صلادة الفولاذ: برينل وروكويل وفيكرز

صلادة الفولاذ هي مقاومته للانغراز الموضعي وفق طريقة اختبار محددة. تتأثر القراءة بالطريقة والمقياس أو قوة الاختبار وشكل المخترق وحالة العينة وإجراء القياس، لذا تُسجل القيمة مع تسمية الاختبار وشروطه.

تستخدم طرق برينل وروكويل وفيكرز على نطاق واسع في فحص الفولاذ، ولكل طريقة أسلوب قياس ومجال استخدام مختلف.

الصلادة مرتبطة بطريقة القياس

اختبار الصلادة تجريبي: يُضغط مخترق محدد على العينة بقوة مضبوطة، ثم تُحوّل أبعاد البصمة أو تغير العمق إلى قيمة صلادة. توفر NIST مواد مرجعية لبعض مقاييس روكويل والصلادة المجهرية لدعم تتبع القياس. وقد تختلف القراءة بين مواضع القطعة بسبب المعالجة الحرارية أو التشكيل البارد أو نزع الكربون أو المنطقة المتأثرة بحرارة اللحام، لذا لا يمثل موضع واحد القطعة كلها بالضرورة.

برينل: قياس بصمة دائرية

تستخدم طريقة برينل كرة من الكربيد، وتُحسب الصلادة من قطر البصمة المتبقية على السطح تحت شروط محددة. تغطي البصمة مساحة أكبر نسبياً، وهذا يفيد عند تقييم منطقة أوسع وكان أثر الاختبار مقبولاً على المنتج.

ISO 6506-1:2014 هو الإصدار المنشور الذي تم التحقق منه في تاريخ البحث، ويوجد مشروع بديل قيد التطوير. ويغطي ASTM E10-23 اختبار برينل للمواد المعدنية. يجب مراعاة سماكة العينة والمسافات وحالة السطح وطريقة القراءة كما يحددها المعيار، مع تسجيل تسمية HBW وشروط الاختبار.

روكويل: قراءة تعتمد على العمق

تعتمد روكويل على الزيادة المتبقية في عمق الانغراز، بقياس العمق تحت القوة الأولية قبل تطبيق القوة الإضافية وبعد إزالتها. تستخدم المقاييس المختلفة شروطاً مختلفة، لذلك يجب تحديد المقياس بوضوح؛ HRC وHRB مثالان على مقياسين مستقلين.

يغطي ISO 6508-1:2023 مقاييس روكويل العادية والسطحية، ويغطي ASTM E18-25 الطريقة أيضاً. عند اختيار المقياس يجب مراعاة نوع المادة والسماكة وشكل السطح، وقد تحتاج الصفائح الرقيقة أو الأسطح المنحنية إلى ترتيب مختلف وفق المعيار.

فيكرز: قياس بصمة ماسية

تستخدم فيكرز مخترقاً ماسياً هرمياً ذا قاعدة مربعة. يُقاس قطرا البصمة المتبقية بصرياً وتُحسب الصلادة من متوسطهما وقوة الاختبار؛ وتُسجل النتيجة بالرمز HV مع تعيين القوة. يغطي ISO 6507-1:2023 ثلاثة نطاقات من قوة الاختبار، بينما يغطي ASTM E92-26 طريقتي فيكرز ونوب.

تصلح فيكرز للفحص العام والقياسات الموضعية، بما في ذلك مقارنة مناطق مختلفة في اللحام أو الطبقات السطحية. وتزداد أهمية تحضير السطح وجودة القياس كلما صغرت البصمة.

قراءة رمز الاختبار مع القيمة

الأمثلة التالية لثلاثة اختبارات مستقلة، ولا تعني تكافؤ قيم الصلادة:

• 220 HBW 10/3000: صلادة برينل 220 باستخدام كرة كربيد قطرها 10 mm وقوة اسمية 3000 kgf، أي نحو 29.42 kN.
• 60 HRC: صلادة 60 على مقياس روكويل C باستخدام مخروط ماسي. القوة الأولية 10 kgf والقوة الكلية 150 kgf، أي نحو 98.07 N و1.471 kN على الترتيب. تشمل القوة الكلية القوة الأولية.
• 250 HV 10: صلادة فيكرز 250 عند قوة اسمية 10 kgf، أي نحو 98.07 N. يشير الرقم 10 إلى قوة الاختبار ولا يعني 10 N.

kgf وحدة قوة، وتساوي 1 kgf مقدار 9.80665 N. تُضاف مدة تثبيت القوة وغيرها من بيانات التقرير وفق المعيار المطبق. هذه أمثلة لقراءة الرموز وليست قيماً مستهدفة لدرجة فولاذ معينة.

اختر الطريقة وفق العينة والغرض

مرّر داخل الجدول لرؤية جميع الأعمدة ←

قد تتطلب الصفيحة السميكة والصفيحة الرقيقة والطبقات السطحية ومناطق اللحام شروطاً مختلفة حتى عندما تكون المادة الأساسية متقاربة.

