آزمون سختی ویکرز
آزمایش سختی ویکرز (به انگلیسی: Vickers hardness test) در سال ۱۹۲۱ یا ۱۹۲۲ توسط رابرت ال. اسمیت و جورج ای. سندلند در ویکرز لیمیتد (Vickers Ltd) به عنوان جایگزینی برای روش برینل برای اندازهگیری سختی مواد توسعه یافت.[۱]
سختی ویکرز یکی از معیارهای استاندارد سختی است که بر اساس مقاومت مواد در برابر فروروندهٔ هرمی شکل از جنس الماس، سختی آنها را تعیین میکند. استفاده از آزمون ویکرز اغلب از سایر آزمایشهای سختی آسانتر است؛ زیرا محاسبههای مورد نیاز مستقل از اندازه فرورفتگی است و از فرورونده میتوان برای تمام مواد صرف نظر از سختی آنها استفاده کرد.
اصل اساسی در این روش، مانند سایر اندازهگیریهای سختی معمول، مشاهده توانایی یک ماده در مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک از یک منبع استاندارد است. آزمون ویکرز برای کلیه فلزها قابل استفاده است و یکی از وسیعترین مقیاسها را در بین آزمایشهای سختی دارد. واحد سختی داده شده توسط این آزمون به عنوان شماره هرم ویکرز (HV) یا سختی الماس هرمی (DPH) شناخته میشود. عدد سختی را میتوان به واحد پاسکال تبدیل کرد، اما نباید آن را با فشار که از همان واحدها استفاده میکند اشتباه گرفت؛ زیرا عدد سختی با توجه به نیروی وارد بر مساحت سطح جانبی تورفتگی (و نه ناحیه عمود بر سطح) تعیین میشود.
اصول آزمایش و فرمولها
[ویرایش | اشتراکگذاری]
فروروندهٔ بکار رفته در این روش، الماس هرمی با قاعدهٔ مربع شکل است که سطوح مقابل آن با زاویه ۱۳۶ درجه به یکدیگر میرسند. تصمیم بر آن شد که شکل تورفتگی بدون در نظر گرفتن اندازه باید قادر به تولید نشانگذاریهای مشابه هندسی باشد. همچنین نشانگذاری باید دارای نقاط اندازهگیری کاملاً مشخص بوده و فرورونده مقاومت بالایی در برابر تغییر شکل داشته باشد.
طبق آزمایشها مشخص شده بود که اندازه ایدهآل یک نشانگذاری برینل، $۳/۸$ قطر توپ بود. از آنجا که دو خط مماس بر دایره در انتهای وتری به طول $3d/۸$، در زاویه ۱۳۶ درجه یکدیگر را قطع میکنند، تصمیم گرفته شد که از این زاویه به عنوان زاویه موجود بین وجههای صفحه نوک فرورونده استفاده شود. این زاویه نسبت به خط عمود بر صفحه افقی، در هر طرف معادل ۲۲ درجه است. آزمایشها نشان داد که مقدار سختی بدست آمده بر روی یک قطعه ماده همگن، صرف نظر از میزان نیرو، ثابت میماند.[۲]
بسته به سختی ماده مورد آزمایش، نیروهایی با اندازههای مختلف بر روی یک سطح صاف اعمال میشود. مقدار سختی ماده پس از آزمایش از نسبت نیرو به مساحت سطح جانبی تورفتگی ($F/A$) به دست میآید:
مساحت سطح جانبی تورفتگی ($A$) با فرمول زیر محاسبه میشود: $$A = \frac{d^2}{2 \sin(136^\circ/2)}$$
با محاسبه عبارت سینوسی، رابطه به صورت زیر ساده میشود: $$A \approx \frac{d^2}{1.8544}$$
در نتیجه، مقدار سختی ویکرز ($HV$) از رابطه زیر بدست میآید:[۳] $$HV = \frac{F}{A} \approx \frac{2F \sin(136^{\circ}/2)}{d^2} \approx \frac{1.8544 F}{d^2} \quad [\textrm{kgf/mm}^2]$$
که در آن:
- $F$ نیروی اعمال شده بر حسب کیلوگرمنیرو (kgf) است.
- $d$ طول متوسط دو قطر باقی مانده از تورفتگی بر حسب میلیمتر است ($d = \frac{d_1 + d_2}{2}$).
محاسبه با واحدهای SI
[ویرایش | اشتراکگذاری]برای محاسبه عدد سختی ویکرز با استفاده از واحدهای سیستم بینالمللی (SI)، اگر نیرو ($F$) بر حسب نیوتن ($N$) باشد، باید آن را بر شتاب گرانش استاندارد ($۹٫۸۰۶۶۵$) تقسیم کرد تا به کیلوگرمنیرو تبدیل شود. این امر منجر به معادله زیر میشود:[۴] $$HV \approx {0.1891}\frac{F}{d^2} \quad [\textrm{N/mm}^2]$$
یک خطای معمول این است که تصور شود فرمول فوق منجر به عددی با واحد $N/mm^2$ (یا مگاپاسکال) میشود؛ در حالی که این فرمول مستقیماً عدد سختی ویکرز (که بر حسب $1\,\textrm{kgf/mm}^۲$ تعریف شده و معمولاً بدون واحد گزارش میشود) را به دست میدهد.
