سختی سنجی Knoop HK - روش اندازه گیری، ریزسختی سنجی و کاربرد

سختی نوپ یک روش اندازه‌گیری سختی با استفاده از یک فرورونده الماسی با فرورفتگی لوزی شکل کشیده است. این روش در درجه اول برای آزمایش با نیروی کم توسعه داده شده است، جایی که عمق نفوذ محدود و توانایی انجام اندازه‌گیری‌ها در نواحی بسیار کوچک مواد ضروری است. نتیجه با کد HK مشخص می‌شود . روش نوپ در درجه اول در آزمایش ریزسختی لایه‌های نازک، پوشش‌ها، مناطق نزدیک به سطح، مواد شکننده و نواحی ریزساختاری کوچک استفاده می‌شود. به دلیل فرورفتگی کشیده و مشخص آن، می‌تواند به ویژه در مواردی که فرورفتگی‌ها باید بسیار نزدیک به هم ایجاد شوند یا ضخامت لایه مورد آزمایش کم باشد، مفید باشد.

سختی Knoop HK به چه معناست؟

نماد HK مخفف سختی نوپ است. این مقدار بر اساس نیروی آزمایش و طول قطر بلندتر فرورفتگی باقی مانده پس از حذف بار تعیین می‌شود. برخلاف روش ویکرز که دو قطر یک فرورفتگی تقریباً مربعی را اندازه‌گیری می‌کند، روش نوپ از قطر بلندتر فرورفتگی کشیده شده به عنوان بُعد اندازه‌گیری اصلی استفاده می‌کند . نمونه‌هایی از نامگذاری‌ها عبارتند از:

• ۷۸۰ هنگ کنگ ۱,
• ۷۸۰ هنگ کنگ ۱,
• ۷۸۰ هنگ کنگ ۱.

عدد اول مقدار سختی را نشان می‌دهد، نماد HK روش Knoop را نشان می‌دهد، در حالی که عدد بعد از نماد، نیروی آزمایش مورد استفاده را نشان می‌دهد که به طور سنتی به صورت معادل کیلوگرم-نیرو بیان می‌شود.

روش نوپ چیست؟

آزمایش با آماده‌سازی مناسب سطح نمونه آغاز می‌شود. سپس، یک فرورونده الماسی نوپ با نیروی مشخص به ماده فشار داده می‌شود. پس از حفظ بار برای مدت زمان مورد نیاز و سپس برداشتن آن، یک اثر دائمی و بسیار کشیده باقی می‌ماند. با استفاده از یک سیستم نوری یا دیجیتال، طول قطر بلندتر در درجه اول اندازه‌گیری می‌شود. این برای تعیین سختی (HK) استفاده می‌شود. روش آزمایش را می‌توان به شرح زیر توصیف کرد: آماده‌سازی سطح → موقعیت‌یابی نمونه → اعمال فرورونده → اعمال نیرو → حفظ بار → تخلیه → اندازه‌گیری قطر بلند → تعیین HK.

فرورونده نوپ

روش نوپ از یک فرورونده الماسی به شکل هرم با قاعده لوزی استفاده می‌کند. هندسه فرورونده، یک فرورفتگی بسیار کشیده و مشخص ایجاد می‌کند. زوایای بین وجوه مقابل تقریباً ۱۷۲.۵ درجه در جهت محور طولی و تقریباً ۱۳۰ درجه در جهت محور کوتاه است. این امر منجر به نسبت بسیار زیادی از قطر بلند به قطر کوتاه، تقریباً ۷:۱، می‌شود. فرورفتگی نوپ همچنین در مقایسه با فرورفتگی ویکرز که با نیروی مشابه انجام می‌شود، نسبتاً کم‌عمق است. این عمق نفوذ کم‌عمق یکی از مزایای کلیدی این روش هنگام بررسی لایه‌ها و سطوح نازک است.

چرا طرح روی بدن Knoop کشیده است؟

شکل کشیده فرورفتگی، امکان ایجاد یک قطر بلند را حتی با مساحت سطح کوچک و عمق نفوذ کم فراهم می‌کند. این امر اندازه‌گیری نوری فرورفتگی‌های بسیار کوچک را تسهیل می‌کند. در عین حال، عمق کم، تأثیر ماده زیر لایه مورد آزمایش را محدود می‌کند. این ویژگی به ویژه هنگام بررسی پوشش‌ها، لایه‌های نازک سخت شده و اجزای ریزساختاری کوچک اهمیت دارد.

