تعد صلابة المواد خاصية أساسية تشير إلى مدى قدرة المادة على تحمل القوى الميكانيكية دون التعرض لتشوه كبير. إنها سمة حاسمة في التصنيع والهندسة، ولا تؤثر فقط على أداء المنتجات وعمرها الافتراضي، بل تؤثر أيضًا بشكل مباشر على كفاءة عملية الإنتاج وجودة المنتجات النهائية. في هذه المقالة، سوف نلقي نظرة فاحصة على ماهية صلابة المواد وكيفية قياسها.
تشير صلابة المادة إلى قدرة المادة على مقاومة التشوه البلاستيكي الموضعي (التشوه الدائم). بمعنى آخر، فهو يقيس مدى مقاومة المادة لتشكيل التغييرات في وجود قوى خارجية مثل الخدش والمسافة البادئة والتآكل.
كما هو موضح في الرسم البياني أدناه، فإن معظم المواد البلاستيكية لديها صلابة أقل، في حين أنه من الصعب للغاية خدش الماس أو خدشه. وتقع معظم المواد الأخرى في مكان ما بينهما.
يمكن الخلط بسهولة بين الصلابة وخصائص المواد الأخرى، مثل المتانة والقوة، ومع ذلك فهي تنتمي إلى ثلاث خصائص مختلفة للمادة. على وجه التحديد، تشير الصلابة إلى مقاومة السطح للتشوه والتآكل، في حين تشير المتانة إلى قدرة المادة على امتصاص الطاقة والتشوه اللدن دون كسر، وتتعلق القوة بقدرة المادة الإجمالية على تحمل قوى الشد والضغط والانحناء. إحدى الطرق البسيطة للتمييز بين هذه الخصائص هي أن تتذكر أن الصلابة تتعلق بمقاومة السطح، والمتانة تتعلق بامتصاص الطاقة وتشوهها، والقوة تتعلق بالقدرة الإجمالية على التحمل.
وفي الوقت نفسه، هذه الخصائص مترابطة. على سبيل المثال، تتمتع المواد ذات الصلابة العالية عادةً بمقاومة أفضل للتآكل، مما يعني أن استخدام مواد أكثر صلابة يمكن أن يقلل من تآكل الأجزاء ويطيل عمر المكونات بشكل كبير. ترتبط الصلابة أيضًا ارتباطًا وثيقًا بقدرة المادة على مقاومة التشوه والكسر. بشكل عام، تتمتع المواد ذات الصلابة العالية أيضًا بقوة شد وضغط أعلى، والتي غالبًا ما تستخدم في العديد من التطبيقات الهندسية لضمان الاستقرار الهيكلي والسلامة. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن المواد ذات الصلابة العالية قد تكون أكثر هشاشة ولها صلابة أقل، في حين أن المواد ذات الصلابة العالية قد تكون لها صلابة أقل.
بعد فهم تعريف الصلابة، لا يمكننا الانتظار لتوضيح كيفية عملها. الآن، دعونا نستكشف الأنواع الثلاثة الرئيسية: صلابة المسافة البادئة، وصلابة الخدش، وصلابة الارتداد.
تشير صلابة المسافة البادئة إلى مقاومة المادة للتشوه الدائم عند تعرضها لحمل مستمر، وهو شكل التحميل الأكثر شيوعًا المطبق على المعادن. ولذلك، عند مناقشة الصلابة، فإنه عادة ما يشير إلى صلابة المسافة البادئة.
يتم تقييمه عادةً باستخدام اختبارات تقيس عمق أو حجم المسافة البادئة التي يتركها جسم صلب تحت قوة معينة. تشمل الطرق الأكثر استخدامًا لقياس صلابة المسافة البادئة اختبارات صلابة روكويل وبرينل وفيكرز.
تصف صلابة الخدش قدرة المادة على مقاومة خدش سطحها بسبب ملامستها لمعدن آخر. يتم قياسه عادة باستخدام اختبار صلابة موس، والذي يستخدم في المقام الأول لاختبار صلابة المواد الهشة مثل المعادن والسيراميك.
تتعلق صلابة الارتداد، والمعروفة أيضًا بالصلابة الديناميكية، بمرونة المادة وتصف قدرتها على امتصاص الطاقة عند الاصطدام وإعادتها إلى المسافة البادئة.
يتم تقييم صلابة الارتداد عن طريق قياس الارتفاع الذي ترتد عنده المطرقة القياسية عن سطح المادة. اختبار صلابة ليب (صلابة ليب) هو أداة تعتمد على مبدأ صلابة الارتداد.
يوفر كل نوع من أنواع الصلابة منظورًا مختلفًا لمقاومة المادة للتشوه والتآكل، ويمكن قياسها باستخدام طرق ومقاييس مختلفة. قبل الخوض في طرق القياس، دعونا أولاً نحصل على فهم عام لوحدات الصلابة.
