سختی چیست؟

سختی مقاومت یک ماده را در برابر تغییر شکل دائمی زمانی که نیرو به سطح آن وارد می شود اندازه گیری می کند. این خاصیت تعیین می کند که یک ماده در برابر فشار مکانیکی چقدر در برابر فرورفتگی، خراشیدگی یا سایش مقاومت می کند. مهندسان و سازندگان برای پیش‌بینی مقاومت در برابر سایش، انتخاب مواد مناسب و اطمینان از مطابقت اجزا با مشخصات عملکرد، بر مقادیر سختی تکیه می‌کنند.

درک سختی مواد

در هسته خود، سختی نشان دهنده نحوه پیوند اتم ها در ساختار یک ماده است. وقتی یک جسم سخت‌تر را به جسم نرم‌تر فشار می‌دهید، ماده نرم‌تر برای همیشه تغییر شکل می‌دهد، زیرا پیوندهای اتمی آن اجازه جابجایی را می‌دهند. مواد سخت تر دارای پیوندهای بین مولکولی قوی تری هستند که در برابر این بازآرایی مقاومت می کنند.

این مفهوم با استحکام یا سفتی متفاوت است، اگرچه این ویژگی‌ها مرتبط هستند. یک ماده می تواند قوی و در عین حال نرم باشد، مانند سرب، که در برابر شکستن مقاومت می کند اما به راحتی فرو می رود. الماس نمونه ای از سختی فوق العاده است-اتم های کربن با پیوند محکم آن خراش یا فرورفتگی آن را تقریبا غیرممکن می کند.

سختی به چندین عامل مرتبط بستگی دارد:

ریزساختارنقش غالب را ایفا می کند. فلزات حاوی شبکه های کریستالی هستند که در آن اتم ها در الگوهای تکراری قرار می گیرند. مواد واقعی شامل مرزهای دانه، نابجایی، و عیوب نقطه ای هستند که مقاومت در برابر تغییر شکل را تقویت یا تضعیف می کنند. اندازه دانه های کوچکتر معمولاً سختی را از طریق رابطه هال-افزایش می دهند، جایی که مرزهای دانه حرکت نابجایی را مسدود می کند.

ترکیب شیمیاییاستحکام پیوند را تعیین می کند. فلزات با پیوند فلزی قوی، مانند تیتانیوم و بریلیم، بهتر از سدیم یا قلع در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند. افزودن‌های آلیاژی اغلب سختی را افزایش می‌دهند{2}}افزودن کروم به آهن باعث ایجاد فولاد ضدزنگ با بهبود سختی و مقاومت در برابر خوردگی می‌شود.

تاریخچه پردازشسختی را به طور قابل توجهی تغییر می دهد. عملیات حرارتی، سخت کاری، و عملیات سطحی ریزساختار را تغییر می دهند. یک قطعه فولادی می تواند از نرمی نسبتاً نرم در حالت آنیل شده تا بسیار سخت پس از خاموش شدن و تمپر کردن متغیر باشد.

فرآیندهای تولید مانندقالب گیری تزریق فلزبا مدیریت دقیق ترکیب پودر، دمای تف جوشی و سرعت خنک شدن، قطعاتی با سختی کنترل شده ایجاد کنید. اجزای MIM معمولاً 95 تا 99 درصد چگالی مواد فرفورژه را به دست می آورند و در صورت پردازش مناسب، مقادیر سختی قابل مقایسه ای را به قطعات سنتی تولید می کنند.

انواع سختی سنجی

سه رویکرد اندازه گیری مجزا وجود دارد که هر کدام جنبه های متفاوتی از رفتار مادی را آشکار می کند.

سختی تورفتگی

این متداول ترین روش یک فرورفتگی استاندارد شده را تحت نیروی کنترل شده به سطح مواد فشار می دهد. اندازه قالب به دست آمده نشان دهنده سختی است-تورفتگی های کوچکتر به معنای مواد سخت تر است.