فرمول سختی نوپ

سختی نوپ متناسب با نسبت نیروی آزمایش به مساحت فرورفتگی ایجاد شده است. هنگام اعمال نیرو بر حسب نیوتن، سختی را می‌توان با رابطه زیر تعیین کرد: HK = 0,102 × F / A _p که در آن:

• HK – سختی نوپ،
• F – نیروی آزمایش [نیوتن]،
• A_p – مساحت اثر پیش‌بینی‌شده [میلی‌متر مربع].

از آنجایی که هندسه فرورونده ثابت است، مساحت سطح را می‌توان بر حسب طول قطر بلند فرورونده بیان کرد. در عمل، رابطه مورد استفاده به صورت زیر است: HK ≈ 1,451 × F / d² وقتی F بر حسب کیلوگرم-نیرو و d بر حسب میلی‌متر بیان شود. مقدار ضریب از هندسه فرورونده نوپ ناشی می‌شود.

محدوده نیروها در روش نوپ

استاندارد فعلی ISO 4545-1:2023، آزمایش‌هایی را پوشش می‌دهد که در نیروهایی از 0,009807 نیوتن تا 19,613 نیوتن انجام می‌شوند . این تقریباً معادل با محدوده 1 gf تا 2 kgf است. بنابراین، این روش در درجه اول برای اندازه‌گیری در نیروهای کم در نظر گرفته شده است.

طول مورب چاپ

استاندارد ISO 4545-1:2023 روشی را برای فرورفتگی‌هایی که طول قطر آنها حداقل 0,020 میلی‌متر است، مشخص می‌کند . اندازه‌گیری فرورفتگی‌های کوچک‌تر خارج از محدوده استاندارد است، زیرا با چنین ابعاد کوچکی، تأثیر محدودیت‌های اندازه‌گیری نوری و نقص‌های نوک فرورونده افزایش می‌یابد. در عمل، این بسیار مهم است. اگر فرورفتگی خیلی کوچک باشد، حتی یک خطای کوچک در خواندن قطر می‌تواند باعث تغییر قابل توجهی در نتیجه HK شود.

میکروسختی نوپ

روش نوپ در درجه اول با اندازه‌گیری ریزسختی مرتبط است. نیروهای کم و فرورفتگی کم‌عمق، امکان بررسی نواحی بسیار کوچک را بدون آسیب قابل توجه به ساختار ماده فراهم می‌کند. این روش، از جمله موارد دیگر، برای موارد زیر استفاده می‌شود:

• مطالعات لایه‌های سطحی نازک،
• اندازه‌گیری سختی پوشش،
• آزمایش لایه‌های کربن‌دهی شده و نیتریده شده،
• ارزیابی سختی اجزای ریزساختاری منفرد،
• بررسی مقاطع بسیار نازک،
• اندازه‌گیری‌ها در نزدیکی سطوح و لبه‌ها،
• آزمایش مواد شکننده،
• تحلیل گرادیان سختی در یک فاصله بسیار کوتاه.

نوپ و ویکرز - مهمترین تفاوت

هر دو روش از یک فرورونده الماسی و اندازه‌گیری نوری اثر استفاده می‌کنند، اما هندسه اثر کاملاً متفاوت است. ویکرز اثری تقریباً مربع شکل به جا می‌گذارد، در حالی که نوپ یک لوزی بسیار کشیده ایجاد می‌کند. این امر تفاوت‌های عملی قابل توجهی ایجاد می‌کند.

چرا Knoop با لایه‌های نازک به خوبی کار می‌کند؟

فرورونده نوپ نسبت به طول خود، فرورفتگی بسیار کم‌عمقی ایجاد می‌کند. این امر باعث می‌شود بخش کوچک‌تری از ناحیه تغییر شکل در عمق زیر سطح قرار گیرد. این امر تأثیر زیرلایه را بر نتیجه آزمایش لایه نازک محدود می‌کند. این امر به ویژه برای پوشش‌ها مهم است، جایی که نتیجه باید به بهترین شکل خود لایه را نشان دهد، نه ماده زیرین را.

