سختی فلزات و فولادها - روش‌های اندازه‌گیری، مقیاس‌های سختی و تبدیل

سختی سختی یکی از خواص مکانیکی اساسی فلزات و آلیاژها است. این پارامتر مقاومت ماده را در برابر تغییر شکل پلاستیک موضعی ناشی از اعمال یک فرورونده سخت‌تر تعیین می‌کند. اندازه‌گیری سختی، از جمله موارد دیگر، امکان ارزیابی وضعیت ماده پس از عملیات حرارتی، مقایسه دسته‌های مختلف مواد، نظارت بر اثرات سخت شدن و تخمین غیرمستقیم برخی از خواص مکانیکی را فراهم می‌کند.
در عمل صنعتی، رایج‌ترین روش‌های مورد استفاده عبارتند از: برینل (HBW), راکول (HRA، HRB، HRC) oraz ویکرز (HV)این روش همچنین در آزمایش‌های میکروسختی و لایه بسیار نازک استفاده می‌شود. نوپ (هنگ کنگ).

سختی مواد چیست؟

سختی، برخلاف چگالی، یک ثابت مستقل و واحد برای ماده نیست. نتیجه اندازه‌گیری، از جمله به موارد دیگر، به روش مورد استفاده، نوع و هندسه فرورونده، بار، آماده‌سازی سطح و ساختار ماده مورد آزمایش بستگی دارد.
بنابراین، نتیجه سختی همیشه باید همراه با مقیاس مورد استفاده ارائه شود، برای مثال:

• 220 HBW - سختی برینل،
• 35 HRC – سختی راکول در مقیاس C،
• 280 HV – سختی ویکرز،
• 450 هنگ کنگ - سختی نوپ.

مقادیر عددی را به تنهایی و بدون در نظر گرفتن روش اندازه‌گیری مورد استفاده مقایسه نکنید.

مهمترین روش‌های اندازه‌گیری سختی

رایج‌ترین روش‌های مورد استفاده شامل موارد زیر است:

• برینل – HBW,
• راکول - HRA، HRB، HRC و سایر مقیاس‌های راکول,
• ویکرز – اچ وی,
• نوپ – هنگ کنگ.

هر یک از این روش‌ها از روش متفاوتی برای تعیین سختی استفاده می‌کنند و کاربردهای متفاوتی دارند.

روش برینل - سختی HBW

در روش برینل، فشاری بر سطح ماده مورد آزمایش اعمال می‌شود. توپی ساخته شده از کاربید تنگستنپس از برداشتن بار، قطر اثر حاصل اندازه‌گیری می‌شود.
بر اساس قطر اثر، قطر گوی و نیروی اعمال شده، مقدار محاسبه می‌شود. سختی برینل با نماد مشخص شده است HBW.
یک ورودی نمونه می‌تواند به این شکل باشد:
۸۵ گرم وزن خالص ۱۰/۵۰۰
که در آن، مشخصات شامل مقدار سختی و پارامترهای آزمایش انجام شده است.
روش برینل به ویژه برای بررسی موارد زیر مفید است:

• فولاد سازه‌ای،
• فولاد پس از آنیل و نرماله کردن،
• چدن،
• آلیاژها آلومینیوم,
• آلیاژها مس,
• بزرگ آهنگری و ریخته‌گری،
• موادی با ساختار ناهمگن.

فرورفتگی نسبتاً بزرگ به این معنی است که نتیجه می‌تواند به خوبی نشان‌دهنده سختی متوسط ​​​​ماده‌ای باشد که حاوی اجزای ساختاری مختلف است.

روش راکول - HRC، HRB و HRA

روش راکول متفاوت است برینل i ویکرز در درجه اول با روش اندازه‌گیری. سختی بر اساس ... تعیین می‌شود. عمق فرورفتگی دائمی قالب تحت بار مشخصی ایجاد شده است.
این باعث می‌شود آزمایش سریع و برای کنترل تولید سریالی بسیار مناسب باشد.
بسته به نوع ماده، از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود مقیاس راکول.

رایج‌ترین مقیاس برای فولادهای سخت‌کاری‌شده، HRC است.

روش ویکرز - سختی HV

در روش ویکرز، فرورونده عبارت است از هرم لوزی شکل با قاعده مربعپس از ایجاد قالب، دو قطر آن اندازه‌گیری می‌شوند که مقدار سختی را تعیین می‌کنند.
علامت گذاری های نمونه:

• ۳۵۰ اچ وی ۳۰،
• ۳۵۰ اچ وی ۳۰،
• ۶۵۰ اچ وی ۱۰.

