تشير معظم حالات فشل المنتج إلى وجود مادة خاطئة أو عدم تطابق بين الصلابة المتوقعة والفعلية. يعرف المهندسون والمصنعون أن الصلابة تؤثر بشكل مباشر على مقاومة التآكل والقوة والأداء. ومع ذلك، من السهل تخطي التفاصيل. أنت بحاجة إلى دليل واضح وسهل الفهم يغطي جميع أنواع وطرق الاختبار المستخدمة اليوم - دون أن يبدو الأمر وكأنه كتاب مدرسي.
تقيس صلابة المادة مدى مقاومة المادة للتشوه، خاصةً الأضرار على مستوى السطح مثل الخدوش أو الخدوش. وهي تختلف عن القوة أو الصلابة. تحتاج المواد المختلفة إلى مستويات صلابة مختلفة بناءً على استخدامها النهائي. يستخدم المصنعون اختبارات مثل Rockwell وBrinell وVickers لقياس الصلابة.
تعد الصلابة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لكل جزء معدني أو أداة أو منتج تقوم بتصميمه أو بنائه أو مصدره. تعرف على كيفية اختبار الصلابة وما تعنيه للاستخدام في العالم الحقيقي.
ما هي صلابة المادة؟
صلابة المادة هي قدرة المادة على مقاومة التشوه السطحي، بما في ذلك الخدش والانبعاج والانبعاج والانبعاج. وعادة ما تتآكل المادة الأكثر صلابة بشكل أبطأ من المادة الأكثر ليونة.
تختلف الصلابة عن القوة أو المتانة. يمكن أن يكون الجزء قويًا ولكنه لا يزال يخدش بسهولة. تركز الصلابة على مقاومة السطح، وليس على مقدار القوة التي يمكن أن يتحملها الجزء قبل أن ينكسر.
تُظهر المعادن المختلفة مستويات صلابة مختلفة. على سبيل المثال، الصلب المقوى أكثر صلابة من الألومنيوم. يعتمد اختيار الصلابة الصحيحة على كيفية ومكان استخدام الجزء.
مفاهيم اساسية
قبل اختبار الصلابة أو مقارنتها، من المفيد فهم بعض الأساسيات. توضح هذه الأفكار سبب أهمية الصلابة وما الذي يمكن أن يغيرها.
الفرق بين الصلابة والقوة والمتانة
غالبًا ما يتم الخلط بين الصلابة والقوة والمتانة ولكن يتم قياسها بشكل مختلف.
تعني الصلابة مقاومة التلف السطحي. وهي توضح مدى قدرة المادة على مقاومة الانبعاج أو الخدش أو المسافة البادئة.
تعني القوة مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها المادة دون أن تنحني أو تنكسر. وهي تشير عادةً إلى قوة الشد، وهي القوة التي يمكن أن تتحملها المادة قبل أن تفشل.
المتانة هي مدى قدرة المادة على امتصاص الطاقة قبل أن تنكسر. يتعلق الأمر بمقاومة الصدمات والمتانة بشكل عام.
يمكن أن تكون المادة صلبة ولكنها ليست صلبة. على سبيل المثال، الزجاج قاسٍ ولكن يمكن أن يتحطم بسهولة، والمطاط قاسٍ ولكن ليس صلبًا. يحتاج المهندسون إلى تحقيق التوازن بين هذه السمات من أجل الوظيفة.
كيف تؤثر البنية المجهرية على الصلابة？
البنية المجهرية هي التركيب الداخلي للمعدن. ويشمل حجم الحبيبات وتوزيع الطور وكيفية ترتيب الذرات.
عادةً ما تعني الحبيبات الأصغر حجمًا صلابة أعلى، لذلك غالبًا ما تخضع المعادن للمعالجة الحرارية أو السبائك لضبط حجم الحبيبات.
يلعب نوع المراحل في الهيكل دورًا أيضًا. على سبيل المثال، يكون المارتينسيت في الفولاذ أكثر صلابة من الفريت. يمكن أن يؤدي تغيير معدلات التبريد أو إضافة عناصر مثل الكربون إلى إنشاء مراحل أكثر تعقيدًا.
