การทดสอบความแข็ง (Hardness Test)

5 วันที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

ความแข็ง คืออะไร ?

ความแข็ง(Hardness) คือ คุณสมบัติของวัสดุที่สามารถทดต่อการกระทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปแบบถาวร (plastic deformation) มักจะทดสอบมีด้วยกันหลายวิธีเช่น การกด การเสียดสี การเจาะ เป็นต้น

การวัดความแข็ง (Hardness tester)

ความแข็งของวัสดุไม่สามารถบ่งบอกด้วย น้ำหนัก ความยาว หรือเวลา แต่เป็นค่าที่ได้จากกระบวนการทดสอบความแข็ง

นานมาแล้วการทดสอบวัดความแข็งนั้นประเมินจากความทนทานต่อการตัดหรือการขูดขีด โดยการนำวัสดุที่ต้องการทดสอบมาขูดขีดกัน และสังเกตด้วยตาเปล่าว่าวัสดุชิ้นใดทำให้เกิดรอยขูดมากกว่า วิธีการทดสอบนี้คิดค้นโดยชาวเยอรมันชื่อ Friedrich Moh ในปี 1812 และได้กำหนดระดับความแข็ง 10 ระดับด้วยแร่ 10 ชนิด

ต่อมาได้มีการทดสอบอีกประเภทหนึ่งซึ่งมีลักษณะคล้ายกัน เรียกว่า File Test โดยใช้วัสดุที่มีความแข็งมาตรฐานมาขูดกับวัสดุทดสอบและจัดเรียงลำดับค่าความแข็งของวัสดุทดสอบว่าอยู่ในระดับใด

จะเห็นว่าการทดสอบดังกล่าวไม่สามารถบ่งบอกค่าความแม่นยำออกเป็นตัวเลขได้ ในปัจจุบันการทดสอบความแข็งของวัสดุได้ก้าวหน้าไปมากและสามารถบ่งบอกค่าความแข็งออกมาในเชิงตัวเลขได้อีกด้วย วิธีที่นิยมใช้นั้นมีอยู่ 4 วิธีดังนี้

1. การทดสอบความแข็งบริเนลล์ (Brinell Hardness Test)

2 การทดสอบความแข็งวิกเกอร์ส (Vickers Hardness Test)

3 การทดสอบความแข็งน๊อพ (Knoop Hardness Test)

4 การทดสอบความแข็งร็อคเวลล์ (Rockwell Hardness Test)

การทดสอบความแข็งบริเนลล์ (Brinell Hardness Test)

การทดสอบความแข็งบริเนลล์เป็นที่นิยมใช้กันมาก เพราะให้ผลการวัดที่แม่นยำสูงและได้มาตรฐานสากล โดยใช้สัญลักษณ์ HBN หรือ HB อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบจะให้หัวกดทรงกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.0,2.0,2.5,5.0 หรือ 10.0 มิลลิเมตรแต่โดยทั่วไปมักใช้ขนาด 10 มิลลิเมตร การทดสอบนี้เหมาะสำหรับค่าความแข็งไม่เกิน 450 HB เนื่องจาก การทดสอบความแข็งบริเนลล์ใช้หัวกดทรงกลมเหล็กกล้า ชุบแข็ง (Hardened Steelball) ซึ่งหัวกดมีค่าความแข็ง ประมาณ 700 HB เท่านั้น แต่หากมีความจำเป็นที่จะทดสอบ อาจใช้หัวกด ทังสเทนคาร์ไบด์แทนได้

วิธีการทดสอบ

สำหรับการทดสอบความแข็งแบบบริเนลล์ คือกดหัวกดด้วยแรงคงที่ ลงบนผิวชิ้นทดสอบ ปล่อยให้อยู่ภายใต้แรงกดชั่วขณะ แล้งเอาแรงกดออก ซึ่งทำให้เกิดรอยบุ๋มถาวร บนชิ้นทดสอบ แล้ววัดขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางรอยบุ๋ม เพื่อหาค่าความแข็งจากสมการข้างล่างต่อไป