كما هو موضح في الجدول أعلاه، نرى تسميات مختلفة للصلابة مثل "HV" و"HB" و"HRB". ماذا يقصدون؟ قيم الصلابة نفسها لا تحتوي على وحدات فيزيائية تقليدية مثل النيوتن أو الباسكال. بدلاً من ذلك، يتم منحها تسميات طريقة الاختبار (مثل HV أو HB)، والتي تعمل بشكل فعال بمثابة "وحدات" خاصة بها في الاستخدام العملي. فيما يلي الوحدات شائعة الاستخدام لقياس الصلابة:
كما ذكرنا سابقًا، تعكس الصلابة قدرة المادة على مقاومة الخدش أو القطع أو تآكل سطحها. يتم قياسه عادةً من خلال تطبيق حمل محدد على سطح المادة. فيما يلي الطرق الشائعة لاختبار الصلابة. نحن الخطوط العريضة لمبادئ كل طريقة والخصائص الأساسية، وتسليط الضوء على مزايا وقيود كل طريقة في قياس الصلابة.
يتضمن اختبار صلابة برينل ضغط كرة من الفولاذ الصلب أو الكربيد، يبلغ قطرها عادةً 10 مم، على سطح المادة تحت حمل محدد، والذي يختلف اعتمادًا على المادة التي ستختبرها. الحمل القياسي هو 3000 كجم (أو 29420 نيوتن)، وعادة ما يتم تطبيقه على المعادن الصلبة مثل الحديد والصلب. لكن بالنسبة للمواد اللينة مثل النحاس والنحاس الأصفر، يكون الحمل المطبق 500 كجم (أو 4905 نيوتن). يتم تطبيق هذا الحمل لفترة زمنية محددة مسبقًا ثم تتم إزالته. يتم قياس قطر المسافة البادئة المتبقية على سطح المادة باستخدام المجهر. يتم بعد ذلك حساب رقم صلابة برينل (HB) باستخدام الصيغة التالية:
حيث،F - الحمل المطبق بالكيلوجرام - القوة (kgf). في نظام SI، يتم استخدام نيوتن (N) بشكل شائع كوحدة للحمل. في هذه الحالة، يمكن أيضًا الإشارة إلى HB على أنه HBND – قطر الكرة، ممd – قطر المسافة البادئة، مم
يُستخدم اختبار صلابة برينل بشكل شائع لاختبار المواد الكبيرة أو السميكة ذات الصلابة المنخفضة إلى المتوسطة، مثل الحديد الزهر والصلب والمعادن غير الحديدية وسبائكها. إنها مناسبة بشكل خاص لاختبار المواد ذات الهياكل الحبيبية الخشنة أو غير المستوية، حيث أن المسافة البادئة الكبيرة تؤدي إلى متوسط التناقضات المحلية. الاختبار سهل نسبيًا ويتطلب الحد الأدنى من إعداد العينة. ومع ذلك، فإن معدات الاختبار عادة ما تكون ضخمة الحجم وأقل قابلية للحمل مقارنة بطرق اختبار الصلابة الأخرى مثل اختبارات الصلابة Rockwell أو Vickers.
تشتمل طريقة الاختبار هذه أولاً على ضغط المسافة البادئة على سطح المادة تحت التحميل المسبق (الحمل البسيط)، عادةً 10 كجم، مما يساعد على تثبيت المسافة البادئة والتخلص من أي عدم انتظام في السطح. بعد ذلك، يتم تطبيق حمل رئيسي إضافي، حيث يتراوح إجمالي الحمل (الصغير بالإضافة إلى الرئيسي) من 60 إلى 150 كجم، اعتمادًا على المقياس المستخدم. بعد فترة زمنية محددة، تتم إزالة الحمل الرئيسي، ويتم قياس عمق المسافة البادئة بينما لا يزال تحت الحمل الثانوي.
يمكن قراءة رقم صلابة روكويل باستخدام مقاييس روكويل المختلفة للصلابة، مع كون المقاييس A وB وC (HRA وHRB وHRC) هي الأكثر استخدامًا. الموازين المختلفة مناسبة لأنواع مختلفة من المواد ونطاقات الصلابة، كل منها يستخدم أحمالًا مختلفة وأنواع إندينتر. على سبيل المثال، لقياس صلابة الفولاذ والسبائك الصلبة، يتم استخدام إندينتر مخروطي من الألماس بحمل كبير يصل إلى 150 كجم، ويتم قراءة رقم الصلابة على مقياس "C". بالنسبة للمواد الأكثر ليونة مثل سبائك النحاس والألومنيوم والفولاذ الأكثر ليونة، يتم عادةً استخدام كرة فولاذية بقطر 1/16 بوصة مع حمولة كبيرة تصل إلى 100 كجم، وتتم قراءة قيمة الصلابة على مقياس "B".
