في عالم علوم المواد والمعادن، يعد اختبار صلابة فيكرز أحد العمليات المستخدمة لتحديد صلابة ماديةيساعد اختبار الصلابة المهندسين عمومًا في تقييم قوة المادة ومتانتها ومقاومتها للتآكل. ومن بين طرق اختبار الصلابة العديدة المتاحة، يتميز اختبار فيكرز بدقته وتعدد استخداماته وكفاءته عند التعامل مع عينات صغيرة ورقيقة جدًا.
مع تقدمنا، سوف تتعلم المزيد عن المبدأ والإجراء والإيجابيات والسلبيات والاستخدامات العملية لطريقة فيكرز في الهندسة والصناعات الأخرى.
المحتويات
ما هو اختبار صلابة فيكرز؟
في عام 1921، تم تطوير اختبار صلابة فيكرز من قبل روبرت إل سميث وجورج إي ساندلاند في شركة فيكرز المحدودة. يقيس الاختبار صلابة المواد باستخدام أداة ثقب الماس على شكل هرم من خلال طريقة بصرية.
اختبار صلابة فيكرز هو طريقة اختبار صلابة دقيقة، تُحدد مستوى مقاومة المادة للتشوه البلاستيكي من مصدر قياسي. وهو من أقدم طرق الاختبار المستخدمة، وهو شائع جدًا في المملكة المتحدة وأوروبا. يكون المثقب المستخدم على شكل ماسة بقاعدة مربعة، ويكون للوجهين المتقابلين زاوية 136 درجة بينهما. يُطبق هذا المثقب على سطح مادة الاختبار بقوة ناتجة عن حمل يتراوح بين بضعة غرامات و100 كجم.
هذه الطريقة متعددة الاستخدامات، إذ يُمكن إجراء عدة اختبارات باستخدام نفس المِثقب، وذلك بتطبيق أحمال مختلفة. يتبع اختبار فيكرز معايير مثل ASTM E384 أو ISO 6507، ويمكن أن يكون مفيدًا جدًا للدراسات المقارنة.
مبدأ اختبار فيكرز للصلادة
يعتمد اختبار صلابة فيكرز على العلاقة بين القوة المطبقة بواسطة الحمل ومساحة سطح الانبعاج الذي أحدثه المثقب. يُطبق الحمل لفترة قياسية تتراوح بين 10 و15 ثانية تقريبًا، ويُقاس قطرا الانبعاج الناتجان باستخدام مجهر. تُستخدم هذه القيم لحساب رقم صلابة فيكرز، الذي يُرمز له بـ VHN أو HV. يمكن أيضًا التعبير عن صلابة المادة من حيث الحمل المستخدم، على سبيل المثال، HV5 تعني الصلابة المحسوبة لحمل وزنه 5 كجم.
كيفية قياس صلابة فيكرز
إعداد عينة
يجب أن تستوفي عينة الاختبار المستخدمة مواصفات محددة لتجنب الأخطاء أثناء الاختبار. أولًا، يجب أن يكون سطح مادة الاختبار أملسًا ومصقولًا جيدًا، ثم مستويًا ليسهل قياس الانبعاج الذي يُحدثه المثقب عند تطبيق الحمل.
اعداد الآلة
جهاز اختبار صلابة فيكرز مُعاير بدقة لضمان إجراء عملية اختبار خالية من الأخطاء، وذلك بالتأكد من ضبط جميع المكونات وفقًا لمعايير ASTM وISO. على سبيل المثال، يتراوح الحمل المُطبق بين 1 gf و120 kgf، وذلك حسب المادة المُختبرة.
تطبيق التحميل
يُستخدم المثقب لتطبيق الحمل على عينة الاختبار لمدة تتراوح بين 10 و15 ثانية. يمكن إجراء هذه العملية تلقائيًا أو يدويًا، حسب سعة جهاز قياس صلابة فيكرز المستخدم.
مقاسات
بعد إزالة الحمل وانتهاء زمن الانتظار، يُؤخذ قياس أقطار الانبعاج. يُقاس هذا القياس باستخدام مجهر، ويجب إجراؤه بعناية لتجنب الأخطاء في الحسابات. يُؤخذ متوسط القياسات القطرية للحصول على القيمة الوحيدة المستخدمة في صيغة اختبار صلابة فيكرز.
