[bigbang]

آزمایش راکول
آزمایش سختی راکول شبیه آزمایش برینل است که در آن عدد سختی، نسبتی از بزرگی حفره ای است که توسط یک دندانه و با وارد آوردن یک بار ثابت معین بر روی قطعه نمونه به وجود می آید. مشخصات انجام این روش از آزمون سختی در استاندارد ASTME18-74 تعیین گردیده است.
آزمایش راکول با آزمایش برینل از نظر اصول متفاوت است، زیرا در آزمایش راکول سه نوع بار و سه نوع دندانه مختلف را می توان انتخاب کرد. اختلاف آزمایش راکول با آزمایش برینل در کوچکتر بودن بار وارده و شکل دندانه ایجاد کننده حفره است و در نتیجه حفره ایجاد شده کوچکتر و کم عمق تر خواهد بود. بنابراین طیف کاربرد آن وسیع تر از آزمایش برینل و انجام آن سریع تر
می باشد، چون می توان مستقیما قرائت عدد سختی را انجام داد. آزمایش راکول توسط دستگاهی انجام می شود که به صورت خاص برای این کار طراحی شده و در آن از مجموعه ای از وزنه ها و اهرم ها برای وارد کردن بار استفاده می شود.
دندانه فرورونده یا نفوذ کننده ممکن است یک ساچمه فولادی سخت شده به قطر اینچ یا اینچ بوده و یا یک مخروط الماسه با زاویه 120 درجه که نوک مخروط آن گرد شده و برینل نامیده می شود، باشد. عدد سختی که روی نشانگر مدرج می توان قرائت کرد، یک عدد دلخواه قراردادی است که به طور معکوس با عمق حفره ایجاد شده، متناسب می باشد. مقیاس به کار رفته برای آزمایش، نشان دهنده بار وارده و نوع دندانه استفاده شده می باشد.
در موقع استفاده از دستگاه، ابتدا یک بار کوچک به اندازه 10 کیلوگرم بر روی قطعه وارد می نمایند تا سبب ایجاد یک حفره کوچک شده و دندانه، داخل این حفره مستقر و محکم شود. سپس درجه تنظیم دستگاه روی علامت "SET" قرار داده شده و بار اصلی بر روی قطعه وارد می آید. بار اصلی معمولا بین 60 تا 100 کیلوگرم برای ساچمه فولادی است و در بعضی مواقع در صورت لزوم مقدار بار ممکن است بیشتر شود. برای دندانه الماسه بریل، نیروی 150 کیلوگرم به کار برده می شود.
قطر ساچمه فولادی معمولا اینچ است ولی ساچمه هایی با قطرهای و و اینچ برای موادی با سختی کمتر نیز قابل استفاده می باشند. پس از آن که بار اصلی بر روی قطعه وارد آمده و برداشته شد، عدد سختی از روی نشانگر مدرج خوانده می شود در حالی که بار کوچک اولیه هم چنان در محل قرار دارد. جدول 1 نشان دهنده مقیاس، نوع دندانه مورد استفاده، بار وارده و ماده مناسب نمونه آزمون در دستگاه سختی سنج راکول می باشد.

جدول 1: مقیاس های سختی راکول ]1[

در سختی سنجی راکول، عدد سختی به تنهایی وجود ندارد، چون عدد سختی به نوع دندانه استفاده شده و میزان بار وارده بستگی دارد. بنابراین یک حرف مشخص کننده لازم است تا مقادیر به دست آمده از آزمایش مفهوم گردد.
نشانگر مدرج دستگاه دارای دو دسته ارقام است که یکی قرمز و دیگری سیاه بوده و به اندازه 30 واحد سختی با یکدیگر اختلاف دارند. این نشانگر ها برای مقیاس های B و C طراحی شده بودند که این مقیاس ها برای اولین بار به صورت استاندارد در آمده و به صورت معمول دارای بیشترین کاربرد بودند. اعداد قرمز برای خواندن نتایج مربوط به استفاده از دندانه ساچمه ای، بدون در نظر گرفتن اندازه قطر ساچمه و یا مقدار بار وارده می باشد و اعداد سیاه فقط برای دندانه های الماسه به کار می رود.
