روش سختی سنجی ویکرز، روشی دقیق و پرکاربرد برای اندازهگیری مقاومت مواد در برابر فرورفتگی است. در این آزمون، یک هرم الماسی با زاویه رأس دقیق (136 درجه) تحت بار مشخصی بر سطح نمونه فشار وارد میکند. با اندازهگیری ابعاد فرو رفتگی ایجاد شده و اعمال فرمول‌های خاص، عدد سختی ویکرز محاسبه میشود. این عدد، نشان‌دهنده مقاومت ماده در برابر تغییر شکل پلاستیکی تحت فشار است.
قابلیت های استفاده از روش سختی سنجی ویکرز
روش سختی سنجی ویکرز به دلیل دقت بالا، قابلیت استفاده برای طیف وسیعی از مواد (از فلزات و سرامیک‌ها تا مواد کامپوزیتی) و امکان اندازهگیری سختی در نواحی کوچک، به طور گسترده‌ای در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، هوافضا و پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش که اولین بار در سال 1922 توسط اسمیت و ساندلند در ویکرز لیمیتد (Vickers Limited) به عنوان جایگزینی برای روش برینل توسعه یافت، امروزه به عنوان یکی از استانداردهای اصلی در آزمون‌های سختیسنجی شناخته میشود.
مراحل اندازهگیری سختی ویکرز
اندازهگیری روش سختی سنجی ویکرز به روش زیر انجام میشود:
- آماده‌سازی نمونه: سطح نمونه باید کاملاً صاف و عاری از هرگونه زبری یا آلودگی باشد. در صورت نیاز، سطح نمونه با سنباده یا روشهای مشابه صیقل داده میشود تا ناهمواری ها برطرف شود.
- انتخاب نیرو یا بار: انتخاب بار مناسب در آزمایش از اهمیت بالایی برخوردار است. این بار با توجه به نوع ماده و ویژگی‌های مورد نظر تعیین میشود. در روش سختی سنجی ویکرز ، معمولاً از بارهایی بین 100 گرم تا 100 کیلوگرم استفاده میشود.
- اعمال ایندنتور الماسی: در این آزمایش، یک الماس هرمی با زاویه راس 134 درجه به مدت 10 تا 15 ثانیه بر روی سطح نمونه فشار وارد میکند.
- برداشتن بار: پس از اتمام زمان اعمال نیرو، بار به آرامی و بدون ایجاد ضربه یا لرزش از روی سطح برداشته میشود. در این مرحله، اثری از فرورفتگی بر روی سطح ماده قابل مشاهده است.
- اندازهگیری فرورفتگی: برای تعیین دقیق ابعاد فرورفتگی ایجاد شده، از میکروسکوپ یا ابزارهای اندازهگیری دقیق استفاده میشود. معمولاً طول و عرض دو قطر عمود بر هم که در بزرگترین حالت فرورفتگی قرار دارند، اندازهگیری می‌شوند.
- محاسبه سختی: با استفاده از ابعاد اندازهگیری شده و فرمول مشخصی که برای محاسبه روش سختی سنجی ویکرز وجود دارد، مقدار سختی ماده به دست می‌آید.
روش محاسبه سختی ویکرز (فرمول ویکرز)
در روش سختی سنجی ویکرز ، واحد اندازهگیری سختی، کیلوگرم نیرو بر میلی‌متر مربع (kgf/mm²) یا به صورت ساده‌تر HV است.
- در این آزمون، یک نیروی مشخص و ثابت به مدت ۱۵ ثانیه بر روی نمونه اعمال میشود.
- سپس، دو قطر فرورفتگی ایجاد شده توسط ایندنتور اندازهگیری میشود. با استفاده از این ابعاد و نیروی اعمال شده، مساحت سطح فرورفتگی محاسبه شده و سپس با تقسیم نیروی اعمالی بر این مساحت، عدد سختی ویکرز به دست می‌آید. این عدد، نشان‌دهنده مقاومت ماده در برابر نفوذ ایندنتور است.
فرمول سختی سنجی در روش ویکرز چیست؟
در آزمون سختیسنجی ویکرز، برای تعیین سختی یک ماده از فرمول زیر استفاده میشود:
HV = 1.854 * (F / d²)
در این فرمول:
- HV: روش سختی سنجی ویکرز را نشان می‌دهد. این عدد بدون واحد است و به طور مستقیم سختی ماده را بیان میکند.
- F: نیرویی است که به صورت عمود بر سطح نمونه اعمال میشود و معمولاً بر حسب کیلوگرم نیرو (kgf) بیان میشود. این نیرو باعث ایجاد فرورفتگی در سطح نمونه میشود.
- d: میانگین قطر فرورفتگی ایجاد شده توسط ایندنتور الماسی است و بر حسب میلی‌متر (mm) اندازهگیری میشود. این قطر معمولاً با استفاده از یک میکروسکوپ اندازهگیری میشود.
ایندنتور یا فرورونده ویکرز (Indenter) چپیست؟
همانطور که اشاره شد ایندنتور ویکرز یک هرم مربع القاعده با زاویه رأس 136 درجه از جنس الماس است که با بدنه ای در ابعاد مختلف ساخته می شود. ایندنتور سختی ماکرو ابعاد بزرگتری نسبت به سختی میکرو دارد.
استانداردهای سختی ویکرز
- روش سختی سنجی ویکرز یکی از روشهای استاندارد برای اندازهگیری سختی مواد است که بر اساس استانداردهای بینالمللی ISO 6507، ASTM E92 و ASTM E384 انجام میشود.
- در این روش، با اعمال نیرویی متغیر بین 1 گرم‌نیرو تا 120 کیلوگرم‌نیرو بر روی یک فرورونده الماسی، فرورفتگی ایجاد شده در سطح نمونه اندازهگیری میشود.
