استانداردهای تست سختی سنجی: تضمین کیفیت محصولات صنعتی

تست سختی سنجی یکی از مهم‌ترین روش‌های ارزیابی خواص مکانیکی مواد است که به طور گسترده در صنایع مختلف از جمله متالورژی، ساخت و تولید، و علوم مواد مورداستفاده قرار می‌گیرد. این تست به‌منظور اندازه‌گیری مقاومت مواد در برابر تغییر شکل دائمی یا خراشیده‌شدن طراحی شده است و اطلاعات ارزشمندی درباره کیفیت، دوام و کارایی مواد در اختیار مهندسان و محققان قرار می‌دهد. در این مقاله، به بررسی اصول پایه‌ای تست سختی سنجی، روش‌های مختلف آن، کاربردها و اهمیت این تست در صنعت پرداخته خواهد شد.

تست سختی سنجی فلزات چیست؟

اندازه‌گیری سختی از طریق اعمال نیروی مشخص به یک ماده سخت‌تر روی سطح ماده مورد آزمایش و سپس اندازه‌گیری عمق فرورفتگی حاصل شده صورت می‌گیرد. این فرایند اجازه می‌دهد تا مقاومت ماده در برابر تغییر شکل دائمی ارزیابی شود. زمان و نحوه فشاردادن، همچنین اندازه و شکل فرورفتگی از جمله عوامل کلیدی در تعیین سختی هستند. در زیر دو روش تست سختی سنجی استاتیکی و داینامیکی رو به طور جداگانه بررسی می‌کنیم.

تست سختی سنجی استاتیک

تست سختی سنجی استاتیکی، روشی معتبر و دقیق برای سنجش مقاومت مواد در برابر تغییر شکل دائمی است. این روش شامل اعمال یک نیروی ثابت به یک ماده سخت‌تر برای فشاردادن به سطح ماده مورد آزمایش و سپس اندازه‌گیری عمق یا اندازه فرورفتگی حاصل می‌شود. تست سختی استاتیکی به دلیل دقت بالا و قابلیت اطمینان در نتایج، در بسیاری از صنایع برای ارزیابی مواد و کنترل کیفیت مورداستفاده قرار می‌گیرد. واحد سختی فلزات معمولاً بر اساس استانداردهای مشخصی تعیین می‌شود و به‌عنوان یکی از شاخص‌های مهم در نتایج این آزمایش شناخته می‌شود. 

فرایند تست سختی سنجی استاتیکی با استفاده از دستگاه‌های تست سختی مخصوص انجام می‌شود. در این روش، نیرویی مشخص به واسطه یک سر فرورفتگی (مانند توپ فولادی یا الماس) به نمونه ماده اعمال می‌شود. میزان فرورفتگی که تحت این نیرو روی ماده ایجاد می‌شود، سپس بادقت اندازه‌گیری می‌شود. عمق یا اندازه فرورفتگی به‌عنوان معیاری برای تعیین سختی ماده مورداستفاده قرار می‌گیرد. واحد سختی فلزات بسته به روش تست، مانند برینل، راکول یا ویکرز، متفاوت است و هر کدام معیارهای خاص خود را برای اندازه‌گیری دارند. 

مزایای تست سختی استاتیکی به‌صورت زیر است: 

• دقت بالا: تست سختی استاتیکی به دلیل استفاده از نیروهای اعمالی کنترل‌شده و دقت بالا در اندازه‌گیری، نتایجی دقیق و قابل‌اطمینان ارائه می‌دهد. 
• قابلیت اطمینان: این روش به دلیل سابقه طولانی و استانداردهای بین‌المللی معتبر، برای ارزیابی ویژگی‌های مکانیکی مواد به‌شدت قابل‌اعتماد است. 
• انعطاف‌پذیری: تست سختی استاتیکی برای انواع مختلفی از مواد قابل‌اجرا است و امکان سنجش خواص مختلفی از جمله استحکام، مقاومت در برابر فشار، و دوام را فراهم می‌آورد. 

