1. سختی برینل و راکول: تفاوت و کاربردها

سختی برینل و سختی راکول هر دو از روش‌های فرورفتگی برای اندازه‌گیری سختی مواد هستند، اما اصول اندازه‌گیری، سرعت، دقت و کاربردشان با هم فرق دارد. مفهوم سختی در فلزات برای درک اینکه آن‌ها مقاومت کافی در برابر فرورفتگی، ساییدگی، خراشیدگی و … را برای یک کاربرد معین ایجاد می‌کنند، بسیار مهم است. به عنوان مثال، می‌توان به ارزیابی مواد لازم برای ساخت پیستون‌های موتور، تیغه‌های توربین جت، بدنه کشتی و بسیاری از اجزای دیگر اشاره کرد که ممکن است که ممکن است تحت سایش قرار بگیرند.

انواع مختلفی از آزمایش‌ها برای اندازه‌گیری خواص فیزیکی فلزات وجود دارند که هر یک کشش (استحکام)، ضربه (چقرمگی) و خمش (شکل پذیری) را اندازه‌گیری می‌کند. اما سختی یک آلیاژ فلزی چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟ این مقاله به دو مورد از رایج‌ترین انواع تست سختی فلزات می‌پردازد: تست سختی برینل و راکول.

سختی فلز یک ویژگی مهم است زیرا به طور مستقیم با توانایی آن در مقاومت در برابر سایش ارتباط دارد. سطوح سختی بسته به عناصر آلیاژی، عملیات حرارتی و سایر روش‌های سخت‌کاری مورد استفاده در نوع فلز می‌تواند متفاوت باشد. روش‌هایی برای ارزیابی سختی مانند سختی برینل و راکول به منظور ایجاد درک مشترکی از سطوح سختی به دلیل تغییر سختی در بین فلزات و حتی در یک خانواده از فلزات ابداع شده‌است.

1.1. سختی برینل چیست؟

سختی برینل (HB) نسبت بین نیروی اعمالی و سطح چاپ است. ماده فرورونده یک توپ فلزی سخت از جنس کاربید تنگستن با قطر D است که با نیروی F در لایه‌های سطحی ماده نقش می‌بندد. قطر توپ مقداری استاندارد و برابر است با: 1-2.5-5-10 میلی‌متر. در آزمایش سختی برینل بر روی مواد فولادی معمولاً 10 تا 15 ثانیه و برای سایر مواد نرم باید حداقل 30 ثانیه بار یکنواخت (فشاری بین۵۰۰ تا ۳۰۰۰ نیوتن) اعمال شود.

سطح مورد آزمایش باید خالص و چربی زدایی شود و صاف باشد تا اندازه‌گیری تا حد امکان دقیق باشد تا قطر تعیین شود. در طول اندازه‌گیری، هیچ لرزشی نباید وجود داشته باشد، زیرا آن‌ها می‌توانند به طور غیرمنطقی بر مقادیر سختی تأثیر بگذارند. در مقایسه با سایر روش‌های تست سختی، توپ برینل عمیق‌ترین و بزرگ‌ترین اثر را بر جای می‌گذارد و بنابراین از نظر عملکردی زیبایی سطح را تغییر شکل می‌دهد.

2.1. آزمایش و فرمول سختی برینل

آزمایش برینل از یک رویه مشخص و منظم پیروی می‌کند. ماده آزمون برای دستیابی به اندازه‌گیری‌های دقیق باید به‌درستی آماده‌سازی شود؛ از طریق ماشین‌کاری، سنگ‌زنی، لپینگ یا پولیش. سپس ماده آماده‌شده تحت یک فرآیند فرورفتگی کنترل‌شده قرار می‌گیرد. یک فرورونده گلوله‌ای از جنس کاربید تنگستن با نیرویی مشخص به سطح نمونه فشار وارد می‌کند. آزمون به این صورت انجام می‌شود:

• فرورونده عمود بر سطح آزمون قرار می‌گیرد.
• نیروی آزمون یکنواخت (از ۱ kgf تا ۳۰۰۰ kgf) طی ۱ تا ۸ ثانیه اعمال می‌شود.
• نیرو به مدت ۱۰ تا ۱۵ ثانیه ثابت می‌ماند.
• نیرو به‌طور کامل برداشته می‌شود.
• فرورفتگی حاصل اندازه‌گیری می‌شود.

دوره ثابت‌ماندن نیرو هدف مهمی دارد – به جریان پلاستیک فلز اجازه می‌دهد پیش از اندازه‌گیری کاملاً متوقف شود. پس از برداشته‌شدن نیرو، اثر فرورفتگی را در حداقل دو قطر عمود بر هم اندازه گرفته و میانگین آن‌ها را برای محاسبه سختی به کار می‌برند. این آزمون در دمای مشخصی از اتاق – بین ۱۰ تا ۳۵ درجه سلسیوس (۵۰ تا ۹۵ درجه فارنهایت) – بهترین نتیجه را می‌دهد، زیرا تغییرات دما می‌تواند اندازه‌گیری‌ها را با خطا مواجه کند.

نیروهای آزمون معمولاً از ۱۸۷٫۵ تا ۳۰۰۰ kgf متغیرند، هرچند دامنه‌های دقیق با مواد مختلف تغییر می‌کند. برای مثال، آلیاژهای آلومینیوم و مس فقط به نیروهای کمتر نیاز دارند، در حالی که فولادها و چدن‌ها با دامنه‌های نیروی بالاتر بهتر کار می‌کنند. باید نسبت درست نیرو به قطر گلوله را انتخاب کنید تا قطر فرورفتگی بین ۰٫۲۴D و ۰٫۶D قرار بگیرد (D همان قطر گلوله است).