لا تتعلق الصلابة بالمعدن الأساسي فقط - بل تتعلق بكيفية معالجته وهيكله الداخلي.
تأثير درجة الحرارة على الصلابة
يمكن أن تؤدي التغيرات في درجات الحرارة إلى رفع الصلابة أو خفضها. عند الحرارة العالية، تصبح معظم المعادن أكثر ليونة. ولهذا السبب يسهل تشكيل المعدن الساخن أو الضغط عليه. يمثل فقدان الصلابة هذا خطرًا في الأجزاء المعرضة للاحتكاك أو الحرارة العالية.
يمكن لبعض المعادن والسبائك الحفاظ على صلابتها في درجات حرارة أعلى. وتستخدم هذه في أدوات القطع والتوربينات والمحركات. في درجات الحرارة المنخفضة جدًا، قد تصبح المواد أكثر هشاشة. قد ترتفع الصلابة، لكن الصلابة تنخفض.
يجب على المصممين والمشترين مراعاة درجة حرارة التشغيل عند اختيار المواد للاستخدام على المدى الطويل.
فئات صلابة المواد
الصلابة ليست شيئًا واحدًا فقط. يمكن قياسها بطرق مختلفة اعتمادًا على كيفية تطبيق القوة ونوع الضرر الذي يتم اختباره.
صلابة الخدش
تتحقق صلابة الخدش من مدى مقاومة المادة للخدش. يقارن هذا الاختبار المادة التي يمكن أن تخدش مادة أخرى.
إحدى الطرق القياسية هي مقياس موس. وهو يصنف المعادن من 1 إلى 10. على سبيل المثال، تبلغ صلابة التلك 1، بينما تبلغ صلابة الألماس 10. هذا الاختبار سريع ومباشر. وغالباً ما يُستخدم للمعادن أو الطلاءات أو المعادن اللينة حيث تكون الخدوش السطحية أكثر أهمية.
صلابة المسافة البادئة
صلابة المسافة البادئة هي الطريقة الأكثر استخدامًا في تشغيل المعادن. وهو يقيس مدى مقاومة المادة للانثقاب بواسطة أداة أكثر صلابة تحت قوة محددة. تشمل الاختبارات القياسية برينل وروكويل وفيكرز.
يستخدم برينل كرة فولاذية أو كرة تنجستن. يستخدم روكويل إما كرة فولاذية أو مخروط ماسي. ويستخدم مقياس فيكرز هرمًا ماسيًا. يعطي هذا النوع من الاختبارات نتائج أكثر اتساقاً ودقة. ويعمل بشكل جيد لكل من المعادن اللينة والصلبة.
صلابة الارتداد
تتحقق صلابة الارتداد، وتسمى أيضاً الصلابة الديناميكية، من مدى قدرة المادة على ارتداد جسم مرجح. الاختبار الأكثر شيوعاً هو اختبار صلابة ليب. تصطدم الكرة بالسطح، وتحدد سرعة الارتداد مستوى الصلابة.
هذا الاختبار سريع ومحمول. وغالباً ما يستخدم في عمليات الفحص الميداني أو في الأجزاء الكبيرة حيث تكون الاختبارات المعملية غير عملية.
طرق اختبار الصلابة
يتم استخدام اختبارات مختلفة اعتمادًا على المادة وحجم الجزء وموقع الاختبار. فيما يلي الأساليب الأكثر شيوعًا المستخدمة في إعدادات العالم الحقيقي.
نظرة عامة على اختبارات الصلابة القياسية
الاختبارات الرئيسية المستخدمة اليوم هي برينل وروكويل وفيكرز. يقوم كل منها بدفع أداة في سطح المادة وقياس الانبعاج.
يستخدم برينل الكرة وهو مناسب للمعادن اللينة أو المسبوكات. يقيس روكويل العمق وهو سريع، لذلك غالبًا ما يستخدم في المصانع. يستخدم فيكرز الماس ويعمل بشكل جيد مع الأجزاء الرقيقة أو الطلاءات.
تُستخدم اختبارات أخرى مثل Knoop و Shore، مثل الأجزاء الدقيقة أو المطاط، للحالات الاستثنائية.