مقیاس B برای آزمایش مواد با سختی متوسط که سختی آنها از صفر تا 100 باشد، استفاده می شود. چنانچه ساچمه برای سختی بیشتر از 100 استفاده شود، احتمال دارد که سطح برخورد ساچمه با قطعه، مسطح شده و بنابراین نتایج خوانده شده صحیح نباشند.
مقیاس C بیشترین مورد استفاده را برای مواردی که عدد سختی آنها بیشتر از 100 B باشد، دارد. عدد سختی سخت ترین فولادها، در حدود 70C می باشد.
دامنه مفید کاربرد مقیاس C از عدد 20C به بالا می باشد. تغییرات در تراش الماسه برینل سبب عدم دقت در خواندن سختی موادی که سختی آنها زیر 20C بوده و همچنین میزان فرورفتگی در آنها کوچک باشد، می گردد. به منظور بالا بردن میزان دقت آزمایش، باید سعی شود مقیاسی انتخاب گردد که کوچک ترین اندازه ساچمه، مورد استفاده قرار گیرد، زیرا هر چه اندازه دندانه بزرگ تر شود، دقت و حساسیت نتایج آزمون کمتر خواهد شد.
مقیاس های راکول به 100 قسمت مساوی تقسیم شده اند که هر قسمت یا هر عدد سختی برابر با 002/0 میلی متر عمق فرورفتگی است. بنابراین اختلاف دو عدد سختی 53B و 56B برابر با خواهد شد. از آن جایی که مقیاس ها به صورت معکوس در نظر گرفته شده اند، هر اندازه عدد مربوط به نتیجه آزمون بزرگتر باشد، سختی قطعه زیادتر خواهد بود.
سطح قطعه مورد آزمایش بایستی صاف و بدون پلیسه، اکسیده، چاله و یا مواد خارجی در رو و زیر آن باشد. ضخامت قطعه مورد آزمایش باید به قدری باشد که در موقع آزمایش بر روی سندان شکم نداده و تغییر شکل پیدا نکند. زیرا اگر قطعه تغییر شکل پیدا کند، نتیجه صحیح به دست نمی آید. روی سطوح کروی را باید با سوهان و یا سنگ زدن، صاف کرد. تمام قطعات بایستی با ضخامت ثابت تحت آزمایش قرار گیرند.
به منظور جلوگیری از اشتباهاتی که به علت برخورد با یک نقطه سخت، ناخالصی قطعه، چاله و سوراخ های کوچک و یا سایر معایب موجود بر روی سطح قطعه به وجود می آید، معمولا بر روی هر قطعه، سه آزمایش در سه نقطه مختلف آن انجام شده و معدل نتیجه سه آزمایش به عنوان عدد سختی آن قطعه ثبت می گردد. عدد سختی راکول را می توان به برینل تبدیل کرد و بالعکس.
برای تبدیل عدد سختی راکول با مقیاس C که بین 20 تا 40 باشد، عدد سختی برینل از فرمول زیر محاسبه می شود:
و برای سختی راکول C که بیشتر از 40 باشد از فرمول زیر محاسبه می شود:

و برای محاسبه عدد سختی برینل در برابر عدد سختی راکول B که بین 35 تا 100 باشد از فرمول زیر استفاده می شود:
آزمایش ویکرز
محاسبه سختی مواد با استفاده از نسبت بار وارده به سطح فرورفتگی (مثل آزمایش برینل) شامل سایر آزمون ها نیز می گردد که یکی از آن ها آزمایش تعیین سختی به طریقه ویکرز می باشد. در این آزمون از یک دندانه الماسه کوچک، به شکل هرم مربع القاعده استفاده می گردد که زاویه نوک آن 136 درجه و بار وارده از 5 تا 120 کیلوگرم با تقسیمات 5 کیلوگرمی می تواند تغییر کند.
به منظور اجرای آزمایش، قطعات نمونه را روی سندان قرار داده و به وسیله یک پیچ، سندان به سمت بالا حرکت می کند تا قطعه دقیقا نزدیک نوک دندانه قرار گیرد. سپس با آزاد کردن اهرم شروع کننده آزمایش، یک بازوی سنگین که نسبت آن 20 به یک می باشد، رها شده و وزن بازو به آرامی بر روی دندانه وارد می آید و سپس بازو به محل اولیه بر می گردد. آماده کردن مجدد دستگاه برای آزمایش به وسیله فشار دادن یک پدال پایی انجام می شود. پس از آن که سندان به پایین آورده شد، میکروسکوپ بر روی قطعه قرار گرفته و قطر مربع فرورفتگی با دقت 001/0 میلی متر اندازه گرفته می شود.
