علم مواد (رفتار مواد در مقابل نيروهاي كششي)

۱- آزمونهاي مخرب

۱-۱- آزمون كشش
رفتار مواد در مقابل نيروهاي كششي
بررسي رفتار الاستيكي و بيشتر پلاستيكي مواد به كمك نمودار تنش – تغيير بعد نسبي انجام مي گيرد. براي به دست آوردن چنين نمودارهايي بيشتر از آزمايش كشش استفاده مي شود.
آزمايش كشش از معمولترين و ساده ترين آزمايشهاست كه به كمك آن نه فقط ميتوان درباره رفتار الاستيكي و پلاستيكي مواد مختلف پيشگويي كرد، بلكه ميتوان تعداد زيادي از خواص مكانيكي مواد از قبيل انعطاف پذيري ، مقاومت كششي، حد الاستيكي، مدو الاستيكي، حد تسليم و استحكام شكست كه براي كاربرد صنعتي مواد حائز اهميت هستند را تعيين كرد.

در اين آزمايش نمونه تهيه شده از جسم مورد نظر را روي يكي از انواع دستگاههاي آزمايش كشش تحت تاثير نيروي كشش، كه با سرعت يكنواختي تا موقع شكست يا پاره شدن نمونه بر ان وارد مي شود، قرار مي دهيم. (شكل ۱)
نمونه هاي آزمايش كشش به شكلهاي استاندارد شده گرد و يا مسطح هستند. (شكلهاي ۱-۲ و ۱-۳)

نمونه ها بايد صاف و عاري از هرگونه شيار و يا زدگي باشند. طراحي نمونه هاي استاندارد شده بايد طوري باشد كه نمونه در موقع وارد آمدن نيرو بر آن تحت تاثير نيروي تك محوري بوده و تنش محوري به صورت همگن و يكنواخت بر روي سطح مقطع توزيع شده و از به وجود آمدن تمركز تنش در محلهاي اتصال نمونه به دستگاه جلوگيري شود.

در هنگام آزمايش مقدار نيرو و تغيير طولهاي مربوط به آنها اندازه گيري و بر روي نموداري رسم مي شود. (شكل ۱-۴) در قسمت OA نمونه كاملاَ در حالت الاستيكي خالص است و بين افزايش نيرو و تغيير طول تناسب خطي برقرار است كه به كمك مدول الاستيكي و رابطه هوك تعيين مي شود. بدين جهت اين قسمت از منحني خط هوك هم ناميده مي شود و نقطه A انتهاي قسمت الاستيكي و نقطه شروع تغيير شكل پلاستيكي را نشان ميدهد.

در قسمت تغيير شكل پلاستيكي مقدار نيرو همواره به طور پيوسته افزايش مي يابد و در نقطه B به حداكثر خود مي رسد. از نقطه B به بعد در موضعي از نمونه، سطح مقطع شروع به باريك شدن مي كند در نتيجه نيرو هم كاهش مي يابد، تا نقطه C كه در آن نقطه نمونه مي شكند. نمودار تنش – تغيير طول نسبي (كرنش) مهندسي از نمودار نيرو – تغيير طول با تقسيم مقدار آن به ترتيب به سطح اوليه ( ) و طول اوليه ( ) به دست آمده و كاملاَ مشابه آن است. مقدار حداكثر تنش در نمودار تنش – تغيير طول نسبي يا كرنش، يعني استحكام يا مقاومت كششي ناميده مي شود.

غير از مقاومت كششي كميت ديگري كه براي تغيير شكل پلاستيكي اهميت خاصي دارد حد الاسيكي و يا نقطه شروع تغيير شكل پلاستيكي يا به عاتي حد تسليم يا نقطه تسيم است. يافتن اين نقطه يعني تنشي كه به ازاي آن تغيير شكل پلاستيكي به آرامي شروع مي شود معمولاَ بسيار مشكل است .

