در صنعت فولاد، یکی از مهم‌ترین کارهایی که باید انجام دهیم، اندازه‌گیری و سنجش ویژگی‌های مواد است. چون این ویژگی‌ها هستند که تعیین می‌کنند یک قطعه چقدر قوی، بادوام و قابل اطمینان خواهد بود. از بین این ویژگی‌ها، سختی یکی از شاخص‌های اصلی و مهم است. اما برای متخصصان، سنجش سریع و دقیق این سختی اهمیت زیادی دارد.
از طرفی، ممکن است بپرسید سختی راکول چیست؟ آزمون سختی راکول (Rockwell Hardness Test)، روشی است که به‌خاطر سادگی، سرعت بالا و دقت خوب، تبدیل به یک معیار جهانی شده است. سختی یک ماده، در واقع مقاومت آن در برابر فرو رفتن، خراشیده شدن یا فرسایش است. مقدار سختی راکول بسیار پراهمیت است؛ زیرا مستقیما با قدرت کششی (تحمل فشار قبل از شکستن) فولاد ارتباط دارد.
چرا اندازه‌گیری راکول مهم است؟
کنترل کیفیت دقیق: از این آزمون استفاده می‌کنیم تا مطمئن شویم موادی که وارد کارخانه می‌شوند یا محصولاتی که تولید می‌کنیم (مانند انواع لوله، پروفیل یا قطعات ماشین‌کاری)، دقیقا همان مشخصاتی را دارند که در نقشه‌ها تعیین شده است.
پیش‌بینی دوام قطعه: سختی یک قطعه، بیشتر با میزان مقاومت آن در برابر سایش و نقطه تسلیم (نقطه‌ای که در آن تغییر شکل دائمی شروع می‌شود) مرتبط است. وقتی سختی راکول را بدانیم، می‌توانیم با اطمینان بیشتری پیش‌بینی کنیم که این قطعه در شرایط سخت کاری چقدر عمر خواهد کرد.
بررسی عملیات حرارتی: برای رسیدن به سختی مورد نظر در فولاد، عملیات حرارتی (ماند آبکاری یا تمپر کردن) انجام می‌دهیم. تست سختی راکول ابزاری بسیار سریع و کم‌آسیب است که به ما این امکان را می‌دهد فرآیند عملیات حرارتی را لحظه به لحظه پایش و کنترل کنیم.
انتخاب درست مواد: سختی راکول، کمک می‌کند تا فولاد مناسب را برای کاربردهای مختلف مثل ساخت ابزارهای برش تیز و قطعات بزرگ سازه‌ای، انتخاب کنیم.
تاریخچه راکول
در اوایل قرن بیستم، نیاز به یک روش سنجش سختی که هم سریع‌تر باشد و هم دقیق، حس می‌شد. روش‌های موجود مثل برینل نیاز به اندازه‌گیری با میکروسکوپ و وقت زیادی داشتند. در سال ۱۹۱۴ میلادی، دو مهندس متالورژی به نام‌های هیو ام. راکول و استنلی پی. راکول، دستگاهی اختراع کردند که شیوه کار با آن متفاوت بود.
آنها به جای اندازه‌گیری قطر جای فرورفتگی (مثل برینل)، تصمیم گرفتند عمق نفوذ را اندازه‌گیری کنند. با تمرکز بر عمق نفوذ پس از اعمال نیروی اصلی، فرآیند به شدت ساده و سریع شد و دیگر نیازی به میکروسکوپ برای دیدن و اندازه‌گیری جای فرورفتگی نبود. به همین دلیل، آزمون سختی راکول به سرعت در جهان شناخته و پذیرفته شد.