يحتوي كل اختبار على قواعد محددة للحمل والوقت وشكل الأداة. تساعد هذه المعايير على ضمان نتائج دقيقة وقابلة للتكرار.
الاختبار الثابت مقابل الاختبار الديناميكي
تطبق الاختبارات الساكنة قوة بطيئة وثابتة. وتشمل اختبارات برينل وروكويل وفيكرز. وهي تقيس مدى تحمل المادة تحت حمل ثابت.
تستخدم الاختبارات الديناميكية قوى سريعة تشبه الصدمات. اختبار ليب هو مثال شائع. وهو يتضمن إسقاط كرة أو دبوس وقياس مدى ارتدادها إلى الخلف.
الاختبارات الثابتة أكثر دقة وتستخدم في المختبرات. الاختبارات الديناميكية أسرع وأفضل للأجزاء الكبيرة أو الثابتة.
اختبار صلابة برينل
اختبار برينل هو أحد أقدم الطرق وأكثرها موثوقية لقياس صلابة المواد. ويُستخدم للمعادن ذات الأسطح الخشنة أو غير المستوية.
كيف تعمل؟
يتم ضغط كرة فولاذية، قطرها عادة 10 مم، على سطح قطعة الاختبار باستخدام قوة ثابتة لمدة 30 ثانية تقريباً. بعد إزالة الكرة، تترك انبعاجاً دائرياً خلفها. ثم يتم حساب الصلابة بناءً على حجم هذا الانبعاج.
حمولة الاختبار ونوع الكرة
القوة القياسية المستخدمة هي 3000 كجم. قد تستخدم المعادن الأكثر ليونة قوة أقل، مثل 500 كجم. إذا كانت المادة صلبة، فقد تتشوه الكرة الفولاذية. في هذه الحالة، يتم استخدام كرة كربيد التنجستن بدلاً من ذلك. عند استخدام التنجستن، تتغير وحدة الصلابة من HB إلى HBW. وهذا يتيح لك معرفة أنه تم استخدام كرة أقوى.
قياس الأسنان
بعد الاختبار، يتم فحص الانبعاج باستخدام مجهر منخفض الطاقة. يُقاس قطر الانبعاج في اتجاهين، وتُستخدم القيمة المتوسطة في الحساب.
معادلة صلابة برينل
يتم حساب رقم صلادة برينل (BHN) باستخدام هذه الصيغة:
BHN = (2F) / (πD(D - √(D² - d²))
أين:
- F = القوة المطبقة (بالنيوتن)
- D = قطر الكرة (بالملليمتر)
- d = قطر الانبعاج (بالملليمتر)
تمنحك النتيجة رقمًا واضحًا للمقارنة مع المواد الأخرى.
اختبار صلابة روكويل
اختبار Rockwell هو أحد اختبارات الصلابة الأكثر استخدامًا اليوم. وهو يتطلب إعدادًا مكثفًا للسطح ويعطي قراءات مباشرة دون حسابات إضافية.
كيف تعمل؟
يستخدم اختبار روكويل كرة من الفولاذ أو كربيد التنجستن أو طرف ماسي مخروطي الشكل يسمى "برال". ويتكون "الاست من خطوتين. أولاً، يتم تطبيق حمولة مسبقة طفيفة لضبط المسافة البادئة في مكانها. بعد ذلك، تتم إضافة حمولة أكبر. بعد بضع ثوانٍ، تتم إزالة الحمولة الرئيسية، ولكن تبقى الحمولة المسبقة الصغيرة. تقيس الماكينة مدى عمق المسافة البادئة في المادة.
موازين روكويل
تعتمد مقاييس روكويل المختلفة على المادة ونوع المسافة البادئة المستخدمة. تتضمن بعض المقاييس الشائعة ما يلي:
- روكويل أ (HRA): للمعادن الصلبة باستخدام طرف ماسي
- روكويل ب (HRB): بالنسبة للمعادن الأكثر ليونة مثل النحاس أو النحاس الأصفر، باستخدام كرة من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاس 1/16 بوصة
- روكويل C (HRC): للفولاذ الصلب باستخدام طرف ماسي
كل مقياس يعطي رقماً. الأرقام الأعلى تعني مواد أكثر صلابة.
