل می کند. برای مواد بسیار سخت (بالاتر از 650 HBW) یا مقاطع نازک مناسب نیست، زیرا ممکن است توپ تغییر شکل داده یا نمونه آسیب ببیند.
تست سختی ویکرز
آزمون ویکرز از a استفاده می کند فرورفتگی هرمی بر پایه مربع الماس با زاویه راس 136 درجه. این اصل در کل محدوده بار یکسان است: فرورفتگی تحت یک نیروی دقیق به نمونه فشار داده می شود و دو مورب قالب مربعی حاصل به صورت نوری اندازه گیری و میانگین می شوند. سختی ویکرز به صورت گزارش شده است HV به عنوان مثال، به دنبال نیروی آزمایش بر حسب kgf 640 HV 30 . واحد سختی ویکرز از نظر فنی است kgf/mm² ، اما به طور معمول به عنوان یک عدد بی بعد بیان می شود. از آنجایی که از همان شکل فرورفتگی برای نیروهای 1 gf تا 120 kgf استفاده می شود، ویکرز به طور منحصر به فردی قادر به اندازه گیری سختی در مقیاس ها، از فویل های نازک و لایه های سخت شده تا مواد حجیم است، و نتایج به طور کلی مستقل از بار بالای چند صد گرم نیرو است.
واحدهای اندازه گیری سختی در همه روش ها
مفهوم "واحد سختی" روش خاص است. هر آزمون قرارداد گزارش خود را دارد و مقادیر بدون جداول تبدیل تعریف شده توسط ASTM E140 و ISO 18265 مستقیماً قابل انتقال نیستند. جدول زیر ساختار واحد و مقیاس را برای روشهای آزمایش اصلی روشن میکند.
| روش تست | نماد | واحد فیزیکی | تعیین نمونه |
|---|---|---|---|
| راکول | مقیاس منابع انسانی | بدون بعد | 60 HRC |
| برینل | HBW | kgf/mm² | 350 HBW 10/3000 |
| ویکرز | HV | kgf/mm² | 640 HV 30 |
| Knoop | HK | kgf/mm² | 1000 HK 0.1 |
| مارتنز (یونیورسال) | HM | N/mm² | 4500 HM 0.5/20/15 |
مقایسه جامع سه روش
تفاوت بین تست های سختی برینل، راکول و ویکرز فقط رویه ای نیست. آنها تعیین می کنند که کدام روش برای یک کار صنعتی معین مناسب است. جدول زیر یک مقایسه مستقیم و کاربردی را ارائه می دهد.
| ویژگی | راکول | برینل | ویکرز |
|---|---|---|---|
| دندانه دار | مخروط الماس یا توپ کاربید | توپ کاربید 10 میلی متری (یا 5/2.5 میلی متر) | هرم الماس (136 درجه) |
| اندازه گیری | عمق نفوذ | قطر برداشت | مورب برداشت |
| سرعت | بسیار سریع (3-5 ثانیه) | آهسته (30 ثانیه نوری) | متوسط تا کند |
| مناسب بودن | کیفیت تولید، فولادهای سخت شده، آلیاژها | ریخته گری، آهنگری، فلزات درشت دانه | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| محدودیت کلیدی | نه برای لایه های نازک یا سخت شده | نه بالاتر از 650 HBW؛ منطقه آسیب بزرگ | آهسته، پرداخت سطح حیاتی است |
ویکرز چیست تست سختی استفاده شده برای
تست سختی ویکرز روش ارجح زمانی است که یک مقیاس سختی منفرد باید طیف کاملی از سختی مواد یک محصول را پوشش دهد. کاربردهای اولیه آن عبارتند از تجزیه و تحلیل عمق مورد فولادهای کربن دار یا نیترید شده ، که در آن یک سری فرورفتگی های کوچک از لبه سطح تا هسته، گرادیان سختی را نشان می دهد. یک مشخصات معمولی، مانند HV 550 در عمق کیس 0.5 میلی متر ، فقط با تراورس میکرو سختی ویکرز قابل تأیید است. آزمون نیز برای جوش های واجد شرایط ، جایی که منطقه متاثر از گرما، فلز پایه و فلز جوش هر کدام خواص متفاوتی دارند و دندانه کوچک می تواند این نواحی را جدا کند. در تحقیق و توسعه، Vickers برای مشخص کردن سرامیکها، کامپوزیتها و پوششهای لایه نازک استفاده میشود که در آن فرورفتگیهای دیگر شکسته میشوند یا نیاز به ردپای خیلی بزرگ دارند. به عنوان مثال، یک پوشش سخت قلع با ضخامت 3 میکرون می تواند به طور قابل اعتمادی آزمایش شود 0.025 کیلوگرم (25 گرم ) ، ایجاد فرورفتگی به عمق تقریبی 0.5 میکرون، بدون تأثیر از بستر.