تست راکولعمق نفوذ را به جای قطر فرورفتگی اندازه گیری می کند. یک پیش بار کوچک مرجع را ایجاد می کند، سپس یک بار اصلی اعمال می شود و اختلاف عمق سختی را تعیین می کند. این روش به سرعت کار می‌کند، به حداقل آماده‌سازی سطح نیاز دارد و خوانش‌های فوری را بدون اندازه‌گیری نوری ایجاد می‌کند. مقیاس‌های مختلف (A، B، C) از فرورفتگی‌ها و بارهای متفاوت برای محدوده‌های مواد خاص استفاده می‌کنند. مقیاس راکول C، با استفاده از یک فرورفتگی مخروطی الماس، مناسب فولادهای سخت شده و مواد ابزار است. این آزمایش در چند ثانیه کامل می شود و آن را برای کنترل کیفیت تولید ایده آل می کند.

تست برینلاز یک کاربید تنگستن یا توپ فولادی سخت شده استفاده می کند که به سطح فشار داده می شود. اپراتورها قطر فرورفتگی حاصل را به صورت نوری اندازه گیری می کنند و سختی را با تقسیم بار اعمال شده بر سطح سطح فرورفتگی محاسبه می کنند. فرورفتگی بزرگ خواص را در یک منطقه وسیع به طور میانگین می کند و اثرات زبری سطح یا تغییرات ساختار دانه را کاهش می دهد. این امر باعث می شود آزمایش برینل برای ریخته گری، آهنگری و مواد با ریزساختار درشت که تغییرات محلی ممکن است نتایج حاصل از فرورفتگی های کوچکتر را منحرف کند، بسیار ارزشمند است.

تست ویکرزاز یک فرورفتگی هرم الماسی استفاده می‌کند که شکل مربعی-شکل ایجاد می‌کند. اندازه گیری قطری زیر میکروسکوپ سختی را تعیین می کند. این روش در محدوده‌های سختی بسیار وسیع-از فلزات نرم تا سرامیک‌ها{4}}با استفاده از هندسه فرورفتگی یکسان با بارهای مختلف کار می‌کند. انواع ریزسختی بارهای کمتر از 1 کیلوگرم{7}}نیرو اعمال می‌کند و امکان اندازه‌گیری روی پوشش‌های نازک، ویژگی‌های کوچک یا فازهای ریزساختاری منفرد را فراهم می‌کند. تسترهای خودکار ویکرز مدرن می‌توانند تغییرات سختی را در اتصالات جوشی، لایه‌های{9}}سخت‌شده یا مناطق تحت تأثیر حرارت{10}} ترسیم کنند.

تست Knoopیک تورفتگی{0}}به شکل الماس دراز ایجاد می کند که فقط قطر بلند را اندازه می گیرد. این هندسه مناسب مواد شکننده ای است که در معرض ترک خوردن در زیر فرورفتگی های ویکرز قرار دارند. فرورفتگی کم عمق همچنین امکان آزمایش پوشش های نازک یا لایه های سطحی را بدون تأثیر بستر فراهم می کند. دانشمندان مواد زمانی از تست Knoop استفاده می‌کنند که ویژگی‌های جهتی مهم هستند، زیرا دندانه دراز سختی ناهمسانگرد را نشان می‌دهد.

سختی خراش

تست های خراش به جای فرورفتگی، ابزار نوک تیز را تحت فشار فزاینده روی سطح می کشند. مقیاس Mohs که برای کانی شناسی توسعه یافته است، مواد را بر اساس موادی که مواد را خراش می دهند، رتبه بندی می کند 1-10. تالک رتبه 1، الماس رتبه 10. این رویکرد در حالی که کیفی است، به سرعت مواد بدون تجهیزات تخصصی را مقایسه می کند.

آزمایش خراش مدرن نیروی مورد نیاز برای نفوذ به پوشش ها یا ایجاد آسیب قابل مشاهده را کمیت می کند. صنعت داروسازی از سختی خراش برای ارزیابی پوشش‌های قرص استفاده می‌کند، در حالی که دانشمندان مواد لایه‌های نازک و درمان‌های سطحی را ارزیابی می‌کنند.

سختی برگشت

آزمایش دینامیک یک جرم استاندارد شده را روی سطح ماده می‌اندازد و ارتفاع پرش را اندازه‌گیری می‌کند. مواد سخت تر و الاستیک تر، انرژی بیشتری را برمی گرداند و باعث برگشت بیشتر می شود. آزمایش لیب، که به طور گسترده با تجهیزات قابل حمل استفاده می شود، آزمایش-ساختارهای بزرگ، لوله کشی یا ماشین آلات مونتاژ شده را در جایی که برداشتن نمونه عملی نیست، امکان پذیر می کند.

