سختی راکول چیست؟

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؟

1. 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. 
2. 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.
3. 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.
4. 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

1. 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).
2. 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.
3. سیستم اندازه‌گیری عمق: یک حسگر پیشرفته که تغییرات عمق نفوذ فرورونده را با دقت بسیار بالا (در حد میکرومتر) ثبت می‌کند.
4. 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:

1. 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.
2. 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.
3. تثبیت نمونه: نمونه را به صورت ایمن و محکم روی سکوی دستگاه قرار می‌دهیم.
4. 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.
5. 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.
6. 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).
7. 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.

استانداردهای راکول

برای اینکه نتایج راکول در همه جای دنیا یکسان و قابل قبول باشند، استانداردهای بین‌المللی بسیار مهمی وضع شده است. مهم‌ترین آن‌ها ASTM E18 (روش‌های استاندارد آزمون سختی راکول مواد فلزی) است. این استانداردها عبارتند از:

1. قابلیت اطمینان را تضمین می‌کنند: الزامات سخت‌گیرانه‌ای برای سخت‌افزار دستگاه و مراحل تست تعیین می‌کنند.
2. تجارت جهانی را ممکن می‌سازند: این اطمینان را می‌دهند که عدد سختی HRC گزارش شده توسط یک تولیدکننده، در هر کجای دنیا معتبر و قابل اعتماد است.
3. روش کالیبراسیون را تعریف می‌کنند: تعیین می‌کنند که چگونه باید دستگاه خود را با استفاده از بلوک‌های استاندارد سختی به صورت دوره‌ای کالیبره کنیم تا دقت آن همیشه حفظ شود.

خطاهای آزمایش سختی راکول چیست؟

هرچند راکول یک روش عالی است، اما مثل هر آزمون دیگری، ممکن است دچار خطا شود. بهتر است این خطاها را بشناسیم تا از آن‌ها جلوگیری کنیم:

کاربردهای تست سختی راکول

تست راکول به‌خاطر سرعت خود، در هر جایی که نیاز به یک سنجش سریع و مطمئن وجود داشته باشد، به کار می‌رود:

• صنایع خودروسازی: تست سختی قطعاتی مانند میل‌لنگ، چرخ‌دنده‌ها و محورها که باید تنش‌های زیادی را تحمل کنند.
• تولید ابزارآلات و قالب‌ها: پس از عملیات حرارتی، برای اطمینان از سختی کافی ابزارهای برش، تیغه‌ها و قالب‌های صنعتی.
• تولید لوله‌ها و ساخت و ساز: کنترل سختی دیواره لوله‌ها و پروفیل‌های مورد استفاده در ساخت و ساز.
• استفاده از این تست برای چاقو: تولیدکنندگان چاقو، به خصوص چاقوهای باکیفیت، از تست HRC استفاده می‌کنند. این تست نشان می‌دهد که آیا تیغه به اندازه کافی سخت است که لبه‌اش را حفظ کند (تیز بماند) اما در عین حال آنقدر سخت نباشد که شکننده شود یا خیر. سختی مناسب برای تیغه‌های با کیفیت معمولا بین ۵۵ تا ۶۲ HRC است.

تفاوت بین تست راکول و تست برینل چیست؟

تست برینل (Brinell) یکی از قدیمی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین روش‌هاست که در آن یک ساچمه بزرگ را به داخل نمونه فشار می‌دهند.

1. نحوه اندازه‌گیری: راکول عمق نفوذ را اندازه می‌گیرد، اما برینل قطر جای فرورفتگی را اندازه‌گیری می‌کند و سپس با استفاده از فرمول، سختی را محاسبه می‌کند.
2. ابزار و نیرو: برینل از ساچمه‌های بزرگ‌تر (معمولا ۱۰ میلی‌متر) و نیروهای بسیار قوی‌تر (تا ۳۰۰۰ kgf) استفاده می‌کند. راکول از فرورونده‌های کوچک‌تر و نیروهای بسیار سبک‌تر استفاده می‌کند.
3. کاربرد: به‌خاطر فرورفتگی بزرگ، برینل برای موادی که ساختار غیریکنواخت دارند (مثل چدن با دانه‌های درشت) بسیار خوب است، زیرا میانگین سختی ناحیه بزرگ‌تری را نشان می‌دهد. اما راکول برای فولادهای همگن و برای کنترل کیفیت سریع، بهترین انتخاب است.

تبدیل سختی راکول به برینل و ویکرز

از آنجایی که نمی‌توانیم مقیاس‌های مختلف را مستقیما مقایسه کنیم، مهندسان اغلب نیاز دارند سختی راکول را به سایر مقیاس‌ها تبدیل کنند. این کار با استفاده از جداول میزان سختی فولادها و روابط تجربی انجام می‌شود، هرچند همیشه باید به یاد داشته باشیم که این تبدیل‌ها تقریبی هستند و دقت ۱۰۰٪ ندارند.

