دليل اختبار الصلابة: فيكرز، روكويل، برينل وتنسيقية

تحضير العينة الميتالوغرافية: ما أهمية ذلك قبل إجراء أي اختبار للصلابة

يبدأ اختبار الصلابة الدقيق قبل فترة طويلة من ملامسة إندينتر للعينة. إعداد العينات المعدنية - العملية التي يتم التحكم فيها لتقسيم عينة معدنية وتركيبها وطحنها وتلميعها - تحدد بشكل مباشر ما إذا كانت قراءة الصلابة تعكس الخصائص الحقيقية للمادة أو قطعة أثرية تم تقديمها أثناء المناولة.

بالنسبة لأساليب الصلابة الدقيقة على وجه الخصوص، تعد حالة السطح أمرًا بالغ الأهمية. تقدم العينة المصقولة بشكل سيئ تباينًا طبوغرافيًا ينحرف المسافة البادئة، ويضخم التشتت، وينتج قراءات لا يمكن ربطها بأي جدول تحويل منشور. المتطلبات العامة لاختبار الصلابة الدقيقة لـ Vickers and Knoop هي تشطيب السطح بـ 0.1 ميكرومتر Ra أو أفضل - ولا يمكن تحقيق ذلك إلا من خلال التحضير المنهجي للمعادن.

يتضمن تسلسل التحضير عادةً ما يلي:

1. التقطيع باستخدام عجلة قطع كاشطة باستخدام سائل تبريد مناسب لمنع الضرر الحراري
2. تركيب بارد أو ساخن في راتنجات الإيبوكسي أو الفينول لتوفير دعم الحافة والتعامل الآمن
3. طحن مستو لإزالة تلف المقاطع وتحقيق مستوى مرجعي مسطح
4. الطحن المتسلسل من خلال مواد كاشطة SiC أكثر دقة (عادةً 240 → 400 → 600 → 1200 حصى)
5. تلميع ماسي (6 ميكرومتر، ثم 3 ميكرومتر، ثم 1 ميكرومتر) لإزالة جميع خدوش الطحن
6. التلميع النهائي باستخدام السيليكا الغروية (0.04–0.05 ميكرومتر OPS) للأسطح ذات اللمسات النهائية المرآة التي تتطلبها معايير الصلابة الدقيقة

يجب أن تقوم كل مرحلة بإزالة الضرر من المرحلة السابقة بشكل كامل. يؤدي تخطي الخطوات أو الإسراع في وقت المكوث إلى تضمين طبقات تحت السطح مشوهة - وهي مناطق مقواة بالعمل تنتج قراءات فيكرز عالية كاذبة في نطاق 10-50 فولت عالي، وهو خطأ كبير عند اختبار الطلاءات الرقيقة أو المناطق المتأثرة بالحرارة أو الطبقات المتصلبة.

ما هو اختبار صلابة فيكرز المستخدم؟

يتم استخدام اختبار صلابة فيكرز لقياس مقاومة المادة للمسافة البادئة الدائمة باستخدام مسافة بادئة على شكل هرم ماسي مربع الشكل بزاوية وجه تبلغ 136 درجة. إنها طريقة الصلابة الكلية والجزئية الأكثر تنوعًا المتاحة ، تنطبق على أي مادة صلبة تقريبًا بغض النظر عن مستوى الصلابة، وهي الطريقة المفضلة عندما تكون الدقة أو إمكانية التتبع أو دقة البنية الدقيقة مطلوبة.

عملياً، يتم استخدام اختبار فيكرز من أجل:

• قياس عمق الحالة - تحديد تدرجات الصلابة عبر الأسطح المكربنة أو المنتردة أو المقواة بالحث عن طريق عمل سلسلة من المسافات البادئة على مسافات متزايدة من السطح
• تقييم الطلاء الرقيق - تقييم الطلاءات الصلبة PVD/CVD، والطبقات المطلية بالكهرباء، وعلاجات الانتشار حيث قد تكون المنطقة المصابة بسمك بضعة ميكرونات فقط
• فحص جودة اللحام — رسم خرائط للصلابة عبر المعدن الأساسي، والمنطقة المتأثرة بالحرارة، وخرزة اللحام للكشف عن قابلية التليين أو التصلب الزائد أو التشقق بالهيدروجين
• تحليل الفشل — تحديد إزالة الكربنة، أو المارتينسيت غير المخفف، أو الأوستينيت المحتفظ به، أو حدود الطور من خلال قياسات الصلابة الموضعية
• شهادة المواد - التحقق من نتائج المعالجة الحرارية في مكونات الطيران والسيارات والأدوات وفقًا للمواصفات مثل AMS وISO 6507 وASTM E92
• البحث والتطوير - توصيف السبائك المطورة حديثًا والسيراميك الملبد والمواد المركبة حيث لا توجد مقاييس تحويل موجودة مسبقًا

نظرًا لأن مقياس فيكرز مستمر من حوالي 5 فولت عالي (سبائك الرصاص الناعمة جدًا) إلى أكثر من 3000 فولت (الماس)، فلا حاجة لتغييرات النطاق. هناك طريقة واحدة تغطي النحاس الناعم (40-80 فولتًا)، وفولاذ الأدوات المتصلب (700-900 فولتًا)، والكربيد الأسمنتي (1400-1800 فولتًا). هذه الاستمرارية تجعل من فيكرز الأساس لجميع جداول تحويل الصلابة الدولية.

كتل مرجعية لصلابة روكويل: المعايرة والتتبع والاستخدام السليم

A الكتلة المرجعية لصلابة روكويل (وتسمى أيضًا كتلة الاختبار أو كتلة المعايرة) عبارة عن قسيمة معدنية معتمدة ذات أرضية دقيقة تستخدم للتحقق من أن جهاز اختبار صلابة Rockwell يعمل ضمن حدود الدقة المعلنة. إنها ليست مستهلكة - تدعم الكتلة المعتمدة الواحدة عادةً مئات قياسات التحقق عند استخدامها بشكل صحيح.

وفقًا لمعايير ASTM E18 وISO 6508، يجب معايرة الكتل المرجعية على جهاز توحيد أولي يمكن تتبعه إلى معهد القياس الوطني (NIST في الولايات المتحدة، وPTB في ألمانيا، وما إلى ذلك). يتم شحن كل كتلة مع شهادة توضح قيمة الصلابة المعتمدة، وعدم اليقين في القياس، وعدد مواقع الاختبار الصالحة المتبقية على سطح الكتلة.

الاستخدام الصحيح للكتل المرجعية

تتضمن الأخطاء الشائعة التي تبطل قياسات الكتلة المرجعية الاختبار على الحواف المشطوفة، وإعادة استخدام مواقع المسافة البادئة داخل منطقة استبعاد بقطر 3 مسافة بادئة، والاختبار على الوجه السفلي (الذي له حالة إجهاد متبقية مختلفة عن الوجه العلوي الذي تمت معايرته). فقط السطح العلوي المميز بشكل واضح صالح لاختبار التحقق.

يجب إجراء التحقق اليومي باستخدام كتل قريبة من صلابة المادة التي يتم اختبارها. يعد استخدام كتلة 60 HRC للتحقق من الآلة التي ستختبر 25 جزءًا من HRC أمرًا مسموحًا به من الناحية الفنية ولكنه عمليًا أقل حساسية للأخطاء المنهجية - وضع السندان، وحالة المسافة البادئة، وانجراف خلية التحميل - التي تؤثر على القراءات متوسطة المدى.

يجب تخزين الكتل في علبة مغلقة، بعيداً عن الرطوبة والاهتزازات، والتعامل معها بقفازات قطنية لمنع تآكل السطح المصقول. يجب استبعاد الكتلة التي تم إسقاطها أو خدشها خلال منطقتها النشطة أو التي تظهر أكسدة السطح من استخدام المعايرة.

ما هو هونج كونج في الصلابة؟ Knoop vs. Vickers للأعمال ذات الصلابة الدقيقة

HK لتقف علي صلابة نوب ، المقياس المستخدم في اختبار نوب للصلابة الدقيقة. مثل فيكرز (HV)، يستخدم Knoop مسافة بادئة للهرم الماسي وقياسًا بصريًا للانطباع الناتج - لكن الهندسة تختلف بشكل أساسي. تنتج مسافة بادئة Knoop مسافة بادئة مستطيلة الشكل مع نسبة قطرية 7.11:1، في حين تنتج مسافة بادئة Vickers مسافة بادئة مربعة تقريبًا.

هذا الاختلاف الهندسي له نتيجتان عمليتان مهمتان:

• عمق الاختراق الضحل - تبلغ المسافة البادئة لـ Knoop حوالي 1/30 من العمق القطري الطويل، مقارنة بـ 1/7 للمسافة البادئة لـ Vickers بنفس الطول القطري. وهذا يجعل Knoop أفضل بكثير بالنسبة للطلاءات الرقيقة جدًا، والسيراميك الهش، والزجاج حيث قد يؤدي الاختراق العميق إلى حدوث تشققات أو تأثير على الركيزة.
• حساسية الاتجاه - يمكن للشكل المطول أن يكشف عن التباين البلوري في البلورات المفردة أو المواد ذات النسيج العالي عن طريق تدوير العينة بالنسبة لمحور المسافة البادئة.

Knoop هي الطريقة المفضلة بموجب أستم E384 للاختبار: الكربيدات الأسمنتية، والزجاج المقسى، والطبقات الكلفانية الرقيقة، والمواد التي قد يؤدي التشقق حول المسافة البادئة لـ Vickers إلى الإضرار بصحة القياس. بالنسبة لمعظم تطبيقات الفولاذ والألمنيوم وسبائك النحاس، فإن صلابة فيكرز الدقيقة (HV 0.1 إلى HV 1) هي الاختيار الافتراضي نظرًا لهندستها الأبسط وقابلية التحويل المباشر إلى مقاييس الصلابة الأخرى.

تحويل صلابة برينل إلى قوة الشد القصوى

ترتبط صلابة برينل (HBW) خطيًا بقوة الشد القصوى (UTS) لمجموعة واسعة من الفولاذ والحديد الزهر مما يجعلها واحدة من أكثر تحويلات الصلابة إلى القوة المفيدة عمليًا في الهندسة. تنشأ العلاقة لأن كلا الخاصيتين تحكمهما مقاومة البنية المجهرية للمادة لتدفق البلاستيك تحت حمل مركّز.

التقريب المطبق على نطاق واسع للفولاذ الكربوني والسبائك المنخفضة هو:

UTS (MPa) ≈ 3.45 × HBW

في الوحدات العرفية الأمريكية: UTS (رطل لكل بوصة مربعة) ≈ 500 × HBW

تنطبق هذه المعاملات بشكل جيد على الفولاذ الحديدي والبيرليتي والمارتنسيتي في نطاق 150-400 HBW. تقع الدقة عادةً ضمن ±7% للفولاذ الكربوني المقيس أو المروي والمخفف، وهو ما يكفي للتحقق من المواد وأغراض الفحص الواردة.

تتدهور العلاقة ويجب عدم استخدامها بدون بيانات خاصة بالمواد في الحالات التالية:

• الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ — يختلف سلوك تصلب العمل اختلافًا كبيرًا عن الفولاذ الحديدي؛ المضاعف أقرب إلى 3.3-3.55 ويختلف حسب السبيكة
• سبائك الألومنيوم - غالبًا ما يُستشهد بمضاعف يقارب 3.6-3.8، ولكن يكون التشتت مرتفعًا عبر الظروف المزاجية المختلفة
• الحديد الزهر - يقدم شكل الجرافيت (الرقاقة مقابل العقدية) متغيرًا ثانويًا في البنية المجهرية؛ يجب الرجوع إلى الجداول المنشورة الخاصة بحديد الدكتايل والحديد الرمادي بشكل منفصل
• وزن الجسم> 400 - العلاقة الخطية تنهار؛ يعد تحويل Vickers أو Rockwell C عبر ASTM E140 أكثر موثوقية عند مستويات الصلابة العالية

يوفر كل من ASTM A370 وEN ISO 18265 بيانات تحويل مجدولة من الصلابة إلى قوة الشد مع نطاقات قابلية التطبيق المذكورة والشكوك المتوقعة، ويجب أن تكون الوثائق المرجعية لأي تحويل حاسم للمواصفات.

قوة الشد من صلابة روكويل: طرق التحويل وحدودها

يتبع تقدير قوة الشد من صلابة روكويل عملية مكونة من خطوتين: أولاً قم بتحويل Rockwell إلى Brinell باستخدام جداول التحويل ASTM E140، ثم قم بتطبيق علاقة Brinell-to-UTS الموضحة أعلاه - أو استخدم جداول ارتباط UTS المباشرة التي تدمج كلا الخطوتين.

للصلب المقسى في نطاق HRC 20-65 ، توفر المعادلات التقريبية التالية نقطة انطلاق عملية:

فوق HRC 40 (~400 HBW)، لم يعد اختبار برينل نفسه صالحًا لأن كرة الكربيد 10 مم تتشوه بشكل مرن عند الأحمال العالية، مما يؤدي إلى نتائج غير قابلة للتكرار. في هذا النطاق، تعتبر طرق Vickers أو Rockwell C من طرق الصلابة الصحيحة ، ويجب أن يشير تقدير UTS إلى الجداول التجريبية المباشرة لدرجة الفولاذ المحددة بدلاً من الصيغة الخطية العامة.

بالنسبة للقرارات الهندسية التي تتضمن مكونات مهمة للسلامة - أوعية الضغط، والمثبتات الهيكلية، وأعمدة الكرنك - يجب التعامل مع قيم UTS المشتقة من الصلابة كبيانات فحص فقط. يلزم إجراء اختبار الشد الفيزيائي وفقًا لمعيار ASTM E8 أو ISO 6892 للحصول على شهادة أساس التصميم.