صيغة صلابة روكويل هي:
حيث،N – عامل القياس اعتمادًا على المقياس المستخدمs – عامل القياس اعتمادًا على المقياس المستخدمد – عمق المسافة البادئة الدائمة مقارنة بالحمل البسيط، مم
هذه الطريقة سريعة وسهلة التنفيذ، ويمكن قراءة نتائج الصلابة مباشرة من مقاييس الصلابة روكويل. يوجد إجمالي 30 مقياسًا متاحًا لاختبار المواد المختلفة ونطاقات الصلابة. ولذلك، تُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع في مراقبة الجودة واختبار المواد في مختلف الصناعات. ومع ذلك، قد لا يكون اختبار روكويل مثاليًا للمواد شديدة الصلابة (مثل السيراميك) أو المواد الناعمة جدًا (مثل المطاط).
يستخدم هذا الاختبار إندينتر على شكل هرم ماسي بقاعدة مربعة وزاوية قدرها 136 درجة بين الوجوه المتقابلة. يتم ضغط المسافة البادئة على المادة بحمل محدد ويتم الاحتفاظ بها لفترة معينة. بعد التفريغ، يتم ترك مسافة بادئة مربعة. يتم قياس أطوال قطري المسافة البادئة باستخدام المجهر أو أي معدات قياس دقيقة أخرى. يتم بعد ذلك استخدام هذه القياسات لحساب رقم صلابة فيكرز (HV) باستخدام الصيغة التالية:
حيث،F - الحمل المطبق، كجمد - متوسط طول الأقطار، مم
يعد اختبار صلابة فيكرز متعدد الاستخدامات ويمكن استخدامه لاختبار جميع المواد تقريبًا، بدءًا من المعادن الناعمة جدًا وحتى السيراميك شديد الصلابة. يوفر قيم صلابة دقيقة ويمكن إجراؤه على مناطق صغيرة جدًا أو طبقات رقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يعد حساب قيمة الصلابة أمرًا مباشرًا حيث يتم استخدام نفس إندينتر الماس لجميع المواد. ومع ذلك، تتطلب طريقة الاختبار هذه معدات متخصصة، مثل اختبار الصلابة الدقيقة والمجهر عالي الجودة، وهي مكلفة. علاوة على ذلك، فإن قياس المسافة البادئة القطرية يستغرق وقتًا طويلاً، خاصة بالنسبة للاختبارات المتعددة.
اختبار صلابة موس هو اختبار الخدش. إنها طريقة نوعية تقارن مقاومة المادة للخدش بواسطة معادن ذات صلابة معروفة على مقياس من 1 (الأنعم) إلى 10 (الأصعب). التلك هو الأنعم (1)، والماس هو الأقسى (10).
هذه الطريقة بسيطة وسريعة التنفيذ دون الحاجة إلى معدات معقدة. إنه مفيد جدًا للعمل الميداني والتعرف السريع على المعادن والمواد الأخرى. ومع ذلك، فهو يوفر فقط قيم الصلابة النسبية ويعتمد على مهارة وخبرة المشغل.
لقد تطورت اختبارات الخدش الحديثة من اختبار صلابة موس البسيط إلى طرق أكثر تطورًا تستخدم غالبًا معدات دقيقة، مثل أدوات قياس المسافة البادئة للماس وآليات التحميل الخاضعة للرقابة، لتوفير قياسات أكثر دقة وقابلة للتكرار لصلابة المواد ومقاومة التآكل. يمكن لهذه الاختبارات قياس مقاومة المواد للخدش، وتستخدم على نطاق واسع في مختلف الصناعات، بما في ذلك الطلاءات والمعادن والسيراميك والمواد المركبة.
يقيس اختبار المنظار صلابة الارتداد للمادة. يتضمن ذلك استخدام مطرقة ذات رأس ماسي يتم إسقاطها من ارتفاع ثابت على المادة، ويتم قياس ارتفاع الارتداد. كلما زاد الارتداد، زادت صعوبة المادة.
يعد هذا الاختبار قياسًا تقليديًا ولكنه مباشر وغير مدمر، وغالبًا ما يوجد الآن في سياقات أكثر تخصصًا أو تاريخية. في المقابل، فإن اختبار صلابة ليب، وهو أيضًا اختبار غير مدمر يعتمد على سرعة الارتداد لكتلة الاختبار، قد حل إلى حد كبير محل اختبار المنظار في التطبيقات الحديثة. يتم استخدام اختبار صلابة ليب على نطاق أوسع، خاصة للاختبار الميداني والاستخدام الصناعي على نطاق واسع، نظرًا لقابليته للنقل وتعدد الاستخدامات، وغالبًا ما يتضمن قراءات رقمية.
