26
ژوئن

سختی سنج های قابل حمل

تعیین دقت و اعتبار عملکرد سختی سنج های قابل حمل

این وبلاگ بر تعیین دقت (Accuracy)  و اعتبار عملکرد (Reliability) سختی سنج های استاتیکی و دینامیکی (قابل حمل) تمرکز دارد.در این پژوهش،سختی تست بلوک های مرجع کالیبراسیون با استفاده از چهار روش مختلف شامل برینل،ویکرز،راکول و لیب اندازه گیری شده واز چهار دستگاه سختی سنج متفاوت (دو دستگاه استاتیکی و دو دستگاه های قابل حمل)استفاده گردیده است.

مقادیر سختی اندازه گیری شده توسط دستگاه های مختلف با مقادیر درج شده بر روی بلوک های مرجع مقایسه شده و ارزیابی دقت اندازه گیری،بر این اساس بوده.

1-مقدمه

سختی یکی از خواص مکانیکی مواد است که به‌ صورت مقاومت ماده در برابر تغییر شکل دائمی سطح آن تحت تاثیر یک جسم با هندسه مشخص تعریف می‌شود. در آزمون سختی، سطح نمونه تحت اعمال بار مکانیکی ناشی از فشار یک جسم خارجی سخت قرار می‌گیرد و نتیجه این فرآیند به شکل عدد سختی بیان می‌شود.

امروزه روش‌های متعددی برای آزمون سختی در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند که به صورت زیر طبقه بندی می شوند:

1-بر اساس اصل عملکرد(روش های فرورونده،بازگشتی،خراشی و پاندولی)

2-بر اساس سرعت اعمال نیرو(روش های استاتیکی و دینامیکی)

3-بر اساس هدف اندازه گیری (آزمون های ماکروسختی و میکرو سختی)

در آزمون های فرورونده،یک فرورونده با جنس فولاد،کاربید یا الماس (با اشکال ساچمه،هرم یا مخروط) در سطح نمونه فرو رفته و معیار تعیین سختی،میزان اثر فرورفتگی ایجاد شده است.(مانند روش های برینل،ویکرز،راکول و نوپ)

در روش های بازگشتی،اصل کار بر پایه بازگشت ضربه زننده از سطح ماده است که میزان بازگشت آن به عنوان شاخص سختی در نظر گرفته می شود،جسم سقوط‌ کننده با شکل و جرم مشخص پس از برخورد با سطح نمونه بازمی‌گردد و معیار تعیین سختی در این روش،ارتفاع بازگشت ( در روش شور) یا میزان اتلاف انرژی (در روش لیب) می باشد.

در روش های استاتیکی (روش‌های برینل، ویکرز، راکول و نوپ)،بار به آرامی،به  طور مداوم و با نرخ یکنواخت افزایش یافته و بر نمونه اعمال می شود در صورتی که در روش های دینامیکی (روش لیب) بار به ‌صورت ناگهانی و ضربه‌ای افزایش می‌یابد.

در آزمون های سختیِ آزمایشگاهی، معمولاً از دستگاه‌ های رومیزی که بر اساس روش‌ های استاتیکی کار می‌کنند استفاده می‌شود. در عوض، برای تست سختی در محل (Field Testing)،استفاده از سختی ‌سنج‌های پرتابل یونیورسال مبتنی بر روش‌های دینامیکی رو به افزایش است.این دستگاه‌ ها امکان تبدیل مقدار سختی اندازه ‌گیری‌ شده به تمامی مقیاس‌های متداول سختی (HB،HV،HRB،HRC،HS) وهمچنین تبدیل تقریبی به استحکام کششی Rm  را فراهم می‌کنند.

بر همین اساس، این مقاله به مقایسه دقت و قابلیت اطمینان سختی‌سنج‌های استاتیکی(رومیزی) و دینامیکی(قابل حمل)می پردازد.

2- روش اجرای تحقیق

تست های سختی در دپارتمان مهندسی مواد در شرکت فنی مهندسی عملیات حرارتی سایا انجام شده.

در این آزمایش ها از چهار روش سختی سنجی استفاده گردیده که شامل سه روش استاتیکی(برینل،ویکرز و راکول) و یک روش دینامیکی(لیب) می باشد.