سختی ساحلی، اگرچه از نظر فنی یک روش فرورفتگی است، بازیابی الاستیک فوری را اندازه گیری می کند و برای الاستومرها، پلاستیک ها و مواد نرم مناسب است. مقیاس های مختلف (Shore A، D، و غیره) موادی از لاستیک های نرم تا پلاستیک های سخت را در خود جای می دهند.

استانداردها و روش های تست سختی

روش‌های استاندارد تکرارپذیری را تضمین می‌کنند و امکان مقایسه معنادار را فراهم می‌کنند. ASTM International و ISO مشخصات دقیقی را برای کالیبراسیون تجهیزات، هندسه فرورفتگی، اعمال بار و روش های اندازه گیری منتشر می کنند.

ASTM E18 آزمایش راکول مواد فلزی را کنترل می کند و انواع فرورفتگی، نیروهای آزمایش و انتخاب مقیاس را مشخص می کند. بازنگری سال 2024 الزامات آزمایش‌کننده‌های راکول قابل حمل و روش‌های تأیید به‌روزرسانی را برای بهبود ثبات اندازه‌گیری در تجهیزات مختلف روشن کرد.

ISO 6507 تست سختی ویکرز را با الزامات هندسه فرورفتگی (زاویه هرم 136 درجه)، دقت اندازه‌گیری نوری و محدوده نیروی تست پوشش می‌دهد. استاندارد نحوه محاسبه اثرات لبه فرورفتگی و تاثیرات پرداخت سطح را شرح می دهد.

شرایط آزمایش به طور قابل توجهی بر نتایج تأثیر می گذارد. آماده سازی سطح، اکسیداسیون، مقیاس یا پوشش هایی را که اندازه گیری ها را تغییر می دهند، حذف می کند. حداقل ضخامت مورد نیاز از نفوذ زیرلایه جلوگیری می کند-نمونه ها باید از 10 برابر عمق فرورفتگی تجاوز کنند. فاصله بین فرورفتگی ها و لبه های نمونه باید به میدان های تنش اجازه دهد تا به طور کامل بدون تعامل ایجاد شوند.

دما به طور قابل توجهی بر سختی تأثیر می گذارد. بیشتر مشخصات نیاز به تست در 5 ± 23 درجه دارند. دماهای بالا معمولاً سختی را کاهش می دهند زیرا انرژی حرارتی حرکت اتمی را امکان پذیر می کند. برخی از استانداردهای آزمایش "سختی گرم" را برای موادی که در دماهای بالا کار می کنند، مورد توجه قرار می دهند.

برای اجزای قالب‌گیری تزریقی فلز، تست سختی کارایی پخت را تأیید می‌کند. قطعات MIM که به درستی زینتر شده اند با چگالی 96-98 درصد به مقادیر سختی در 5 تا 10 درصد معادل های فرفورژه دست می یابند. آزمایش قطعات MIM سخت‌شده به روش‌های ریزسختی برای نقشه‌برداری گرادیان سختی از سطح تا هسته نیاز دارد، و اطمینان حاصل شود که عملیات حرارتی عمق مشخص‌شده را ایجاد می‌کند.

عوامل موثر بر سختی مواد

درک اینکه چه چیزی سختی را کنترل می کند به مهندسان کمک می کند تا قطعات را طراحی کرده و روش های پردازش را انتخاب کنند.

عناصر آلیاژیاصلاح سختی از طریق تقویت محلول جامد یا تشکیل رسوب. کربن در فولاد سختی را به طور چشمگیری افزایش می دهد - 0.1٪ کربن فولاد نسبتاً نرم را تولید می کند، در حالی که کربن 0.8٪ مواد بسیار سخت تری تولید می کند. کروم، مولیبدن و وانادیم ذرات کاربید سختی را تشکیل می دهند که در برابر فرورفتگی مقاومت می کنند.