آزمایش پوشش با استفاده از روش نوپ

استاندارد ISO 4545-1:2023 امکان اعمال این روش را بر روی پوشش‌های فلزی و سایر پوشش‌های معدنی، از جمله پوشش‌های الکترولیتی، اتوکاتالیستی، اسپری شده و آندی روی آلومینیوم فراهم می‌کند. این استاندارد هم اندازه‌گیری‌های عمود بر سطح پوشش و هم اندازه‌گیری‌های روی سطح مقطع را پوشش می‌دهد، مشروط بر اینکه صافی، ضخامت و سایر خواص، امکان خواندن صحیح فرورفتگی را فراهم کنند. این استاندارد اندازه‌گیری‌های عمود بر سطح برای پوشش‌های نازک‌تر از 0,007 میلی‌متر یا اندازه‌گیری‌های روی سطح مقطع برای پوشش‌های نازک‌تر از 0,020 میلی‌متر را پوشش نمی‌دهد . برای ابعاد حتی کوچکتر، روش‌های تست سختی دستگاهی، مانند روش‌های موجود در استاندارد ISO 14577، ممکن است مناسب‌تر باشند.

مواد شکننده و ناپ

روش نوپ به ویژه برای آزمایش موادی که در طول فرورفتگی مستعد ترک خوردن هستند مفید است. فرورفتگی کم عمق و هندسه خاص آن، امکان آسیب محدود به مواد را با نیروی انتخاب شده مناسب فراهم می‌کند. این روش برای آزمایش، از جمله موارد دیگر، استفاده می‌شود:

• مراحل بسیار سخت،
• کاربیدها
• لایه‌های سطحی شکننده،
• برخی از مواد سرامیکی و کامپوزیتی در تحقیقات تخصصی،
• ریزنواحی در مواد چندفازی

با این حال، در هر مورد، باید از استاندارد متناسب با نوع خاص ماده و هدف آزمایش استفاده شود.

نوپ در مطالعه ریزساختار فولاد

در نیروهای کم، فرورفتگی نوپ می‌تواند ناحیه بسیار کوچکی را پوشش دهد. این امر امکان مقایسه سختی موضعی اجزای ریزساختاری منفرد را فراهم می‌کند. در فولادها، این روش می‌تواند برای تجزیه و تحلیل تفاوت‌های بین نواحی با ساختارهای مختلف یا بین لایه سطحی و هسته استفاده شود. با این حال، نتیجه باید با احتیاط تفسیر شود. اگر فرورفتگی چندین فاز را به طور همزمان پوشش دهد، مقدار حاصل یک نتیجه ترکیبی موضعی است و سختی یک فاز خالص را نشان نمی‌دهد.

نوپ در مطالعه لایه‌های کاربوریزه و نیتریده شده

لایه‌های کربن‌دهی شده و نیتریده شده با فاصله از سطح، تغییر سختی را نشان می‌دهند. اندازه‌گیری‌های انجام شده در نقاط متوالی در امتداد سطح مقطع، امکان ایجاد پروفیل سختی را فراهم می‌کنند. فرورفتگی Knoop کشیده و کم‌عمق می‌تواند زمانی مفید باشد که سطح موجود بسیار کوچک باشد یا زمانی که نیاز به انجام چندین اندازه‌گیری در نزدیکی هم باشد.

نوپ و جوش

این روش می‌تواند برای تجزیه و تحلیل نواحی کوچک یک اتصال جوش داده شده ، به ویژه هنگامی که به وضوح مکانی بالا نیاز است، مورد استفاده قرار گیرد. این روش امکان اندازه‌گیری در فلز جوش، منطقه تحت تأثیر حرارت و ماده اصلی را فراهم می‌کند. در عمل، به دلیل رویه‌ها و الزامات پذیرفته شده استانداردهای اتصال جوش، ویکرز بیشتر برای بازرسی جوش استفاده می‌شود، اما نوپ می‌تواند برای آزمایش‌های دقیق و آزمایشگاهی مفید باشد.

آماده سازی سطح

در اندازه‌گیری‌های ریزسختی، کیفیت آماده‌سازی سطح بسیار مهم است. سطح باید تا حد امکان صاف، هموار و عاری از هرگونه خراشی باشد که مانع خواندن قطر شود. در بسیاری از موارد، آماده‌سازی متالوگرافی، از جمله سنگ‌زنی و صیقل‌کاری، ضروری است. با این حال، باید دقت شود که فرآیند آماده‌سازی باعث موارد زیر نشود:

• کراش محلی،
• گرمای بیش از حد،
• تغییرات ریزساختاری،
• کندن مواد نرم یا شکننده،
• گرد کردن لبه‌های یک لایه نازک.