بدين جهت به جاي آن تنشي انتخاب مي شود كه به ازاي آن مقدار معيني تغيير شكل پلاستيكي مانند ۰۱/۰% =
و يا ۲/۰% = صورت گيرد آن را حد تسليم مهندسي ( ) مي نامند، شكل (۱-۴- ب)
قبل از اينكه به كميتهاي ديگري كه به كمك آزمايش كش به دست مي آوريم بپردازيم، لازم است علت ات تنش در نمودار تنش – تغيير طول نسبي مهندسي را بيان كنيم. بعد از شروع تغيير شكل پلاستيكي تا نقطه تنش ماكزيمم يعني تا رسيدن به استحكام كششي تغيير طول به صورت يكنواخت (اعم از الاستيكي و پلاستيكي) در تمامي طول نمونه انجام مي گيرد كه كاهش سطح مقطع يكنواختي را هم به همراه دارد.

بعد از رسيدن به تنش ماكزيمم در محلي از نمونه نازك شدن موضعي شروع مي شود و ادامه مي يابد، تا اينكه پس از گذشت لحظاتي منجربه شكست مي شود. بنابراين در طول مدت آزمايش كل تغيير طول نسبي ظاهر شده شامل:
۱ – تغيير طول نسبي الاستيكي ( ).
۲ – تغيير طول نسبي يكنواخت از نقطه شروع تغيير شكل پلاستيكي تا نقطه تنش ماكزيمم (يكنواخت ).

۳ – تغيير طول نسبي يا كرنش غيريكنواخت با نازك شدن موضعي سطح مقطع (ايجاد گلويي) از نقطه حداكثر تنش تا شكست است:
غير يكنواخت + يكنواخت = كل
براي بررسي رفتار پلاستيكي مواد در صنعت شكل دادن از تغيير طول نسبي يكنواخت به عنوان يكي از مشخصه هاي فني كه داراي اهميت زيادي است استفاده مي شود.

كميت ديگري كه از آزمايش كشش به دست مي آيد، درصد كاهش نسبي سطح مقطع شكست است.

در اين رابطه درصد كاهش نسبي سطح مقطع در باريكترين محل نمونه شكست شده است. كميت مهمي بوده و براي تعيين شكل پذيري يا انعطاف پذيري يك ماده به كار مي رود و برخلاف تغيير طول نسبي متعلق به ناحيه گلويي تا شكست، درصد كاهش نسبي سطح مقطع به طول نمونه بستگي ندارد. با توجه به انواع شكستها. (شكل ۱-۵) ملاحظه مي شود كه در اجسام كاملا” ترد درصد كاهش نسبي سطح مقطع به سمت صفر ميل مي كند، (شكل ۱-۵ الف)

۱-۲- آزمايش فشار :
رفتار مواد در مقابل نيروهاي فشاري :
آزمايش فشار معمولا” براي بررسي كيفيت مواد ترد مانند چدن، آلياژهاي ترد و همچنين مواد غيرفلزي ديگي كه در شرايط كاري بيشتر تحت تاثير نيروهاي فشاري قرار خواهد گفت، مثل تكيه گاههاي فلزي يا آلياژهاي ياتاقاني، مواد سراميكي، بتن و همچنين براي بررسي رفتار مواد فلزي كه در عمليات شكل دهي تحت تنشهاي فشاري قرار مي گيرند، به كار مي رود.

در آزمايش فشار نمونه استوانه اي شكل توپر را در قسمت مركزي فكها يا صفحه هاي فشاري دستگاه آزمايش قرار داده و از دو طرف تحت تاثير نيروي فشاري قرار مي دهند. تجربه نشان مي دهد كه :
الف – مدول الاستيكي مواد تحت تاثير تنشهاي كششي و فشاري برابر است.

ب – در مواد نرم (شكل پذير) نتايج به دست آمده از آزمايش كشش و فشار تقريباَ برابر است. اين گونه مواد تحت تاثير نيروهاي فشاري معمولاَ بدون اينكه بشكنند به هم فشرده خواهند شد. بعد از اينكه تغيير شكل به مقدار ماكزيمم خود رسيد، تركهاي طولي در نتيجه تنشهاي كششي و يا تركهاي حدود ۴۵ درجه اي در اثر تنشهاي برشي در لايه سطح خارجي ايجاد مي شود.

ج – در مواد ترد نتايج حاصله از آزمايش كشش و فشار، تفاوت قابل توجهي نشان مي دهد. براي مثال در چدن خاكستري اثر شيار در لايه هاي گرافيتي برخلاف آزمايش كشش بي تاثير است. ولي چوب به علت ساختار اليافي خود از اين جهت مستثني است.
د – نتايج حاصله از آزمايش فشار توسط عواملي مانند نوع پراخت كاري سطح قاعده نمونه و نوع روغنكاري تغيير خواهد كرد.

