نمایش مبدأ برای آزمون سختی ویکرز

{{merge|سختی ویکرز}}
[[پرونده:Vickers-tester.jpg|بندانگشتی|سختی سنح ویکرز]]
'''آزمایش سختی ویکرز''' در سال ۱۹۲۱ توسط رابرت ال اسمیت و جورج ای. سندلند در [[ویکرز لیمیتد|ویکرز لیمیتد (Vickers Ltd)]] به عنوان جایگزینی برای روش [[سختی برینل|برینل]] برای اندازه‌گیری [[سختی]] مواد ساخته شد.<ref>R.L. Smith & G.E. Sandland, "An Accurate Method of Determining the Hardness of Metals, with Particular Reference to Those of a High Degree of Hardness," ''[[Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers]]'', Vol. I, 1922, p 623–641.</ref> استفاده از آزمون ویکرز اغلب از سایر آزمایش‌های سختی آسان‌تر است زیرا محاسبه‌های مورد نیاز مستقل از اندازه فرورفتگی است و از تورفتگی برای تمام مواد صرف نظر از سختی می‌توان استفاده کرد. اصل اساسی، مانند سایر اندازه‌گیری‌های سختی معمول، مشاهده توانایی یک ماده در مقاومت در برابر [[تغییر شکل (مهندسی)|تغییر شکل پلاستیک]] از یک منبع استاندارد است. آزمون ویکرز برای کلیه [[فلز]]ها قابل استفاده است و یکی از وسیع‌ترین مقیاس‌ها را در بین آزمایش‌های سختی دارد. واحد سختی داده شده توسط این آزمون به عنوان '''شماره هرم ویکرز''' ('''HV''') یا '''سختی''' '''الماس هرمی''' ('''DPH''') شناخته می‌شود. عدد سختی را می‌توان به واحد [[پاسکال (یکا)|پاسکال تبدیل کرد]]، اما نباید آن را با فشار که از همان واحدها استفاده می‌کند اشتباه گرفت. عدد سختی با توجه به نیروی وارد بر سطح تورفتگی و نه ناحیه عمود بر سطح تعیین می‌شود، بنابراین فشار نیست.

== اجرا ==
[[پرونده:Vickers-path-2.svg|پیوند=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Vickers-path-2.svg|بندانگشتی|طرح آزمایش ویکرز]]
[[پرونده:Vickers anvil diamons.jpg|بندانگشتی| فرورفتگی [[الماس]] هرمی یک آزمایشگر سختی ویکرز]]
[[پرونده:Case hardened steel-vickers hardness test.png|بندانگشتی|تورفتگی پس از آزمایش سختی ویکرز در فولاد با پوسته سخت باقی مانده‌است. تفاوت در طول هر دو قطر و افت روشنایی، هر دو نشانه‌هایی قدیمی از نمونه خارج از رده هستند. این فرورفتگی خوبی نیست.]]
[[پرونده:Vicker Hardness - Diamond Indentation.jpg|بندانگشتی|این یک تورفتگی خوب است.]]
تصمیم گرفته شد که شکل تورفتگی بدون در نظر گرفتن اندازه باید قادر به تولید نشان گذاری‌های مشابه هندسی باشد. نشان گذاری باید دارای نقاط اندازه‌گیری کاملاً مشخص باشد؛ و فرورفتگی باید مقاومت بالایی در برابر تغییر شکل خود داشته باشد. [[الماس]] به شکل هرم با قاعده مربع شکل، این شرایط را برآورده می‌کند. طبق آزمایش‌ها مشخص شده بود که اندازه ایده‌آل یک نشان گذاری [[سختی برینل|برینل]] ،۳/۸ قطر توپ بود. از آنجا که دو [[مماس]] دایره در انتهای وتر به طول 3''d''/۸، در ۱۳۶ درجه تلاقی می‌یابند، تصمیم گرفته شد که از این زاویه به عنوان زاویه موجود بین وجه‌های صفحه نوک تورفتگی استفاده شود. این از هر وجه [[نرمال (هندسه)|عمود]] به صفحه افقی نرمال ۲۲ درجه در هر طرف است. زاویه از نظر آزمایشی متنوع بود و مشخص شد که مقدار سختی بدست آمده بر روی یک قطعه ماده همگن، صرف نظر از نیرو، ثابت مانده‌است.<ref>[http://ukcalibrations.co.uk/vickers-htm The Vickers Hardness Testing Machine] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161023073420/http://www.ukcalibrations.co.uk/vickers-htm |date=۲۳ اكتبر ۲۰۱۶ }}. UKcalibrations.co.uk. Retrieved on 2016-06-03.</ref> بر این اساس، بسته به سختی ماده در حال اندازه‌گیری، نیروهایی با اندازه‌های مختلف بر روی یک سطح صاف اعمال می‌شود. سپس عدد HV با نسبت ''F / A تعیین می‌شود''، جایی که ''F'' نیرویی است که بر حسب کیلوگرم به الماس وارد می‌شود و ''A'' سطح تورفتگی حاصل در واحد میلی‌متر مربع است. ''A'' می‌تواند توسط فرمول تعیین شود:

: <math>A = \frac{d^2}{2 \sin(136^\circ/2)}</math>

می‌توان A را با محاسبه عبارت سینوسی تخمین زد و در نتیحه،

: <math>A \approx \frac{d^2}{1.8544}</math>

که در آن ''d'' طول متوسط قطر باقی مانده از تورفتگی به میلی‌متر است. از این رو،<ref>ASTM E384-10e2</ref>

: <math>HV = \frac{F}{A} \approx \frac{1.8544 F}{d^2} \quad [\textrm{kgf/mm}^2]</math>

که در آن ''F'' به [[کیلوگرم-نیرو|kgf]] (کیلوگرم نیرو) و ''d'' به میلی‌متر است.

واحد مربوط به HV کیلوگرم نیرو بر میلی‌متر مربع (kgf / mm²) یا عدد HV است. در معادله فوق، "F" می‌تواند در واحد N (نیوتن) و "d" در واحد میلی‌متر باشد، و این امر باعث می‌شود HV در SI به واحد MPa ([[مگا]] پاسکال) باشد. برای محاسبه عدد سختی ویکرز (VHN) با استفاده از واحدهای SI باید [[کیلوگرم-نیرو|نیروی]] وارد شده را بر حسب نیوتن با تقسیم بر ۹٫۸۰۶۶۵ ([[شتاب گرانشی|شتاب گرانش استاندارد]]) به [[کیلوگرم-نیرو|کیلوگرم نیرو]] تبدیل کرد. این امر منجر به معادله زیر می‌شود:<ref>ISO 6507-1:2005(E)</ref>

: <math>HV \approx {0.1891}\frac{F}{d^2} \quad [\textrm{N/mm}^2]</math>

که ''F'' در واحد N (نیوتن) و ''d'' در واحد میلی‌متر است. یک خطای معمول این است که فرمول فوق برای محاسبه عدد HV منجر به عددی با واحد نیوتن بر میلی‌متر مربع (N / mm²) نمی‌شود، بلکه مستقیماً به عدد سختی ویکرز منجر می‌شود (که معمولاً بدون واحد داده می‌شود)، که در واقع یک [[کیلوگرم-نیرو|کیلوگرم نیرو]] در هر میلی‌متر مربع است (1kgf/mm²).

اعداد سختی ویکرز به صورت '''xxxHVyy''' گزارش می‌شوند، به عنوان مثال '''440HV30'''، یا اگر مدت زمان اعمال نیرو از ۱۰ الی ۱۵ ثانیه متغیر باشد به صورت '''xxxHVyy/zz''' گزارش می‌شود. به عنوان مثال 440HV30 / ۲۰، که در آن:
* '''۴۴۰''' عدد سختی است،
* '''HV''' مقیاس سختی را می‌دهد (ویکرز)،
* '''۳۰''' نشان دهنده نیروی استفاده شده در واحد kgf (کیلوگرم نیرو) است.
* '''۲۰''' زمان اعمال نیرو را در شرایطی که از ۱۰ الی ۱۵ ثانیه متفاوت باشد را نشان می‌دهد.