عملیات حرارتیاز تبدیل فازها برای کنترل سختی استفاده می کند. خاموش کردن فولاد از دمای بالا، اتم‌های کربن را در ساختار شبکه‌ای مخدوش به نام مارتنزیت به دام می‌اندازد و سختی شدید و همچنین شکنندگی ایجاد می‌کند. تمپر کردن سختی را کمی کاهش می دهد در حالی که چقرمگی را بهبود می بخشد. سخت شدن سن آلیاژهای آلومینیوم باعث رسوب ذرات ریز تقویت کننده می شود که در طول زمان در دماهای متوسط ​​سختی را افزایش می دهند.

کار سخت شدناز تغییر شکل مکانیکی سختی را با ایجاد گره‌های نابجایی که مانع از تغییر شکل بیشتر می‌شود، افزایش می‌دهد. نورد سرد، شات پنیری یا سنگ زنی سطحی همگی سختی را افزایش می دهند، اگرچه اثر در نزدیکی سطوح متمرکز می شود.

اندازه دانهسختی را از طریق رابطه هال-روابط پچ تحت تأثیر قرار می دهد. دانه های ریزتر به معنای مرزهای بیشتر دانه برای جلوگیری از حرکت نابجایی و افزایش سختی است. تکنیک‌های تغییر شکل پلاستیک شدید، دانه‌های بسیار ریز با سختی استثنایی ایجاد می‌کنند، اگرچه حفظ پایداری در طول سرویس مستلزم بررسی دقیق است.

قالب گیری تزریقی فلز کنترل منحصر به فردی را بر این عوامل فراهم می کند. شروع با پودر ریز (معمولاً 2-20 میکرومتر) بعد از پخت دانه های کوچکی ایجاد می کند. فرمولاسیون های آلیاژی سفارشی پاسخ تف جوشی را در حین رسیدن به اهداف سختی بهینه می کنند. MIM هندسه های پیچیده را در موادی که ماشین کاری آنها دشوار است، مانند فولادهای ابزار یا آلیاژهای تنگستن که به سختی بالایی برای مقاومت در برابر سایش نیاز دارند، امکان پذیر می کند.

رابطه بین سختی و سایر خواص

سختی با خواص مکانیکی متعددی مرتبط است و زمانی که اندازه گیری مستقیم امکان پذیر نیست، تخمین را ممکن می سازد.

استحکام کششیتقریباً به سختی در بسیاری از فلزات، به ویژه فولادهای{0} عملیات حرارتی شده مربوط می شود. برای فولادهای کربن ساده و{2}}کم آلیاژ، استحکام کششی (psi) تقریباً برابر است با سختی برینل ضربدر 500. این همبستگی به آزمایش سختی غیرمخرب اجازه می‌دهد تا استحکام را بدون نمونه‌های کششی تأیید کند. این رابطه با نوع مواد متفاوت است-کار-فلزات سخت شده نسبت‌های متفاوتی نسبت به سن-آلیاژهای سخت شده نشان می‌دهند.

مقاومت در برابر سایشبه طور کلی با افزایش سختی بهبود می یابد. قطعاتی که در معرض تماس لغزشی، ذرات ساینده یا سایش ضربه قرار می گیرند از سطوح سخت بهره می برند. با این حال، این رابطه خطی نیست-عوامل دیگری مانند چقرمگی، روانکاری، و پرداخت سطح نیز مهم هستند. مواد بسیار سخت می توانند شکننده و مستعد شکستگی باشند.

ماشین کاریمعمولاً با افزایش سختی کاهش می یابد. مواد سخت در برابر نفوذ ابزار برش، افزایش سایش ابزار و نیروهای برش مقاومت می کنند. سازندگان اغلب قطعات را در شرایط نرم تر ماشین می کنند و سپس سخت می شوند. اجزای MIM اغلب به سختی نهایی می رسند و نیاز به حداقل ماشینکاری دارند یا نیازی به ماشینکاری بعدی ندارند، هر چند که مواد سخت MIM به ابزارهای مناسب و پارامترهای برش زمانی نیاز دارند که پس از پردازش{3}} لازم است.