الحسابات والنتائج
حساب صلابة المادة سهلٌ باستخدام الصيغة المذكورة أعلاه، ويُعبَّر عن صلابة فيكرز بالشكل التالي: xxxHVyy أو xxxHVyy/zz. حيث يُشير xxx إلى رقم صلابة فيكرز، وyy إلى الحمل، وzz إلى زمن الانتظار الذي يتجاوز المعيار المُعتمد وهو 10 إلى 15 ثانية. على سبيل المثال، 400HV10 أو 400HV10/20 تعني أن المادة لها رقم صلابة فيكرز يبلغ 400 كجم/ملم.-2، حيث تم تطبيق حمولة قدرها 10 كجم، لمدة توقف تبلغ 20 ثانية.
تطبيقات اختبار فيكرز للصلادة
تتميز طريقة فيكرز بتعدد استخداماتها واستخدامها في العديد من الصناعات، بما في ذلك:
- المعادن: اختبار حدود الحبوب، وتغيرات الطور، والمناطق المعالجة بالحرارة.
- الفضاء والسيارات: تقييم الطلاءات والسبائك ومقاومة التعب.
- الإلكترونيات: قياس صلابة مفاصل اللحام والمكونات الدقيقة.
- مراقبة الجودة: فحص الأجزاء المصنعة ومناطق اللحام.
- البحث والتطوير: دراسة المواد الجديدة والبنى الدقيقة والمركبات.
مزايا اختبار فيكرز للصلادة
- نطاق تحميل واسع: فعال لاختبار الصلابة الدقيقة والكبيرة.
- براعة المواد: يمكن استخدامه على المعادن والسيراميك والبوليمرات.
- الدقة: دقة عالية مع الحد الأدنى من التباين.
- نظام المقياس الواحد: يسهل المقارنات بين المواد المختلفة.
- الحد الأدنى من الضرر في العينة: المسافات البادئة صغيرة وسطحية.
حدود اختبار فيكرز
- استهلاك الوقت: يتطلب القياس البصري والحساب.
- حساسية تحضير السطح: يمكن أن تؤدي الأسطح الخشنة أو المنحنية إلى قراءات غير دقيقة.
مقارنة مع اختبارات الصلابة الأخرى
يوضح الجدول أدناه الاختلافات الرئيسية بين فيكرز، برينلو اختبار صلابة روكويل الأساليب.
| الميزات | فيكرز | برينل | روكويل |
|---|---|---|---|
| إندينتر | هرم الماس | كرة فولاذية/كربيدية | فولاذ/قبة/أشكال متنوعة |
| نطاق الحمل | 1 غرام – 120 كجم | 500 كجم – 3000 كجم | 15 كجم – 150 كجم |
| دقة | عالية (بصرية) | الوسيط (البصري) | عالية (على أساس العمق) |
| حساسية تحضير السطح | مرتفع | متوسط | منخفض |
| الاستخدامات | المكونات الدقيقة والطلاءات | المسبوكات والمطروقات | أجزاء الإنتاج الضخم |
من بين جميع طرق اختبار الصلابة، يعتبر اختبار فيكرز هو المفضل لـ المعدن الملبد بفضل دقتها وقدرتها على التكيف، تستخدم أداةً ماسية الشكل وتتحمل نطاقًا واسعًا من الأحمال. وفقًا لـ ستراتالأحمال الشائعة الاستخدام، مثل HV5 وHV10 وHV20، مناسبة لاختبار القطع المعدنية المُلبَّدة ذات الصلابة المتوسطة إلى العالية. هذا يسمح بقياس دقيق لصلابة المصفوفة مع تقليل الأخطاء الناتجة عن مسامية السطح.
الأسئلة الشائعة
هل يؤثر شكل ومادة المسنن على دقة اختبار صلابة فيكرز؟
نعم، صحيح. يجب أن يكون للثقب الناتج عن المثقب شكل محدد بدقة ليتم قياسه. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون المثقب مصنوعًا من مادة مقاومة للتشوه، وإلا ستكون القياسات خاطئة. لهذا السبب، يُعد الماس خيارًا مثاليًا.
هل يؤثر حجم التجويف على مستوى صلابة فيكرز للمادة؟
نعم، يتناسب تصنيف صلابة فيكرز للمادة عكسيًا مع حجم التجويف. هذا يعني أنه كلما صغر حجم التجويف، ارتفع تصنيف صلابة المادة التي أُجري عليها التجويف.
هل يعتبر الضرر الناتج عن اختبار فيكرز عاملاً مساهماً في تحليل المواد المختبرة؟
نعم، أثناء عملية التجويف تظهر الشقوق في الزوايا الأربع، ويمكن أن تلعب هذه الشقوق أيضًا دورًا في الاختبارات الإضافية التي تحلل جودة المادة.