واحد سختی فلزات به‌عنوان یک معیار اساسی در این آزمایش، به مهندسان و محققان کمک می‌کند تا مقایسه دقیقی بین ویژگی‌های مکانیکی مواد مختلف داشته باشند. از تست سختی استاتیکی در محدوده گسترده‌ای از صنایع از جمله فلزکاری، مهندسی مواد، تولید قطعات خودرو، و تحقیقات علمی استفاده می‌شود. 

تست سختی سنجی استاتیکی، بادقت و قابلیت اطمینان بالا، ابزار حیاتی در ارزیابی مواد و کنترل کیفیت در صنایع مختلف است. انتخاب صحیح روش تست و دقت در انجام آزمایش، اطلاعاتی در مورد خواص فیزیکی مواد ارائه می‌دهد که برای تضمین کیفیت و عملکرد محصولات در کاربردهای واقعی ضروری است. در این فرایند، واحد سختی فلزات به‌عنوان شاخصی استاندارد، نقشی کلیدی در تفسیر نتایج نهایی ایفا می‌کند.

تست سختی سنجی داینامیک

تست سختی دینامیکی سرعت برگشت یک فرورفتگی متحرک را هنگامی که به نمونه ماده برخورد کرده و برگشت می‌کند را می‌سنجد. مقدار سختی به‌دست‌آمده از فاصله برگشت یا سرعت برگشت تعیین می‌شود. معمولاً در مواردی استفاده می‌شود که تست سختی سنجی استاتیکی (تکمیل شده در دستگاه آزمایش) ممکن است عملی نباشد، مانند خارج از زمین، یا زمانی که نمونه‌های بزرگ درگیر هستند. آزمایش سختی دینامیک معمولاً به‌اندازه آزمایش سختی استاتیک دقیق نیست.

روش تست سختی دینامیکی، یک رویکرد پیشرفته در اندازه‌گیری سختی مواد است که بر اساس اصول فیزیکی متفاوتی نسبت به روش‌های استاتیک سنتی قرار دارد. در این روش، بجای اعمال یک نیروی ثابت و اندازه‌گیری عمق فرورفتگی که در تست‌های استاتیک معمول است، سختی ماده از طریق برخورد و بازگشت یک فرورفتگی متحرک به نمونه اندازه‌گیری می‌شود.

در تست سختی دینامیکی، یک بال پیچ یا مهره با سرعت مشخص به سمت نمونه ماده پرتاب می‌شود. برخورد این فرورفتگی با نمونه و سرعت بازگشت آن پس از برخورد، معیاری برای اندازه‌گیری سختی ماده فراهم می‌کند. مقدار سختی بر اساس فاصله یا سرعت برگشت فرورفتگی تعیین می‌شود که نشان‌دهنده میزان انرژی جذب شده توسط نمونه در زمان برخورد است.

مزایای تست سختی سنجی دینامیکی به‌صورت زیر است:

• قابلیت انعطاف در محیط آزمایش: این روش برای آزمایش در شرایط مختلف، از جمله در محل‌هایی که دسترسی به تجهیزات آزمایشگاهی محدود است یا برای نمونه‌های بزرگ که به‌سختی به دستگاه‌های استاتیک منتقل می‌شوند، ایده‌آل است.
• سرعت بالای آزمایش: تست‌های دینامیکی به‌سرعت انجام می‌شوند که این امر باعث صرفه‌جویی در زمان و افزایش کارایی در فرایندهای ارزیابی می‌شود.
• کاربرد در شرایط ویژه: برای نمونه‌هایی که نیاز به آزمایش در محیط‌های خاص دارند، مانند در محل‌های ساخت‌وساز یا در محیط‌هایی با دسترسی محدود، این روش بسیار مفید است.

تست سختی داینامیکی در بسیاری از صنایع کاربرد دارد، از جمله در تولید فلزات، معدن، ساخت‌وساز، و همچنین در تحقیق‌وتوسعه محصولات جدید که نیاز به ارزیابی سریع و مؤثر مواد دارند. این روش به‌ویژه برای تست مواد در شرایط دشوار یا برای نمونه‌هایی که به‌راحتی قابل‌حمل نیستند، ایده‌آل است.