برای انجام آزمایش ها از پنج دستگاه سختی سنجی استفاده شده:

آزمون برینل:دستگاه سختی سنجی رومیزی مدل Shab uns-250

آزمون ویکرز: دستگاه سختی‌سنج رومیزی مدل Shab uns-250

آزمون راکول: دستگاه سختی‌سنج رومیزی مدل Shab uns-250 , koopa uv1

آزمون لیب: سختی‌سنج‌های پرتابل مدل‌ های Time5300 , Time 5350

به‌عنوان ماده آزمایشی، از چهار بلوک مرجع کالیبراسیون سختی استفاده شد:

  • برای آزمون برینل: بلوک مرجع با مقدارسختی 617 HBW 2.5/187.5
  • برای آزمون ویکرز: بلوک مرجع با مقدارسختی 643 HV 30
  • برای آزمون سختی راکول:بلوک مرجع با سختی 2 HRC
  • برای آزمون سختی لیب:بلوک مرجع با مقدار سختی 785 HLD

شرایط انجام آزمون های سختی

شرایط زیر برای آزمون ها به کار گرفته شده:

  • آزمون برینل(مطابق با استاندارد STN EN ISO 6506-1):

ساچمه کاربیدی با قطر2.5mm ،نیروی وارد شده:187.5 kp (1837 N) ،زمان اعمال بار: 10 ثانیه،بیان نتیجه به صورت=>HBW 2.5/187.5/10

  • آزمون ویکرز(مطابق با استانداردSTN EN ISO 6507-1 ):
  • هرم الماسی منظم با قاعده مربعی،نیروی وارد شده:30 kp (3 N)، زمان اعمال بار:10ثانیه،بیان نتیجه به صورت=HV 30/10<
  • آزمون راکول(مطابق با استاندارد (STN EN ISO 6507-1:

مخروط الماسی، نیروی وارد شده:150 kp (1471 N)، زمان اعمال بار:6 ثانیه،بیان نتیجه به صورت=HRC <

  • آزمون لیب(مطابق با استاندارد (STN EN ISO 16859-1:

ضربه زننده با ساچمه کاربیدی به قطر 3 mm، بیان نتیجه به صورت=HLD <

هر تست بلوک مرجع سختی،تحت ۵ بار اندازه‌گیری با دستگاه رومیزی و ۵ بار اندازه‌گیری با سختی‌ سنج‌ های قابل حمل قرار گرفت.از مقادیر به دست آمده،میانگین سختی H و انحراف معیار Sx محاسبه گردید.

با استفاده از میانگین سختی اندازه گیری شده H و سختی مرجع Href درج شده روی بلوک کالیبراسیون،میزان عدم دقت اندازه گیری طبق رابطه زیر محاسبه شد:

N= .100 (%)

-3نتایج و بحث

  • آزمون سختی برینل

نتایج اندازه‌گیری سختی برینل بر روی بلوک مرجع در جدول 1 ارائه شده است. برای این منظور از دستگاه رومیزی shab uns-250 و سختی ‌سنج قابل حمل time5350 استفاده گردید.

Hardness tester Time 5350 shab uns-250
Measurement No HB(Steel) (Time 5350) HBW2.5/187.5 (shab uns-250)
1 618 669.9
2 621 671
3 614 673.2
4 616 675.07
5 623 675
H(Average) 618.4 672.834
Sx 3.64 2.33
N(%) 0.226904376 9.049270665
refrence hardness H’ref’ from calibration hardness plate=> 617 HBW2.5/187.5

جدول 1

 

نتایج آزمون سختی برینل

مقایسه نتایج آزمون برینل نشان داده شده است،که مقدار سختی اندازه گیری شده توسط دستگاه پرتابل اختلاف بسیار کمی با مقدار مرجع دارد.(0.22% ) در مقابل مقادیر اندازه گیری شده توسط سختی سنج رومیزی به اختلافی برابر با )9.05(%نسبت به مقدار مرجع نشان می دهند.نتایج بیانگر آن است که دستگاه رو میزی نسبت به دستگاه قابل حمل در سختی های بالا، عدم دقت بیشتری داشته و اندازه گیری های آن از مقدار مرجع دورتر است.(جدول 1)

