الصلابة ليست خاصية مادية أساسية ولكنها استجابة محسوبة لطريقة المسافة البادئة المحددة. الجواب العملي المباشر هو ذلك تعد روكويل وبرينل وفيكرز ثلاثة اختبارات مختلفة لصلابة المسافة البادئة، يستخدم كل منها مسافة بادئة وحمل مختلفين، وتنتج قيمًا بوحدات أو مقاييس مختلفة . يستخدم روكويل قياس العمق ويبلغ عن رقم بلا أبعاد على مقاييس مثل HRC أو HRB. يضغط برينل كرة كربيد على السطح ويبلغ عن قيمة وزن الجسم (كجم قوة / مم²) . يستخدم فيكرز هرمًا ماسيًا ويبلغ عن الصلابة الجهد العالي (أيضًا بالكيلو جرام/مم²) مما يجعلها متعددة الاستخدامات لكل شيء بدءًا من الطلاء الرقيق وحتى المواد السائبة. أ آلة اختبار الصلابة العالمية يدمج هذه الأساليب في أداة واحدة، وغالبًا ما يضيف قدرة مارتنز على استشعار العمق. لا توجد وحدة واحدة لقياس الصلابة؛ تعتمد "وحدة الصلابة" على المقياس، ويتوقف الاختيار بين الاختبارات على نوع المادة، وهندسة العينة، والمعلومات المحددة المطلوبة.
آلة اختبار الصلابة العالمية
A اختبار صلابة عالمي عبارة عن أداة واحدة تم تصميمها لإجراء العديد من طرق اختبار الصلابة القياسية، عادةً ما تكون روكويل وبرينل وفيكرز، عن طريق تبديل المسافات البادئة والعدسات الشيئية وملفات تعريف التحميل. وهذا يلغي الحاجة إلى مختبرين منفصلين مخصصين. وبعيدًا عن الأساليب البصرية التقليدية، تستخدم الآلات العالمية المتقدمة تقنية استشعار العمق للقياس مارتنز صلابة (جلالة الملك) ومعامل المسافة البادئة وفقًا للمعيار ISO 14577. ويتم تحقيق ذلك عن طريق تسجيل منحنى إزاحة القوة المستمرة أثناء دورة المسافة البادئة، مما يوفر معلمات مادية مكافئة لاختبار الضغط عالي السرعة. على سبيل المثال، يمكن لآلة عالمية حديثة تطبيق قوى الاختبار من 1 جرام إلى 3000 كجم ، والتي تغطي النطاقات الصغيرة والمنخفضة التحميل والكلية لاختبارات Vickers وBrinell وRockwell وحتى نوب والبلاستيك. أنظمة التحكم في القوة ذات الحلقة المغلقة، غالبًا بمعدل أخذ عينات يبلغ 1 إلى 2 كيلو هرتز تأكد من أن معدل التحميل ووقت المكوث يتوافق تمامًا مع معايير مثل ASTM E92 وISO 6506.
أساسيات اختبار صلابة روكويل وبرينل وفيكرز
تحدد الاختبارات الثلاثة مدى مقاومة المادة للتشوه البلاستيكي الدائم، ولكنها تختلف بشكل أساسي في هندسة المسافة البادئة وتطبيق الحمل ومبدأ القياس.
اختبار صلابة روكويل
طريقة روكويل تقيس عمق الاختراق التفاضلي من إندينتر تحت حمولة طفيفة أولية تليها حمولة كبيرة. ينشئ الحمل البسيط (عادة 10 كجم أو 3 كجم) موضعًا مرجعيًا، ويمتص عيوب السطح والتشوه المرن. يتم بعد ذلك تطبيق الحمل الرئيسي (60، 100، أو 150 كجم) وإزالته، ويتم قياس الزيادة الدائمة في عمق الاختراق. ويرتبط رقم الصلابة عكسيا بهذا العمق ويتم قراءته مباشرة من قرص أو شاشة رقمية. أ قيمة روكويل HRC 60 ، على سبيل المثال، يتوافق مع عمق حوالي 0.080 ملم. تشمل المقاييس الشائعة HRC (مخروط الماس، 150 كجم) للفولاذ المتصلب وHRB (كرة 1/16 بوصة، 100 كجم) للسبائك الأكثر ليونة. والميزة الرئيسية هي السرعة، حيث يتم الحصول على النتيجة في ثوان دون قياس بصري.
اختبار صلابة برينل
يستخدم اختبار برينل إندينتر الكرة كربيد التنغستن يبلغ قطرها عادة 10 مم، ويتم ضغطها على السطح بقوة اختبار عالية (عادةً 3000 كجم للمعادن الحديدية). بعد إزالة الحمولة، يتم قياس قطر الطبعة الدائمة بصريًا. يتم حساب رقم صلابة برينل (اتش بي دبليو) على أنه الحمل المطبق مقسومًا على مساحة السطح الكروية للمسافة البادئة. يتم كتابة نتيجة نموذجية كما 350 اتش بي دبليو 10/3000 ، مما يشير إلى صلابة برينل تبلغ 350 باستخدام كرة 10 مم وحمولة 3000 كجم لمدة 10 إلى 15 ثانية. المسافة البادئة الكبيرة تؤدي إلى متوسط الاختلافات في البنية المجهرية المحلية، مما يجعل برينل مثاليًا للمسبوكات والمطروقات والمواد ذات هياكل الحبوب الخشنة. إنها غير مناسبة للمواد الصلبة جدًا (أعلى من 650 HBW) أو المقاطع الرقيقة، حيث قد تتشوه الكرة أو قد تتلف العينة.
اختبار صلابة فيكرز
يستخدم اختبار فيكرز إندينتر الهرم القائم على مربع الماس مع زاوية قمة قدرها 136 درجة. المبدأ متطابق عبر نطاق التحميل بأكمله: يتم الضغط على المسافة البادئة في العينة تحت قوة دقيقة، ويتم قياس قطري الانطباع المربع الناتج بصريًا وحساب المتوسط. تم الإبلاغ عن صلابة فيكرز على أنها الجهد العالي ، تليها قوة الاختبار بالكيلو جرام، على سبيل المثال 640 جهد عالي 30 . وحدة صلابة فيكرز هي من الناحية الفنية كجم ق / مم² ولكن يتم التعبير عنه تقليديًا كرقم بلا أبعاد. ونظرًا لاستخدام نفس شكل المسافة البادئة للقوى التي تتراوح من 1 gf إلى 120 كجم، فإن Vickers قادر بشكل فريد على قياس الصلابة عبر المقاييس، بدءًا من الرقائق الرقيقة والطبقات المتصلبة وحتى المواد السائبة، وتكون النتائج بشكل عام مستقلة عن الحمل فوق بضع مئات من الجرامات من القوة.
وحدات قياس الصلابة عبر الطرق
إن مفهوم "وحدة الصلابة" خاص بالطريقة. يحتوي كل اختبار على اتفاقية إعداد التقارير الخاصة به، ولا يمكن نقل القيم مباشرة دون جداول التحويل المحددة بواسطة ASTM E140 وISO 18265. يوضح الجدول أدناه بنية الوحدة والمقياس لطرق الاختبار الرئيسية.
| طريقة الاختبار | الرمز | الوحدة المادية | تعيين المثال |
|---|---|---|---|
| Rockwell | مقياس الموارد البشرية | بلا أبعاد | 60 لجنة حقوق الإنسان |
| Brinell | HBW | كجم ق / مم² | 350 اتش بي دبليو 10/3000 |
| Vickers | الجهد العالي | كجم ق / مم² | 640 جهد عالي 30 |
| Knoop | هونج كونج | كجم ق / مم² | 1000 هونج كونج 0.1 |
| مارتنز (عالمي) | HM | ن/مم2 | 4500 هم 0.5/20/15 |
مقارنة شاملة بين الطرق الثلاثة
الاختلافات بين اختبارات صلابة برينل، روكويل، وفيكرز ليست مجرد إجرائية؛ فهي تحدد الطريقة المناسبة لمهمة صناعية معينة. يوفر الجدول التالي مقارنة مباشرة وموجهة نحو التطبيق.
| ميزة | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| المسافة البادئة | مخروط الماس أو كرة كربيد | كرة كربيد 10 مم (أو 5/2.5 مم) | الهرم الماسي (136 درجة) |
| القياس | عمق الاختراق | قطر الانطباع | قطري الانطباع |
| السرعة | سريع جدًا (3-5 ثواني) | بطيء (30 ثانية بصرية) | معتدلة إلى بطيئة |
| الملاءمة | ضمان الجودة في الإنتاج والفولاذ المقسى والسبائك | المسبوكات والمطروقات والمعادن الخشنة الحبيبات | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| القيود الرئيسية | ليس للطبقات الرقيقة أو المتصلبة | لا يزيد عن 650 HBW. منطقة ضرر كبيرة | بطيء، والانتهاء من السطح أمر بالغ الأهمية |
ما هو فيكرز اختبار الصلابة تستخدم ل
يعد اختبار صلابة فيكرز هو الطريقة المفضلة عندما يجب أن يغطي مقياس صلابة واحد النطاق الكامل لصلابة مادة المنتج. وتشمل تطبيقاتها الأساسية تحليل عمق الحالة للفولاذ المكربن أو المنترد ، حيث تقوم سلسلة من المسافات البادئة الدقيقة من حافة السطح إلى القلب بتعيين تدرج الصلابة. مواصفات نموذجية، مثل الجهد العالي 550 at a case depth of 0.5 mm ، لا يمكن التحقق منها إلا من خلال اجتياز صلابة فيكرز الدقيقة. الاختبار ضروري أيضًا ل اللحامات المؤهلة حيث أن المنطقة المتأثرة بالحرارة، والمعادن الأساسية، ومعدن اللحام لكل منها خصائص مختلفة، ويمكن للإندينتر الصغير أن يعزل هذه المناطق. في البحث والتطوير، يتم استخدام فيكرز لتمييز السيراميك والمواد المركبة والطلاءات ذات الأغشية الرقيقة حيث قد تتحطم المسافات البادئة الأخرى أو تتطلب مساحة كبيرة جدًا. على سبيل المثال، يمكن اختبار طبقة طلاء صلبة من مادة TiN بسمك 3 ميكرون بشكل موثوق 0.025 كجم (25 جم) ، مما ينتج عنه مسافة بادئة يبلغ عمقها حوالي 0.5 ميكرون، دون تأثير من الركيزة.
ويبستر مقابل صلابة روكويل
يعد اختبار صلابة ويبستر أداة محمولة للقراءة المباشرة تطبق طريقة مسافة بادئة محددة. إنه لا يعادل بشكل مباشر مقياس روكويل محدد، ولكن ترتبط قيم صلابة ويبستر تجريبيًا بمقاييس Rockwell B وRockwell H لسبائك الألومنيوم . على سبيل المثال، يغطي مقياس ويبستر B تقريبًا من دبليو بي 0 إلى دبليو بي 20 ، والذي يتوافق مع ما يقرب من 25 إلى 100 HRB لسحب الألمنيوم والصفائح. تكمن ميزة اختبار ويبستر في إمكانية نقله وقدرته على اختبار التجميعات الكبيرة والمبادلات الحرارية وهياكل الطائرات التي لا يمكن إحضارها إلى منصة اختبار روكويل. ومع ذلك، فإن الارتباط خاص بالمواد. لن يوفر جهاز اختبار Webster الذي تمت معايرته للألومنيوم 6061-T6 معادلات روكويل دقيقة لـ 7075 أو للمعادن الأخرى. للحصول على شهادة دقيقة للمواد، يلزم إجراء اختبار Rockwell أو Brinell، حيث يعمل Webster كأداة مريحة للفحص الميداني.
كيفية اختيار اختبار الصلابة الصحيح لتطبيقك
يعتمد اختيار الاختبار على نوع المادة وهندسة العينة وحجم الإنتاج والمعلومات المطلوبة. يوفر منطق القرار التالي، المستند إلى سيناريوهات صناعية عملية، دليلاً بناءًا.
- للمسبوكات الكبيرة أو المطروقات ذات الهياكل المجهرية الخشنة ، اختر اختبار برينل. يبلغ متوسط المسافة البادئة للكرة مقاس 10 مم حدود الحبوب وتغيرات الطور، مما يعطي صلابة كبيرة تمثل الخواص الميكانيكية الإجمالية للمكون. الاختبار القياسي عند 3000 كجم مع كرة 10 مم هو الاختبار الافتراضي لمسبوكات الحديد والصلب.
- لمراقبة جودة الإنتاج بكميات كبيرة من الأجزاء الآلية روكويل هو المعيار. يمكن لاختبار HRC لمدة 3 ثوانٍ الحفاظ على مؤشر قدرة العملية لخط المعالجة الحرارية دون التسبب في اختناق. استخدم HRC للفولاذ المقسى الذي يزيد عن 20 HRC وHRB للسبائك غير الحديدية الأكثر ليونة.
- للمكونات الصلبة أو الرقيقة أو المغلفة ، مايكرو فيكرز هو الخيار المناسب الوحيد. يمكن لحمولة تبلغ 500 جرامًا أو 1 كجم وإزاحة Knoop أو Vickers قياس التدرج من النواة إلى الحالة دون أن تمتد المسافة البادئة عبر الطبقة الصلبة.
- للحامات والمفاصل والمناطق المتضررة من الحرارة ، يمكن لاختبار القوة المنخفضة Vickers أو Knoop (1-5 كجم) حل اختلافات الصلابة عبر النطاق الضيق لواجهة اللحام، وهو أمر بالغ الأهمية لتجنب تشقق الهيدروجين أو تكوين الطور الهش.
- عندما تكون هناك حاجة إلى خصائص مادية تتجاوز رقم صلابة واحد ، يوفر اختبار الصلابة العالمي في وضع Martens صلابة المسافة البادئة، ومعامل المرونة، والزحف، وسلوك الاسترخاء من اختبار المسافة البادئة المجهز بأداة واحدة، وهو أمر مفيد لتطوير البوليمر والسيراميك والمواد المتقدمة.
التحويل بين مقاييس الصلابة
تحويلات مقياس الصلابة تقريبية، والممارسة المسؤولة هي استخدمها للمقارنة فقط، وليس للمواصفات أبدًا . تعتمد علاقة التحويل بين Brinell وRockwell وVickers على سلوك تصلب المادة، لذا فإن جدول تحويل ASTM E140 للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي سيختلف عن جدول تحويل الكربون والفولاذ منخفض السبائك. كمثال عملي، الفولاذ الكربوني النموذجي مع 640 جهد عالي 30 يتوافق تقريبا 56 HRC و 600 HBW . ومع ذلك، بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المقوى بالكامل، قد يتوافق نفس 56 HRC مع 250 HBW فقط. عندما تتطلب المواصفات الإبلاغ في مقياس معين، يجب إجراء الاختبار مباشرة في هذا المقياس. يمكن لآلة اختبار الصلابة العالمية أن تقلل من عدم اليقين هذا عن طريق إجراء الاختبار بالطريقة المطلوبة دون اللجوء إلى التحويل.