كميتهايي كه از آزمايش فشار به دست مي آيد و مشابه كميتهاي قابل اندازه گيري به وسيله آزمايش كشش است، عبارتند از:
۱ – حد تسليم يا تنش سيلان كه در مواد نرم همان تنشي است كه به ازاي آن تغيير شكل پلاستيكي شروع مي شود. ( )
هرگاه اين حد در نمودار به دست آمده به طور كاملاَ واضحي مشخص نباشد به جاي آن تنشي را كه به ازاي آن ۲/۰% تغيير شكل نسبي بر جاي ماندني داريم، يعني را تعيين مي كنيم.

۲ – استحكام فشاري، تنشي است كه به ازاي آن اولين نشانه از ترك يا شكست روي سطح نمونه ظاهر مي شود .
اما برخلاف آزمايش كشش از آغاز تغيير شكل تا لحظه شكست نيرو افزايش مي يابد. زيرا به استحكام فشاري حقيقي را ميتوان با استفاده از رابطه زير تعيين كرد:

۳ – فشردگي نسبي شكست يا به عبارتي كاهش نسبي ارتفاع تا شكست.
مقدار فشردگي نسبي شكست صنعتي و حقيقي به صورت زير محاسبه مي شود:
صنعتي
حقيقي
۴ – افزايش نسبي سطح مقطع شكست
افزايش نسبي سطح مقطع شكست، بزرگترين مقدار تغيير شكل پلاستيكي (برآمدگي سطح جانبي) در زمان ظاهر گشتن اولين ترك است.

در شكل (۱-۶) رفتار مواد نرم و ترد تحت تنشهاي كششي و فشاري براي مقايسه با يكديگر نشان داده شده است.
تاثير عوامل موثر بر روي نتايج آزمايش:
۱ – حالت تنش و اصطكاك:
در آزمايش، فشار نيروي خارجي، معمولاَ از طريق صفحات فشار موازي (فكها) كه سطح تماس آنها با نمونه روغنكاري نشده است ( ضريب اصطكاك) انجام مي گيرد. همراه با فشار محوري به علت وجود اصطكاك در سطح قاعده هاي نمونه تنشهاي عرضي در جهت شعاع و مماس وارد مي شود.

لذا در نتيجه وجوود اصطكاك در سطح قاعده هاي نمونه تنشهاي عرضي در جهت شعاع و مماس وارد مي شود. لذا در نتيجه وجود اصطكاك و تنشهاي ناشي از آن از تغيير شكل همگن و يكنواخت نمونه ممانعت مي شود.

اين ممانعت با افزايش فاصله از سطح فكها به صورت مخروطي كاهش مي يابد. بدين صورت نواحي تاثيرپذير مخروطي شكل به دست مي آيد (كه هريك از ناحيه ها اصطلاحا” مخروط فشار يا مخروط اصطكاك يا منطقه مرده ناميده ميشود) كه در آنها تنش هنوز به حد تسليم (حد سيلان) نرسيده است. بدين ترتيب قسمتهاي مخروطي شكل از نمونه كه در تماس با فكهاي دستگاه فشار قرار دارد،

به مقدار بسيار جزئي تغيير شكل يافته و يا هيچ تغيير شكلي نمي يابد و برعكس در قسمت وسط نمونه هاي نرم، تغيير شكل پلاستيكي بدون هيچ ممانعتي صورت مي گيرد. به طوري كه نمونه به شكل يك بشكه كه دور تا دور وسط آن متورم شده باشد درآمده. شكل (۱-۷) و بدين ترتيب تغيير شكل به صورت غيريكنواخت انجام مي گيرد.

در موقع شكست مواد ترد مشاهده مي شود كه مخروطهاي اصطكاك برجاي مانده، در صورتي كه بقيه قسمتهاي نمونه به صورت لايه اي فرو مي ريزد كه اين پديده به نسبت ارتفاع به قطر نمونه بستگي دارد. شكل (۱-۸)
چنانچه از ممانعت تغيير شكل به وسيله روغنكاري به قدر كافي درسطح تماس بين فكها و سطوح قاعده نمونه جلوگيري شود، به صورتي كه باشد، ابتدا با تقريب نسبتا” خوبي يك حالت تنش تك محوري و يك حالت تغيير شكل سه محوري برقرار مي شود.