با اینکه تست سختی دینامیکی مزایای بسیاری دارد، اما معمولاً به‌اندازه روش‌های استاتیک دقیق نیست و محدودیت‌های دارد. این ناهماهنگی به دلیل عواملی مانند تغییرات در سرعت برخورد و فرورفتگی، و همچنین تأثیر شرایط محیطی بر نتایج آزمایش است؛ بنابراین، درحالی‌که این روش برای ارزیابی سریع و در محل مناسب است، ممکن است برای برخی کاربردهای دقیق تحقیقاتی یا توسعه محصول که نیازمند داده‌های بسیار دقیق هستند، کافی نباشد.

از چه روش‌های برای تست سختی سنجی استفاده می‌شود؟

متداول‌ترین روش‌های تست سختی شامل برینل، راکول، ویکرز می‌شود. هر کدام از این روش‌ها برای نوع خاصی از مواد طراحی شده‌اند، مانند فلزات، سرامیک‌ها، و لاستیک‌ها، و بر اساس معیارهای مختلفی مانند نوع فشار، مدت‌زمان اعمال نیرو و اندازه فرورفتگی انتخاب می‌شوند. در ویژگی‌های هر کدام از این تست‌ها روباهم مرور می‌کنیم.

تست سختی راکول (Rockwell Hardness Test)

Rockwell به دلیل سرعت بالا و قابلیت خواندن مستقیم، برای کنترل کیفیت در تولید مواد فلزی بسیار مورداستفاده قرار می‌گیرد. سختی راکول با محاسبه عمق فرورفتگی ایجاد شده توسط یک فرورفتگی در نمونه ماده تحت یک‌بار مشخص تعیین می‌شود. این روش تست، به‌خصوص برای نمونه‌های با هندسه بزرگ‌تر ایده‌آل است.Rockwell همچنین می‌تواند برای انجام تست‌های پیشرفته‌تر مانند تست Jominy (End Quench) استفاده شود.

تست سختی ویکرز (Vickers Hardness Test)

تست سختی ویکرز برای اندازه‌گیری سختی تمام مواد جامد، از فلزات گرفته تا سایر مواد، استفاده می‌شود. سختی ویکرز با اندازه‌گیری طول‌های مورب فرورفتگی باقی‌مانده از فرورفتگی هرمی الماس تحت یک‌بار مشخص محاسبه می‌شود. قطرهای فرورفتگی برای تعیین سختی به‌صورت نوری اندازه‌گیری و با استفاده از جدول یا فرمول تبدیل می‌شوند. ویکرز برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب است و شامل زیرگروه‌هایی از تست‌های سختی، از جمله تست سختی جوش، می‌باشد.

تست سختی سنجی برینل (Brinell Hardness Test)

تست سختی برینل بیشتر برای اندازه‌گیری سختی در مواد با ساختار دانه‌ای درشت یا ناهمگن مناسب است. این روش تست به‌خصوص برای نمونه‌های بزرگ‌تر که نیاز به ارزیابی وسیع‌تر دارند، مناسب است. فرورفتگی‌ها با استفاده از یک توپ کاربید تنگستن ایجاد می‌شوند که تأثیر نسبتاً بزرگی بر جای می‌گذارد. تست سختی برینل برای مواد استفاده شده در آهنگری و ریخته‌گری، جایی که عناصر ساختاری بزرگ مشاهده می‌شوند، ایده‌آل است.

سایر تست‌ های سختی سنجی

از سایر روش‌های تست سختی سنجی می‌توان به روش‌های زیر اشاره کرد:

• تست سختی نوپ (Knoop Hardness Test): یکی از روش‌های مطرح برای ارزیابی میکرو سختی مواد نازک یا شکننده است. این روش با ایجاد یک فرورفتگی کم‌عمق توسط یک هرم الماسی دراز، امکان اندازه‌گیری دقیق و معناداری از سختی را فراهم می‌کند. استفاده از قطر بلند فرورفتگی به‌عنوان مبنای محاسبه سختی کنوپ، این تست را برای بررسی‌های دقیق میکروسکوپی ایده‌آل می‌سازد.
• مقیاس سختی موس (Mohs Hardness Scale): استانداردی از سختی نسبی مواد معدنی را بر اساس قابلیت خراش دادن آنها از 1 تا 10 ارائه می‌دهد. سختی یک کانی در این مقیاس با سنجش توانایی خراشیدن آن توسط مواد دیگر با سختی شناخته شده موس و رتبه‌بندی آن بر اساس این توانایی اندازه‌گیری می‌شود. این روش ارزیابی، برای تعیین خصوصیات سایشی مواد معدنی و تعیین سختی نسبی آنها استفاده می‌شود.
• تست سختی شور (Shore Hardness Test): این نوع تست سختی سنجی شیوه‌ای مطرح برای اندازه‌گیری سختی مواد نرم‌تر مانند الاستومرها و پلاستیک‌ها است. این تست با فشرده‌سازی یک فرورفتگی فنری (طول سنج) در نمونه و اندازه‌گیری عمق نفوذ انجام می‌پذیرد که سپس به مقدار سختی تبدیل می‌شود. تست سختی شور، به دلیل توانایی اندازه‌گیری دقیق سختی در مواد با انعطاف‌پذیری بالا، در صنایع مختلف کاربرد دارد.

سختی سنج پرتابل

دستگاه سختی ‌سنج پرتابل یک ابزار قابل‌حمل است که برای اندازه‌گیری سختی مواد مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه‌ها عموماً در صنایع مختلفی مانند صنایع فلزی، ساخت‌وساز، خودروسازی، و صنایع مهندسی مورداستفاده قرار می‌گیرند.

ویژگی‌های دستگاه سختی‌سنج پرتابل می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• رنج اندازه‌گیری: دستگاه قادر به اندازه‌گیری سختی در رنج‌های مختلف از مقادیر سختی مانند HL، HRC، HRB، HB، HV و HS است.
• دقت اندازه‌گیری: دستگاه با دقت‌های مختلفی به اندازه‌گیری سختی مواد می‌پردازد.
• تنوع پارامترهای اندازه‌گیری: برخی از دستگاه‌ها قابلیت اندازه‌گیری پارامترهای مختلف سختی مانند Rockwell B&C، Brinell، Vickers و Shore را دارا هستند.
• قابلیت اندازه‌گیری در تمام جهات: برخی از دستگاه‌ها قادرند سختی مواد را در تمام جهات اندازه‌گیری کنند.
• پشتیبانی از مواد مختلف: این دستگاه‌ها قادرند از جمله فلزات مختلف را برای اندازه‌گیری سختی پوشش دهند.
• نمایشگر LCD با نور پس‌زمینه: این نمایشگرها اطلاعات اندازه‌گیری شده را به کاربر نشان می‌دهند.
• حافظه داخلی: برخی دستگاه‌ها دارای حافظه داخلی هستند که می‌توانند اطلاعات اندازه‌گیری شده را ذخیره کنند.
• پشتیبانی از اتصال به کامپیوتر: برخی از این دستگاه‌ها دارای پورت‌ها و رابط‌هایی برای اتصال به کامپیوتر و انتقال داده‌ها به نرم‌افزار مربوطه هستند.
• نرم‌افزار تجزیه‌وتحلیل داده‌ها: برخی از دستگاه‌ها همراه با نرم‌افزارهایی هستند که امکان تجزیه‌وتحلیل داده‌های اندازه‌گیری شده را فراهم می‌کنند.

این دستگاه‌ها برای اندازه‌گیری سختی مواد و کنترل کیفیت در فرایندهای تولید مورداستفاده قرار می‌گیرند و اهمیت بالایی در اطمینان از استانداردهای کیفیتی و استاندارد سختی سنجی محصولات دارند.