برای تبدیل عدد سختی ویکرز به واحدهای SI، عدد سختی بر حسب [[کیلوگرم-نیرو|کیلوگرم]] بر میلی‌متر مربع (kgf / mm²) باید در شتاب گرانش استاندارد (۹٫۸۰۶۶۵) ضرب شود تا سختی در واحد مگاپاسکال (N/mm²) بدست آید و همچنین بر ۱۰۰۰ تقسیم شود تا سختی را در واحد GPa ([[گیگا]] پاسکال) بدهد. سختی ویکر همچنین می‌تواند بر اساس منطقه برجسته شده تورفتگی و نه سطح آن، به یک سختی SI تبدیل شود. منطقه برجسته شده ، <math>A_p</math> ، به شکل زیر برای هندسه فرورفتگی ویکرز تعریف می‌شود:<ref>{{Cite book|title=Introduction to contact mechanics|last=Fischer-Cripps, Anthony C.|date=2007|publisher=Springer|isbn=978-0-387-68188-7|edition=2nd|location=New York|pages=212–213|oclc=187014877}}</ref>

<math>A_p = \frac{d_{avg}^2}{2}</math>

از این سختی بعضی اوقات به عنوان منطقه تماس متوسط یاد می‌شود و در حالت ایده‌آل می‌توان آن را مستقیماً با سایر آزمایشهای سختی که آن‌ها نیز با استفاده از منطقه برحسته شده تعریف شده‌اند مقایسه کرد.

مقادیر ویکرز به‌طور کلی از نیروی آزمایش مستقل هستند: برای 500 gf ([[کیلوگرم-نیرو|گرم نیرو]]) و ۵۰ [[کیلوگرم-نیرو|kgf]] ([[کیلوگرم-نیرو|کیلوگرم نیرو]]) در هر حالت یکسان خواهند بود، تا زمانی که نیرو حداقل 200 gf ([[کیلوگرم-نیرو|گرم نیرو]]) باشد.<ref>[http://www.instron.us/wa/applications/test_types/hardness/vickers.aspx Vickers Test] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20141021002940/http://www.instron.us/wa/applications/test_types/hardness/vickers.aspx |date=21 اكتبر 2014 }}.  Instron  website.</ref> با این حال، فرورفتگی‌های نیروهای کمتر، اغلب، وابسته بودنِ سختی به عمق تورفتگی را نشان می‌دهند که به عنوان اثر اندازه تورفتگی (ISE) شناخته می‌شود.<ref>{{Cite journal|last=Nix|first=William D.|last2=Gao|first2=Huajian|date=1998-03-01|title=Indentation size effects in crystalline materials: A law for strain gradient plasticity|url=https://archive.org/details/sim_journal-of-the-mechanics-and-physics-of-solids_1998-03_46_3/page/411|journal=Journal of the Mechanics and Physics of Solids|volume=46|issue=3|pages=411–425|bibcode=1998JMPSo..46..411N|doi=10.1016/S0022-5096(97)00086-0|issn=0022-5096}}</ref>

عمق تورفتگی برای نمونه‌های نازک به دلیل اثرات زیر لایه می‌تواند مسئله ساز باشد. به‌طور معمول ضخامت نمونه باید بیشتر از ۲٫۵ برابر قطر تورفتگی باشد. عمق تورفتگی ، <math>t</math> ، می‌تواند با توجه به موارد زیر محاسبه شود:

: <math>t = \frac{d_{avg}}{2\sqrt{2}\tan{\frac{\theta}{2}}} \approx \frac{d_{avg}}{7.0006}</math>

{| class="wikitable"
|+نمونه‌هایی از مقادیر HV(سختی ویکرز) برای مواد مختلف<ref>Smithells Metals Reference Book, 8th Edition, ch. 22</ref>
! مواد
! ارزش
|-
| 316L فولاد ضدزنگ
| 140HV30
|-
| [[فولاد زنگ‌نزن|فولاد ضدزنگ]] 347L
| 180HV30
|-
| [[فولاد کربنی|فولاد کربن]]
| 55–120HV5
|-
| [[آهن|اهن]]
| 30–80HV5
|-
| [[مارتنزیت]]
| 1000HV
|-
| [[الماس]]
| 10000HV
|}

== موارد احتیاط ==
هنگام انجام آزمایش‌های سختی، حداقل فاصله بین تورفتگی‌ها و فاصله تورفتگی تا لبه نمونه باید در نظر گرفته شود تا از تعامل بین مناطق سخت شده و اثرات لبه جلوگیری شود. این حداقل فاصله برای استانداردهای ISO 6507-1 و ASTM E384 متفاوت است.
{| class="wikitable"
!استاندارد
! فاصله بین تورفتگی‌ها (d)
! فاصله از مرکز تورفتگی تا لبه نمونه (d)
|-
| ISO 6507-1
|> 3d برای آلیاژهای فولاد و مس و> 6d برای فلزات سبک
| 2.5d برای آلیاژهای فولاد و مس و> 3d برای فلزات سبک
|-
| ASTM E384
| 2.5d
| 2.5d
|}