در اين صورت نمونه در امتداد محور فشرده و در جهت عمود بر آن (در جهت شعاع و مماس) انبساط خواهد يافت. با فراتر رفتن مقدار انبساط از حد معيني، كه بستگي به جنس نمونه داد، تنشهاي شعاعي و مماسي ايجاد و شكست در جهت عمود بر امتداد تغيير شكل در نمونه ظاهر مي شود. بنابراين نمونه هاي روانكاري شده در آزمايش فشار در جهت طول مي شكند.

۲ – نسبت ارتفاع به قطر نمونه:
نمونه ها با ابعادي متناسب با ابعاد و خواص جسم مورد آزمايش و همچنين نسبت به نوع دستگاه آزمايش فشار انتخاب مي شوند. ابعاد متداول عبارتند از:

در اين رابطه h و d به ترتيب ارتفاع و قطر اوليه نمونه و a ضريبي است كه مي تواند بين ۱ تا ۳ تغيير كند.
در نمونه هاي بلد بايد به خطر خمش تا حد شكست (كمانش) توجه شود. چون مخروطهاي اصطكاك به وجود آمده در اثر اصطكاك به طرف وسط نمونه كاهش مي يابد. نسبت ارتفاع به قطر به طور عمده اي بر روي استحكام فشاري تاثير خواهد گذاشت.

بدين صورت كه موقعي كه هر دو مخروط در يكديگر داخل شوند، استكام فشاري به مقدار ماكزيمم خود خواهند رسيد. براي يك قطر ثابت با افزايش نسبت d/h (يعني با كاهش ارتفاع) شكست به ازاي تنشهاي بالاتري ظاهر مي شود، شكل (۱-۹) از طرفي وجود اصطكاك بين سطح تماس نمونه و فكهاي دستگاه آزمايش فشار سبب تغيير شكل يكنواخت در نمونه تحت فشار كاهش نسبت d/h است

(ازلحاظ تئوري براي اصطكاك هم به مقدار صفر ميل خواهد كرد). اما كاهش بسيار زياد قطر هم سبب كاهش حد فشردگي يا بروز خطر كمانش و شكست زودرس خواهد شد. از اين جهت با استفاده از روغنكاري ميتوان تاثير اصطكاك را تا حد امكان به حداقل رسانيد. تجربه نشان داده است كه مقدار نسبت براي نسبت d / h حدود ۵/۰ است.

۳ – درجه پرداختكاري سطح قاعده نمونه:
نوع و درجه پرداختكاري سطوح قاعده از عواملي است كه كم و بيش بر روي استحكام فشاري به دست آمده تاثير خواهد گذاشت.

۴ – شكل نمونه:
نمونه هاي استوانه اي شكل استحكام فشاري بالاتري را نسبت به نمونه هاي مكعبي شكل با همان سطح قاعده و همان ارتفاع نشان مي دهد، زيرا كه توزيع تنش در نمونه هاي استوانه اي شكل مناسب تر از نمونه هاي كمعبي شكل است.

۱-۳- سختي :
سختي به عنوان مقاومت يك ماده در مقابل تغيير شكل پلاستيكي و يا فرو رفتن ماده سخت تر ديگري در آن تعريف شده است. سختي، يك خاصيت تعريف شده فيزيكي و استاندارد شده نيست، زيرا به وسيله عددي كه از طريق يكي از روشهاي به كار برده شده به دست مي آيد، تعيين مي شود.

در بسياري از موارد آزمايش كشش، كه از لحاظ تهيه نمونه وقت گير و پرخرج است، توسط آزمايش ساده سختي جايگزين مي شود. روشهاي مختلفي براي تعيين سختي وجود دارد كه هر كدام به نوبه خود مزايا و معايبي دارند و معمولاَ تمامي اين روشها تاكنون در بررسي هاي كنترل كيفي و كارهاي تحقيقاتي بسيار سودمند بوده است. اكنون به شرح مختصري در مورد تعدادي از روشهاي موجود مي پردازيم.
۱ – سختي برينل :
سختي برينل يكي از قديمي ترين روشهاي استاندارد شده است كه معمولاَ هنوز مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين آزمايش از يك ساچمه فولادي سخت شده به قطر D به عنوان فرو شونده استفاده مي شود كه با نيروي F به آرامي و به طور يكنواخت (بدون ضربه) بر سطح صيقلي شده قطعه مورد آزمايش به صورت عمودي فشار داده خواهد شد.