عوامل تغيّر قراءة الصلادة

يجب أن يمثل السطح المنطقة المطلوب تقييمها وأن يطابق متطلبات المعيار. يمكن للخشونة والأكسدة والطلاء وآثار التجهيز السطحي أن تؤثر في تكوين البصمة أو في سهولة قراءتها.

تؤثر سماكة العينة وطريقة دعمها أيضاً، كما يجب احترام المسافات المطلوبة بين نقاط القياس وبين النقطة وحافة العينة. وقد تحتاج الأسطح المنحنية إلى تصحيح أو إعداد خاص وفق الطريقة والمقياس.

يمكن للمعالجة الحرارية والتشكيل السابق واختلاف البنية المجهرية ودورات حرارة اللحام أن تنتج تدرجاً حقيقياً في الصلادة. عند توقع هذا التدرج، يُحدد مسار القياس وعدد النقاط قبل الاختبار.

للصفائح الرقيقة، تُراجع السماكة الدنيا المسموحة للطريقة والمقياس والصلادة المتوقعة، مع فحص دعم العينة وأي تشوه في وجهها الخلفي. قد تناسبها روكويل السطحية أو فيكرز بقوة أقل، لكن خفض القوة وحده لا يثبت صحة القياس. لفيكرز أيضاً حدود لحجم البصمة ولمجال اختبار الطلاءات؛ وقد تقع بصمة تبدو قابلة للقراءة خارج نطاق المعيار.

يُحدد هدف القياس: ركيزة الفولاذ أم الطلاء أم السطح بعد المعالجة أم مقطع الطبقة المقساة. عند تقييم الركيزة، تُستخدم طريقة تحضير مسموحة تحافظ على صلادتها. وعند دراسة طبقة مقساة أو منزوعة الكربون، تُحفظ المنطقة المطلوبة ويُحدد العمق من السطح الأصلي. قد تغير حرارة الجلخ أو إزالة مادة أكثر من اللازم أو التشوه البارد أثناء التحضير النتيجة.

تحويل قيم الصلادة له نطاق محدد

جداول التحويل مفيدة للمقارنة وللتعامل مع مواصفات قديمة، إلا أن العلاقة تجريبية وتعتمد على نوع المادة. يوضح ISO 18265:2013 أن القيم المحولة تنطبق مباشرة على المادة التي بُنيت عليها العلاقة؛ وتكون في المواد الأخرى قيمة إرشادية. كما أن تقدير مقاومة الشد من الصلادة أقل موثوقية من كثير من التحويلات الأخرى.

عند استخدام الصلادة كشرط قبول، يُفضل الاحتفاظ بالقيمة المقاسة ومقياسها الأصلي. وإذا لزم التحويل، يجب تسجيل مصدر الجدول ومجموعة المادة والقيمة الأصلية، مع تجنب سلسلة من التحويلات المتتابعة بين عدة مقاييس.

الصلادة والمقاومة والبلى ترتبط بظروف الاستخدام

قد توجد علاقة بين الصلادة ومقاومة الشد داخل عائلة فولاذ وحالة معالجة محددتين لأن كلتيهما تتأثران بالبنية المجهرية. تتغير هذه العلاقة عند تغير التركيب أو المعالجة أو نطاق الاختبار، لذلك تبقى متطلبات الخضوع والشد في مواصفة المنتج بحاجة إلى تحققها بالطريقة المقررة.

يتأثر البلى الميكانيكي بنوع الجسيمات الكاشطة وإجهاد التلامس والمتانة والبنية المجهرية والسطح المقابل والتزييت ودرجة الحرارة والمعالجة السطحية. الصلادة مؤشر مهم ضمن مجموعة من الخصائص التي تحدد الأداء.

حدد الاختبار وتحقق منه وسجله

يمكن تنظيم خطة القياس على النحو الآتي:

1. تحديد المادة وشكل المنتج وحالته والمنطقة المطلوب فحصها.

2. تحديد مواصفة المنتج ومعيار اختبار الصلادة المطبق.

3. اختيار برينل أو روكويل أو فيكرز مع المقياس أو قوة الاختبار المناسبة للسماكة والهندسة والصلادة المتوقعة.

4. تجهيز السطح ودعم العينة وفق متطلبات الطريقة.

5. التحقق من جهاز الاختبار والمخترق وكتلة الصلادة المرجعية قبل قياسات القبول.

6. تحديد مواقع القياس والمسافات وعدد القراءات وأي مسار قياس مسبقاً.

7. تسجيل تسمية الصلادة الأصلية وشروط الاختبار وأي تصحيح يسمح به المعيار.

8. مقارنة النتيجة بحد المواصفة الفعلي وتوثيق أي تحويل مستخدم كمرجع هندسي بشكل منفصل.

للمزيد عن الخواص الميكانيكية راجع مقاومة الشد للفولاذ وإجهاد الخضوع للفولاذ . وللاختيار على مستوى الدرجة استخدم دليل اختيار درجة مقاومة الفولاذ .

المصادر التقنية