استاندارد ASTM E384 تأکید می‌کند که با کاهش نیروی آزمایش، تأثیر آماده‌سازی نمونه به‌طور ویژه‌ای قابل توجه می‌شود.

چرا چاپ‌های خیلی کوچک مشکل‌ساز هستند؟

هرچه نیرو کمتر باشد، فرورفتگی کوچکتر و سهم خطای اندازه‌گیری در نتیجه نهایی بیشتر است. برای فرورفتگی‌هایی با طول چند ده میکرومتر، حتی یک تفاوت کوچک در قرائت می‌تواند مقدار HK محاسبه شده را به طور قابل توجهی تغییر دهد. ASTM E384 نشان می‌دهد که آزمایش‌های ویکرز و نوپ که در نیروهای ≤25 gf و فرورفتگی‌های کوچکتر از تقریباً 20 میکرومتر انجام می‌شوند، دارای عدم قطعیت قابل توجهی هستند و باید با احتیاط، اغلب به صورت کیفی و نه به عنوان یک نتیجه کمی دقیق، با آنها برخورد شود.

افکت اندازه چاپ ISE

همانند روش ویکرز، نیروهای بسیار کم می‌توانند باعث ایجاد اثر اندازه فرورفتگی (ISE) شوند، که وابستگی سختی به‌دست‌آمده به اندازه فرورفتگی و نیروی اعمال‌شده است. بنابراین، مقدار HK به‌دست‌آمده در 0,01 kgf ممکن است لزوماً کاملاً با نتیجه به‌دست‌آمده در 1 kgf، حتی برای همان ماده، سازگار نباشد. ریزساختار، بازیابی الاستیک، شرایط سطح، هندسه فرورونده و دقت قرائت قطری، همگی می‌توانند تأثیرگذار باشند.

بازیابی کالوس الاستیک

پس از حذف نیرو، ماده تا حدی به صورت الاستیک شکل خود را بازیابی می‌کند. به دلیل تفاوت زیاد بین قطرهای بلند و کوتاه، این اثر می‌تواند هندسه فرورفتگی نوپ را متفاوت از فرورفتگی ویکرز تحت تأثیر قرار دهد. در عمل، پارامتر اصلی مورد استفاده برای تعیین HK، قطر بلند باقی می‌ماند که نسبت به بعد کوتاه فرورفتگی، حساسیت بسیار کمتری به برخی از اثرات بازیابی الاستیک دارد.

فاصله بین چاپ‌ها

با وجود عمق کم، هر فرورفتگی باعث تغییر شکل موضعی ماده می‌شود. اندازه‌گیری‌های بعدی باید طوری فاصله‌گذاری شوند که نواحی تغییر شکل بر یکدیگر تأثیر نگذارند. جهت محور طولی فرورفتگی مهم است. برای پروفیل‌های سختی، فرورونده را می‌توان به گونه‌ای جهت‌دهی کرد که فاصله مورد نیاز در جهتی که سری اندازه‌گیری‌ها انجام می‌شود، کاهش یابد.

فاصله از لبه

انجام اندازه‌گیری خیلی نزدیک به لبه می‌تواند منجر به تغییر شکل نادرست ماده و نتایج کاذب شود. این مشکل به ویژه برای لایه‌های نازک، مقاطع کوچک و هنگام آزمایش مواد در نزدیکی مرزهای فازی قابل توجه است. حداقل فواصل مشخص شده توسط استاندارد مربوطه و شرایط آزمایش باید رعایت شود.

مزایای روش نوپ

مهمترین مزایا شامل موارد زیر است:

• عمق نفوذ بسیار کم،
• توانایی آزمایش لایه‌ها و پوشش‌های نازک،
• توانایی اندازه‌گیری مساحت‌های بسیار کوچک،
• مناسب برای مواد شکننده،
• توانایی انجام پروفیل‌های سختی در فواصل کوتاه،
• مورب بلند، اندازه‌گیری نوری چاپ‌های کوچک را تسهیل می‌کند،
• امکان تجزیه و تحلیل ریزساختار محلی،
• تأثیر کمتر زیرلایه نسبت به حالت نفوذ عمیق‌تر در شرایط آزمایش مشابه.