چند نمونه دستگاه تست سختی سنجی شامل موارد زیر است:

• سختی سنج پرتابل D06
• سختی‌سنج دیجیتال هارتیپ 3000 ابزاری پرتابل برای اندازه‌گیری سختی انواع فلزات
• سختی سنج فلزات و غیر فلزات، دورومتر سینو ایج SINO AGE HARTIP100

مهم‌ترین استاندارد سختی سنجی چیست؟

استانداردهای بین‌المللی معتبر برای تست‌های سختی مواد فلزی به طور عمومی توسط ASTM (انجمن مواد آزمایشی آمریکا) و ISO (سازمان بین‌المللی استانداردسازی) ارائه می‌شوند. این استانداردها شامل روش‌های استانداردی برای اندازه‌گیری سختی مواد فلزی هستند و تضمین می‌کنند که اندازه‌گیری‌ها و ارزیابی‌ها به طور قابل‌قبولی انجام شود. در اینجا چهار استاندارد سختی سنجی معتبر برای تست‌های سختی در مواد فلزی ذکر شده است: 

ASTM E18 / ISO 6508:این استاندارد سختی سنجی برای تست سختی راکول (Rockwell) در مواد فلزی استفاده می‌شود. این تست بر مبنای عمق نفوذ سوزن یا بالانسیر به سطح نمونه است. 

ASTM E10 / ISO 6506: برای اندازه‌گیری سختی برینل فلزات با استفاده از یک گوی فولادی تحت بار مشخص به کار می‌روند. از تحمل یک بال (بال مخصوص) به سطح نمونه، انجام می‌شود. این روش برای مواد با سطوح نرم و متوسط استفاده می‌شود. 

ASTM E384 / ISO 6507: این نوع استاندارد برای تست سختی ویکرز (Vickers) استفاده می‌شود که با استفاده از یک الماس مخروطی به سطح نمونه انجام می‌شود. این روش برای مواد با سطوح سخت استفاده می‌شود. 

ASTM E140 / ISO 6509: استاندارد سختی سنجی ذکر شده برای تست سختی ساپورت (Scleroscope) استفاده می‌شود که با استفاده از انرژی انتقال‌یافته از یک‌مهره فلزی کوچک به سطح نمونه، انجام می‌شود. این روش برای مواد با سطوح نسبتاً نرم استفاده می‌شود. 

استاندارد سختی سنجی برای تضمین دقت و قابلیت تکرار اندازه‌گیری سختی در مواد فلزی، روش‌های استاندارد و قابل‌اعتمادی را ارائه می‌کنند که توسط صنایع مختلف به‌عنوان مرجع برای اندازه‌گیری سختی مورداستفاده قرار می‌گیرند. در این متن، واحد سختی سنجی به‌عنوان ابزارهای ضروری در ارزیابی و مقایسه سختی مواد فلزی نقش اساسی دارند.

تست سختی‌ سنجی چه کاربردهایی دارد؟

تست سختی ‌سنجی یک فرایند مهم در صنایع مختلف است که برای اندازه‌گیری مقاومت یا سختی مواد استفاده می‌شود. این فرایند به طور گسترده در صنایع مختلفی اعم از صنایع فلزی، خودروسازی، هوافضا، پزشکی، ساخت‌وساز و… به کار می‌رود. در زیر توضیحاتی کامل و یونیک درباره کاربردهای تست سختی ارائه شده است:

• کنترل کیفیت در تولید: یکی از کاربردهای اصلی تست سختی،  کنترل کیفیت محصولات تولیدی است. با انجام این تست‌ها، می‌توان مطمئن شد که مواد استفاده شده در تولید، مطابق با استانداردهای تعیین شده هستند و مقاومت لازم را دارند.
• انتخاب مواد مناسب: تست سختی ‌سنجی به کارخانه‌ها و شرکت‌های تولیدکننده کمک می‌کند تا مواد مناسب برای مصارف خاص خود را انتخاب کنند. با اندازه‌گیری سختی مواد، می‌توان تضمین کرد که آنها قابلیت تحمل شرایط و فشارهای موردنیاز را دارند.
• اصلاح فرایندهای حرارتی: در صنایعی که از فرایندهای حرارتی مانند تمرین، تمپر، نرم کردن و… استفاده می‌شود، تست سختی برای کنترل و اصلاح این فرایندها بسیار مفید است. اندازه‌گیری سختی قبل و بعد از اعمال فرایندهای حرارتی، به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا مطمئن شوند که محصولات نهایی دارای سختی مطلوب هستند.
• تعیین خواص مکانیکی: سختی مواد یکی از خواص مهم در مکانیک مواد است. با تست سختی سنجی، می‌توان خواص مکانیکی مواد مانند مقاومت به کشش، انعطاف‌پذیری و تغییر شکل را تخمین زد.
• پیش‌بینی عمر مفید: در برخی صنایع، مانند صنایع خودروسازی و هوافضا، پیش‌بینی عمر مفید قطعات بسیار حیاتی است. سختی ‌سنجی می‌تواند به تعیین عمر مفید قطعات و اجزای مختلف کمک کند و از پیش‌بینی خرابی‌های زودرس جلوگیری نماید.