โดยที่ค่า HB = ค่าความแข็งบริเนลล์
P = แรงกดทดสอบ (กิโลกรัม)
D = เส้นผ่านศูนย์กลางหัวกด(มิลลิเมตร)
d = เส้นผ่านศูนย์กลางรอยบุ๋ม (มิลลิเมตร)

จากสูตร ค่าความแข็งบริเนลล์ จะเห็นได้ว่ามีหน่วยเป็น กิโลกรัม ต่อ ตารางมิลลิเมตร
แต่ในการแสดงค่าความแข็งแบบนี้ไม่นิยมเขียนหน่วย

และในทางปฏิบัติไม่จำเป็นต้องคำนวณจากสูตรทุกครั้ง เราสามารถนำค่าเส้นผ่านศูนย์กลางของรอยบุ๋มและแรงกด มาเทียบกับตารางความแข็งของบริเนลล์ ได้เลย

การกำหนดสัณลักษณ์ความแข็งบริเนลล์ จะช่วยทำให้สะดวกรวดเร็วและง่ายต่อการเข้าใจโดยเฉพาะ ในงานเขียนแบบ หรืองานที่ต้องการระบุความแข็งของวัสดุ เป็นต้น ความแข็งบริเนลล์ใช้สัญลักษณ์ HB และการทดสอบมาตรฐานจะใช้ทรงกลมเหล็กกล้าแข็งขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 10 มิลลิเมตร แรงกดทดสอบ 3000 กิโลกรัม และมีระยะเวลากด 10-15 วินาที แต่ถ้ามีเงื่อนไขในการทดสอบเป็นอย่างอื่น ก็จะกำหนดสัณลักษณ์เป็นตัวเลขบ่งถึงสภาวะการทดสอบเป็นแต่ละกรณี ดังตัวอย่างของสัญลักษณ์ความแข็งบริเนลล์ ต่อไปนี้

350 HB หมายถึง ความแข็งบริเนลล์ 350 ใช้ทรงกลมเหล็กกล้าแข็งขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง
10 มิลลิเมตรแรงกดทดสอบ 29.42 กิโลนิวตัน (3,000 กิโลกรัม) เป็นเวลา 10 ถึง 15 วินาที350 HB หมายถึง ความแข็งบริเนลล์ 350 ใช้ทรงกลมเหล็กกล้าแข็งขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง
10 มิลลิเมตรแรงกดทดสอบ 29.42 กิโลนิวตัน (3,000 กิโลกรัม) เป็นเวลา 10 ถึง 15 วินาที350 HB 5/7355/20 หมายถึง ความแข็งบริเนลล์ 350 ใช้ทรงกรมเหล็กกล้าแข็ง ขนาดเส้น
ผ่าศูนย์กลาง 5 มิลลิเมตร แรงกดทดสอบ 7355 นิวตัน (750 กิโลกรัม) เป็นเวลา 20 วินาที

การทดสอบความแข็งวิกเกอร์ส (Vickers Hardness Test)

การทดสอบความแข็งแบบวิกเกอร์ส มีลักษณะการวัดที่คล้ายกับการทดสอบแบบบริเนลล์แต่เปลี่ยน Indenter หรือ หัวกดทดสอบจากทรงกลมเป็นหัวกดรูปปริมิดฐานสี่เหลี่ยมจัตุรัสมุมยอดมีขนาด 136 องศาทำจากเพชร การทดสอบวิธีนี้เหมาะสำหรับวัสดุที่มีลักษณะอ่อนไปจนถึงแข็งมาก (VHNประมาณ 1500) โดยไมตองเปลี่ยนหัวกด จะเปลี่ยนก็เฉพาะแรงกดเทานั้น โดยมีตั้งแต 1-120 kgf ขึ้นอยูกับความแข็งของโลหะที่ทดสอบ ซึ่งทําใหวิธีนี้มีขอไดเปรียบกวา Brinell คือไมตองคํานึงถึงอัตราสวน P/D2 และขอจํากัดในดานความหนาของชิ้นงานทดสองเนื่องจากหัวกดเพชรมีขนาดเล็กมาก

