صلابة مادية

تُعد صلابة المواد أمرًا بالغ الأهمية في الهندسة والتصنيع، ومعرفة كيفية استجابة المواد للإجهاد والقوة والتآكل أمرٌ بالغ الأهمية. تناقش هذه المقالة أهمية هذه الصلابة، وتوضح أنواعها المختلفة. كما تتناول طرق اختبار الصلابة، وتُسلّط الضوء على دورها في صناعات متنوعة، من الفضاء إلى الهندسة الطبية الحيوية.

ما هي صلابة المواد؟

تُحدد صلابة المادة قدرتها على تحمل التشوه الدائم الموضعي، المعروف أيضًا باسم التشوه البلاستيكي. عادةً ما يكون هذا التشوه على شكل خدش، أو انبعاج سطحي، أو تآكل. تشير صلابة المادة إلى مدى قدرة المادة على مقاومة التشوه البلاستيكي الموضعي، مثل الخدش، أو الانبعاج، أو التآكل.

بدأ اختبار الصلابة المنهجي بمقياس فريدريش موهس للخدش عام ١٨١٢؛ ثم طُرِحت أساليب التباعد الكمي (برينيل) عام ١٩٠٠. ورغم أن الصلابة وحدها لا تُشير إلى قوة أو متانة المادة، إلا أنها تُظهر خصائص ميكانيكية أخرى مثل المتانة ومقاومة الشد، وغيرها. لذا، من المهم فهم أنواع الصلابة المختلفة بشكل صحيح.

أهمية صلابة المواد

صلابة المواد بالغة الأهمية في التصنيع، ففهم مدى صلابة المادة يُحسّن بشكل كبير من مراقبة الجودة. على سبيل المثال، تُستخدم المعادن شديدة الصلابة، مثل التنغستن والكروم، في أدوات القطع وقطع غيار الطائرات والطلاءات. ويعود ذلك إلى مقاومتها للتشوه والتآكل. من ناحية أخرى، تُعدّ المعادن الأكثر ليونة، مثل الذهب، الذي يتميز بقابلية عالية للطرق وصلابة منخفضة، مناسبة للمجوهرات ونقاط التلامس الإلكترونية الدقيقة. ويُستخدم الذهب في الحالات التي تكون فيها الموصلية والقابلية للطرق أهم من متانة السطح.

يساعد فهم الصلابة المهندسين على اختيار المادة الأنسب لمهمة معينة. إن لم يكن اختيار المادة هو الأهم، فهو يُسهّل الإنتاج الدقيق بشكل كبير، حيث يُمكن تشكيل القطع وتشطيبها لتلبية متطلبات التصميم الدقيقة. كما يؤثر على معايير التشغيل الآلي، وعمليات تشطيب الأسطح، وتوقعات الصيانة في مختلف الصناعات.

أنواع صلابة المواد

هناك ثلاثة أنواع مختلفة من الصلابة، والتي يتم قياسها جميعًا بشكل مختلف، وستكون لها قيم مختلفة إذا تم اختبارها جميعًا على مادة واحدة.

صلابة البصمة

تُقاس صلابة الانبعاج بتطبيق حمل واحد مُتحكم به باستخدام أداة انبعاج، وتقييم حجم أو عمق الطبعة الناتجة. في هذه الحالة، يُحدث تشوه دائم باستخدام أداة انبعاج، ويُقاس الانبعاج الناتج للحصول على قيمة الصلادة. يستخدم هذا النوع من الصلادة طرق اختبار مثل Knoop وBrinell وVickers وRockwell.

صلابة الخدش

تقيس صلابة الخدش قدرة المادة على مقاومة خدش السطح الناتج عن سحب طرف أكثر صلابة على سطحها. ويُعدّ مقياس موس طريقة اختبار نموذجية لهذا النوع من الصلابة.

صلابة الارتداد

صلابة الارتداد، والتي تُسمى أيضًا الصلابة الديناميكية، لا تقيس الصلابة اللدنة كالأنواع المذكورة سابقًا، بل تقيس الصلابة المرنة. تُستخدم مطرقة ذات رأس ماسي للاختبار. في هذه الحالة، تُسقط المطرقة على العينة، مما يُعيد الطاقة إليها، مُسببةً ارتدادًا. تُحدد الصلابة بقياس ارتداد المطرقة عند اصطدامها بسطح العينة، ويُعرف هذا بارتفاع الارتداد. تزداد قيمة صلابة الارتداد كلما اقترب ارتفاع الارتداد من ارتفاع السقوط. يُعد اختبار صلابة ليب الطريقة المُعتمدة لهذا النوع من الصلابة.