شکل پذیریدر برابر سختی معامله می کند. فرآیندهایی که سختی را افزایش می‌دهند-مانند کار سرد یا تبدیل مارتنزیتی- شکل‌پذیری و چقرمگی را کاهش می‌دهند. مهندسان طراح این ویژگی ها را بر اساس الزامات کاربردی متعادل می کنند. یک دندان دنده به سطوح سفت و سخت نیاز دارد اما به هسته ای محکم برای مقاومت در برابر بارهای ضربه ای نیاز دارد.

درک این روابط، انتخاب مواد را هدایت می کند. اگر قطعه ای به سختی خاصی برای مقاومت در برابر سایش نیاز داشته باشد، مهندسان می توانند استحکام و شکل پذیری تقریبی را پیش بینی کنند، سپس از طریق آزمایش بررسی کنند که آیا ترکیب تمام الزامات طراحی را برآورده می کند یا خیر.

کاربردهای تست سختی

اندازه گیری سختی اهداف متعددی را در توسعه و تولید محصول انجام می دهد.

تأیید مواداطمینان حاصل می کند که مواد دریافتی با مشخصات مطابقت دارند. بازرسی ورودی نمونه‌های تصادفی را آزمایش می‌کند تا خطاهای تامین‌کننده یا جایگزینی مواد را پیدا کند. گواهی انطباق اغلب شامل مقادیر سختی است، اما{2}}بررسی نقطه ای صحت اسناد را تأیید می کند.

اعتبار سنجی عملیات حرارتیاثربخشی پردازش را تأیید می کند. قطعات قبل و بعد از درمان تحت آزمایش سختی قرار می گیرند تا سخت شدن مناسب یا کاهش استرس را تایید کنند. تعیین عمق مورد بر روی اجزای سخت شده سطح{2}} نیازمند عبور ریزسختی از سطح به هسته، ترسیم سختی در مقابل عمق برای اطمینان از رعایت مشخصات است.

کنترل کیفیت در حین تولیدقبل از ارسال قطعات، تغییرات فرآیند را می گیرد. کنترل فرآیند آماری روند سختی را کنترل می کند و پیش از اینکه قطعات خارج از مشخصات فنی قرار بگیرند، رانش تدریجی را تشخیص می دهد. سختی سنج های خودکار برای بازرسی 100 درصدی اجزای حیاتی در خطوط تولید ادغام می شوند.

تجزیه و تحلیل شکستبررسی می کند که چرا قطعات در سرویس خراب می شوند. نگاشت سختی در اطراف سطوح شکستگی یا نواحی فرسوده نشان می دهد که آیا خواص مواد در شکست نقش داشته اند یا خیر. مقایسه سختی اجزای ناموفق با مناطق استفاده نشده یا محدوده مشخصات کمک می کند تا مشخص شود که آیا کیفیت مواد یا پردازش باعث ایجاد مشکل شده است یا خیر.

تحقیق و توسعهاز سختی برای ارزیابی مواد یا فرآیندهای جدید استفاده می کند. آزمایش انواع با ترکیبات مختلف، عملیات حرارتی یا پارامترهای پردازش، گزینه ها را به سرعت رتبه بندی می کند. پاسخ سختی به پیری یا قرار گرفتن در معرض محیط، عملکرد بلندمدت- را پیش بینی می کند.

در کاربردهای قالب‌گیری تزریقی فلز، تست سختی چندین نقش خاص را ایفا می‌کند. توسعه فرآیند از سختی برای بهینه‌سازی چرخه‌های پخت استفاده می‌کند-تخلخل پخت ناکافی باعث کاهش سختی زیر مقادیر هدف می‌شود. صلاحیت مواد، سختی جزء MIM را با معادل های فرفورژه مقایسه می کند، و نشان می دهد که MIM به خواص مورد نیاز دست می یابد. قطعات MIM فولادی ابزار برای کاربردهای برش به سختی 58{5}}62 HRC نیاز دارند که از طریق فرمولاسیون آلیاژی مناسب و عملیات حرارتی پس از تف جوشی قابل دستیابی است. قطعات MIM فولاد ضد زنگ برای ابزار پزشکی محدوده سختی (معمولا 280-320 HV برای 316L) را مشخص می کند که ضمن حفظ مقاومت در برابر خوردگی، استحکام کافی را تضمین می کند.