วิธีการทดสอบ

ในที่นี้จะกล่าวถึง วิธีการทดสอบความแข็งวิกเกอร์ส โดยใช้เครื่องทดสอบความแข็งยู

นิเวอร์แซล ตามมาตรฐานเยอรมัน ( DIN 50351 ) ซึ่งมีลักษณะดังรูป 7.4 ที่กล่าวมาแล้ว และ

เวลาทดสอบก็ดำเนินการตามวิธี ดังนี้

1 . ประกอบหัวกดทดสอบ และปรับเครื่องทดสอบ เพื่อทดสอบความแข็งวิกเกอร์ส

2 . นำชิ้นทดสอบวางบนแท่นรองรับ

3. กดคันโยกยาว ลงในตำแหน่งล่างสุด แล้วเลือกแรงกดทดสอบตามต้องการ

4. หมุนยกแท่นรองรับชิ้นทดสอบ ขึ้นมาจนภาพของผิวชิ้นทดสอบไปปรากฏชัดบนจอภาพ

แล้วยึดชิ้นทดสอบให้แน่นด้วยหัวจับครอบชิ้นทดสอบ

5. กดคันโยกสั้นลง หัวกดทดสอบก็เริ่มเคลื่อนที่ลงกดผิวชิ้นทดสอบอย่างช้าๆ เพื่อป้องกัน

ไม่ให้เกิดการกระแทกขณะกด และปล่อยระยะเวลากดตามต้องการ

6. กดคันโยกยาวลงในตำแหน่งล่างสุด แล้ววัดขนาดเส้นทะแยงมุมของรอยบุ๋มที่ปรากฏบน

จอภาพ ซึ่งรับภาพผ่านเลนซ์ขยาย โดยสามารถวัดได้ละเอียดถึง 0.01 มิลลิเมตร และวิธีการวัด

ขนาดเส้นทะแยงมุมของรอยบุ๋มนั้น ควรวัดดังรูป 7.15 แล้วหาค่าเฉลี่ยของเส้นทะแยงมุมทั้ง d1

และ d2 เพื่อนำไปคำนวณหรือเปิดตารางความแข็งวิกเกอร์ส ต่อไป

การทดสอบความแข็งน๊อพ (Knoop Hardness Test)

วิธีการนี้จะคล้ายคลึงกับวิธี Vickers แต่หัวกดที่ใช้เป็นเพชรรูปร่างปิระมิดที่มีมุมเป็น 130 องศา และ 172 องศา 30 ลิปดา เนื่องจากหัวกดมีลักษณะเรียวยาวจึงสร้างรอยกดที่มีความยาวของเส้นทแยงมุมมากกว่าวิธีการอื่นๆ ถึง 7 เท่า ทำให้สามารถเห็นภาพรอยกดได้อย่างชัดเจนแม้ใช้แรงกดต่ำ เทคนิคนี้จึงเหมาะสำหรับการทดสอบฟิล์มบาง หรือวัสดุที่เปราะแตกง่าย เช่น แก้ว เซรามิก รวมถึงการทดสอบสมบัติที่ขึ้นอยู่กับทิศทาง (anisotropy) ได้

F คือ น้ำหนักกดหน่วยkgf

D2คือ พื้นที่ของรอยกด (mm2)

เปรียบเทียบกาทดสอบแบบ Vickers และ Knoop

Vickers จะมีรอยกดที่ลึกกว่า Knoop 2 เท่า
เส้นทแยงมุมของ Vickers จะเท่ากับ 1 ใน 3 ของ เส้นทแยงมุมหลักของ Knoop
Vickers จะมีความไวต่อสภาพผิวน้อยกว่า Knoop
Vickers จะมีความไวต่อการวัดที่ผิดพลาดได้ดีกว่า Knoop
Vickers เหมาะสำหรับบริเวณที่มีพื้นที่ค่อนข้างกลม
Knoop เหมาะสำหรับบริเวณที่มีพื้นที่ค่อนข้างยาวรี
Knoop เหมาะสำหรับทดสอบวัสดุที่แข็งเปราะ และบาง

การทดสอบความแข็งร็อคเวลล์ (Rockwell Hardness Test)

Rockwell Hardness Test ถูกคิดค่้นขึ้นโดย Stanly P.Rockwell ในปี 1919 เป็นชาวอเมริกัน เป็นวิธีที่ให้ผลการวัดที่แม่นยำ และใช้อุปกรณ์น้อยเมื่อเทียยบกับเครื่องมืออื่น การทดสอบแบบ Rockwell โดยหลักการแล้วผู้ประดิษฐ์ต้องการเรียงลําดับความแข็งจากระยะไม่คืนตัวของชิ้นงาน หลังถูกกดด้วยแรงกดผ่านหัวกดที่ถูกกําหนดไว้โดยมีเงื่อนไขว่า วัสดุที่ให้ระยะไม่คืนตัวหลังถูกกดมากมีความแข็งในหน่วย Rockwell น้อยและวัสดุใดที่ให้ระยะไม่คืนตัวน้อยก็จะถือว่ามีความแข็งมากเป็นอัตราส่วนเชิงเส้นไป

จากแนวคิดดังกลาวขางตน Rockwell hardness test ถูกกําหนดใหมีแรงกด 2 ระดับดวย กันเรียกวา แรงกดเบื้องตน (Preliminary test force) และแรงกดหลัก (total test force) กระบวนการวัดเริ่มจากชิ้นงานทดสอบจะถูกกดดวยแรงกดเบื้องตนผานหัวกด ตําแหนงจมที่เกิดขึ้นนี้จะถูกอางเปนตําแหนงอางอิง จากนั้นจะเพิ่มแรงกดเปนแรงกดหลักและทิ้งไวดวยเวลาที่กําหนดระยะไมคืนตัวจะถูกวัดเทียบกับตําแหนงอางอิง หลังถอนแรงกดหลักออกใหเหลือเพียงแรงกดเบื้องตน ดังรูป สาเหตุที่ผูคิดคน Rockwell hardness test ออกแบบใหกดดวยแรงกดเบื้องตนกอน และอางตําแหนงดังกลาวเปนตําแหนงอางอิง แทนที่จะกดดวยแรงกดหลักโดยตรงและอางตําแหนงอางอิงจากผิวชิ้นงานทดสอบเนื่องจากเพื่อลดผลกระทบจาก Backlash ของเครื่องมือวัดระยะจม ซึ่งสวนใหญแลวในชวงเวลานั้นนิยมใชdial gauge ประกอบกับลดผลกระทบจากความเรียบ (surface roughness) ของชิ้นงานทดสอบ

จากหลักการปฏิบัติงานดังที่กลาวมาแลวจะเห็นวา Rockwell hardness test เปนวิธีการวัดความแข็งที่งายตอการใชงาน เมื่อเทียบกับ Vickers hardness หรือ Brinellhardness แตในทางกลับกัน Rockwell hardness test กลับมีจุดออนอยูมากเชน มีพิสัยการวัดที่แคบไมครอบคลุมความแข็งใชงาน,ไมสามารถควบคุมขนาดพื้นที่ผิวกดไดไมสามารถควบคุมความลึกของงานทดสอบไดเพื่อใหการทดสอบความแข็งแบบ Rockwell hardness test สามารถนําไปใชงานวัดความแข็งไดครอบคลุม การทดสอบความแข็งแบบนี้จึงตองกําหนดหนวยวัดยอยลงไปอีกมากมากเชน Rockwell scale A, B, C, …เปนตน โดยแตกตางกันที่

1.แรงกดเบื้องตน (Preliminary test force)

2.แรงกดหลัก (Total test force)

3. หัวกด(Indentor)

และหลักเกณฑในการเลือกHardness Rockwell หนวยยอยใดๆ นั้นใหพิจารณาจาก

1. ประเภทของวัสดุ

2.ระยะซึมลึกในการทดสอบ

3.ระดับความแข็งที่ทดสอบ