طرق اختبار الصلابة

فيما يلي بعض الشائع طرق اختبار الصلابة.

اختبار موس للصلابة

(أراضي البوديساتفا) اختبار صلابة موس يُقارن هذا الاختبار مدى مقاومة مادة ما للخدش بواسطة مادة أخرى. يستخدم هذا الاختبار عشر مواد مرجعية، مُرتبة من أنعمها التلك (10) إلى أصلبها الماس (1). وهو اختبار ميداني بسيط يستخدمه الجيولوجيون عادةً، ولكنه لا يُوفر دقة كمية.

اختبار صلابة برينل

في خانة رمز الخصم، أدخل TABBYDAY. اختبار صلابة برينلتُضغط كرة من الفولاذ أو كربيد التنغستن في المادة باستخدام حمل قياسي، ويُقاس قطر الانبعاج. يُستخدم اختبار برينيل عادةً على المسبوكات والمطروقات والمعادن اللينة نظرًا لقدرته على التعامل مع الهياكل الخشنة.

اختبار صلابة روكويل

(أراضي البوديساتفا) اختبار صلابة روكويل يستخدم مخروطًا (أو كرة) من الفولاذ أو الماس، ويقيس عمق الانبعاج تحت الأحمال الصغيرة والكبيرة. وهو مفضل في بيئات مراقبة الجودة لسرعته وقابليته للتكرار، وقدرته على اختبار المنتجات النهائية دون إتلافها.

اختبار صلابة فيكرز

إن المثقب المستخدم هنا على شكل ماسة، وهذا الاختبار مناسب للعينات الصغيرة جدًا أو الأغشية الرقيقة أو الطلاءات. اختبار صلابة فيكرز يوفر دقة عالية ويمكن استخدامه لمجموعة واسعة من المواد، من المعادن اللينة إلى السيراميك.

اختبار صلابة نوب

(أراضي البوديساتفا) اختبار صلابة Knoop تُشبه طريقة فيكرز إلى حد كبير، ولكنها تستخدم مسننًا مستطيلًا على شكل ماسة. يُفضل استخدامها لاختبار الصلابة الدقيقة على الطبقات الرقيقة أو الطلاءات حيث يُسمح بتلف سطحي ضئيل.

العوامل المؤثرة على صلابة المواد

البنية البلورية

يمكن أن يؤثر حجم الحبيبات وحدودها على كيفية حدوث التشوه في المادة.

المعالجة الحرارية

تؤدي العمليات مثل الإطفاء والتلدين والتلطيف إلى تغيير البنية الداخلية وتؤثر بشكل كبير على الصلابة.

تكوين سبيكة

إن إضافة عناصر مثل الفاناديوم أو الكروم أو الكربون إلى المعادن يمكن أن يؤدي إلى زيادة صلابة المادة.

الطلاءات السطحية

يمكن أن تؤدي تقنيات أو معالجات السطح مثل الأكسدة أو النترتة إلى زيادة صلابة السطح مع الاحتفاظ بمرونة القلب.

تصلب العمل

إن تشويه المادة من خلال عمليات مثل الطرق أو الدرفلة يمكن أن يؤدي إلى زيادة كثافة الخلع، مما يؤدي بدوره إلى زيادة الصلابة.

تطبيقات اختبار الصلابة

يعد اختبار الصلابة مفيدًا في العديد من الصناعات والتطبيقات، بما في ذلك:

أدوات التصنيع

يساعد اختبار الصلابة المصنّعين على تصنيع أدوات تحافظ على حوافها الحادة وشكلها عند الضغط عليها. تشمل هذه الأدوات أدوات القطع والقوالب؛ حيث تضمن الاختبارات قدرتها على تحمّل الأحمال التشغيلية.

مكونات الطيران

يجب أن تتمتع المواد خفيفة الوزن المستخدمة في صناعة الطيران بمقاومة عالية للتشوه. تساعد اختبارات الصلابة على مطابقة هذه الأجزاء لمعايير الجودة المطلوبة.