یک مزیت بزرگ روش‌های ویکرز استفاده از آن در طیف بسیار وسیعی از سختی امکان‌پذیر است.
روش HV، از جمله موارد دیگر، هنگام بررسی موارد زیر استفاده می‌شود:

• فولاد سازه‌ای،
• فولادهای سخت‌کاری شده،
• فولاد ضد زنگ،
• آلیاژهای نیکل,
• لایه‌های کربن‌دهی شده و نیتریده شده،
• جوش‌ها و مناطق تحت تأثیر گرما،
• ریزساختار مواد.

در بارهای کم، روش ویکرز می‌تواند برای اندازه‌گیری ریزسختی استفاده شود.

روش نوپ - سختی HK

روش نوپ از یک فرورونده الماسی کشیده برای ایجاد یک اثر سطحی و مشخص استفاده می‌کند.
با توجه به عمق نفوذ کم، این روش به ویژه برای بررسی موارد زیر مفید است:

• لایه‌های بسیار نازک،
• پوشش‌ها،
• نواحی کوچک ریزساختار،
• مواد شکننده،
• لایه‌های سخت‌شده سطحی

نوپ در درجه اول یک روش آزمایشگاهی و روشی است که در آزمایش ریزسختی سنجی استفاده می‌شود.

مقایسه روش‌های برینل، راکول و ویکرز

تبدیل سختی HBW، HV و HRC

در عمل، اغلب لازم است نتایج به دست آمده با استفاده از روش‌های مختلف مقایسه شوند. از جداول تبدیل سختی برای تقریب موارد زیر استفاده می‌شود:

• HBW روی HRC،
• HBW روی HV،
• HV روی HRC،
• HRC روی HV،
• HRB به HBW یا HV.

لطفا توجه داشته باشید که تبدیل سختی یک محاسبه ریاضی ساده نیستروابط بین مقیاس‌ها به نوع ماده، ساختار و وضعیت فرآوری آن بستگی دارد.
مقادیر تقریبی برای فولاد در زیر نشان داده شده است.

مقادیر فوق تقریبی هستند . برای تبدیل سختی فنی ، از جداول و استانداردهای مناسب برای گروه‌های خاص مواد استفاده کنید.

سختی و استحکام کششی Rm

برای برخی از فولادها رابطه تقریبی بین ... وجود دارد. سختی برینل و استحکام کششی Rm.
برای بسیاری از فولادهای کربنی و کم آلیاژ، می‌توان موارد زیر را به عنوان راهنما در نظر گرفت:
وزن خالص (HBW) ≈ ۳.۴–۳.۶ × Rm
که در آن Rm بر حسب مگاپاسکال بیان می‌شود.
برای مثال، فولادی با سختی تقریبی 200 HBW ممکن است تقریباً مقاومت کششی داشته باشد 700 مگاپاسکال.
با این حال، این رابطه تقریبی است و نمی‌توان آن را بدون بررسی دقیق روی همه مواد اعمال کردوابستگی‌های دیگری نیز ممکن است، از جمله، برای فولادهای آستنیتی، رخ دهد. دوبلکس و سوپر دوبلکس, آلیاژهای نیکل، فولادهای رسوب سخت شده، چدن‌ها و آلیاژها آلومینیوم.

تاثیر عملیات حرارتی بر سختی فولاد

سختی فولاد بسته به عملیات حرارتی مورد استفاده می‌تواند بسیار متفاوت باشد.
فرآیندهایی که بر سختی تأثیر می‌گذارند عبارتند از:

• سخت شدن،
• رها کردن،
• آنیل کردن،
• عادی‌سازی،
• فوق اشباع،
• پیری.

یک مثال خوب، فولاد ضد زنگ رسوب سخت شده است. 1.4542 / 17-4PHسختی و خواص مکانیکی آن به حالت عملیات حرارتی بستگی دارد، به عنوان مثال H900، H1025، H1075، H1100 یا H1150.
تغییر حالت پردازش امکان دستیابی به ترکیبات مختلفی از سختی، استحکام، شکل‌پذیری و مقاومت ضربه را فراهم می‌کند.

سخت کاری و سختی پذیری

فلزات همچنین می‌توانند در نتیجه تغییر شکل پلاستیک سرد، سختی خود را افزایش دهند.
به این پدیده گفته می‌شود سخت شدن بر اثر کرنش.
با افزایش درجه تغییر شکل، معمولاً:

• سختی افزایش می‌یابد،
• استحکام تسلیم افزایش می‌یابد،
• استحکام کششی افزایش می‌یابد،
• ازدیاد طول و پلاستیسیته کاهش می‌یابد.