بمجرد معرفة نوع ظروف الحمل التي سيخضع لها الجزء، يمكنك التفكير في أي من طرق اختبار الصلابة المذكورة أعلاه لمقارنة خيارات المواد الخاصة بك. وبدلاً من ذلك، يمكنك الاعتماد على المعلومات المقدمة من الموردين والموارد عبر الإنترنت مثل Matweb. بالإضافة إلى ذلك، يعد مخطط صلابة المواد أيضًا أداة مرجعية حيوية لفهم ومقارنة صلابة المواد المختلفة. يوضح الرسم البياني التالي قيم صلابة هذه المواد المختلفة باستخدام طرق قياس مختلفة.
إذا كنت ترغب في اختيار المادة المناسبة لمشروعك، فيجب عليك فهم صلابة المادة. باعتبارنا شركة مصنعة للآلات CNC مع أكثر من 10 سنوات من الخبرة والقدرة على معالجة مجموعة واسعة من المواد، يمكننا الحصول على بيانات الصلابة الأكثر دقة من موردي المواد الخام الموثوقين لدينا. لدينا أيضًا مصنع داخلي ونجري اختبارات الصلابة بشكل منتظم كجزء أساسي من إجراءات مراقبة الجودة لدينا.
بالطبع، إذا كانت لديك متطلبات محددة، يمكننا تقديم تقارير اختبار احترافية ومفصلة. ليس لدينا فقط فريق من خبراء مراقبة الجودة الذين يمكنهم اختبار صلابة المواد، ولكن لدينا أيضًا فريق محترف من المهندسين والميكانيكيين للتأكد من أن كل مشروع يلبي أعلى معايير الجودة في كل مرة.
كيف يمكننا اختيار طريقة اختبار الصلابة المناسبة؟
عند اختيار طريقة اختبار الصلابة المناسبة، يجب أن نأخذ في الاعتبار عوامل مثل نوع المادة وسمكها وحالة السطح ودقة الاختبار المطلوبة. النقاط أدناه يمكن أن تكون بمثابة مرجع مهم:
ما العلاقة بين رقم الصلابة ومنحنى الإجهاد والانفعال؟
يوفر رقم الصلابة مؤشرًا كميًا لمقاومة المادة للمسافة البادئة أو الخدش، بينما يقدم منحنى الإجهاد والانفعال عرضًا شاملاً لسلوك تشوه المادة في ظل مستويات إجهاد مختلفة.
على الرغم من عدم وجود علاقة رياضية مباشرة بين الصلابة ومعلمات الإجهاد والانفعال، فإن رقم الصلابة يمكن أن يكون في كثير من الأحيان بمثابة مؤشر غير مباشر لمعامل مرونة المادة وقوة الخضوع. تظهر المادة ذات رقم الصلابة العالي عمومًا منطقة مرنة أكثر انحدارًا ونقطة خضوع أعلى على منحنى الإجهاد والانفعال، مما يشير إلى قوة خضوع أعلى ومقاومة أكبر للتشوه. في المقابل، فإن المادة ذات رقم الصلابة المنخفض قد تظهر سلوكًا أكثر ليونة مع وجود منطقة بلاستيكية أطول على المنحنى. لتقييم الخواص الميكانيكية للمواد بشكل شامل، من الضروري فهم العلاقة بين هذين العاملين.
في التصنيع الحديث، تحظى الآلات CNC بتقدير كبير لدقتها وكفاءتها. إذا كنت تفكر في التصنيع باستخدام الحاسب الآلي لمنتجاتك، فهناك سؤال واحد لا مفر منه وهو: ما هي تكلفة ذلك، وهل سيتناسب مع ميزانيتك؟ لا يوجد سعر واحد يناسب الجميع لتصنيع الآلات باستخدام الحاسب الآلي، حيث تعتمد التكاليف على عدة عوامل يمكن أن تؤثر بشكل كبير على السعر النهائي.
من خلال عملية التصنيع، يمكن تشكيل المواد إلى المنتجات المطلوبة. ومع ذلك، فإن تصنيع المواد ليس دائمًا مهمة سهلة، لأن خصائص المواد وظروف التشغيل المحددة تلعب دورًا حيويًا في تحديد سلاسة وكفاءة العملية بأكملها. ترتبط كل هذه الاعتبارات بالكلمة الرئيسية "القابلية للتصنيع".
غالبًا ما تترك عمليات التصنيع قوامًا غير منتظم على أسطح المنتج. مع تزايد الطلب على التشطيبات عالية الجودة، أصبحت أهمية التشطيب السطحي ذات أهمية متزايدة. لا يقتصر تشطيب السطح على الجماليات أو تحقيق مظهر أكثر سلاسة فحسب؛ فهو يؤثر بشكل كبير على وظائف المنتج ومتانته وأدائه العام.