به‌طورکلی، تست سختی‌ یکی از ابزارهای مهم در کنترل کیفیت و بهبود عملکرد مواد و محصولات است که در انواع مختلف صنایع به کار می‌رود.

آیا می‌توان تست سختی ‌سنجی را روی هر نوع ماده‌ای انجام داد؟

در پاسخ به این سؤال باید گفت که نمی‌توان تست سختی سنجی را روی هر نوع ماده‌ای انجام داد. به‌طورکلی، تست سختی را می‌توان تقریباً بر روی هر نوع ماده‌ای انجام داد، اما استثناهایی وجود دارد که نمی‌توان آن را اعمال کرد. به‌عنوان‌مثال، این ماده باید جامد یا حداقل ژل‌مانند باشد. حتی برخی از مواد جامد را نمی‌توان از نظر سختی آزمایش کرد، مانند اینکه سطح بسیار نامنظمی دارند یا غیرهمگن هستند.

اصولاً، تست سختی ‌سنجی برای موادی که دارای ساختار بلوری (بخصوص فلزات، فلزات آلیاژی، سرامیک‌ها و برخی پلیمرها) هستند مورداستفاده قرار می‌گیرد. این مواد دارای یک ساختار داخلی منظم و مرتب هستند که سبب می‌شود تست سختی ‌ برای آنها معنادار باشد.

اما برای موادی مانند مایعات، گازها، مواد آلی غیرفلزی و مواد فومی، تست سختی معمولاً معنادار نیست چرا که این نوع مواد دارای ساختار داخلی بلوری نیستند؛ بنابراین، در این موارد، اندازه‌گیری سختی معمولاً امکان‌پذیر نیست یا معنادار نیست.

در مجموع، می‌توان گفت که تست سختی برای موادی که دارای ساختار بلوری و منظم هستند، معنادار است و از آن برای ارزیابی و کنترل کیفیت مواد در صنایع مختلف استفاده می‌شود.

جدول میزان سختی فولادها چگونه است؟

سختی فولادها یکی از ویژگی‌های مهم  برای کارایی و عمرانی مواد در مهندسی است. انواع تست سختی ‌سنجی مانند برینل، راکول و ویکرز برای اندازه‌گیری سختی فولادها استفاده می‌شود. جدول میزان سختی فولادها، مقاومت آنها را نسبت به خوردگی و سایش نشان می‌دهد. انتخاب مناسب‌ترین فولاد برای هر کاربرد از اهمیت بالایی برخوردار است.

کلام آخر:

تست سختی سنجی به‌عنوان یکی از روش‌های کلیدی در ارزیابی خواص مکانیکی مواد در صنایع مختلف ایفا می‌کند. این تست نه‌تنها اطلاعات ارزشمندی درباره مقاومت مواد در برابر تغییر شکل یا خراش ارائه می‌دهد، بلکه به‌عنوان معیاری برای کنترل کیفیت، انتخاب مواد مناسب و بهبود فرایندهای تولید نیز مورداستفاده قرار می‌گیرد. روش‌های مختلف سختی سنجی؛ مانند برینل، راکول، ویکرز و نوپ، هر کدام باتوجه‌به نوع ماده و نیازهای خاص صنعتی، کاربردهای گسترده‌ای دارند.