  • آزمون سختی ویکرز

— Time 5350 shab uns-250
Measurement No HV (Time 5350) HV5/10 (shab uns-250)
1 652 688.97
2 655 688.97
3 657 698.12
4 664 721.15
5 634 712.44
H(Average) 652.4 701.93
N(%) 1.461897356 9.164852255
refrence hardness H’ref’ from calibration hardness plate=> 643 HV/10

نتایج اندازه گیری سختی روی تست بلوک مرجع برای آزمون سختی ویکرز در جدول 2 ارائه شده است.برای انجام اندازه گیری ها،از دستگاه سختی سنج رومیزی مدل Shab uns-250 و دستگاه سختی سنج پرتابل (قابل حمل) مدل Time5350استفاده شده.

 

جدول 2

نتایج آزمون سختی ویکرز

مقایسه نتایج آزمون سختی ویکرز نشان داده شده است، سختی اندازه ‌گیری شده توسط دستگاه سختی ‌سنج رومیزی، —درصد با سختی مرجع تفاوت دارد. سختی تعیین شده توسط دستگاه‌ سختی‌سنج پرتابل نیز  9.16درصد با سختی مرجع اختلاف دارند. مقادیر اندازه‌گیری شده توسط دستگاه‌های Time5350 خطای (عدم دقت) کمتری را نسبت به مقادیر اندازه‌گیری شده توسط دستگاه shab uns-250 نشان می‌دهند (جدول ۲)

آزمون سختی راکول

نتایج اندازه‌گیری سختی روی بلوک مرجع سختی برای آزمون سختی راکول در جدول ۳ نشان داده شده است. برای این اندازه‌گیری‌ها از دستگاه های سختی ‌سنج رومیزی مدل shab uns-250 ، koopa model UV1 و دستگاه‌ پرتابل Time 5350 استفاده شده است.

Hardness tester time 5350 shab uns-250 koopa UV1
Measurement No HRC (time 5350) HRC(shab uns-250) HRC(koopa UV1)
1 58.5 57.1 57.3
2 57.9 57.1 57.4
3 56.8 57.2 57.5
4 58.1 57.3 57.4
5 58 57.5 57.3
H(Average) 57.86 57.24 57.38
N(%) 1.153846154 0.06993007 0.314685315
refrence hardness H’ref’ from calibration hardness plate=> 57.2 HRC

 

جدول3

 )نتایج آزمون سختی راکول)

مقایسه نتایج آزمون سختی راکول نمایش داده شده است. سختی اندازه‌گیری شده توسط دستگاه های رومیزی shab uns -250، و koopa uv1 به ترتیب تفاوت بسیار ناچیزی (0.069) – (0.31%)با سختی مرجع دارند . سختی تعیین شده توسط دستگاه‌ پرتابل 1.15% درصد با سختی مرجع تفاوت دارند. در این مورد، مقادیر اندازه‌گیری شده توسط دستگاه های سختی‌سنج رومیزی نسبت به دستگاه‌ پرتابل، خطای کمتری را نشان می‌دهند. (جدول ۳)

  • آزمون سختی لیب(Leeb)

نتایج اندازه‌گیری سختی روی بلوک مرجع سختی برای آزمون سختی لیب در جدول ۴ ارائه شده است. برای انجام این اندازه ‌گیری‌ها، از دستگاه‌های سختی‌ سنج پرتابل مدل‌های Time5350 و Time5300 استفاده شده.

Hardness tester Time 5300 time 5350
Measurement No (HLD)Time 5300 (HLD) Time 5350
1 795 782
2 790 789
3 782 785
4 793 780
5 789 785
H(Average) 789.8 784.2
Sx 4.96 3.42
N(%) 0.611464968 -0.101910828
refrence hardness H’ref’ from calibration hardness plate=> 785 HLD

 

 جدول4

(نتایج آزمون سختی لیب)

مقایسه نتایج آزمون سختی لیب نشان داده شده است، سختی تعیین شده توسط دستگاه‌های سختی‌سنج پرتابل، کمتر از 1 درصد با سختی مرجع تفاوت دارد.(به ترتیب %0.61+ و%0.10-) (جدول 4)

با بررسی عملکرد سختی ‌سنج‌ های رومیزی و پرتابل (جداول 1 تا 3)، مشخص شد که کمترین میزان عدم قطعیت (N) که معرف درصد انحراف میان سختی اندازه‌گیری شده و سختی مرجع است، توسط دستگاه سختی سنج مدل shab uns-250 در آزمون سختی راکول (0.069%) حاصل شده. در مراتب بعدی، دستگاه سختی سنج مدل Time5350 در آزمون برینل (%0.22) و نهایتاً دستگاه مدل Time5350 در آزمون ویکرز (1.46%) قرار دارند.