اصول اندازه‌گیری سختی راکول
آزمون سختی راکول یک نوع آزمون سختی مبتنی بر فرورفتگی است. اساس کار این است که تفاوت در عمق نفوذ یک سوزن یا ساچمه (به نام فرورونده) به داخل نمونه، تحت تاثیر دو نوع نیروی مختلف اندازه‌گیری شود. این فرآیند ساده که معمولا دستگاه آن را به صورت خودکار انجام می‌دهد، شامل مراحل دقیق زیر است:
۱. اعمال بار اولیه (نیروی کوچک)
اول از همه، یک نیروی کم و اولیه، که معمولا ۱۰ کیلوگرم نیرو (kgf) است، به فرورونده اعمال می‌شود. این کار دو هدف اصلی دارد، اول، مطمئن شدن از اینکه نوک فرورونده کاملا به سطح نمونه چسبیده است. دوم، نادیده گرفتن ناهمواری‌های سطحی یا لایه‌های زنگ‌زده و ایجاد یک نقطه مرجع برای اندازه‌گیری‌های بعدی.
۲. اعمال بار اصلی (نیروی بزرگ)
سپس، در حالی که نیروی اولیه هنوز روی نمونه است، نیروی بزرگ‌تر یا اصلی (که بسته به نوع مقیاس می‌تواند ۶۰، ۱۰۰ یا ۱۵۰ کیلوگرم نیرو باشد) برای مدت کوتاهی (چند ثانیه) اضافه می‌شود. این نیروی بزرگ باعث می‌شود فرورونده عمیق‌تر در ماده نفوذ کند.
۳. برگشت به بار اولیه و محاسبه نفوذ دائمی
حالا نیروی اصلی برداشته می‌شود و تنها نیروی اولیه باقی می‌ماند. در این لحظه، دستگاه عمق نفوذ دائمی را اندازه‌گیری می‌کند. این عمق، تفاوت بین نقطه مرجع اولیه و عمق نهایی پس از برداشتن بار اصلی است.
فرمول سختی راکول طوری تنظیم شده که با این عمق نفوذ نسبت معکوس دارد. یعنی هرچه ماده سخت‌تر باشد، فرو رفتگی ایجاد شده کمتر است و در نتیجه، عددی که دستگاه به عنوان سختی راکول گزارش می‌دهد، بزرگ‌تر خواهد بود.
انواع سختی راکول چیست؟
آزمون سختی راکول برای پوشش دادن نیازهای مختلف مواد، به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود:
۱. سختی راکول معمولی (Rockwell Regular)
این روش برای سنجش سختی مواد نسبتا ضخیم و فلزات با سختی متوسط تا زیاد استفاده می‌شود. در این روش از نیروی اولیه ۱۰ kgf و نیروهای اصلی سنگین‌تر (۶۰، ۱۰۰ یا ۱۵۰ kgf) استفاده می‌شود. مقیاس‌های پرکاربرد در این دسته، HRC و HRB هستند.
۲. سختی راکول سطحی (Rockwell Superficial)
وقتی نمونه خیلی نازک است، یا وقتی فقط می‌خواهیم سختی یک پوشش سطحی نازک و سخت را اندازه بگیریم، از این روش استفاده می‌کنیم. در این حالت، از ترس ترک خوردن یا شکستن ماده در اثر بار زیاد، بار اولیه را به ۳ kgf و بارهای اصلی را به ۱۵، ۳۰ یا ۴۵ kgf کاهش می‌دهیم. این کار باعث می‌شود نفوذ فرورونده بسیار کم باشد. مقیاس‌های رایج این بخش شامل HRN و HRT هستند.
مقیاس‌های سختی راکول
به‌خاطر تنوع فلزات و میزان سختی آنها، راکول از مقیاس‌های مختلفی استفاده می‌کند. برای انتخاب مقیاس درست، باید جنس نمونه (فولاد، آلومینیوم و غیره)، سختی تخمینی و ضخامت آن را در نظر بگیریم. هر مقیاس با یک حرف انگلیسی مشخص می‌شود که نشان می‌دهد چه نوع فرورونده و نیروی اصلی استفاده شده است.