وبستر در مقابل راکول هاردنس
سختی سنج Webster یک ابزار قابل حمل و خواندن مستقیم است که از یک روش تورفتگی خاص استفاده می کند. این به طور مستقیم معادل یک مقیاس راکول خاص نیست، اما مقادیر سختی وبستر به طور تجربی با مقیاس Rockwell B و Rockwell H برای آلیاژهای آلومینیوم مرتبط است. . به عنوان مثال، مقیاس وبستر B تقریباً از WB 0 تا WB 20 ، که مطابقت دارد تقریباً 25 تا 100 HRB برای اکستروژن و ورق آلومینیوم. مزیت تستر Webster در قابل حمل بودن و توانایی آن برای آزمایش مجموعههای بزرگ، مبدلهای حرارتی و سازههای هواپیما است که نمیتوان آنها را روی یک تستر راکول روی میز آورد. با این حال، همبستگی مواد خاص است. یک تستر Webster کالیبره شده برای آلومینیوم 6061-T6 معادل های دقیق راکول را برای 7075 یا سایر فلزات ارائه نمی دهد. برای صدور گواهینامه دقیق مواد، آزمایش نیمکت راکول یا برینل مورد نیاز است که Webster به عنوان یک ابزار مناسب برای غربالگری میدانی عمل می کند.
چگونه تست سختی صحیح را برای برنامه خود انتخاب کنید
انتخاب آزمون بر اساس نوع ماده، هندسه نمونه، حجم تولید و اطلاعات مورد نیاز انجام می شود. منطق تصمیم گیری زیر، بر اساس سناریوهای صنعتی عملی، یک راهنمای سازنده ارائه می دهد.
- برای ریخته گری های بزرگ یا آهنگری با ریزساختار درشت ، تست برینل را انتخاب کنید. فرورفتگی توپ 10 میلی متری تغییرات مرز دانه و فاز را به طور متوسط نشان می دهد و سختی انبوهی را نشان دهنده خواص مکانیکی کلی قطعه می کند. آزمایش استاندارد با وزن 3000 کیلوگرم با یک توپ 10 میلی متری پیش فرض برای ریخته گری آهن و فولاد است.
- برای کنترل کیفیت تولید در حجم بالا قطعات ماشینکاری شده راکول استاندارد است. یک آزمایش HRC 3 ثانیه ای می تواند شاخص قابلیت فرآیند یک خط عملیات حرارتی را بدون ایجاد گلوگاه حفظ کند. از HRC برای فولادهای سخت شده بالای 20 HRC و HRB برای آلیاژهای غیر آهنی نرمتر استفاده کنید.
- برای قطعات سخت شده، نازک یا پوشش داده شده ، میکرو ویکرز تنها انتخاب مناسب است. یک بار 500 gf یا 1 kgf و یک فرورفتگی Knoop یا Vickers میتواند گرادیان هسته به کیس را بدون اینکه فرورفتگی از لایه سختشده امتداد یابد اندازهگیری کند.
- برای جوش، اتصالات و مناطق تحت تأثیر حرارت آزمایشهای کمنیروی Vickers یا Knoop (1-5 kgf) میتوانند تغییرات سختی را در نوار باریک یک رابط جوش حل کنند، که برای جلوگیری از ترکخوردگی هیدروژن یا تشکیل فاز شکننده حیاتی است.
- زمانی که خواص مواد فراتر از یک عدد سختی مورد نیاز باشد یک سختی سنج جهانی در حالت Martens سختی فرورفتگی، مدول الاستیک، خزش، و رفتار شل شدن را از یک تست تورفتگی ابزاردار ارائه میکند که برای توسعه پلیمر، سرامیک و مواد پیشرفته ارزشمند است.
تبدیل بین مقیاس های سختی
تبدیل مقیاس سختی تقریبی است و عمل مسئول این است از آنها فقط برای مقایسه استفاده کنید، هرگز برای مشخصات . رابطه تبدیل بین برینل، راکول و ویکرز به رفتار سخت شدن مواد بستگی دارد، بنابراین جدول تبدیل ASTM E140 برای فولاد زنگ نزن آستنیتی با کربن و فولاد کم آلیاژ متفاوت است. به عنوان یک مثال عملی، یک فولاد کربن معمولی با 640 HV 30 تقریباً مطابقت دارد 56 HRC و 600 HBW . با این حال، برای یک فولاد زنگ نزن آستنیتی کاملاً سخت شده، همان 56 HRC ممکن است تنها با 250 HBW مطابقت داشته باشد. هنگامی که یک مشخصات نیاز به گزارش در یک مقیاس خاص دارد، آزمایش باید مستقیماً در آن مقیاس انجام شود. یک دستگاه تست سختی جهانی می تواند این عدم قطعیت را با انجام آزمایش به روش مورد نیاز بدون استفاده از تبدیل به حداقل برساند.