المزايا والحدود
اختبار Rockwell سريع وسهل التشغيل. يعطي نتائج رقمية مباشرة ولا يستخدم المجهر. يعمل بشكل جيد لفحص الجودة في الإنتاج. ومع ذلك، فهو غير مناسب للمواد الهشة أو الأسطح الخشنة. كما يجب عليك اختيار المقياس الصحيح، وإلا لن تكون النتيجة دقيقة.
اختبار فيكرز للصلابة
يُعرف اختبار فيكرز بدقته ومداه الواسع. يعمل على المواد اللينة والصلبة وهو مفيد للأجزاء الصغيرة أو المقاطع الرقيقة.
كيف تعمل؟
يستخدم هذا الاختبار أداة ضغط على شكل ماسة ذات شكل هرمي مربع. يتم تطبيق حمولة ثابتة للضغط على الماس في المادة. يمكن أن يتراوح الحمل من بضعة غرامات إلى عدة كيلوغرامات، اعتماداً على المادة وحجم الاختبار. بعد إزالة الحمل، يتم قياس قطري الانبعاج المربع الشكل تحت المجهر.
لماذا نستخدم فيكرز؟
يعطي اختبار فيكرز نتائج دقيقة للغاية. يعمل بشكل جيد مع الأجزاء الصغيرة أو الرقيقة وحتى الطلاءات. وعلى عكس الطرق الأخرى، فإنه يستخدم نوعًا واحدًا فقط من أدوات الإندنتر لجميع المواد، مما يسهل مقارنة النتائج بين العينات المختلفة.
معادلة صلابة فيكرز
يتم حساب رقم صلادة فيكرز (VHN أو HV) باستخدام المعادلة:
قيمة الجهد العالي = (1.854 × واو) / د²
أين:
- F = القوة المطبقة (بالكيلو جرام من الكيلوجرام)
- d = متوسط طول القطرين (بالملليمتر)
تعطي هذه المعادلة قيمة صلابة واضحة يمكن استخدامها لإجراء مقارنات تفصيلية.
المزايا والحدود
اختبار فيكرز دقيق ويصلح للمواد الصلبة والناعمة. وهو مخصص للمختبرات والأبحاث. ومع ذلك، فإنه يستغرق وقتًا أطول من الاختبارات الأخرى ويتطلب مجهرًا، لذا فهو ليس الخيار الأفضل لفحوصات الإنتاج السريع.
اختبار الصلابة كنوب
يُستخدم اختبار Knoop للمواد الرقيقة جدًا والطلاءات والأجزاء الصغيرة. يستخدم قوة خفيفة ودقيقة للغاية، وهو مفيد للعمل في المختبر وفحوصات الجودة على الميزات الدقيقة.
كيف تعمل؟
يستخدم هذا الاختبار أداة ماسية مستطيلة على شكل هرم. ويضغط على السطح بأقل قدر من الحمل - عادةً ما يكون بضعة جرامات فقط. وبمجرد إزالة النواة يتم قياس القطر الطويل للانبعاج الضحل باستخدام مجهر.
متى تستخدم كنوب؟
يستخدم Knoop عندما تكون منطقة الاختبار صغيرة. يعمل بشكل جيد مع الطبقات الرقيقة والمعادن اللينة والسيراميك والطلاءات. كما أنه مفيد أيضًا في فحص المعالجات السطحية أو المقاطع العرضية دون الإضرار بالجزء.
معادلة صلابة نوب
يتم حساب رقم صلابة كنوب (KHN أو HK) باستخدام هذه الصيغة:
ح ك = (14.229 × و) / ل²
أين:
- F = قوة الاختبار (بوحدة gf)
- L = طول القطر الطويل (بالملليمتر)
وهذا يعطي قيمة صلابة مفصلة لبقع الاختبار الصغيرة.