== برآورد مقاومت در برابر کشش ==
اگر HV ابتدا با نیوتن بر میلیمتر مریع (MPa)، یا در غیر این صورت با تبدیل از kgf / mm <sup>2</sup> (کیلوگرم نیرو بر میلیمتر مربع) بیان شود، [[مقاومت کششی نهایی|مقاومت کششی]] (در واحد MPa(مگا پاسکال)) ماده را می‌توان به عنوان {{Mvar|σ<sub>u</sub>}} ≈ HV / {{Mvar|c}} ≈ HV / 3 تقریب زد، که در آن {{Mvar|c}} یک ثابت است که توسط مقاومت تسلیم، نسبت پواسون، توان سخت شده و عوامل هندسی تعیین می‌شود{{snd}}معمولاً بین ۲ تا ۴ متغیر است.<ref>{{Cite web|title=Hardness|url=http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=150&pageid=2144416429|website=matter.org.uk|access-date=5 دسامبر 2020|archive-date=3 مارس 2014|archive-url=https://web.archive.org/web/20140303203837/http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=150&pageid=2144416429}}</ref> به عبارت دیگر، اگر HV در N / mm <sup>2</sup> (یعنی در MPa) بیان شود، [[مقاومت کششی نهایی|مقاومت کششی]] (در واحد مگاپاسکال) ≈ HV/3 است. این قانون تجربی به صورت متغیر به رفتار سخت‌کنندگی مواد بستگی دارد.<ref name="Journal Article">{{Cite journal|last=Zhang|first=P.|date=September 2011|title=General relationship between strength and hardness|journal=Materials Science and Engineering A|volume=529|page=62|doi=10.1016/j.msea.2011.08.061}}</ref>

== کاربرد ==
پین‌های اتصال باله در هواپیمای [[خانواده کانویر سی‌وی-۲۴۰|Convair 580]] توسط سازنده هواپیما مشخص شدند تا با مشخصات سختی ویکرز 390HV5 [[کیلوگرم-نیرو|سخت شوند]]،'۵' یعنی پنج [[کیلوگرم-نیرو|کیلو پوند]]. با این حال، بعداً مشخص شد که در هواپیمای [[:en:Partnair Flight 394|Partnair Flight 394]]، پین‌ها با قطعات غیر استاندارد جایگزین شده‌اند که منجر به سایش سریع و در نهایت از بین رفتن هواپیما شد. در بررسی، محققان تصادف دریافتند که پین‌های غیر استاندارد فقط دارای سختی حدود 200-230HV5 هستند.<ref>[http://www.aibn.no/aviation/reports/1993-02-eng Report on the Convair 340/580 LN-PAA aircraft accident North of Hirtshals, Denmark on September 8, 1989 | aibn]. Aibn.no. Retrieved on 2016-06-03.</ref>

== منابع ==
{{پانویس|۲}}

== خواندن بیشتر ==
* Meyers and Chawla (1999). "Section 3.8". Mechanical Behavior of Materials. Prentice Hall, Inc.
* [[ای‌اس‌تی‌ام بین‌الملل|ASTM]] E92: Standard method for Vickers hardness of metallic materials (withdrawn and replaced by E384-10e2)
* ASTM E384: Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials
* [[سازمان بین‌المللی استانداردسازی|ISO]] 6507-1: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 1: Test method
* ISO 6507-2: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 2: Verification and calibration of testing machines
* ISO 6507-3: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 3: Calibration of reference blocks
* ISO 6507-4: Metallic materials – Vickers hardness test – Part 4: Tables of hardness values
* ISO 18265: Metallic materials – Conversion of Hardness Values

== پیوند به بیرون ==
* [https://www.youtube.com/watch?v=7Z90OZ7C2jI ویدئو در تست سختی ویکرز]
* [http://www.gordonengland.co.uk/hardness/vickers.htm تست سختی ویکرز]
* [http://www.struers.com/default.asp?top_id=5&main_id=25&doc_id=344&target=_self&collapse=1 جدول تبدیل] - مقیاس‌های ویکرز، برینل و راکول
* [http://metsofts.ir/سختی-سنجی-به-روش-ویکرز-vickers/ سختی سنجی به روش ویکرز]
* [https://www.koopaco.com/article/vickers-hardness-سختی-سنجی-ویکرز سختی سنجی ویکرز]

[[رده:آزمایش‌های سختی]]

[[de:Härte#Härteprüfung nach Vickers (HV)]]