این پدیده در مورد فولادهای زنگ نزن آستنیتی مانند ... از اهمیت ویژه ای برخوردار است. ۱.۴۸۴۱ / فولاد ضد زنگ ۳۱۴، ۱.۴۳۰۷ / ۳۰۴L، ۱.۴۴۰۱ / ۳۱۶ و 1.4404 / 316 لیتر.
بنابراین، سختی یک گرید فولاد مشابه ممکن است بسته به اینکه ماده در شرایط آنیل شده، نورد سرد شده، کشیده شده یا سخت‌تر شده باشد، متفاوت باشد.

سختی گروه‌های مختلف فولادهای زنگ نزن

گروه‌های مختلف فولادهای ضد زنگ در مکانیسم به دست آوردن سختی متفاوت هستند.

آماده سازی سطح برای اندازه گیری سختی

دقت آزمایش نه تنها به دستگاه اندازه‌گیری، بلکه به آماده‌سازی نمونه نیز بستگی دارد.
سطح باید:

• تمیز،
• عاری از رسوب و ناخالصی،
• برای روش مورد استفاده، به طور مناسب صاف باشد،
• در طول معاینه به طور پایدار پشتیبانی می‌شود.

این امر به ویژه در روش‌ها اهمیت دارد ویکرز i نوپ، جایی که چاپ‌ها می‌توانند بسیار کوچک باشند.
همچنین لازم است ضخامت نمونه مناسب و فواصل مورد نیاز بین قالب‌ها و لبه عنصر مورد آزمایش حفظ شود.

استانداردهای اندازه‌گیری سختی

آزمایش‌های سختی در استانداردهای بین‌المللی ISO و ASTM شرح داده شده‌اند.

هنگام انجام آزمایش‌ها برای پذیرش، صدور گواهینامه یا اهداف کنترل کیفیت، الزامات استاندارد مربوطه در نسخه فعلی آن باید اعمال شود.

آیا سختی تمام خواص فولاد را تعریف می‌کند؟

خیر. سختی یک پارامتر کنترلی بسیار مفید است، اما جایگزین آزمایش کامل خواص مکانیکی نمی‌شود.
دو ماده با سختی مشابه ممکن است در موارد زیر با هم متفاوت باشند:

• نقطه تسلیم،
• استحکام کششی،
• کشیدگی،
• استحکام ضربه،
• مقاومت در برابر خستگی،
• مقاومت در برابر ترک خوردگی.

بنابراین، نتیجه اندازه‌گیری سختی باید در رابطه با نوع ماده، ریزساختار آن، شرایط تحویل و عملیات حرارتی یا پلاستیکی اعمال شده تفسیر شود.
اندازه‌گیری سختی یکی از رایج‌ترین روش‌های مورد استفاده برای بررسی خواص فلزات و فولاد است. برینل, راکول, ویکرز i نوپ آنها در نوع فرورونده، روش اندازه‌گیری و دامنه کاربرد متفاوت هستند.
HBW این امر به ویژه برای عناصر و مواد بزرگتر با ساختار ناهمگن مفید است، HRC و HRB اندازه‌گیری‌های تولید بسیار سریع را امکان‌پذیر می‌سازد، در حالی که HV طیف گسترده‌ای از کاربردها را فراهم می‌کند و به شما امکان می‌دهد مساحت‌های کوچک را اندازه‌گیری کنید. HK این روش عمدتاً در مطالعه ریزسختی، لایه‌های نازک و پوشش‌ها استفاده می‌شود.
تبدیل مقادیر بین HBW، HV، HRC و سایر مقیاس‌ها باید به عنوان یک تقریب در نظر گرفته شود و مطابق با جداول و استانداردهای مناسب برای گروه خاصی از مواد انجام شود.

کاربرد – مبدل سختی Brinell HB، Rockwell HRC، Vickers HV، Knoop، Mohs
سختی فلزات و فولادها - روش‌های اندازه‌گیری، مقیاس‌های سختی و تبدیل
سختی راکول HRC، HRB و HRA - روش اندازه‌گیری، مقیاس‌ها و کاربردها
سختی برینل HBW - روش اندازه‌گیری، مقیاس، فرمول و کاربرد
سختی ویکرز HV - روش اندازه‌گیری، فرمول و کاربرد
سختی سنجی Knoop HK - روش اندازه گیری، ریزسختی سنجی و کاربرد
مقیاس موهس - جدولی از سختی کانی‌ها و مواد
تبدیل سختی HBW، HRC، HRB و HV - جداول تبدیل