پس از حذف نيرو و برداشتن ساچمه از روي قطعه ابتدا مقدار تغيير شكل الاستيكي بازگشت كرده و تغيير شكل پلاستيكي به صورت حفره اي به قطر d و عمق t در سطح قطعه ابتدا مقدار تغيير شكل الاستيكي بازگشت كرده و تغيير شكل پلاستيكي به صورت حفره اي به قطر d و عمق t در سطح قطعه مورد آزمايش برجاي باقي مي ماند، شكل (۱-۱۰) قطر اثر ايجاد شده توسط ميكرومتر اندازه گيري و سپس عدد سختي برينل از رابطه زير بدست مي آيد:

BHN =

براي به دست آوردن عمق t از دو رابطه هندسي زير استفاده مي كنيم:

چون يك طرف دو رابطه فوق با هم برابر است، بنابراين طرف دوم آنها هم بايد برابر باشد:

و بنابراين سختي برينل از رابطه زير به دست مي آيد:

ولي در عمل براي سهولت و صرفه جويي در وقت، از اين رابطه براي محاسبه سختي مستقيما” استفاده نمي شود،‌ بلكه با اندازه گيري قطر اثر ،‌ عدد سختي برينل را مستقيما” از جداولي كه همراه دستگاه اندازه گيري است تعيين مي كنند.
سختي برينل با تغيير قطر ساچمه و مقدار نيرو تغيير مي كند. مقدار نيرويي را كه وارد مي كنيم با توجه به رابطه به دست آمده مي توان به صورت F = XD2 نوشت كه X = F / D2 را درجه نيرو مي نامند.

درجه نيرو و قطر ساچمه را نسبت به جنس نمونه مورد آزمايش و ضخامت آن بايد طوري انتخاب كنيم كه پس از برداشت نيرو از روي نمونه قطر اثر ساچمه (d) بين ۲/۰ تا ۷/۰ قطر ساچمه (D ) باشد. چنانچه قطر (d) كوچكتر از D2/0 باشد،‌ محيط يا لبه فرو رفتگي به خوبي نمايان نمي شود.
لذا براي اينكه سختيهاي به دست آمده براي مواد مختلف قابل مقايسه باشد، لازم است با يك فرو شونده ثابت از نيروهاي مختلف استفاده شود. به طوري كه نسبت X = F / D2 براي هر فاز مقدار ثابتي باشد.

اين نسبت براي فولاد و چدن ۳۰ ، براي آلياژهاي مس ۱۰ و براي آلياژهاي آلومينيوم ۵ و براي آلياژهاي سرب ۵/۲ است، جدول (۱-۱) بايد توجه كرد كه فواصل فرورفتگيهاي مختلف از يكديگر حدقل d2 انتخاب شود تا بدين وسيله از تاثير مقدار سختي نقاط مجاور بر روي يكديگر در نتيجه تمايل به كار سختي يا سختي كرنشي مواضعي از نمونه در اثر تغيير شكل پلاستيكي سود جلوگيري به عمل آيد.

مدت زمان وارد آوردن نيرو بايد به اندازه كافي باشد تا تغيير شكل پلاستيكي بتواند به خوبي انجام گيرد. اين مدت زمان براي فلزات سخت كه درجه حرارت ذوبي بيش از ۶۰۰ درجه سانتيگراد دارند حدود ۱۰ ثانيه و براي فلزات نرم كه درجه حرارت ذوب آنها كمتر از ۶۰۰ درجه سانتيگراد است حدود ۳۰ ثانيه است.

معايب روش برينل:
۱ – اين روش براي مواد بسيار سخت مناسب نيست.
۲– محدوديت در ضخامت نمونه به طوري كه ضخامت آن نبايد كمتر از ۵/۲ ميليمتر باشد و يا به عبارتي ديگر نبايد كمتر از ده برابر عمق فرورفتگي باشد.
۳ – لبه فرورفتگي را هميشه نمي توان به راحتي ديد و تشخيص آن در مود برخي از فلزات كه داراي رنگ خاصي هستند دشوار است.