برای تبدیل عدد سختی ویکرز به واحد مگاپاسکال ($MPa$)، مقدار آن باید در $۹٫۸۰۶۶۵$ ضرب شود و برای تبدیل به گیگاپاسکال ($GPa$) باید بر ۱۰۰۰ تقسیم گردد.
سختی بر پایه مساحت تصویرشده
[ویرایش | اشتراکگذاری]گاهی از سختی بر پایه مساحت تصویرشده (Projected Area) تورفتگی ($A_p$) استفاده میشود که به صورت زیر تعریف میشود:[۵] $$A_p = \frac{d_{avg}^2}{2}$$
ویژگیها و استانداردهای آزمایش
[ویرایش | اشتراکگذاری]روش آزمایش سختی ویکرز یک آزمون استاتیک است که از استانداردهای بینالمللی زیر پیروی میکند:
- ISO 6507 (بخشهای ۱ تا ۴)
- ASTM E92
- ASTM E384
دامنه بار اعمالی در استاندارد ISO از $1\,\textrm{gf}$ آغاز میشود و در استانداردهای ASTM تا $120\,\textrm{kgf}$ متغیر است. این ویژگی نشان میدهد که میتوان از این روش برای تشخیص سختی در تمامی دامنههای بار، از سطح میکرو (ریزسختی) تا سطح کلان (ماکرو) استفاده کرد. این روش یک فرایند نوری است که در آن ابعاد اثر بهجا مانده به کمک سیستمهای نوری اندازهگیری میشود.
نحوه گزارش سختی ویکرز
[ویرایش | اشتراکگذاری]اعداد سختی ویکرز به صورت xxxHVyy گزارش میشوند (مانند 440HV30). در صورتی که زمان اعمال نیرو خارج از محدوده استاندارد (۱۰ الی ۱۵ ثانیه) باشد، به صورت xxxHVyy/zz ثبت میشود (مانند 440HV30/۲۰) که در آن:
- ۴۴۰: عدد سختی ویکرز است.
- HV: نشاندهنده مقیاس ویکرز است.
- ۳۰: نیروی اعمال شده بر حسب کیلوگرمنیرو ($kgf$) است.
- ۲۰: زمان اعمال نیرو بر حسب ثانیه است.
اثر اندازه تورفتگی (ISE)
[ویرایش | اشتراکگذاری]مقادیر سختی ویکرز بهطور کلی مستقل از نیروی آزمایش هستند؛ به این معنی که برای بارهای $500\,\textrm{gf}$ تا $50\,\textrm{kgf}$ سختی یکسانی گزارش میشود، به شرطی که نیرو حداقل $200\,\textrm{gf}$ باشد.[۶] با این حال، در نیروهای بسیار کم، سختی محاسبهشده ممکن است به عمق تورفتگی وابسته باشد که این پدیده به عنوان «اثر اندازه تورفتگی» (Indentation Size Effect - ISE) شناخته میشود.[۷]
محدودیت ضخامت نمونه
[ویرایش | اشتراکگذاری]عمق تورفتگی ($t$) برای نمونههای نازک به دلیل اثرات تداخلی لایه زیرین حائز اهمیت است. ضخامت نمونه باید حداقل $۲٫۵$ برابر قطر تورفتگی باشد. عمق تورفتگی را میتوان با فرمول زیر تخمین زد: $$t = \frac{d_{avg}}{2\sqrt{2}\tan(\theta/2)} \approx \frac{d_{avg}}{7.0006}$$
مقادیر سختی نمونه برای مواد مختلف
[ویرایش | اشتراکگذاری]| مواد | سختی (HV) |
|---|---|
| آهن | ۳۰–۸۰ |
| فولاد کربنی | ۵۵–۱۲۰ |
| فولاد ضدزنگ 316L | ۱۴۰ |
| فولاد ضدزنگ 347L | ۱۸۰ |
| مارتنزیت | ۱۰۰۰ |
| الماس | ۱۰٬۰۰۰ |
موارد احتیاط
[ویرایش | اشتراکگذاری]هنگام آزمایش، باید حداقل فاصله مشخصی بین دو اثر تورفتگی متوالی و همچنین فاصله اثر تا لبه نمونه رعایت شود تا اثرات کارسختی جانبی بر نتایج اثر نگذارد. این مقادیر در استانداردهای مختلف به شرح زیر است:
| استاندارد | فاصله بین تورفتگیها ($d$) | فاصله مرکز تورفتگی تا لبه نمونه ($d$) |
|---|---|---|
| ISO 6507-1 | $> 3d$ (آلیاژهای فولاد و مس) $> 6d$ (فلزات سبک) |
$2.5d$ (آلیاژهای فولاد و مس) $> 3d$ (فلزات سبک) |
| ASTM E384 | $2.5d$ | $2.5d$ |
برآورد مقاومت در برابر کشش
[ویرایش | اشتراکگذاری]اگر سختی ویکرز بر حسب مگاپاسکال ($MPa$) بیان شود، مقاومت کششی نهایی ماده ($\sigma_u$) را میتوان به صورت زیر تقریب زد: $$\sigma_u \approx \frac{HV}{c} \approx \frac{HV}{3}$$