مقیاس ها و تبدیل های سختی رایج

روش‌های مختلف آزمون از مقیاس‌های منحصربه‌فرد استفاده می‌کنند که هنگام مقایسه مقادیر، سردرگمی ایجاد می‌کنند. جداول تبدیل معادل های تقریبی را ارائه می دهند، اگرچه دقت متفاوت است.

Rockwell C (HRC) مناسب فولادهای سخت شده از 20-70 HRC، با ابزارهای برش معمولاً 58-65 HRC است. Rockwell B (HRB) مواد نرم تر را از 0 تا 100 HRB آزمایش می کند که برای فولادهای آنیل شده، برنج و آلیاژهای آلومینیوم مناسب است. مقیاس ها در برخی محدوده ها همپوشانی دارند، اما مقایسه مستقیم نیاز به تبدیل دارد.

برینل (HBW) حدود 50-750 است که فلزات نرم را از طریق فولادهای سخت شده می پوشاند. مقادیر بالاتر از 450 HBW معمولاً به جای فولاد برای جلوگیری از تغییر شکل فرورفتگی به توپی کاربید نیاز دارند.

Vickers (HV) در وسیع‌ترین محدوده کار می‌کند، از 50 HV برای سرب نرم تا 10،000+ HV برای الماس. ترازو بدون توجه به بار ثابت می ماند، برخلاف راکول که مقیاس ها را تغییر می دهد. گزارش دهی نیاز به تعیین بار دارد (به عنوان مثال، 500 HV10 نشان دهنده 10 کیلوگرم نیروی آزمایشی است).

ASTM E140 جداول تبدیل بین ترازوها را برای فولاد ارائه می‌کند که معادل‌های تقریبی را نشان می‌دهد. برای مثال، 60 HRC تقریباً معادل 700 HV یا 730 HBW است. این تبدیل‌ها دارای عدم قطعیت هستند زیرا آزمایش‌های مختلف پاسخ‌های مختلف مواد را اندازه‌گیری می‌کنند-عمق در برابر قطر، بازیابی الاستیک در مقابل تغییر شکل پلاستیک.

سختی همچنین استحکام کششی مواد آهنی را تخمین می زند. استحکام کششی نهایی (MPa) تقریبا برابر است با سختی ویکرز ضربدر 3 یا سختی برینل ضربدر 3.45. این امکان تخمین قدرت غیر مخرب را فراهم می کند، اگرچه این رابطه برای آلیاژهای غیرآهنی یا مواد با ریزساختارهای پیچیده ضعیف می شود.

هنگام کار با اجزای MIM، سازگاری در روش تست از سردرگمی جلوگیری می کند. تعیین "حداقل 280 HV1" به وضوح هم مقیاس و هم بار را تعریف می کند و از تفسیر نادرست جلوگیری می کند. سازندگان تجهیزات هوافضا و پزشکی اغلب به روش‌های آزمایشی خاصی در مشخصات خود نیاز دارند، که اسناد استاندارد تست را برای تأیید قطعه ضروری می‌سازد.

سختی در کنترل فرآیند تولید

فراتر از تایید خواص محصول نهایی، تست سختی بر سلامت فرآیند تولید نظارت می کند.

بازرسی مواد اولیهویژگی های پایه را قبل از پردازش ایجاد می کند. تغییرات در مواد تامین کننده می تواند از طریق تولید منتشر شود و باعث ایجاد خواص نهایی ناسازگار شود. تشخیص زودهنگام امکان تفکیک مواد یا تنظیم فرآیند را فراهم می کند.

در-نظارت فرآینددر طی عملیات حرارتی از سختی به عنوان شاخص فرآیند استفاده می شود. آزمایش نمونه‌ها از هر بار کوره، یکنواختی دما و کارایی خاموش کردن را تأیید می‌کند. داده های پرطرفدار نشان می دهد که تخریب عنصر کوره یا رفع آلودگی حمام قبل از بروز مشکلات عمده کیفیت.