3.1. جدول سختی برینل برای فلزات

مقادیر سختی برینل برای مواد مختلف کاملاً متفاوت است:

4.1. سختی راکول چیست؟

سختی راکول هم مثل برینل یک روش فرورفتگی است، اما بر خلاف روش برینل، اندازه اثر فرورفتگی را اندازه‌گیری نمی‌کند، بلکه عمق نفوذ فرورفتگی را اندازه‌گیری می‌کند. به همین دلیل نتیجه را می‌توان مستقیم از روی صفحه دستگاه خواند و آزمون خیلی سریع‌تر از برینل است. در راکول اول یک بار جزئی اولیه (معمولاً ۱۰ کیلوگرم نیرو) اعمال می‌شود تا نوک فرورونده روی سطح بنشیند و صفر دستگاه تنظیم شود؛ بعد بار اصلی (۶۰، ۱۰۰ یا ۱۵۰ کیلوگرم) اضافه می‌شود و پس از برگشت به بار جزئی اولیه، عمق باقی‌مانده فرورفتگی خوانده می‌شود.

رایج‌ترین مقیاس‌ها HRA، HRB و HRC هستند: HRC با فرورونده مخروط الماسی و بار ۱۵۰ کیلوگرمی برای فولادهای سخت‌شده و ابزارها، HRB با گلوله فولادی ۱/۱۶ اینچ و بار ۱۰۰ کیلوگرمی برای مواد نرم‌تر مثل برنج و آلومینیوم، و HRA با بار ۶۰ کیلوگرمی برای کاربیدها و مواد بسیار سخت.

5.1. تفاوت سختی برینل و راکول

چندین تفاوت بین آزمایش سختی برینل و راکول وجود دارد. یکی از مهم‌ترین تفاوت‌ها نوع ماده فرورونده استفاده شده‌است. آزمایش برینل از یک توپ فولادی سخت استفاده می‌کند، در حالی که آزمایش راکول از یک مخروط الماس یا یک توپ فولادی سخت استفاده می‌کند. انتخاب فرورفتگی به مواد مورد آزمایش و دقت سطح مورد نظر بستگی دارد. مخروط الماس معمولا برای مواد سخت‌تر استفاده می‌شود، در حالی که توپ فولادی سخت برای مواد نرم استفاده می‌شود.

تفاوت دیگر این دو آزمون روش اندازه‌گیری است. تست برینل قطر فرورفتگی را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که تست راکول عمق فرورفتگی را اندازه‌گیری می‌کند. این می‌تواند بر دقت نتایج تأثیر بگذارد، زیرا اندازه‌گیری قطر یک فرورفتگی می‌تواند چالش برانگیزتر از اندازه‌گیری عمق آن باشد.

واحدهای اندازه‌گیری مورد استفاده در دو آزمون نیز متفاوت است. عدد سختی برینل بر حسب کیلوگرم بر میلی‌متر مربع در حالی که عدد سختی راکول با واحدهای دلخواه (HRC)، (HRB) و (HRA) بیان می‌شود. این می‌تواند مقایسه نتایج بین دو آزمون را دشوارتر کند.

روش‌های تست برای این دو آزمون نیز متفاوت است. آزمایش برینل شامل اعمال یک نیروی ثابت برای یک دوره مشخص است، در حالی که آزمایش راکول شامل اعمال یک نیروی اولیه و به دنبال آن یک نیروی ثانویه است. این می‌تواند بر دقت نتایج تأثیر بگذارد، زیرا اعمال دو نیرو می‌تواند متغیرهای بیشتری را وارد آزمون کند.

در نهایت، موادی که می‌توان با استفاده از این دو روش آزمایش کرد، متفاوت است. تست برینل برای مواد نرم مانند آلومینیوم، مس و برنج مناسب است. از سوی دیگر، آزمایش راکول برای مواد سخت‌تر مانند فولاد و تیتانیوم مناسب‌تر است.

6.1. جدول تبدیل سختی برینل و راکول

جدول تبدیل سختی برینل و راکول چیزی شبیه یک فرمول دقیق فیزیکی نیست؛ بیشتر مثل یک راهنمای تجربی است که از کنار هم گذاشتن کلی داده‌های آزمایشگاهی به دست آمده. این دو روش اصولاً یک چیز را متفاوت اندازه می‌گیرند: در برینل قطر فرورفتگی مهم است، اما در راکول عمق نفوذ.

همین تفاوت باعث می‌شود نتیجه تبدیل، به ترکیب آلیاژ، ساختار دانه‌ها، عملیات حرارتی و حتی شرایط سطح نمونه هم وابسته باشد. به همین دلیل استانداردهایی مثل ASTM E140 هم تأکید می‌کنند که این جدول‌ها تقریبی‌اند و بیشتر برای مواد مشخصی کاربرد دارند؛ حتی دو نمونه از یک ماده هم می‌توانند کمی نتیجه متفاوت بدهند. پس در عمل، این جدول‌ها برای تخمین سریع و مقایسه نسبی خوب‌اند، ولی جای آزمون واقعی و دقیق را نمی‌گیرند.