در صورت لزوم، از ساچمه هایی به قطر 1 یا 2 میلی متر به عنوان دندانه نیز می توان استفاده نمود. از دستگاه ویکرز اصولا در پژوهش ها استفاده می شود. یکی از مزایای دستگاه ویکرز که بعضی از کاربران این دستگاه به آن اعتراف کرده اند، دقت اندازه گیری ابعاد فرورفتگی حاصله است.
اندازه گیری قطر مربع، بسیار دقیق تر از اندازه گیری قطر دایره است زیرا برای اندازه گیری قطر دایره بایستی فاصله دو خط مماس بر دایره اندازه گرفته شود. روش ویکرز، نسبتا سریع بوده و با آن می توان سختی نمونه های نازک تا 006/0 اینچ ضخامت را اندازه گرفت. گفته شده است که تا محدوده 1300 درجه سختی (تقریبا 150 درجه سختی برینل) نتایج این روش دارای دقت مطلوب می باشد. به نظر می رسد که امکان مسطح شدن دندانه دستگاه ویکرز کمتر از دندانه برینل باشد. از معایب آزمایش ویکرز این است که این آزمایش، مخرب بوده و سرعت اجرای آن کمتر از آزمایش برینل و راکول است و سطح نمونه را بایستی قبل از آزمایش پرداخت کرد که این کار وقت زیادی می گیرد.
اگر چه آزمایش ویکرز بسیار دقیق تر از راکول و برینل است، ولی قیمت دستگاه آن نیز بسیار گران تر می باشد. در مقابل، نتایج آزمایش ویکرز در سطح وسیعی از صنایع پذیرفته شده است. عدد سختی دستگاه ویکرز با دندانه الماس هرمی شکل، که به صورت خلاصه، DPH نوشته می شود، از فرمول زیر محاسبه می شود.
که در این فرمول DPH عبارت است از عدد سختی ویکرز با دندانه الماسه هرمی شکل بر حسب کیلوگرم بر میلی متر مربع، P بار وارده بر حسب کیلوگرم و d قطر مربع فرورفتگی بر حسب میلی متر است.
ریز سختی
چند سیستم آزمایش ریز سختی وجود دارد که دو سیستم از متداول ترین آنها آزمون های ویکرز الماسی و نوپ الماسی است. اصول روش آزمایش ریز سختی ویکرز الماسی همانند آزمون ویکرز استاندارد است با این تفاوت که به جای نیروی فرورونده چند کیلوگرمی، نیروها در حد گرم هستند. انواع این آزمون ها روی میکروسکوپ های متالوژیکی، که برای این کار طراحی شده اند، انجام
می شوند. فرو رونده هرم الماسی کوچک روی صفحه یک عدسی شیئی مخصوص جاسازی شده است. سطح نمونه آزمایش، پرداخت بسیار براق شده و برای مطالعات میکروگرافی، حکاکی (اچ) می شود. مشاهده قطعه از زیر میکروسکوپ با درشت نمایی 200 تا 2000، امکان متمرکز کردن عدسی روی دانه های مجزای ماده و فروکردن هرم الماسی با نیروی کم، در آن نقطه را فراهم می سازد. نیروی مورد استفاده معمولا بین 1 تا 100 گرم است. پس از آن قطرهای لبه مربع شکل فرورفتگی به دقت اندازه گیری و طبق روش گفته شده در قبل، سختی ماده محاسبه می شود. دقت متعارف اندازه گیری با میکروسکوپ الحاقی در حدود میلی متر است.
مشخصات انجام این آزمایش در استاندارد ASTM E334-69 تعیین گردیده است.
در این آزمون نوپ الماسی دندانه «نوپ» از الماس ساخته شده و به گونه ای تراش داده می شود که یک فرورفتگی به شکل لوزی ایجاد کند که نسبت قطر بزرگ به کوچک آن، هفت به یک می باشد. سختی سنج «توکن» که دندانه نوپ در آن به کار برده شده است، می تواند بارهایی از 25 تا 360 گرم را بر روی نمونه آزمون وارد کند. این دستگاه به شکل کاملا خودکار، فرورفتگی را بر روی قطعه ایجاد می کند.