در ارزیابی عملکرد سختی‌ سنج ‌های پرتابل (مطابق جداول ۱ تا ۴)، کمترین میزان عدم قطعیت (N) در آزمون سختی لیب مشاهده شد. این شاخص برای دستگاه مدل time5350 معادل -0.1 درصد و برای مدل Time 5300 معادل 0.6 درصد به ثبت رسیده است. در مراتب بعدی، آزمون سختی برینل )با انحراف 0.22% برای Time5350 و% 9.04 برای (Shab uns-250 و آزمون سختی راکول )با انحراف0.31% برای Koopa UV1 و % 1.15 برای Time5350 و0.069 %برای (Shab uns-250 قرار دارند. شایان ذکر است که در روش سختی‌سنجی لیب (Leeb) ، میزان خطای اندازه‌گیری در هر دو دستگاه بسیار ناچیز و به ترتیب برابر با   0.10- درصد و +0.61 درصد برآورد گردید.

مقایسه ​میان مدل‌های پرتابل نشان می‌دهد که دستگاه Time5350 در آزمون‌های برینل و لیب از دقت بالاتری برخوردار بوده است.در خصوص آزمون سختی برینل، دستگاه پرتابل مدل  Time5350با ثبت خطای 0.22 درصد، به مراتب دقیق‌تر از همتایان خود ظاهر شد. به همین ترتیب، در روش راکول نیز دستگاه رومیزی shab uns-250 در مقایسه با مدل‌های پرتابل و رو میزی دیگر، دقتِ به مراتب بالاتری (0.069%) را به ثبت رساند. در آزمون سختی برینل و ویکرز بود که دستگاه‌ قابل‌حمل Time5350 در تقابل با مدل رومیزی shab uns-250 نتایج دقیق‌تری ارائه داد. در این مورد،لازم است دستگاه سختی سنج رومیزی برای افزایش دقت،دوباره کالیبراسیون شود.

​4. نتیجه‌گیری

​این پژوهش بر تعیین دقت و اعتبار عملکرد سختی ‌سنج‌ های استاتیک (رومیزی) و دینامیک (پرتابل) تمرکز دارد. در این مطالعه، میزان سختیِ تست بلوک‌های مرجع کالیبراسیون با بهره‌گیری از چهار روش مختلف (برینل، ویکرز، راکول و لیب) و توسط چهاردستگاه مجزا (شامل دو مدل رومیزی و دو مدل قابل‌حمل) مورد سنجش قرار گرفت. مقادیر حاصله با سختیِ مرجعِ مندرج بر بلوک‌های استاندارد مقایسه گردید تا از این طریق، صحتِ عملکردِ هر یک از این تجهیزات ارزیابی شود.

​یافته‌های حاصل از این تست ها نشان می دهد که مقادیر به دست آمده از طریق دستگاه‌های رومیزی، از دقت و استناد بالاتری برخوردارند. در واقع، سطح دقت و قابلیت اطمینان مدل‌های قابل‌ حمل در رتبه‌ای پایین‌تر از تجهیزات رومیزی قرار می‌گیرد. این تفاوت در دقت می‌تواند ناشی از تمایز در متدولوژی‌ های اندازه‌گیری و همچنین ضرورتِ تبدیلِ مقادیرِ سختیِ لیب به سایر مقیاس‌های استاندارد باشد. با این همه، سختی‌سنج‌های قابل‌حمل دارای مزایای متعددی هستند که از جمله مزیت های آن  می‌توان به امکان سنجش سختی در خارج از محیط آزمایشگاه، ارزیابی قطعات حجیم و سنگین (که امکان سنجش آن‌ها با دستگاه‌های رومیزی میسر نیست)، قابلیت اندازه‌گیری در جهات مختلف و کاهش هزینه‌های عملیاتی اشاره نمود.