1. سختی راکول – مفهوم و نحوه اندازهگیری آن
اگر در صنعت فولاد هستید یا به دنبال یافتن نوع فولاد هستید، ارقامی مانند RC60 یا 45HRC را مشاهده خواهید کرد. اما این حروف و اعداد چه چیزی را نشان میدهند و چرا مهم هستند؟ در این مقاله منظور از سختی راکول، فرآیند اندازهگیری آن، چگونگی درک مقیاس راکول و کاربرد آن در تعیین مواد مناسب برای هدف مورد نظر بحث خواهد شد.
قبل از پرداختن به سختی راکول، ابتدا باید منظور از اصطلاح سختی را درک کنیم. سختی یکی از ویژگیهایی است که برای تعیین دوام کلی و مقاومت سایشی یک ماده استفاده میشود. سختی یک ویژگی فیزیکی است که به عنوان توانایی مقاومت ماده در برابر فرورفتگی سطح یا تغییر شکل پلاستیک موضعی تعریف میشود. به طور کلی، سختی معیاری برای سنجش مقاومت فلز در برابر سایش، خراش و فرورفتگی است.
سختی نشانگر دوام ماده است. هر چه مقدار سختی یک ماده بالاتر باشد، در برابر سایش و تغییر شکل مقاومت بیشتری دارد. آزمایش سختی روی فولاد یا هر مادهای به شما این امکان را میدهد که مشخص کنید آیا ماده مورد نظره برای کار شما مناسب است یا خیر. برای تعیین مقدار سختی، میتوانید چندین آزمایش از جمله آزمایش سختی راکول، آزمایش سختی برینل، میکروسختی، ناپ، ویکرز و راکول سطحی را انجام دهید. در این مقاله، ما صرفاً بر روی آزمایش سختی راکول تمرکز میکنیم.
1.1. سختی راکول چیست؟
سختی راکول مجموعهای از آزمونهای فرورفتگی برای اندازهگیری سختی فلزات است که برای تولید مقیاس استاندارد سختی به نام مقیاس راکول استفاده میشود. این آزمون بر اساس فرورفتگی یک جسم ساچمهای یا الماسه در فلز مورد آزمایش اندازهگیری میشود. آزمایش سختی راکول عمق نفوذ یک فرورفتگی را تحت یک بار بار اصلی در مقایسه با نفوذ ایجاد شده توسط یک پیش بار (بار جزئی) اندازهگیری میکند.
مقیاسهای مختلفی برای بیان سختی راکول وجود دارند که با حرف لاتین مشخص میشوند که از بارها یا فرورفتگیهای متفاوتی در آنها استفاده میشود. مقدار سختی راکول یک عدد بدون بعد است که به عنوان HRA، HRB، HRC و غیره مشخص میشود و در آن حرف آخر (A، B، C) همان مقیاس راکول است.روش آزمایش راکول به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرد چرا که در مقایسه با سایر روشها بسیار متنوع و نسبتاً ساده است. آزمایش سختی راکول به دلیل سرعت و قابلیت اطمینان بالا، اغلب از نظر تجاری مورد علاقه است. همچنین، مواد مختلف را میتوان چندین بار بدون آسیبدیدگی آزمایش کرد.
2.1. آزمایش سختی راکول
آزمایش سختی راکول شامل یک عملیات مکانیکی است که در آن ابزار فرورونده از جنس الماس بر روی ماده مورد آزمایش قرار میگیرد. سپس یک نیروی اولیه اعمالی و عمق فرورفتگی اندازهگیری میشود. سپس، بار نیروی کل اضافه میشود و عمق فرورفتگی دوباره اندازهگیری میشود. در نهایت، کل بار اعمالی حذف و تنها نیروی اولیه اعمالی باقی میماند. تفاوت بین عمق نفوذ قبل و بعد از اعمال نیروی کل برای محاسبه مقدار سختی راکول استفاده میشود. مقدار سختی راکول به کمک رابطه زیر محاسبه میشود:
100 – (H/0.002) = مقدار سختی راکول
که در آن H = عمق فرورفتگی بر حسب میلیمتر است.
ترتیب عملیات:
۱- اعمال بار جزئی (موقعیت “صفر”)
۲- اعمال تدریجی بار تا رسیدن به بار اصلی (حداکثر موقعیت نفوذ)
۳- برداشتن بار تا رسیدن به بار جزئی
عدد به دست آمده نشان دهنده تفاوت عمق از موقعیت صفر در نتیجه اعمال بار اصلی است. کل این روش به چند ثانیه زمان نیاز دارد، بنابراین مزیت اصلی آزمون راکول این است که نتایج به سرعت و مستقیماً بدون نیاز به اندازهگیری ثانویه و ابعادی به دست میآیند.
3.1. انوع سختی راکول بر اساس نوع فرورونده در آزمایش
رایجترین نوع ماده فرورونده، یک مخروط الماسی با زاویه 120 درجه برای آزمایش بر روی فولادها و کاربیدهای سخت است. مواد نرمتر معمولاً با استفاده از ساچمههای کاربید تنگستن با قطرهای 1/16 در تا 1/2 اینچ آزمایش میشوند. ترکیبی از مقدار فرورفتگی و نیروی آزمایشی مقیاس راکول را تشکیل میدهد. این ترکیبات 30 مقیاس مختلف را تشکیل میدهند و به عنوان عدد سختی واقعی و سپس حروف HR و سپس مقیاس مربوطه بیان میشوند.
