آزمون سختی سنجی ویکرز

به میزان مقاومت یک ماده در برابر یک جسم فرورونده سختی می‌گویند. جسم فرورونده باعث تغییر شکل دائمی یا پلاستیکی در سطح نمونه می‌شود و مقدار فرورفتگی معیاری از سختی ماده است، به‌ گونه‌ای که هر چقدر فرورفتگی بیشتر باشد سختی نمونه کمتر است. اگر چه روش‌های سختی سنجی دیگری همچون خراش دو ماده بر روی یکدیگر نیز وجود دارد که برای مقایسه سختی دو کانی معدنی با یکدیگر استفاده می‌شود، با این‌ حال روش پذیرفته ‌شده در دنیای علم و مهندسی مواد روش فرورونده است. با اینکه داده‌های حاصل از سختی سنجی به ‌طور مستقیم در طراحی قابل‌ استفاده نیستند اما می‌توانند اطلاعات مهمی از استحکام‌های تسلیم و کششی، مقاومت سایشی، داکتیلیتی، کیفیت قطعه تولیدی، استحکام خستگی، فازها و ناهمگنی‌های موجود و عمر کاری قطعه فراهم نمایند، به‌ گونه‌ای که در بعضی از مواد همچون فولادهای ساده کربنی، فلزات شیشه‌ای یا آمورف و تعدادی از مواد سرامیکی روابطی برای تبدیل میزان سختی به پارامترهایی چون استحکام به دست آمده است. علاوه بر این در جایی که به دلیل محدودیت ابعادی نمونه امکان تست کشش وجود نداشته باشد، سختی سنجی بهترین گزینه است. بسیار جالب‌ توجه است که در سال‌های اخیر چندین تحقیق در زمینه‌ی شبیه‌سازی فرایندهای سختی سنجی با روش المان محدود انجام گرفته است که می‌تواند به شناخت بیشتر و بهینه‌سازی این فرایندها کمک کند. سختی سنجی می‌تواند در مقیاس‌های ماکرو، میکرو و نانو انجام شود. روش‌های برینل، راکول و ویکرز از جمله انواع سختی سنجی در مقیاس ماکرو هستند. همچنین از روش های سختی سنجی در مقیاس میکرو می توان به روش های ویکرز و نوپ اشاره کرد. در ادامه این مطلب به بررسی روش سختی سنجی ویکرز می‌پردازیم.

در آزمون سختی ویکرز از یک هرم مربع القاعده به عنوان سنبه استفاده می شود. زاویه بین وچوه مقابل هرم ۱۳۶ درجه است. زاویه ۱۳۶ درجه به این دلیل انتخاب شده است که به مطلوب ترین نسبت قطر فرورفتگی به قطر گلوله در آزمون سختی برینل نزدیک است. به دلیل شکل سنبه، این آزمون اغلب آزمون سختی هرم-الماسی هم نامیده می شود. عدد سختی ویکرز (VHN) یا عدد سختی هرم-الماسی (DPH) به صورت بار تقسیم بر مساحت فرورفتگی تعیین می شود. در عمل این مساحت از روی مقادیر میکروسکوپی طول ها و قطرهای اثر محاسبه می شود. این عدد سختی از رابطه زیر تعیین می شود:

DPH = 2Fsin(θ/۲)/d² = 1.854F/d²

که در آن، F بار بر حسب کیلوگرم، d طول میانگین قطرها بر حسب میلی متر و θ زاویه بین وجوه مقابل الماس (۱۳۶ درجه) است.

آزمون سختی ویکرز برای کارهای تحقیقاتی مقبولیت عام یافته است، چون با یک بار معین، از فلزات خیلی نرم با DPH برابر ۵ تا مواد بسیار سخت با DPH برابر ۱۵۰۰ سختی را به صورت پیوسته می سنجد. معمولاً در آزمون سختی راکول یا آزمون سختی برینل لازم است که در نقطه ای در مقیاس سختی بار یا سنبه تغییر کنند. در نتیجه مقادیر یک سر مقیاس را نمی توان با مقادیر سر دیگر مقایسه کرد. چون آثار به دست آمده توسط سنبة هرمی شکل از لحاظ شکل هندسی مشابه هستند، اندازه آن ها مهم نیست و DPH باید مستقل از بار باشد. به طور کلی جز با بارهای خیلی سبک، این حالت پدید نمی آید. باری که معمولاً در این آزمون استفاده می شود از ۱ تا ۱۲۰ کیلوگرم متغیر است و به سختی فلزی که باید سختی آن اندازه گیری شود بستگی دارد. علی رغم این مزایا، آزمون سختی ویکرز سرعت کمی دارد، سطح نمونه در آن باید به دقت آماده شود و هم در این آزمون در تعیین طول قطر امکان بیشتری برای بروز خطا موجود است.

به علت کم بودن بار مصرفی، سختی سنج ویکرز قادر است ورق های خیلی نازک را به خوبی قطعات ضخیم اندازه گیری کند.

اثر فرورفتگی کاملی که با سنبه هرم-الماسی به وجود می آید مربع شکل است. اما غالباً با سنبه هرمی شکل نابهنجاری هایی هم دیده می شود. مثلاً فرورفتگی به شکل جاسوزنی در نتیجه گودافتادگی فلز در اطراف وجوه مسطح هرم ایجاد می شود. این شرایط در فلزات تابکاری شده مشاهده می شود و در نتیجه آن طول قطرها زیادتر برآورد می شود. فرورفتگی به شکل بشکه در فلزات کارسرد شده مشاهده می شود. این فرورفتگی از برآمده شدن یا تجمع فلز در اطراف وجوه سنبه ناشی می شود. در این مورد اندازه قطر، سطح تماس را کمتر برآورد می کند و اعداد سختی با اشتباه زیاد به دست می آیند.

مطالب مرتبط: