اختبار صلابة روكويل برينل فيكرز: الطرق والتحويل والأدوات

روكويل وبرينل وفيكرز: فهم الطرق الثلاثة الرئيسية لاختبار الصلابة

يقيس اختبار الصلابة مقاومة المادة للتشوه الدائم تحت حمل محدد. تستخدم كل من الطرق الثلاثة السائدة - روكويل وبرينل وفيكرز - هندسة مسافة بادئة مختلفة، ونطاق تحميل، ونهج قياس، مما يجعلها مناسبة لمواد وتطبيقات مختلفة.

صلابة روكويل (HR) يطبق تحميلًا مسبقًا بسيطًا يتبعه حمل كبير، ثم يقيس العمق الصافي للمسافة البادئة. تتم قراءة النتيجة مباشرة من القرص أو الشاشة الرقمية دون أي قياس بصري، مما يجعلها أسرع طريقة لاختبار أرضية الإنتاج. ويستخدم مقاييس متعددة - HRC للفولاذ الصلب، وHRB للمعادن الأكثر ليونة، وHRA للكربيدات - يتم تحديد كل منها من خلال مجموعة محددة من المسافة البادئة والحمل.

صلابة برينل (HB أو HBW) يضغط كرة من الصلب أو كربيد التنغستن إلى السطح تحت حمل ثابت، عادةً 3000 كجم للصلب والحديد الزهر. يتم قياس قطر المسافة البادئة بصريًا، ويتم حساب رقم HB من الحمل المطبق مقسومًا على مساحة السطح المنحنية للمسافة البادئة. نظرًا لأن المسافة البادئة كبيرة نسبيًا، فإن متوسط ​​برينل يكون أقل حساسية للتغيرات في البنية المجهرية المحلية، مما يجعله مفضلاً للمواد الخشنة الحبيبات مثل المسبوكات والمطروقات.

صلابة فيكرز (HV) يستخدم إندينتر هرمي ماسي مربع الشكل بزاوية وجه تبلغ 136 درجة بأحمال تتراوح من أقل من 1 gf (micro-Vickers) إلى 120 كجم (macro-Vickers). يتم قياس كلا قطري المسافة البادئة المربعة ومتوسطهما. يتم حساب رقم الجهد العالي باستخدام الحمل مقسومًا على مساحة سطح التلامس للطبعة. تعد طريقة فيكرز هي الطريقة الأكثر تنوعًا: فهي تنطبق على الطلاءات الرقيقة والطبقات المتصلبة ومناطق اللحام المتأثرة بالحرارة والمواد السائبة على حد سواء، كل ذلك على مقياس واحد مستمر.

تحويل صلابة فيكرز إلى روكويل: كيف يعمل وأين يقصر

يعد تحويل صلابة فيكرز إلى صلابة روكويل - والعكس صحيح - مطلبًا متكررًا عندما تحدد الرسومات الهندسية مقياسًا واحدًا ولكن معدات الاختبار المتاحة تستخدم مقياسًا آخر. المرجع الأكثر قبولا على نطاق واسع هو أستم E140 ، والذي يوفر جداول تحويل موحدة لمختلف المواد الحديدية وغير الحديدية.

بالنسبة للفولاذ المقسى في النطاق الشائع الاستخدام في الأدوات والتطبيقات الهيكلية، فإن العلاقات التقريبية هي:

• الجهد العالي 940 ≈ HRC 68 (بالقرب من الحد الأعلى لمقياس روكويل C)
• الجهد العالي 800 ≈ HRC 65
• الجهد العالي 600 ≈ HRC 57
• الجهد العالي 400 ≈ HRC 41
• الجهد العالي 200 ≈ HRB 93 (الانتقال إلى مقياس B للمواد اللينة)
• الجهد العالي 100 ≈ HRB 56

تحمل هذه التحويلات تحذيرًا مهمًا: فهي خاصة بالمواد . تختلف نسبة التشوه المرنة إلى البلاستيك بين الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الألومنيوم والتيتانيوم. سيؤدي تحويل فيكرز إلى روكويل الصالح للفولاذ الكربوني إلى حدوث خطأ عند تطبيقه على الفولاذ الأوستنيتي أو سبائك النيكل الفائقة. يوفر ASTM E140 أعمدة منفصلة لعائلات المواد المختلفة على وجه التحديد لهذا السبب.

ينشأ قيد إضافي عند الحدود القصوى: مقياس Rockwell C يمكن الاعتماد عليه فقط بين HRC 20 وHRC 70. يجب قياس القيم خارج هذا النطاق على مقياس أكثر ملاءمة (HRA للمواد شديدة الصلابة أعلى من HRC 70، HRB للمواد الأكثر ليونة أقل من HRC 20) أو يتم الإبلاغ عنها مباشرة بالجهد العالي دون تحويل.

بالنسبة لفحص اللحام والبيئات التي يتم التحكم في جودتها، يجب دائمًا وضع علامة على القيم المحولة على أنها مقدرة. إن القياس المباشر على المقياس المقصود هو الطريقة الوحيدة للحصول على نتيجة قابلة للتتبع ومتوافقة مع المواصفات.

إعداد العينات المعدنية: أساس بيانات الصلابة الموثوقة

يكون اختبار الصلابة دقيقًا بقدر دقة السطح الذي يقيسه. يؤدي الإعداد السيئ للعينة إلى حدوث خطأ لا يمكن لمعايرة الجهاز تصحيحه. وينطبق هذا بشكل خاص على طرق فيكرز وبرينل، حيث يكون القياس بصريًا ويؤثر انعكاس السطح بشكل مباشر على دقة قراءة القطر أو القطر.

التقسيم

الخطوة الأولى هي إنتاج مقطع عرضي مسطح وممثل. أ آلة القطع الدقيقة (يُسمى أيضًا منشار القطع الكاشط أو الماسي) يُستخدم لتقسيم قطعة العمل بأقل قدر من الحرارة والتشوه الميكانيكي. يؤدي القطع المفرط — باستخدام شفرة باهتة، أو معدل تغذية مفرط، أو سائل تبريد غير مناسب — إلى ظهور طبقة سطحية مشوهة أو متأثرة بالحرارة تؤدي إلى رفع قراءات الصلابة أو خفضها بشكل مصطنع. بالنسبة إلى القطع المعدنية، تعد شفرات رقاقات الماس مع التبريد المستمر بالماء قياسية للفولاذ الصلب والكربيدات، في حين أن عجلات القطع المصنوعة من أكسيد الألومنيوم المرتبط بالراتنج تناسب المعادن الهيكلية الأكثر ليونة.

التركيب والطحن

بعد التقسيم، يتم عادةً تركيب العينات في راتنجات الإيبوكسي بالحرارة أو المعالجة بالبرد للسماح بالتعامل الآمن أثناء الطحن والتلميع. يتم تحديد حوامل الاحتفاظ بالحواف عندما يجب قياس تدرجات الصلابة القريبة من السطح - مثل أعماق الهيكل أو واجهات الطلاء - بدون تقريب الحواف.

يتبع الطحن تسلسلًا من الورق الكاشط الخشن إلى ورق SiC الناعم (عادةً 120 → 320 → 600 → 1200 حبيبة رملية)، مع تدوير العينة بمقدار 90 درجة بين كل خطوة لإزالة الخدوش من الاتجاه السابق. يجب أن تزيل كل مرحلة التشوه الذي أحدثته المرحلة السابقة بالكامل.

تلميع

يستخدم التلميع النهائي تعليقًا ماسيًا بحجم 3 ميكرومتر و1 ميكرومتر على الأقمشة المبطنة، مما ينتج عنه لمسة نهائية مرآة خالية من الخدوش. بالنسبة لصلابة فيكرز الدقيقة، أ طبقة نهائية من السيليكا الغروية بسمك 0.25 ميكرومتر غالبًا ما يتم تحديده لتقليل أخطاء انعكاس السطح عند قياس المسافات البادئة الصغيرة عند الأحمال المنخفضة. يجب أن يكون السطح المصقول خاليًا من النقوش واللطخات والحفر قبل بدء الاختبار.

أدوات اختبار الصلابة ومعايير اختيارهم

يتضمن تحديد أداة اختبار الصلابة المناسبة مطابقة نطاق تحميل الجهاز ونوع المسافة البادئة مع سمك المادة ونطاق الصلابة المتوقع والدقة المكانية المطلوبة.

• اختبار الفوق روكويل — الاختيار القياسي للفحص الوارد والتحقق من المعالجة الحرارية لمكونات الفولاذ السائبة. تطبيق التحميل مُجهز بمحرك ومتسق، وتقوم النماذج الرقمية الحديثة بتخزين سجلات الاختبار لتكامل SPC. لا يمكن استخدام طريقة Rockwell على المواد الرقيقة (عادة أقل من 1 مم لـ HRC) لأن عمق المسافة البادئة يقترب من سمك المادة، مما ينتهك قاعدة الحد الأدنى للسمك.
• اختبار فيكرز / نوب للصلابة الدقيقة — تستخدم للرقائق الرقيقة، والطلاءات المطلية بالكهرباء، والأسطح المتصلبة بالانتشار، والمراحل الفردية في البنية المجهرية. يتراوح نطاق التحميل عادةً من 1 gf إلى 1 كجم. يقوم المجهر الضوئي المتكامل بتصوير المسافة البادئة للقياس القطري، غالبًا مع تحليل الصور الآلي لتقليل تقلبات المشغل.
• أجهزة اختبار صلابة الارتداد المحمولة (Leeb). - مناسبة للمكونات الكبيرة المثبتة والتي لا يمكن إحضارها إلى المختبر. يضرب جسم التأثير الذي يحركه الزنبرك السطح؛ تعطي نسبة الارتداد إلى سرعة التأثير قيمة Leeb (HL)، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى HRC، أو HB، أو HV. تعتمد الدقة على تشطيب السطح والكتلة وهندسة قطعة العمل.
• أجهزة اختبار مقاومة الاتصال بالموجات فوق الصوتية (UCI). - استخدام الماس فيكرز على قضيب تهتز؛ يرتبط تحول التردد عند الاتصال بالصلابة. تعد أدوات UCI مفيدة بشكل خاص لقياس الطبقات والطلاءات الرقيقة المتصلبة في الموقع دون تلف السطح الذي يمكن رؤيته بالعين المجردة.

بغض النظر عن نوع الجهاز، يلزم إجراء معايرة منتظمة مقابل الكتل المرجعية المعتمدة (التي يمكن إرجاعها إلى المعايير الوطنية مثل NIST أو PTB) للحفاظ على ثقة القياس. يجب أن تمتد الكتل المرجعية إلى نطاق الصلابة المتوقع لأجزاء الإنتاج.

فحص لحام الفولاذ الكربوني: اختبار الصلابة في المنطقة المتأثرة بالحرارة

تعد الصلابة التي تعبر اللحامات من بين التطبيقات الأكثر أهمية لاختبار فيكرز في التصنيع الهيكلي. عندما يتم لحام الفولاذ الكربوني، تخضع المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) لدورة حرارية سريعة. في الفولاذ الذي يحتوي على ما يكفي من مكافئ الكربون (CE)، يمكن أن ينتج هذا المارتنسيت، وهو عبارة عن بنية مجهرية صلبة وهشة ترفع صلابة HAZ بشكل كبير فوق المعدن الأساسي وتزيد من القابلية للتكسير الناجم عن الهيدروجين (HIC).

معايير قبول الصناعة عادة ما تحد من صلابة HAZ إلى الحد الأقصى 350 هف10 لحامات الفولاذ الإنشائية العامة (وفقًا لتوجيهات EN ISO 15614-1 وAWS D1.1)، و 250-300 جهد عالي10 للتطبيقات البحرية أو الخدمة الحامضة أو التطبيقات عالية المتانة. يعد تجاوز هذه العتبات شرطًا غير مؤهل يتطلب مراجعة التسخين المسبق ودرجة الحرارة البينية وإجراءات اللحام.

تشتمل عملية اجتياز صلابة اللحام القياسية على سلسلة من مسافات بادئة فيكرز على مسافات محددة - عادةً ما تكون 0.5 مم أو 1 مم - تمتد من معدن اللحام عبر خط الدمج، عبر HAZ، وإلى المعدن الأساسي غير المتأثر. يتم إجراء الاجتياز على مقطع عرضي مُعد ميتالوغرافيًا، محفورًا بنسبة 2-5٪ نيتال للكشف عن حدود الاندماج قبل وضع المسافة البادئة. تشمل مواقع القياس الرئيسية منطقة HAZ ذات الحبيبات الخشنة المتاخمة مباشرة لخط الاندماج، حيث يكون تكوين المارتينسيت على الأرجح.

بالنسبة للممرات الجذرية واللحامات ذات الفجوات الضيقة، قد تكون هناك حاجة إلى ميكروفيكرز عند HV1 أو HV0.5 لتحقيق دقة مكانية كافية داخل منطقة HAZ، والتي يمكن أن تكون ضيقة مثل 0.2-0.5 مم في بعض عمليات الإدخال ذات الحرارة العالية. يؤثر اختيار حمل الاختبار بشكل مباشر على حجم المسافة البادئة وبالتالي الحد الأدنى لعرض المنطقة القابلة للقياس — ينتج HV10 مسافة بادئة يبلغ عرضها حوالي 0.3-0.4 مم عند 300 فولت بينما يقلل HV1 هذا إلى 0.1 ملم تقريبًا.

آلات القطع الدقيقة في تحضير العينات المعدنية

آلة القطع الدقيقة هي نقطة الدخول لكل سير عمل ميتالوغرافي. وتتمثل وظيفتها الأساسية في إنتاج مقطع عرضي مسطح ومقلل من الضرر ويمثل المنطقة محل الاهتمام بدقة - سواء كان ذلك عبارة عن منطقة منطقة عمل ملحومة، أو سطح مقوى، أو واجهة طلاء.

توجد فئتان رئيسيتان في الاستخدام المختبري:

• مناشير القطع الكاشطة — استخدام عجلات مستهلكة مرتبطة بالراتنج ومناسبة لإنتاجية الإنتاج. يعد اختيار العجلة (أكسيد الألومنيوم للصلب والحديد الزهر، وكربيد السيليكون للمواد غير الحديدية، وCBN لفولاذ الأدوات المتصلب) ومعدل تدفق سائل التبريد من معلمات العملية الأساسية. تشير علامات الحرق أو اللون الأزرق على سطح القطع إلى الحرارة الزائدة وتتطلب تغذية أبطأ أو اختيار عجلة جديدة.
• مناشير رق الماس - استخدم شفرات الماس المعدنية أو الراتنجية بسرعة منخفضة مع مبرد الزيت. إنها تنتج أقل طبقة تشوه (عادة أقل من 5 ميكرومتر) وهي ضرورية للسيراميك الهش والمكونات الإلكترونية والعينات حيث يجب الحفاظ على البنية المجهرية السليمة ضمن ميكرونات من السطح المقطوع.

تتضمن المواصفات الأساسية عند اختيار أداة القطع الدقيقة لإعداد اختبار الصلابة ما يلي: الحد الأقصى لقطر قطعة العمل، وقوة تثبيت ظرف الظرف، ونطاق عدد الدورات في الدقيقة للشفرة، وطريقة توصيل سائل التبريد . التحكم الآلي في التغذية - حيث يتقدم المنشار بقوة ثابتة بدلاً من معدل ثابت - يقلل بشكل كبير من التباين بين مشغل ومشغل ويطيل عمر الشفرة.

بالنسبة لعينات فحص اللحام على وجه الخصوص، يجب أن يستوعب القاطع الأشكال الهندسية غير المنتظمة (مفاصل T، أقسام الأنابيب، الكسوة التراكبية) مع تثبيت ثابت. يؤدي التثبيت غير المستقر إلى ظهور علامات ثرثرة ناتجة عن الاهتزاز تنتشر عميقًا في العينة، مما يؤدي إلى إنشاء طبقة مشوهة لا يمكن إزالتها بالكامل في خطوات الطحن اللاحقة دون إزالة المخزون بشكل مفرط.