سختی فولاد بیانگر مقاومت آن در برابر نفوذ، فرورفتگی و تغییر شکل پلاستیک موضعی است. این ویژگی بر مقاومت سایشی، قابلیت ماشینکاری و عملکرد سطح قطعات اثر میگذارد؛ اما بهتنهایی تعیینکننده استحکام، چقرمگی یا طول عمر فولاد نیست.
سختی موردنیاز هر قطعه بر اساس نوع بارگذاری، میزان سایش، احتمال ضربه و شرایط کاری انتخاب میشود. افزایش بیش از اندازه سختی ممکن است چقرمگی را کاهش داده و احتمال ترک یا شکست ترد را بیشتر کند.
سختی فولاد چیست
سختی فولاد میزان مقاومت سطح آن در برابر نفوذ یک جسم سختتر یا تغییر شکل دائمی موضعی است. این ویژگی معمولاً با آزمونهایی مانند راکول، برینل و ویکرز اندازهگیری میشود.
سختی با سختیپذیری تفاوت دارد. سختی مقدار مقاومت فولاد در یک وضعیت مشخص است؛ اما سختیپذیری نشان میدهد فولاد هنگام کوئنچ تا چه عمقی قابلیت سختشدن دارد. سختیپذیری فولاد معمولاً با آزمون جامینی ارزیابی میشود.
هنگام انتخاب محصول، سختی باید در کنار ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی، شرایط عملیات حرارتی و قیمت فولاد بررسی شود. انتخاب صرفاً بر اساس سختی بیشتر، لزوماً به عملکرد بهتر یا خرید اقتصادیتر منجر نمیشود.
اهمیت سختی فولاد در صنایع مختلف
سختی در قطعاتی که تحت سایش، اصطکاک یا تماس موضعی قرار دارند، اهمیت زیادی دارد. چرخدندهها، ابزارهای برش، قالبها، رینگها و برخی شفتها نمونههایی هستند که سختی سطح آنها بر عمر کاری اثر میگذارد.
با اینحال، سختی زیاد بهتنهایی توانایی تحمل بار سنگین یا مقاومت در برابر شکست را تضمین نمیکند. برای انتخاب فولاد باید خواصی مانند استحکام تسلیم، استحکام کششی، چقرمگی، مقاومت خستگی و شکلپذیری نیز بررسی شوند.
عوامل موثر بر سختی فولاد
- ترکیب و عناصر آلیاژی
مقدار کربن نقش مهمی در حداکثر سختی قابل دستیابی فولاد دارد. عناصری مانند کروم، منگنز، مولیبدن و نیکل نیز میتوانند سختیپذیری و امکان تشکیل ساختار سختشده در عمق قطعه را افزایش دهند.
اثر عناصر آلیاژی به مقدار آنها، اندازه دانه آستنیت، سرعت سردشدن و ریزساختار نهایی وابسته است. بنابراین حضور یک عنصر بهتنهایی تضمینکننده سختی بیشتر نیست.
- عملیات حرارتی
فرایندهایی مانند آستنیتهکردن، کوئنچ و تمپر میتوانند ساختار و سختی فولاد را تغییر دهند. کوئنچ مناسب باعث تشکیل ساختار سختی مانند مارتنزیت میشود؛ اما فولاد کوئنچشده معمولاً چقرمگی کمی دارد و برای تنظیم تعادل میان سختی و چقرمگی تمپر میشود.
تمپر معمولاً مقداری از سختی را کاهش میدهد و در مقابل چقرمگی را افزایش میدهد.
- سرعت سرد شدن و محیط کوئنچ
سرعت سردشدن به نوع محیط کوئنچ، دمای محیط، ابعاد قطعه و شدت گردش سیال بستگی دارد. آب معمولاً سرعت سردکردن بیشتری از روغن دارد، اما احتمال اعوجاج و ترک نیز در آن بیشتر است.
افزایش سرعت سردشدن همیشه به نتیجه بهتر منجر نمیشود. محیط کوئنچ باید بر اساس گرید فولاد، ضخامت قطعه، سختیپذیری و خطر ترک انتخاب شود.
- ابعاد قطعه
سطح قطعات سریعتر از مرکز آنها سرد میشود. به همین دلیل، در قطعات ضخیم ممکن است سختی سطح و مرکز یکسان نباشد. انتخاب فولادی با سختیپذیری مناسب برای دستیابی به خواص یکنواخت در مقاطع بزرگ اهمیت دارد.
اندازه گیری و آزمایش های سختی فولاد
تست سختی راکول
در آزمون راکول، سختی بر اساس میزان نفوذ فرورونده تحت بار اولیه و بار اصلی تعیین میشود. نوع فرورونده و مقیاس آزمون، مانند HRC یا HRB، بر اساس جنس و سختی نمونه انتخاب میشود. استاندارد ASTM E18 روش آزمون راکول فلزات را پوشش میدهد.
آزمون سختی برینل
در آزمون برینل، یک گوی فولادی سختشده یا کاربید تنگستن با نیروی مشخص روی سطح نمونه فشرده میشود. پس از برداشتن نیرو، قطر اثر ایجادشده اندازهگیری و عدد سختی برینل محاسبه میشود.
این روش برای قطعات ریختگی، آهنگریشده و موادی با ساختار نسبتاً ناهمگن مناسب است. الزامات این آزمون در ASTM E10 بیان شدهاند.