برای مثال، عدد سختی 63HRC نشان دهنده سختی 63 در مقیاس راکول C است. مقادیر بالاتر نشان دهنده مواد سختتر مانند فولاد سخت یا کاربید تنگستن است. این مواد میتوانند مقادیر بیش از 70HRC داشته باشند.
4.1. انواع تست سختی راکول
هنگام پیروی از روش تست سختی راکول می توان از مقیاسهای متعددی استفاده کرد. انتخاب مقیاس بستگی به نوع جسم فرورونده و باری که اعمال میکنید دارد. به عنوان مثال، مقیاس C از جسم مخروطی الماسی و مقیاس B از یک جسم ساچمهای شکل با بار سبکتر استفاده میکند. مقیاسها به اختصار بصورت HRC (مخفف Rockwell Hardness B) نشان داده میشوند.
شناسایی مقیاس صحیح برای مادهای که آزمایش میکنید میتواند دشوار باشد، اما به طور کلی، هر چه ماده نرمتر باشد، باید بار اعمالی کمتر باشد. همین امر در مورد ضخامت نیز صدق میکند. اگر یک ماده نازک برای آزمایش دارید، نباید فرورفتگی بزرگ و با بار سنگین اعمال کنید زیرا به قطعه مورد آزمایش آسیب میرساند. به طور معمول، اگر سختی یک ماده سخت مانند فولاد سخت را اندازهگیری میکنید، از مقیاس C استفاده کنید. همچنین، از مقیاس E یا F برای مواد نرمتر استفاده میشود. جدول استاندارد مقیاس سختی راکول بر حسب بار اصلی و نوع ماده فرورونده در زیر آورده شدهاست.
| مقیاس | فرورونده | بار اصلی (بر حسب Kgf) |
| HRA | مخروط الماس | 60 |
| HRB | گوی 1/16 اینچ | 100 |
| HRC | مخروط الماس | 150 |
| HRD | مخروط الماس | 100 |
| HRE | گوی 1/8 اینچ | 100 |
| HRF | گوی 1/16 اینچ | 60 |
| HRG | گوی 1/16 اینچ | 150 |
5.1. استانداردهای تست سختی راکول
روشهای تست سختی راکول در استانداردهای زیر تعریف شده است:
ASTM E18 Metals،
ISO 6508 Metals و
ASTM D785 Plastics.
توصیه میشود که اپراتورها یک نسخه از استانداردهای مربوطه را هنگام کار به همراه داشته باشند. این استانداردها به طور مرتب به روزرسانی میشوند.
6.1. خطاهای آزمایش سختی راکول
معمولاً آزمایش راکول به عنوان یکی از روشهای آزمایش ساده تلقی میشود و در واقع میتواند بسیار سریع و دقیق باشد. با این حال، اطمینان از صحیح بودن وضعیت دستگاه و نمونه و تنظیم آنها برای اطمینان از نتایج منسجم و دقیق مهم است. در واقع، عوامل زیادی وجود دارند که میتوانند بر نتیجه آزمایش راکول تأثیر منفی بگذارند. در بیشتر موارد، با اطمینان از انجام اقدامات صحیح و با کالیبراسیون و نگهداری مناسب میتوان از این خطاها اجتناب کرد.
1.6.1. خطای خود دستگاه
یکی از عوامل اولیه موثر بر دقت و قابلیت اطمینان در تست راکول، خطای خود دستگاه است. آزمایشهای تکرارپذیری و بازتولیدپذیری (GR&R) بر روی تجهیزات مختلف به کاربر این امکان را میدهد که به طور مستقیم متغیرهای داخلی مقادیر ماشین را مقایسه کند (هرچه مقدار آن کمتر باشد، عملکرد تجهیزات بهتر است).
2.6.1. خطای ناشی از فرورفتگی
یکی از رایجترین منابع خطا، آسیبهای ناشی از فرورفتگی است. فروروندههای الماسه بسیار سخت و در عین حال نسبتا شکننده هستند و بنابراین ممکن است در اثر ضربه شدید آسیب ببینند. چنین آسیبی (یا سایش بیش از حد نوک الماس) مقاومت در برابر نفوذ را تغییر میدهد و معمولاً منجر به خواندن سختی بالا خواهد شد. همچنین، فرورفتگی ناشی از ساچمه تغییر شکل یافته به طور مشابه خوانشهای بالایی را ایجاد میکند.
3.6.1. خطای انحراف در بارگیری
یکی دیگر از دلایل رایج خطا، انحراف در بارگیری است. این خطا میتواند ناشی از عوامل بسیاری باشد، که همه آنها معمولاً باعث خوانش اشتباه مقدار سختی میشوند. اگر فک دستگاه آسیب ببیند یا یک فرورفتگی در آن ایجاد شود، هر ماده برجسته در سطح مقداری انحراف را تحت بارگیری جذب میکند. به همین ترتیب، اگر در ناحیه تماس کثیفی یا چربی وجود داشته باشد، باعث انحراف بیش از حد و تغییر در میزان سختی میشود.
4.6.1. خطای نمونه مورد آزمایش
خود نمونه در آزمایش تست سختی راکول اهمیت دارد. در حالی که تست راکول نسبت به روشهای تست نوری نسبت به آمادهسازی سطح حساس نیست اما هر چه شرایط سطح بهتر باشد، نتایج دقیقتر و تکرارپذیرتر خواهند بود. نمونه باید همیشه قبل از آزمایش تمیز شود. همچنین، نمونه باید در طول آزمایش به صورت ثابت نگه داشته شود، زیرا هر حرکت نمونه میتواند به طور قابل توجهی بر نتیجه آزمایش تأثیر بگذارد.