تبدیل سختی راکول به برینل

برای تبدیل تقریبی سختی HRC به HB (سختی برینل)، از جداول مرجع استفاده می‌کنیم. برای مثال، یک سختی ۵۰ HRC تقریباً معادل ۴۷۷ HBW است. نکته مهم این است که در سختی‌های خیلی بالا، دقت این تبدیل‌ها کمی کاهش می‌یابد.

تبدیل سختی راکول به ویکرز

تبدیل سختی HRC به HV (سختی ویکرز) معمولا دقیق‌تر است، زیرا هر دو از نوک‌های الماس برای مواد سخت استفاده می‌کنند. برای سختی‌های بالا، رابطه بین این دو تقریبا مستقیم و خطی است. مثلا، سختی ۵۰ HRC تقریباً معادل ۵۲۷ HV است. این تبدیل‌ها برای تعیین مشخصات فنی و اطمینان از مطابقت مواد در زنجیره تأمین، ضروری هستند.

آزمون سختی راکول، یک فاکتور مهم برای تضمین کیفیت و بهینه‌سازی فرآیندهای تولید ما در صنعت فولاد است. وقتی شما به عنوان یک فعال این صنعت، اصول و قواعد، مقیاس‌ها و محدودیت‌های این آزمون را به خوبی درک کنید، می‌توانید با اطمینان بیشتری مواد اولیه خود را انتخاب کنید، عملیات حرارتی را کنترل نمایید و در نهایت، دوام و عملکرد محصولات خود را تضمین کنید. پس با استفاده دقیق از این معیار قابل اعتماد، همیشه بالاترین سطح کیفیت را حفظ کنید.

سوالات متداول

1. عدد سختی راکول چه چیزی را به ما نشان می‌دهد؟
   عدد سختی راکول در واقع نشانگر مقاومت یک ماده در برابر ایجاد یک فرورفتگی دائمی توسط یک ابزار مشخص است. این عدد مستقیما با میزان عمقی که فرورونده در ماده فرو می‌رود، نسبت معکوس دارد؛ یعنی هر چه ماده سخت‌تر باشد، فرورونده کمتر فرو می‌رود و در نتیجه، دستگاه عدد بزرگ‌تری را به ما نشان می‌دهد. این عدد به خودی خود واحد اندازه‌گیری فیزیکی خاصی ندارد (مانند کیلوگرم یا میلی‌متر)، اما همیشه باید به همراه مقیاس مورد استفاده (مثلا HRC یا HRB) گزارش شود، چرا که مقیاس، تعیین‌کننده نوع فرورونده و نیروی اعمال شده بوده و به عدد سختی معنا می‌بخشد.
2. چطور می‌توانیم مطمئن شویم نتایجی که از تست سختی راکول می‌گیریم، واقعا دقیق هستند؟
   برای اطمینان از دقت نتایج، باید روی سه مورد اصلی تمرکز کنیم. مورد اول، کالیبراسیون منظم دستگاه است. دستگاه شما باید به طور مرتب با استفاده از بلوک‌های استاندارد سختی، که مقادیر تأیید شده‌ای دارند، تنظیم شود. مورد دوم، آماده‌سازی بی‌نقص نمونه شامل صافی کامل سطح و تمیز بودن آن است. همچنین، باید مطمئن شویم که نمونه ضخامت کافی دارد و نقاط تست همگی در فاصله استاندارد از لبه‌های نمونه قرار گرفته‌اند. انجام چند تست و گزارش میانگین آن‌ها نیز یک روش عالی برای افزایش اعتبار نتیجه است.
3. تفاوت راکول معمولی و راکول سطحی چیست و چگونه مناسب‌ترین را انتخاب کنیم؟
   تفاوت اصلی در میزان نیروی اعمالی است. سختی راکول معمولی از نیروی اولیه ۱۰ کیلوگرم و بارهای اصلی بالا (۶۰ تا ۱۵۰ کیلوگرم) استفاده می‌کند و برای اندازه‌گیری سختی کلی مواد ضخیم و حجیم طراحی شده است. در مقابل، سختی راکول سطحی از نیروی اولیه ۳ کیلوگرم و بارهای اصلی بسیار کمتر (۱۵ تا ۴۵ کیلوگرم) استفاده می‌کند و یک نفوذ بسیار سطحی ایجاد می‌کند. این روش سطحی برای اندازه‌گیری سختی لایه‌های نازک، پوشش‌های سخت‌کاری شده (مثل لایه نیتراسیون) یا موادی که ضخامت کمی دارند و ممکن است زیر بار زیاد بشکنند، مناسب‌تر است. انتخاب شما باید مستقیما بر اساس ضخامت قطعه و عمق لایه‌ای که می‌خواهید سختی آن را بدانید، انجام شود.