با وجود اين معايب وش برينل بسيار ساده است و امتياز آن در اين است كه سطح اثر فرورفتگي نسبتا” بزرگ است، به طوي كه در اندازه گيري سختي غير يكنواختيهاي بسيار جزئي در نتيجه آزمايش تاثير ندارد و ديگر اينكه به كمك روابط تقريبي داده شده مي توان حد تسليم و يا استحكام كششي را تعيين كرد. براي مثال استحكام كشي فولادهاي ساختماني را مي توان به طور تقريب از رابطه زير كه به طور تجربي به دست آمده است تعيين كرد:

۲ – سختي راكول :
در اندازه گيري سختي به روش راكول از فرو شونده مخروطي شكل الماسي با زاويه ۱۲۰ درجه يا ساچمه اي شكل فولادي سخت شده استفاده مي شود. در روش راكول عمق فرورفتگي كه در اثر وارد آوردن نيروي مشخصي بر روي نمونه ايجاد شده اندازه گيري و از آن به عنوان مقياسي براي تعيين سختي راكول استفاده مي شود.

براي مثال در راكول C ابتدا فرو شونده با يك نيروي ۱۰ كيلوگرمي به طور عمودي در سطح جسم فرو مي شود و در نتيجه فرورفتگي بسيار ريزي در سطح جسم به وجود مي آيد. در اين موقع عقربه دستگاه را بر روي صفر قرار داده و سپس يك بار ۱۴۰ كيلوگرمي (درراكول C) و يك بار ۹۰ كيلوگرمي (در راكول B) به نام بار اصلي به آرامي به آن اضافه مي شود.

سختي پس از وارد آوردن بار اصلي و نگهداشتن آن به مدت لازم براي انجام تغيير پلاستيكي مستقيماَ از روي صفحه مدرج نصب شده بر روي دستگاه سختي سنج خوانده مي شود، شكل (۱-۱۲) بدين ترتيب عدد سختي راكول معياري از فرورفتگي پلاستيكي و يا دائمي ايجاد شده در جسم در اثر نيروي اصلي است.
عدد سختي راكول طبق رابطه زير به دست مي آيد:

در اين رابطه و اعداد ثابتي هستند. براي مخروط الماسي و براي ساچمه فولادي ۱۳۰ = C و C براي هر دو نوع فرو شونده برابر ۵۰۰ انتخاب شده است.
در تعيين سختي به روش راكول از درجه بنديهاي مختلفي كه از تركيبهاي مختلف نيروي اصلي و شكل فرو شونده مشخص شده است، استفاده مي شود. بنابراين در هنگام نوشتن گزارش، هميشه بايد عدد سختي راكول را همراه با تعيين نوع تركيب نيروي اصلي و شكل فرو شونده ذكر كرد، شكل (۱-۱۲)

براي اندازه گيري نمونه هاي نازكتر از ۵/۱ ميليمتر و سطوح ناصاف و يا غيريكنواخت مانند چدن خاكستري، نمي توان دستگاه راكول استاندارد شده را به كار برد و بدين جهت براي آنها آزمايش راكول سطحي را به كار مي برند. در اين آزمايش نيروهاي اوليه و همچنين اصلي كمتر بوده و چون فرورفتگي ناچيز است

اين روش براي صفحات نازك فلزي و يا اندازه گيري سختي سطحي فولادي كه به وسيله عمليات حرارتي از قبيل كربن دهي، ازت يا نيتروژن دهي و كربونيتريده شده مناسب است. امتيازات روش راكول عبارتند از:
۱ – سرعت عمل، زيرا كه سختي مستقيما” به كمك صفحه مدرجي كه بر روي دستگاه نصب شده قابل تعيين است. بدين علت براي آزمايشهاي كنترل كيفي مخصوصا” در توليدات سري سازي شده كاربرد زيادي دارد.

۲– براي اندازه گيري سختيهاي بالا مناسب است.