کاربر قطعه را زیر میکروسکوپ قرار داده و یک سطح را برای انجام آزمایش سختی، مشخص
می کند. آزمایش انجام می شود و فرورفتگی ایجاد شده به وسیله میکروسکوپ اندازه گرفته
می شود. عدد سختی نوپ عبارت است از نسبت بار وارده (برحسب کیلوگرم) به سطح فرورفتگی ایجاد شده (برحسب میلی متر مربع) که از رابطه زیر محاسبه می گردد:
در این رابطه:
KHN عدد سختی نوپ (برحسب کیلوگرم بر میلی متر مربع)، P بار وارده به کیلوگرم و L قطر بزرگ لوزی فرورفتگی می باشد.
عدد سختی نوپ بین 60 تا 1000 بوده و عبارت است از مقاومت سطح قطعات نسبت به فرورفتگی و یا اندازه پلاستیک شدن سطح قطعات.
دستگاه توکن – نوپ و دستگاه های مشابه آن مثل دستگاه ویلسون – نوپ، برای آزمایش سختی قطعات کوچک و با آزمایش سختی بر روی سطح کوچک از قطعه مناسب می باشند.
اگر چه دستگاه های توکن، اکثرا مجهز به دندانه نوپ هستند ولی می توان از دندانه آزمون ویکرز به شکل هرم لوزی القاعده 136 درجه نیز استفاده کرد.
آزمون سختی اتصالات جوش داده شده
اندازه گیری سختی می تواند می تواند اطلاعاتی را در مورد تغییرات متالوژیکی ایجاد شده توسط جوشکاری ارائه کند. در فولادی سازه، به عنوان مثال سرد کردن سریع از درجه حرارت های HAZ، ممکن است موچب تشکیل مارتنزیت با سختی بسیار بالاتر از سختی فلز پایه گردد. اگر چه در مناطقی از HAZ، جایی که درجه حرارت حداکثر پایین تر است، سختی ممکن است به دلیل اثرات تمپر کمتر از سختی فلز پایه باشد. جوشکاری مواد کار سرد شده یا پیر سخت شده ممکن است منجر به سختی HAZ بسیار پایین به دلیل بازیابی و تبلور مجدد یا فراپیری شود. مقادیر سختی در اتصال جوشکاری شده معمولا نسبت به شرایط جوشکاری شامل فرآیند مورد استفاده، حرارت ورودی، درجه حرارت پیش گرم و بین پاسی، ترکیب شیمیایی الکترود و ضخامت ورق حساس می باشد.
آزمون سختی جوش ها معمولا روی مقاطع سطح اتصال سنگ زده شده، پولیش شده یا پولیش و اچ شده انجام می شود. جای فرورفتگی فرورونده ها در مناطق خاصی شامل خط مرکزی جوش، مناطق ریشه و وجه فلز رسوب یافته، HAZ فلز پایه ایجاد می شود (شکل 17). نوع آزمون سختی مورد استفاده در ابتدا بستگی به سختی یا استحکام ماده، اندازه اتصال جوشکاری شده و نوع اطلاعات مورد نیاز دارد. آزمون برینل یک محل فرورفتگی بزرگ، معمولا به قطر 2 تا mm 6/5 به وجود می آورد و بنابراین تنها برای جوش های بزرگ مانند ورق های سنگین مناسب می باشند. آزمون راکول محل های فرورفتگی بسیار کوچکتر ایجاد می کند اما حتی این نوع آزمون هم در مقیاس ماکروسکوپی است و محل های فرورفتگی ممکن است بزرگ تر از سطوح مورد نظر باشند (خط ذوب یا منطقه دانه درشت HAZ). آزمون های ویکرز و نوپ محل های فرورفتگی به نسبت کوچکتری ایجاد می کنند و بنابراین به خوبی برای اندازه گیری های سختی مناطق مختلف HAZ مناسب می باشند.

تحقیقاتی در جهت یافتن ارتباط بین سختی و استحکام برای مواد مشخص صورت پذیرفته است، اما چنین رابطه هایی در مورد اتصالات جوشکاری شده به دلیل غیر همگن بودن اتصال باید با دقت کافی مورد استفاده قرار گیرند.