المزايا والحدود
يعطي اختبار Knoop نتائج دقيقة للغاية مع قوة منخفضة. وهو يساعد عند اختبار الأجزاء الرقيقة أو المواد ذات الطبقات. ومع ذلك، فإنه يتطلب مجهرًا ويستغرق وقتًا، لذا فهو ليس مثاليًا للاستخدام العام أو الأجزاء الكبيرة.
مقياس موس للصلابة
مقياس موس هو طريقة بسيطة لتقييم مدى مقاومة المادة للخدش. وهو يعتمد على مدى سهولة خدش مادة ما لمادة أخرى.
كيف تعمل؟
يتراوح المقياس من 1 إلى 10. ويعني الرقم الأعلى أن المادة أكثر صلابة. على سبيل المثال، تم تصنيف التلكيت بالرقم 1، لذا فهو ناعم للغاية. أما الألماس فيعني 10، لذا فهو الأكثر صلابة. لاختبار مادة ما، حاول خدشها بمادة أخرى من المقياس. إذا تم خدشها، فإنها لا تخدش؛ فهي أكثر صلابة.
المواد الشائعة في الميزان
- 1 - التلك
- 2 - الجبس
- 3 - الكالسيت
- 4 - الفلوريت
- 5 - الأباتيت
- 6 - الفلسبار
- 7 - كوارتز
- 8 - توباز
- 9 - اكسيد الالمونيوم
- 10 - الماس
غالبًا ما يستخدم المهندسون هذا المقياس لإجراء فحوصات سريعة، خاصةً عند اختيار المواد اللازمة لأدوات القطع أو الأجزاء المقاومة للتآكل.
المزايا والحدود
لا يستخدم مقياس موس ولا يحتاج إلى أدوات صناعية. إنه ممتاز للعمل الميداني أو الفحص. لكنه ليس دقيقًا. فهو لا يعطي قيم صلابة دقيقة أو يعمل بشكل جيد على المعادن ذات مستويات الصلابة المتشابهة. وهو أفضل للمعادن منه للمعادن الصناعية.
اختبار صلابة الشاطئ
تُستخدم صلابة شور لقياس صلابة المواد اللينة مثل المطاط والبلاستيك وبعض البوليمرات اللينة. وهو يخبرك بمدى مقاومة المادة للمسافة البادئة تحت نقطة محملة بنابض.
كيف تعمل؟
يستخدم اختبار شور جهازاً يسمى مقياس التحمل. يحتوي على دبوس صغير يدفع في سطح المادة. يتحكم زنبرك في القوة؛ وتظهر النتيجة على قرص من 0 إلى 100. الرقم الأعلى يعني مادة أكثر صلابة.
موازين الشاطئ
هناك العديد من مقاييس الشاطئ. وأكثرها شيوعاً هي:
- الشاطئ أ - للمواد اللينة مثل المطاط والسيليكون واللدائن اللينة
- شور د - للمواد البلاستيكية الأكثر صلابة والمواد شبه الصلبة
- الشاطئ 00 - للمواد الهلامية والرغوة الناعمة جداً
يستخدم كل مقياس شكلًا مختلفًا وقوة زنبرك مختلفة لتناسب نوع المادة.
متى تستخدم اختبار الشاطئ؟
استخدم الشاطئ A لعناصر مثل الإطارات وموانع التسرب والحصائر المطاطية. استخدم Shore D للمواد البلاستيكية الصلبة مثل الأنابيب أو العلب. Shore 00 هو الأفضل للمواد الرغوية الناعمة والمواد الشبيهة بالهلام. الاختبار سريع وسهل التكرار، مما يجعله مثاليًا لفحوصات الإنتاج.
المزايا والحدود
اختبار الشاطئ سريع ومباشر. فهو لا يتلف المادة كثيرًا ويعطي نتائج قابلة للتكرار. لكنه غير مناسب للمعادن أو المواد ذات الأسطح الصلبة. إنه الأفضل للمواد اللينة والمرنة.