۳ – سختي ويكرز:
در اين روش فرو شونده يك هرم مربع القاعده الماسي است. راويه سطوح جانبي اين هرم ۱۳۶ درجه است. شكل (۱-۱۲) كه موقع انجام آزمايش با نيروي معيني به طور عمود بر سطح كاملا” صيقل داده شده نمونه فرو مي رود. بعد از برداشتن نيرو قطر (قطر متوسط) اثر هرم را به كمك يك ميكروسكوپ اندازه گيري كرد و پس از محاسبه سطح اثر

، مقدار نسبت نيرو را بر سطح اثر تعيين مي كنند. بدين ترتيب عدد به دست آمده سختي سطح قطعه مورد نظر را بر حسب عدد سختي ويكرز (VHN) تعيين مي كند :

در اين رابطه نيروي F برحسب كيلوگرم نيرو (نيوتن) و قطر اثر d برحسب ميليمتر است، در نتيجه H برحسب kgf/mm2 يا N/mm2 به دست مي آيد. ولي در عمل براي تعيين سختي ويكرز از جداولي كه سختي نسبت به قطر اندازه گيري شده اثر هرم و همچنين نيروي وارد بر آن مي شود. اين روش بيشتر براي كارهاي تحقيقاتي استفاده مي شود.

مزاياي روش ويكرز:
سختي سنج ويكرز براي اندازه گيري سخت ترين مواد تحت بارهاي متغير بسيار دقيق و مناسب است. براي تعيين سختي لايه هاي بسيار نازك، مانند لايه هاي سطحي گالوانيزه شده. لايه هاي سطحي آب داده و سخت شده و همچنين سطح مقطعهاي بسيار نازك به عنوان ميكرو سختي سنج به كار مي رود.

معايب روش ويكرز:
گراني دستگاه ، حساسيت فرو شونده آن به ويژه صرف وقت زياد براي تهيه نمونه از مقاطع نازك و اندازه گيري قطر اثر آن است. ولي امروزه دستگاههاي مجهز به سيستمهاي اندازه گيري و محاسبه كامپيوتري مي توانند عدد سختي را مستقيما” ارائه دهد. رابطه تقريبي ارتباط بين حد تسليم و سختي ويكرز را نشان مي دهد.

تا
۱-۴ آزمونهاي ضربه
رفتار مواد در مقابل نيروهاي ضربه اي:
يك ماده با وجود انعطاف پذيري و استحكام بالايي كه دارد تحت تاثير عواملي مي تواند ترد و شكننده شود، بدين صورت كه تحت آن شرايط تمايل به يك شكست ناگهاني با مقدار بسيار كمي تغيير شكل پلاستيكي پيدا مي كند. طبيعتا” اين پديده مي تواند خطراتي را به دنبال داشته باشد. عمده ترين عوامل موثر عبارتند از: درجه حرارتهاي پايين، سرعتهاي بالاي وارد مدن تنش، حالت تنش سه محوري.

علل ظاهر گشتن خاصيت تردي مي تواند، تجمع رسوبات يا فازهاي سخت مخصوصا” در مرزدانه ها، نفوذ گازها (ترد شدن در اثر گاز هيدروژن) ايجاد عيوب نقطه اي (جاهاي خالي) در اثر اشعه و همچنين اثرات خوردگي و اكسيداسيون باشد. از اين جهت گفته مي شود كه در مواضعي كه بي نظمي وجود دارد مقدار تنش ايجاد شده به طور موضعي از تنش شكست تجاوز كرده

و ترك ظاهر مي شود و به محض شروع ترك تمركز تنش پيش مي آيد و ترك گسترش يافته منجربه شكست مي شود. در عمل، اين پديده در جنگ جهاني دوم با دو نيم شدن يك كشتي جنگي در نواحي نزديك به قطب شمال ظاهر گشت. كه تحقيقات وسيعي را در اين زمينه به همراه آورد.

به كمك آزمايش ضربه مي توان محدوده هاي درجه حرارتي را كه در آن مواد رفتاري ترد و يا نرم از خود نشان مي دهند، مشخص كرد. در اين آزمايش ضربه، مقدار كار يا انرژي لازم براي شكست يك نمونه (از جنس فلز يا مواد پليمري)، كه تحت شرايط نامناسب تنش قرار گرفته باشد، اندازه گيري مي شود.

چنانچه اين مقدار انرژي كم باشد مي توان چنين نتيجه گيري كرد كه ماده ترد بوده و داراي حساسيت بالايي در مقابل نيروهاي ضربه اي است و اگر اين انرژي بالا باشد ماده نرم وانعطاف پذير است و بار بيشتري را مي تواند تحمل كند و يا به عبارتي داراي سفتي بالايي است. با اين آزمايش همچنين مي توان محدوده درجه حرار انتقال شكست نرم به شكست ترد را تعيين كرد.