توجه: شما نباید اعداد سختی به دست آمده از مقیاس‌های مختلف (مثلا HRC و HRB) را مستقیما با هم مقایسه کنید؛ برای این کار باید از جداول تبدیل استاندارد سختی استفاده شود.
دستگاه سختی سنج راکول و نحوه کار آن
دستگاه سختی سنج راکول ابزاری تخصصی است که این آزمون را اجرا می‌کند. این دستگاه‌ها در طول زمان بسیار پیشرفته شده‌اند و اکنون دقت، سرعت و سهولت استفاده را به ارمغان آورده‌اند.
بخش‌های مختلف دستگاه
فرورونده (Indenter): همان قطعه‌ای است که نیروی فشار را تحمل کرده و در نمونه فرو می‌رود (نوک الماس برای مواد بسیار سخت و ساچمه برای مواد نرم‌تر).
سیستم اعمال بار: مکانیزمی بسیار دقیق که این اطمینان را می‌دهد، نیروی اولیه و سپس نیروی اصلی با دقت بالا و در زمان مشخص اعمال و برداشته می‌شوند.
سیستم اندازه‌گیری عمق: یک حسگر پیشرفته که تغییرات عمق نفوذ فرورونده را با دقت بسیار بالا (در حد میکرومتر) ثبت می‌کند.
سکو و گیره نگهدارنده: قسمتی که نمونه روی آن قرار می‌گیرد و محکم می‌شود.
مدل‌های جدید سختی‌سنج‌ها بیشتر دیجیتال و کاملا اتوماتیک هستند و مستقیما عدد سختی راکول را روی صفحه نمایش نشان می‌دهند که کار را بسیار آسان می‌کند.
راهنمای گام به گام اندازه‌گیری سختی راکول
برای اینکه نتایج ما قابل اعتماد و استاندارد باشند، باید مراحل زیر را با دقت بالا انجام دهیم:
آماده‌سازی نمونه (بخش مهم کار): سطح نمونه باید حتما صاف باشد و کاملا از هرگونه چربی، زنگ‌زدگی یا کثیفی تمیز شود. پرداخت سطح بسیار مهم است. همچنین، نمونه باید آنقدر ضخیم باشد که فشار آزمون، سطح زیرین (سندانی که روی آن قرار می‌گیرد) را تحت تاثیر قرار ندهد. قانون کلی این است که ضخامت نمونه باید حداقل ۱۰ برابر عمق نفوذ دائمی باشد.
انتخاب مقیاس و فرورونده مناسب: با توجه به جنس و سختی که حدس می‌زنیم، مقیاس (مثلا HRC) و فرورونده مربوطه را انتخاب کرده و در دستگاه نصب می‌کنیم.
تثبیت نمونه: نمونه را به صورت ایمن و محکم روی سکوی دستگاه قرار می‌دهیم.
شروع آزمون و اعمال بار اولیه: دستگاه به آرامی فرورونده را با سطح نمونه در تماس قرار داده و بار اولیه را اعمال می‌کند تا نقطه مرجع ایجاد شود.
اعمال بار اصلی و زمان مکث: نیروی اصلی برای مدت زمان مشخصی (که به آن زمان مکث یا Dwell Time می‌گوییم) روی نمونه وارد می‌شود.
خواندن نتیجه: پس از برداشتن نیروی اصلی و برگشت به نیروی اولیه، دستگاه به طور خودکار عمق نفوذ دائمی را اندازه‌گیری کرده و آن را به عدد سختی راکول تبدیل می‌کند و به ما نمایش می‌دهد (مثلا ۵۵ HRC).
تکرار و میانگین‌گیری: برای اطمینان از صحت و یکنواختی، باید حداقل ۳ تا ۵ نقطه مختلف روی نمونه را تست کنیم و میانگین آنها را به عنوان سختی گزارش دهیم. مهم است که بین هر نقطه تست و لبه‌های نمونه فاصله کافی وجود داشته باشد.