ارزیابی کیفیت جوشاز تراورس های سختی در سراسر اتصالات جوش استفاده می کند. مناطق تحت تأثیر گرما{1}}می توانند سختی غیرمنتظره ای را در اثر گرمایش و سرمایش سریع ایجاد کنند. سختی بیش از حد، نواحی شکننده و مستعد ترک خوردن را نشان می دهد. سختی ناکافی در جوش‌های تحمل بار بحرانی نگرانی‌های ایمنی را ایجاد می‌کند. نگاشت میکروسختی نمایه هایی را ایجاد می کند که گرادیان های ویژگی را نشان می دهد.

تایید عملیات سطحیتایید می کند که پوشش ها یا مورد سخت شدن به عمق و سختی مشخص رسیده است. نیترید کردن، کربورسازی و سخت شدن القایی لایه های سطحی سختی را روی هسته های نرمتر ایجاد می کند. مقاطع عرضی- با فرورفتگی های متعدد، سختی نمودار در مقابل عمق، تأیید عمق مورد مطابق با الزامات طراحی است.

پیش بینی لباسدر{0}}تغییرات سختی سرویس با عمر باقیمانده قطعه ارتباط دارد. قطعات ماشین آلات در طول تعمیرات اساسی تحت آزمایش سختی قرار می گیرند. کاهش قابل توجه سختی نشان دهنده تخریب مواد است که نیاز به تعویض قبل از شکست دارد. روند سختی در بازه های بازرسی چندگانه، عمر باقیمانده را پیش بینی می کند.

برای عملیات قالب گیری تزریق فلز، کنترل فرآیند به شدت به تست سختی متکی است. ترکیب اتمسفر تف جوشی بر سختی نهایی تأثیر می‌گذارد-کاهش ناکافی پتانسیل لایه‌های اکسیدی را ایجاد می‌کند که چگالی و سختی را کاهش می‌دهد. سرعت سرد شدن حاصل از دمای تف جوشی بر ریزساختار و سختی حاصل تأثیر می گذارد. تجزیه و تحلیل آماری داده‌های سختی تولید، انحراف فرآیند را که نیاز به اقدام اصلاحی دارد، شناسایی می‌کند. اجزای MIM عملیات حرارتی{5}}در برنامه‌های حیاتی که پیامدهای خرابی هزینه‌های اضافی را توجیه می‌کنند، 100% تأیید سختی می‌شوند.

سوالات متداول

سختی چه تفاوتی با استحکام دارد؟

سختی مقاومت موضعی در برابر تغییر شکل سطح تحت بار متمرکز را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که استحکام پاسخ مواد حجیم به تنش توزیع شده را اندازه‌گیری می‌کند. مواد قوی در برابر شکستن مقاومت می کنند، مواد سخت در برابر خراش یا فرورفتگی مقاومت می کنند. فولاد را می توان از طریق عملیات حرارتی بسیار سخت ساخت، اما ممکن است با مقاومت ضربه کمتر شکننده شود. برعکس، مس آنیل شده استحکام و شکل پذیری خوبی دارد اما سختی نسبتاً کمی دارد.

آیا تست سختی می تواند به قطعات آسیب برساند؟

تست‌های تورفتگی علائم دائمی کوچکی بر جای می‌گذارند، اگرچه معمولاً به اندازه‌ای کوچک که قابل قبول باشد. تست استاندارد راکول، فرورفتگی هایی در حدود 0.5 میلی متر ایجاد می کند، در حالی که فرورفتگی های میکروسختی کمتر از 0.1 میلی متر است. قطعات حیاتی هوافضا یا پزشکی ممکن است آزمایش را به مناطق تعیین‌شده محدود کنند یا به جایگزین‌های غیرمخرب{4}} نیاز داشته باشند. تست سختی برگشتی هیچ علامتی باقی نمی‌گذارد و برای سطوح تمام‌شده یا مواد نازک که فرورفتگی عملکرد را به خطر می‌اندازد، ترجیح داده می‌شود.

چرا مقیاس های سختی بسیار متفاوت هستند؟

صنایع و مواد مختلف منجر به روش‌های آزمایش مختلفی شدند که هر کدام برای کاربردهای خاص بهینه شده بودند. تست Rockwell برای کنترل سریع کیفیت در تولید توسعه یافته است. آزمایش ویکرز برای تحقیقاتی که به اندازه‌گیری‌های دقیق در محدوده‌های سختی گسترده نیاز داشت، پدیدار شد. آزمایش برینل برای مواد درشت-درشتی مناسب است که در آن فرورفتگی‌های کوچک نتایج غیرقابل اعتمادی به دست می‌دهد. جداول تبدیل به جای کنار گذاشتن روش های تعیین شده، امکان مقایسه تقریبی را فراهم می کند.