| اسم الاختبار | نوع المُدخِل | نطاق التحميل | الأفضل لـ | الوحدة | الملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| برينيل | كرة من الفولاذ أو كربيد التنجستن (10 مم) | 500-3000 كيلوغرام/كيلوغرام | المسبوكات والمطروقات والمعادن اللينة | HB أو HBW | يترك انبعاجًا كبيرًا، غير مناسب للأجزاء الرقيقة |
| روكويل | كرة فولاذية أو مخروط ماسي | يعتمد على الحجم | المعادن العامة، استخدام خط الإنتاج | HRA، HRB، HRC، HRC، إلخ. | اختبار سريع، قراءة مباشرة، مقاييس متعددة |
| فيكرز | الهرم الماسي | 10 جم - 100 كجم/فرد | الأجزاء الرقيقة والطلاءات وجميع المواد | الجهد العالي | دقيق للغاية، يحتاج إلى مجهر |
| نوب | ماسة مستطيلة | 1 غف - 1000 غف | الأجزاء الدقيقة، والطلاء، والمقاطع العرضية | هونج كونج | دقة عالية، الأفضل للمناطق الصغيرة جداً |
| موس | المعادن الطبيعية (اختبار الخدش) | غير متاح | المعادن، مقارنة بسيطة | 1 إلى 10 | اختبار سريع، غير دقيق، وليس للمعادن |
| شور | دبوس محمل بنابض | ثابت بالمقياس | البلاستيك والمطاط والمواد اللينة | الشاطئ أ، د، 00 | سريع وبسيط، وليس للمواد الصلبة |
اختيار اختبار الصلابة المناسب
يعتمد اختيار اختبار الصلابة المناسب على نوع المادة وشكلها وما تحتاج إلى قياسه. كل طريقة لها أفضل حالة استخدام.
نوع المادة وسمكها
تعمل المعادن السميكة والأثقل بشكل جيد مع اختبارات برينل أو روكويل. من الأفضل اختبار الصفائح الرقيقة أو الأجزاء الصغيرة باستخدام اختبار فيكرز أو نوب. تحتاج المواد اللينة مثل المطاط أو البلاستيك إلى اختبار شور. قم دائمًا بمطابقة المواد مع قوة المادة وحجمها.
صقل الأسطح والإعداد
تعمل الأسطح الخشنة بشكل أفضل مع برينل. يعطي فيكرز وروكويل نتائج أكثر دقة للأسطح الملساء. إذا كان السطح يحتوي على طلاء أو طبقات، فإن Knoop هو الخيار الأفضل. لتجنب الأخطاء، تأكد من أن منطقة الاختبار نظيفة ومسطحة.
بيئة الاختبار واحتياجات الدقة
بالنسبة للفحوصات السريعة في الموقع، فإن Rockwell و Shore رائعان. فهي سريعة وتحتاج إلى القليل من الإعداد. للحصول على دقة عالية في المعامل، استخدم فيكرز أو نوب. هذه تستغرق وقتًا أطول ولكنها تعطي نتائج دقيقة للغاية. اختر بناءً على مدى دقة القياس المطلوب.
خاتمة
تخبرنا صلابة المادة بمدى قدرة المادة على مقاومة الخدوش أو الخدوش أو التآكل. كل اختبار صلابة - برنيل وروكويل وفيكرز ونوب وموس وشور - له استخداماته، اعتمادًا على نوع المادة وسمكها والغرض منها. يساعد اختيار الاختبار المناسب على ضمان جودة المنتج وأدائه.
هل تحتاج إلى مساعدة في اختيار أفضل المواد أو الاختبار لمشروعك القادم؟ اتصل بنا اليوم، ودع فريقنا يقدم لك دعمًا سريعًا وموثوقًا لقطعك المعدنية المخصصة.
مهلا، أنا كيفن لي
على مدى السنوات العشر الماضية، كنت منغمسًا في أشكال مختلفة من تصنيع الصفائح المعدنية، وشاركت رؤى رائعة هنا من تجاربي عبر ورش العمل المتنوعة.
ابقى على تواصل
كيفن لي
لدي أكثر من عشر سنوات من الخبرة المهنية في تصنيع الصفائح المعدنية، وتخصصت في القطع بالليزر، والثني، واللحام، وتقنيات معالجة الأسطح. كمدير فني في شنغن، أنا ملتزم بحل تحديات التصنيع المعقدة ودفع الابتكار والجودة في كل مشروع.