- این روش قابلیت اندازهگیری سختی در محدوده وسیعی از مواد، از مواد بسیار نرم تا مواد بسیار سخت را دارا است و به همین دلیل در صنایع مختلف کاربرد فراوانی دارد.
مطالب دیگر ما: پیشنهاد می کنیم مقاله “مقایسه فرایندهای قالب گیری اکستروژن و تزریق” را نیز مطالعه فرمائید.
تخمین استحکام کششی ماده از روی عدد سختی ویکرز
روش سختی سنجی ویکرز ، یک آزمون رایج برای سنجش سختی مواد است. با تبدیل واحد سختی ویکرز از کیلوگرم نیرو بر میلی‌متر مربع (kgf/mm²) به مگاپاسکال (MPa)، می‌توان از آن برای برآورد تقریبی مقاومت کششی (σu) ماده استفاده کرد. رابطه تقریبی بین این دو پارامتر به صورت σu ≈ HV/c بیان میشود.
در این رابطه، c یک ثابت است که به ویژگی‌های مختلفی مانند مقاومت تسلیم، نسبت پواسون، توان سخت کاری و هندسه نمونه بستگی دارد و معمولاً مقداری بین 2 تا 4 دارد. به عبارت ساده‌تر، اگر سختی ویکرز بر حسب مگاپاسکال بیان شود، می‌توان مقاومت کششی را با تقسیم تقریبی آن بر عدد 3 تخمین زد (σu ≈ HV/3). لازم به ذکر است که این رابطه یک تقریب است و دقت آن به رفتار سخت‌کنندگی ماده بستگی دارد.
سختی میکرو ویکرز
سختیسنجی میکرو ویکرز، روشی دقیق برای اندازهگیری سختی مواد در مقیاس کوچک است.
- در این روش، از یک فرورونده الماسی بسیار کوچک (ایندنتور میکرو ویکرز) استفاده میشود که با اعمال نیرویی در محدوده ۱ تا ۱۰۰۰ گرم، فرورفتگی بسیار کوچکی (در حدود چند ده میکرومتر) بر روی سطح نمونه ایجاد میکند. این فرورفتگی معمولاً بر روی مقاطع صیقلی شده نمونه ایجاد میشود و با استفاده از میکروسکوپ نوری با بزرگنمایی حدود ۵۰۰ برابر اندازهگیری میشود.
- زمان اعمال نیرو و مدت زمان نگهداری نیرو نیز در این روش بسیار مهم بوده و به ترتیب حداکثر ۱۰ و ۱۵ ثانیه است. این روش به دلیل دقت بالا و امکان اندازهگیری سختی در مناطق بسیار کوچک، برای بررسی سختی فلزات با ابعاد و ضخامت کم و همچنین برای اندازهگیری سختی فازهای مختلف در ساختار میکروسکوپی مواد بسیار مناسب است.
مزایا و معایب سختی سنجی ویکرز
روش سختی سنجی ویکرز روشی گسترده برای اندازهگیری سختی انواع مختلف فلزات از بسیار نرم تا بسیار سخت است. با این حال، این روش دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشد. سرعت پایین انجام آزمون، نیاز به آماده‌سازی دقیق سطح نمونه و احتمال خطا در اندازهگیری قطر فرورفتگی ایجاد شده توسط ایندنتور، از جمله این محدودیت‌ها هستند.
سخن پایانی
روش سختی سنجی ویکرز به عنوان یکی از روشهای دقیق و پرکاربرد در اندازهگیری سختی مواد، نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ایفا میکند. با درک اصول این روش و مزایای آن، می‌توان از آن برای کنترل کیفیت مواد، انتخاب مناسبترین مواد برای کاربردهای مختلف و ارزیابی خواص مکانیکی مواد استفاده کرد.
سوالات متداول درباره روش سختی سنجی ویکرز
-
چرا از آزمون سختی ویکرز استفاده میشود؟
با توجه به مزایای متعدد سختی سنجی راکول، این روش به یکی از پرکاربردترین روشهای اندازهگیری سختی مواد تبدیل شده است. دقت بالای این روش که ناشی از استفاده از فرورونده الماسی و اندازهگیری دقیق فرورفتگی است، امکان تعیین دقیق سختی مواد را فراهم میکند. همچنین، تطبیقپذیری بالا و قابلیت اندازهگیری در مقیاس کوچک، این روش را برای طیف وسیعی از مواد و کاربردها مناسب ساخته است. علاوه بر این، وجود استانداردهای بینالمللی مشخص برای این روش، مقایسه نتایج حاصل از آزمایشهای مختلف را امکانپذیر میسازد.
-
تفاوت سختی ویکرز با سایر روشهای سختیسنجی چیست؟
یکی از تفاوتهای اصلی بین روشهای سختی سنجی ویکرز، برینل و راکول، نوع فروروندهای است که در هر یک از آنها استفاده میشود. در روش ویکرز، از یک هرم الماسی استفاده میشود، در حالی که در روشهای برینل و راکول از فروروندههای دیگری مانند کره فولادی یا مخروط الماسی استفاده میشود. همچنین، فرمول محاسبه سختی در هر یک از این روشها متفاوت است و این تفاوتها باعث میشود هر روش برای محدوده خاصی از مواد و کاربردها مناسبتر باشد.
-
چه کاربردهایی برای آزمون سختی ویکرز وجود دارد؟
از ازمون سختی سنجی ویکرز برای کنترل کیفیت، انتخاب مناسبترین ماده برای یک کاربرد خاص، بررسی خواص مواد و تحقیقات علمی استفاده می شود.
بدون دیدگاه