تست سختی ویکرز
در آزمون ویکرز، یک فرورونده الماسی هرمی با قاعده مربع روی سطح نمونه اعمال میشود. سختی بر اساس نیروی آزمون و میانگین طول دو قطر اثر باقیمانده محاسبه میشود.
این روش برای محدوده وسیعی از مواد، قطعات نازک و اندازهگیری سختی لایههای سطحی قابل استفاده است. روشهای ویکرز و کنوپ در استاندارد ASTM E92 پوشش داده شدهاند.
انواع روش های ارزیابی سختی
سختی فرورفتگی
در این گروه، مقاومت ماده در برابر نفوذ یک فرورونده اندازهگیری میشود. آزمونهای راکول، برینل و ویکرز در این دسته قرار میگیرند.
سختی دینامیکی یا برگشتی
در روشهای دینامیکی، سختی بر اساس رفتار جسم ضربهزننده پس از برخورد با سطح، مانند سرعت یا میزان بازگشت آن، تعیین میشود. این روشها بیشتر برای قطعات بزرگ و آزمونهای قابلحمل کاربرد دارند.
سختی خراشی
سختی خراشی مقاومت سطح در برابر خراشیدهشدن با مادهای سختتر را نشان میدهد. این مفهوم با سختی فرورفتگی یکسان نیست و برای فولادهای مهندسی معمولاً آزمونهای راکول، برینل یا ویکرز کاربرد بیشتری دارند.
سختی سطحی
سختی سطحی نوع مستقلی از مکانیزم سختی نیست، بلکه مقدار سختی اندازهگیریشده در لایه بیرونی قطعه است. در قطعات کربوره، نیتریده یا سختکاری القایی، سختی سطح و عمق لایه سختشده باید بهصورت جداگانه کنترل شوند.
کاربرد سختی فولاد
- صنعت خودروسازی
در قطعاتی مانند چرخدندهها، میلبادامک، رینگها و برخی شفتها، سختی مناسب برای کاهش سایش اهمیت دارد. این قطعات علاوه بر سختی باید از چقرمگی، مقاومت خستگی و استحکام کافی نیز برخوردار باشند.
- ساخت و ساز و زیرساخت
در تیرها و ستونهای ساختمانی، خواصی مانند استحکام تسلیم، شکلپذیری، چقرمگی و جوشپذیری معمولاً مهمتر از سختی زیاد هستند. فولادهای ساختمانی عموماً بهصورت سختکاریشده استفاده نمیشوند؛ زیرا سختی بالا میتواند شکلپذیری و قابلیت جوشکاری را کاهش دهد.
اندازهگیری سختی در این حوزه بیشتر برای کنترل بعضی فرایندها، ارزیابی نواحی جوش یا بررسی تغییرات خواص سطحی کاربرد دارد.
- ابزارسازی و قالب سازی
در ابزارهای برش، سنبهها و قالبها، سختی برای مقاومت در برابر سایش و حفظ لبه اهمیت دارد. بااینحال، سختی باید متناسب با ضربه و فشار کاری انتخاب شود؛ زیرا ابزار بسیار سخت و کمچقرمه ممکن است دچار لبپریدگی یا شکست شود.
افزایش سختی فولاد
سختکاری و تمپر
فولاد ابتدا تا محدوده آستنیته گرم و سپس با سرعت کنترلشده کوئنچ میشود. پس از سختکاری، عملیات تمپر برای کاهش تنشهای داخلی و تنظیم تعادل میان سختی و چقرمگی انجام میشود.
سختکاری القایی یا شعلهای
در این روشها، سطح قطعه بهسرعت گرم و سپس سرد میشود. نتیجه آن ایجاد یک لایه سطحی سخت همراه با مغزی نسبتاً چقرمه است. این روش برای چرخدنده، شفت و سطوح تحت سایش کاربرد دارد.
کربورهکردن
در کربورهکردن، مقدار کربن سطح فولاد کمکربن افزایش داده شده و سپس قطعه سختکاری میشود. این فرایند سطحی سخت و مقاوم به سایش همراه با مغزی چقرمه ایجاد میکند.
نیتریدهکردن
در نیتریدهکردن، نیتروژن وارد سطح فولاد شده و ترکیبات سختی ایجاد میکند. این روش میتواند سختی سطح، مقاومت سایشی و در برخی شرایط مقاومت خستگی را افزایش دهد.
کارسختی
در بعضی فلزات و فولادها، تغییر شکل پلاستیک سرد باعث افزایش چگالی نابجاییها و بالا رفتن سختی و استحکام میشود. این افزایش معمولاً با کاهش شکلپذیری همراه است.
آنیل روش افزایش سختی نیست. آنیل فولاد معمولاً برای کاهش سختی، افزایش شکلپذیری، بهبود ماشینکاری و کاهش تنشهای داخلی انجام میشود.
انتخاب فولاد بر اساس سختی موردنیاز
سختی یکی از معیارهای مهم انتخاب فولاد است، اما باید همراه با سختیپذیری، چقرمگی، استحکام، مقاومت خستگی، قابلیت ماشینکاری و شرایط عملیات حرارتی بررسی شود. بالاترین مقدار سختی همیشه بهترین انتخاب نیست و ممکن است خطر ترک و شکست را افزایش دهد.
فولاد حامیران انواع فولادهای آلیاژی و ابزار را در گریدها و ابعاد مختلف تأمین میکند. برای انتخاب محصول مناسب باید سختی نهایی، عمق سختشدن، ابعاد قطعه و شرایط کاری مشخص شده و سپس گرید و عملیات حرارتی متناسب انتخاب شوند.