که در آن $c$ ثابتی است که بر اساس مقاومت تسلیم، نسبت پواسون، توان کارسختی و عوامل هندسی، معمولاً مقداری بین ۲ تا ۴ دارد.[۹] این رابطه تجربی بهطور کلی به رفتار سختشوندگی ماده بستگی دارد.[۱۰]
کاربردهای صنعتی و حوادث
[ویرایش | اشتراکگذاری]پینهای اتصال باله در هواپیمای Convair 580 بر اساس استانداردهای سازنده باید دارای سختی معادل $390\textrm{HV}۵$ میبودند. با این حال، در بررسی سانحه هوایی پرواز ۳۹۴ پارتنیر مشخص شد که این پینها با قطعات غیراستاندارد و ضعیفتری که سختی آنها تنها حدود $200\,\text{to}\,230\textrm{HV}۵$ بود تعویض شده بودند؛ این امر موجب سایش شدید، ارتعاش ناخواسته و در نهایت سقوط هواپیما گردید.[۱۱]
پانویس
[ویرایش | اشتراکگذاری]- ↑ R.L. Smith & G.E. Sandland, "An Accurate Method of Determining the Hardness of Metals, with Particular Reference to Those of a High Degree of Hardness," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Vol. I, 1922, p 623–641.
- ↑ The Vickers Hardness Testing Machine بایگانیشده در ۲۳ اکتبر ۲۰۱۶ توسط Wayback Machine. UKcalibrations.co.uk. Retrieved on 2016-06-03.
- ↑ ASTM E384-10e2
- ↑ ISO 6507-1:2005(E)
- ↑ Fischer-Cripps, Anthony C. (2007). Introduction to contact mechanics (2nd ed.). New York: Springer. pp. 212–213. ISBN 978-0-387-68188-7. OCLC 187014877.
- ↑ Vickers Test بایگانیشده در ۲۱ اکتبر ۲۰۱۴ توسط Wayback Machine. Instron website.
- ↑ Nix, William D.; Gao, Huajian (1998-03-01). "Indentation size effects in crystalline materials: A law for strain gradient plasticity". Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 46 (3): 411–425. Bibcode:1998JMPSo..46..411N. doi:10.1016/S0022-5096(97)00086-0. ISSN 0022-5096.
- ↑ Smithells Metals Reference Book, 8th Edition, ch. 22
- ↑ "Hardness". matter.org.uk. Archived from the original on 3 مارس 2014. Retrieved 5 دسامبر 2020.
- ↑ Zhang, P. (September 2011). "General relationship between strength and hardness". Materials Science and Engineering A. 529: 62. doi:10.1016/j.msea.2011.08.061.
- ↑ Report on the Convair 340/580 LN-PAA aircraft accident North of Hirtshals, Denmark on September 8, 1989 | aibn. Aibn.no. Retrieved on 2016-06-03.
خواندن بیشتر
[ویرایش | اشتراکگذاری]- Meyers and Chawla (1999). "Section 3.8". Mechanical Behavior of Materials. Prentice Hall, Inc.
- ASTM E92: Standard method for Vickers hardness of metallic materials (withdrawn and replaced by E384-10e2)
- ASTM E384: Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials
- ISO 6507-1: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 1: Test method
- ISO 6507-2: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 2: Verification and calibration of testing machines
- ISO 6507-3: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 3: Calibration of reference blocks
- ISO 6507-4: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 4: Tables of hardness values
- ISO 18265: Metallic materials – Conversion of Hardness Values
پیوند به بیرون
[ویرایش | اشتراکگذاری]- ویدئو آزمون سختی ویکرز
- جزئیات تست سختی ویکرز
- جدول تبدیل مقیاسها بایگانیشده در ۱۶ ژوئیه ۲۰۱۱ توسط Wayback Machine - مقیاسهای ویکرز، برینل و راکول
- متالورژی: سختیسنجی به روش ویکرز
- اصول فنی سختیسنجی ویکرز