محدودیت‌های روش نوپ

محدودیت‌ها شامل موارد زیر است:

• نیاز به آماده‌سازی سطح بسیار خوب،
• اندازه‌گیری نوری یا دیجیتال اثر مورد نیاز است،
• حساسیت بالای چاپ‌های کوچک به خطاهای اندازه‌گیری،
• تأثیر بیشتر ریزساختار موضعی نسبت به فرورفتگی‌های بزرگ برینل،
• مناسب بودن محدود برای کنترل سریع تولید سریالی،
• نیاز به قرار دادن دقیق نمونه و فرورونده،
• احتمال تأثیر اندازه اثر در نیروهای کم.

نوپ و راکول و برینل

روش نوپ برای نوع اندازه‌گیری کاملاً متفاوتی نسبت به راکول یا برینل معمولی استفاده می‌شود. راکول بسیار سریع و برای بازرسی دسته‌ای مناسب است. برینل از یک فرورفتگی بزرگ استفاده می‌کند و در میانگین‌گیری ساختار ناهمگن ریخته‌گری یا آهنگری خوب است. از سوی دیگر، نوپ در درجه اول برای آزمایش موضعی در نیروهای کم در نظر گرفته شده است.

آیا تبدیل HK به HV امکان‌پذیر است؟

مقادیر نوپ و ویکرز ممکن است برای برخی از مواد و محدوده‌های سختی مشابه باشند، اما HK و HV نباید به طور خودکار معادل در نظر گرفته شوند. هر دو روش هندسه فرورونده و برهمکنش‌های متفاوتی با ماده دارند. تفاوت‌ها به ویژه در نیروهای کم، مواد ناهمسانگرد، شکننده، چند فازی و لایه‌های نازک قابل توجه می‌شوند. در صورت نیاز به تبدیل، از داده‌های مناسب برای ماده خاص و شرایط آزمایش استفاده کنید، نه یک رابطه واحد و جهانی.

استانداردهای روش نوپ

سری پایه استانداردهای ISO، ISO 4545 است.

ایزو 4545-1: 2023

استاندارد ISO 4545-1:2023 نسخه فعلی استاندارد بین‌المللی برای روش Knoop است. این استاندارد جایگزین نسخه ۲۰۱۷ می‌شود. این استاندارد، نیروهایی از ۰.۰۰۹۸۰۷ نیوتن تا ۱۹.۶۱۳ نیوتن و فرورفتگی‌هایی با قطر بلند حداقل ۰.۰۲۰ میلی‌متر را پوشش می‌دهد. این استاندارد همچنین کاربردهای خاص برای پوشش‌های فلزی و سایر پوشش‌های معدنی را پوشش می‌دهد.

ASTM E384

استاندارد ASTM E384-22 آزمایش ریزسختی ویکرز و نوپ را در محدوده نیرو از تقریباً 0,0098 نیوتن تا 9,8 نیوتن یا 1 تا 1000 gf پوشش می‌دهد. ASTM بر اهمیت ویژه کیفیت آماده‌سازی سطح و محدودیت‌های مرتبط با خواندن فرورفتگی‌های بسیار کوچک تأکید دارد.

چه زمانی روش نوپ را انتخاب کنیم؟

Knoop انتخاب بسیار خوبی است وقتی که ناحیه مورد آزمایش بسیار کوچک است، پوشش نازک است یا عمق نفوذ باید محدود باشد. همچنین زمانی که یک سری اندازه‌گیری باید در فواصل بسیار کوتاه انجام شود، مؤثر است. اگر هدف اندازه‌گیری جهانی سختی ماده در محدوده بار وسیع‌تری باشد، ویکرز اغلب انتخاب می‌شود. راکول برای آزمایش سریع دسته‌ای عملی‌تر است، در حالی که برینل اغلب برای ریخته‌گری‌ها و آهنگری‌های بزرگ و غیریکنواخت ترجیح داده می‌شود.

روش Knoop HK یک روش اندازه‌گیری میکروسختی تخصصی است که از یک فرورونده الماسی با پایه لوزی استفاده می‌کند که یک فرورفتگی بسیار کشیده و کم‌عمق ایجاد می‌کند. سختی در درجه اول با طول قطر بلند فرورفتگی تعیین می‌شود. بزرگترین مزیت این روش، عمق نفوذ کم آن است که آن را برای بررسی لایه‌های نازک، پوشش‌ها، نواحی ریزساختاری کوچک و مواد شکننده مناسب می‌کند. با این حال، این روش نیاز به آماده‌سازی سطح عالی و اندازه‌گیری نوری دقیق دارد. استاندارد فعلی ISO 4545-1:2023 است ، در حالی که آزمایش میکروسختی Knoop در ASTM E384-22 نیز شرح داده شده است.

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