يزرع الطبية الحيوية

تخضع الغرسات الطبية الحيوية، مثل الأطراف الاصطناعية والأدوات الجراحية والغرسات العظمية، لاختبارات صلابة لضمان طول عمرها ومتانتها وسلامة المرضى أثناء استخدامها لفترات طويلة.

ضبط الجودة

من السيارات إلى الإلكترونيات، يُعد اختبار الصلابة جزءًا أساسيًا من قائمة التحقق القياسية لضمان الجودة في خطوط الإنتاج. فهو يساعد على اكتشاف عدم تناسق المواد وعيوب التصنيع.

 

الأسئلة الشائعة

كيف تختلف الصلابة عن القوة أو المتانة؟

تقيس الصلابة مقاومة المادة للتشوهات السطحية الموضعية، كالخدش أو الانبعاج. أما القوة، وخاصةً قوة الشد، فتشير إلى مقدار الحمل الذي تتحمله المادة قبل الكسر أو التشوه. أما المتانة، فهي قدرة المادة على امتصاص الطاقة والتعرض للتشوه البلاستيكي قبل الكسر. على سبيل المثال، الزجاج شديد الصلابة ولكنه ليس متينًا؛ إذ ينكسر بسهولة عند الاصطدام.

هل يمكن تغيير صلابة المادة بعد التصنيع؟

نعم، يُمكن للعديد من تقنيات ما بعد المعالجة تغيير صلابة المادة. على سبيل المثال، تُستخدم المعالجات الحرارية، مثل التبريد، والتلدين، والتصليد السطحي، لتعديل البنية الداخلية للمعادن. وتشمل الطرق الأخرى المعالجة الباردة، التي تُقوّي المواد ميكانيكيًا عن طريق تشويهها في درجة حرارة الغرفة، وكذلك المعالجات السطحية مثل الكربنة أو النترتة.

ما هو أفضل اختبار صلابة للبلاستيك والبوليمرات؟

بالنسبة للبوليمرات، يُعد اختبار مقياس صلابة شور هو الأنسب. تستخدم هذه الطريقة مقاييس مختلفة لمقياس صلابة البلاستيك (مثل شور أ أو شور د) حسب صلابته. بالنسبة للبوليمرات الأكثر ليونة، يُستخدم شور أ، بينما يُستخدم شور د للبلاستيك الأكثر صلابة مثل النايلون أو البولي كربونات.

هل هناك مقياس صلابة مقبول على نطاق واسع يمكنه قياس جميع المواد؟

لا، لا يوجد مقياس صلابة عالمي أو مقبول على نطاق واسع يُناسب جميع المواد، لأن كل اختبار صلابة يُستخدم لمواد محددة. على سبيل المثال، إذا كنت ترغب في قياس مواد أكثر ليونة أو ذات حبيبات خشنة، فإن اختبار برينيل هو الأفضل، بينما يُستخدم اختبار ليب للاختبارات في الموقع. تُقاس المواد الصلبة والرقيقة باستخدام اختباري فيكرز ونوب، لأنهما أكثر فعالية في اختبار البنى الدقيقة. تستخدم هذه الاختبارات أساليب وأحمالًا وظروفًا مختلفة؛ لذلك، لا تُقارن قيم صلادتها بين جميع المواد.

ما هي حدود اختبارات الصلابة؟

تشمل حدود اختبارات الصلابة ما يلي:

• يعتمد نجاح اختبارات الصلابة على تحضير السطح. هذا يعني أن وجود الأوساخ أو الطلاءات أو أي اختلالات أخرى قد يؤثر سلبًا على النتائج.
• لا يمكن مقارنة قيم الصلابة من مقاييس مختلفة عبر مواد مختلفة؛ على سبيل المثال، لا يمكن تبادل قيم روكويل وفيكرز بشكل مباشر.
• هناك متطلبات للعينة؛ بعض الطرق تحتاج إلى عينات ذات أسطح مسطحة ومصقولة أو ذات سمك مادة أدنى للحصول على نتائج دقيقة.
• تقتصر الاختبارات اليدوية مثل اختبارات Brinell أو Vickers على قدرات المشغل، وقد يؤدي هذا إلى نتائج غير دقيقة بسبب الخطأ البشري.