دما چگونه بر اندازه گیری سختی تاثیر می گذارد؟

سختی با افزایش دما کاهش می یابد زیرا انرژی حرارتی حرکت اتمی را قادر می سازد و مقاومت در برابر تغییر شکل را کاهش می دهد. اثر بر اساس مواد متفاوت است-فلزات به تدریج نرم می شوند، در حالی که برخی از سرامیک ها سختی را تا دمای بسیار بالا حفظ می کنند. استانداردها تست دمای اتاق (23 درجه) را برای تکرارپذیری مشخص می کنند. آزمایش سختی در دمای بالا به تجهیزات و موارد تخصصی برای مواد در شرایط سرویس گرم مانند پره های توربین یا اجزای موتور نیاز دارد.

سختی به عنوان یک ابزار طراحی

سختی مواد، طراحی اجزا و انتخاب روش ساخت را راهنمایی می کند. قطعاتی که در معرض سایش، سایش یا تنش تماسی قرار می‌گیرند، برای طول عمر قابل قبول، به سختی کافی نیاز دارند. با این حال، طراحان باید سختی را در برابر سایر الزامات{2}} شکل‌پذیری برای عملیات شکل‌دهی، ماشین‌کاری برای پردازش ثانویه، چقرمگی برای مقاومت در برابر ضربه یا بارگذاری ضربه متعادل کنند.

هندسه مولفه بر دستیابی به سختی تأثیر می گذارد. بخش های ضخیم در طول عملیات حرارتی به آرامی سرد می شوند و سختی کمتری نسبت به بخش های نازک در همان ماده ایجاد می کنند. اشکال پیچیده با ضخامت های متفاوت، شیب سختی ایجاد می کنند که نیاز به بهینه سازی فرآیند دارند. عملیات سطحی، بیرونی سخت را بر روی هسته های سخت فراهم می کند و خواص را برای شرایط بارگذاری خاص بهینه می کند.

قالب گیری تزریق فلز مزایای منحصر به فردی را برای قطعاتی که به سختی خاصی نیاز دارند ارائه می دهد. هندسه‌های پیچیده که ماشین‌کاری دشوار یا گران‌قیمت است، می‌توانند به شکل خالص-در مواد سخت باشند. آلیاژهای{3}}سختی بالا مانند فولادهای ابزار، که ماشین‌کاری سنتی را به چالش می‌کشند، از طریق MIM برای قطعات پیچیده مقرون به صرفه می‌شوند. تف جوشی در اتمسفرهای کنترل شده، خواص ثابتی را در کل دوره های تولید به دست می آورد. فرمول های آلیاژی سفارشی سختی، مقاومت در برابر خوردگی و خواص مغناطیسی را به طور همزمان تنظیم می کنند.

انتخاب بین دستیابی به سختی از طریق انتخاب مواد در مقابل عملیات حرارتی به حجم تولید، پیچیدگی قطعه و محدودیت‌های هزینه بستگی دارد. اجزای MIM می توانند مستقیماً از پخت به سختی مشخصی برسند و عملیات عملیات حرارتی را حذف کنند. از طرف دیگر، قطعات MIM پخته شده به سختی قابل ماشینکاری می توانند قبل از سخت شدن نهایی تحت ماشینکاری نهایی قرار گیرند و مزایای هر دو روش را ترکیب کنند.

تولید مدرن با استفاده از روش های آماری برای بهبود مستمر فرآیندها، سختی سنجی را در سیستم های مدیریت کیفیت ادغام می کند. داده‌های سختی زمان واقعی به کنترل‌های فرآیند باز می‌گردند و به طور خودکار پارامترها را برای حفظ ویژگی‌های هدف تنظیم می‌کنند. این رویکرد حلقه بسته، ضایعات را کاهش می‌دهد، سازگاری را بهبود می‌بخشد و پیش‌بینی مطمئن عملکرد جزء در برنامه‌های کاربردی را امکان‌پذیر می‌سازد.