اختبار صلابة برينل

يقيس اختبار صلابة برينل ( يُنطق /brəˈnɛl/) صلابة المواد عند تعرضها للضغط. ويُحدد هذا الاختبار الصلابة من خلال قياس مدى اختراق رأس الاختبار، المُحمّل على قطعة من المادة. وهو أحد تعريفات الصلابة في علم المواد. يُعبّر عن مقياس الصلابة بقيمة صلابة برينل، والتي تُعرف أحيانًا برقم صلابة برينل، ولكنها تُكتب رسميًا HBW (صلابة برينل وولفرام - وولفرام هو اسم بديل لرأس الاختبار الكروي المصنوع من كربيد التنجستن المستخدم في الاختبار).

سُمّي الاختبار على اسم يوهان أوغست برينيل (1849-1925) الذي طور الطريقة في نهاية القرن التاسع عشر.

كان اختبار الصلابة ، الذي ابتكره المهندس السويدي يوهان أوغست برينيل في معرض باريس عام 1900، أول اختبار صلابة يُستخدم على نطاق واسع ويُعتمد كمعيار في الهندسة وعلم المعادن . إلا أن كبر حجم الانبعاج، وما قد يلحقه من تلف لعينات الاختبار، يحد من جدواه. مع ذلك، تميز هذا الاختبار بميزة مفيدة، وهي أن قسمة قيمة الصلابة على اثنين تعطي قيمة تقريبية لقوة الشد القصوى (UTS) بوحدة ksi للفولاذ. وقد ساهمت هذه الميزة في اعتماده مبكرًا على حساب اختبارات الصلابة الأخرى.

يستخدم هذا الاختبار كرة من كربيد التنجستن وقوة مضبوطة بدقة، حيث تعتمد نسبة حجم الكرة إلى قوة الاختبار على المادة المراد اختبارها. يُستخدم هذا الاختبار عادةً للمعادن الحديدية، ويستخدم كرة قطرها 10 مم وقوة اختبار 3000 كجم/29820 نيوتن، مع إمكانية استخدام كرة قطرها 1 مم وقوة اختبار 1 كجم (HBW 1/1).

على الرغم من أن أقصى قوة اختبار تبلغ 29420 نيوتن، إلا أن هناك أجهزة اختبار برينل يدوية هيدروليكية محمولة لا يتجاوز  ارتفاعها 58 سم/23 بوصة، قادرة على توليد هذه القوة والحفاظ عليها لفترة كافية لإجراء اختبار برينل. إحدى هذه الأجهزة معروضة في الصورة.

نظرًا لوجود العديد من الحالات التي قد يؤدي فيها فشل مكون معدني بسبب صلابته غير المناسبة إلى عواقب وخيمة، فإن اختبار برينل يخضع لقواعد المنظمة الدولية للمعايير (ISO) والجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM). يجب معايرة أجهزة اختبار برينل بانتظام، وفي العديد من الصناعات، تُجرى فحوصات يومية باستخدام كتل معايرة ذات صلابة دقيقة ومعروفة، تُقارن بها قياسات الجهاز لهذه الكتل. تظهر في الصورة كتلة من هذا النوع، توضح بوضوح علامات الانحناء الخمسة التي أُجريت أثناء معايرتها.

تتميز اختبارات برينل عن غيرها من أنظمة القياس بأن أقطار الانبعاج تتراوح عادةً بين 2.4 مم و6 مم. وهذا يعني أن الانبعاج لا يتأثر ببنية حبيبات المعدن قيد الاختبار، مما يجعل اختبار برينل مفيدًا بشكل خاص في اختبار مواد مثل المسبوكات الخشنة ذات الحبيبات الخشنة. مع ذلك، يُجرى قياس الانبعاج عادةً بواسطة فني باستخدام مجهر ذي تكبير منخفض، وهي طريقة عرضة للخطأ لصعوبة تحديد بداية ونهاية الانبعاج بدقة، ومحاذاة نقاط الحافة الظاهرة بدقة تحت شبكة المجهر. تنشأ صعوبة تحديد الحافة لأن أداة الانبعاج تدفع المادة جانبيًا، مما يُنشئ "حافة" أو "تراكمًا" للمادة عند حدود الانبعاج (في المعادن المُلدّنة، تحدث الظاهرة المعاكسة: "انخفاض" بحيث تبقى المادة عند حافة الانبعاج عند مستوى أدنى من المادة على مسافة أكبر من الانبعاج). قد يحصل ثلاثة فنيين ذوي خبرة على ثلاث قراءات مختلفة قليلاً باستخدام المجهر نفسه، وقد يعادل خطأ مقداره 0.2 مم عشرين نقطة صلابة. يُظهر الشكل المرفق مثالاً على هذا التراكم. كما يُظهر الشكل أيضاً الخطوط السطحية الناتجة عن الخضوع غير المتواصل.

ظهرت أتمتة قياس صلابة برينل خلال أواخر القرن العشرين كجزء من جهد أوسع في مجال القياسات الصناعية لتحسين دقة القياس وتقليل التباين الناتج عن مهارة المشغل في اختبار الصلابة. هيرمان، ك. (2011). اختبار الصلابة: المبادئ والتطبيقات . الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية. ISBN 978-1-61503-832-9.في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، أثمر تعاون بين شركة Foundrax Engineering Products البريطانية المتخصصة في أبحاث القياس والتصنيع وجامعة برمنغهام عن تطوير نظام يتألف من مجهر ضوئي متصل بجهاز حاسوب مخصص، قادر على قياس الانبعاجات على محاور متعددة وحساب متوسطها في أقل من ثانية. واقتصر دور المشغل على توجيه المجهر فوق الانبعاج. تُستخدم أنظمة القياس الآلية اليوم في العديد من بيئات الإنتاج التي تتطلب دقة عالية.

يتم أحيانًا ذكر صلابة برينل بالميغاباسكال؛ يتم ضرب قيمة صلابة برينل (المعبر عنها بـ HBW (انظر أعلاه)) بتسارع الجاذبية الأرضية، 9.80665  م/ث ² ، لتحويلها إلى ميغاباسكال.

يمكن ربط قيمة صلابة برينل بقوة الشد القصوى ، على الرغم من أن هذه العلاقة تعتمد على المادة، وبالتالي تُحدد تجريبياً. وتستند هذه العلاقة إلى مؤشر ماير (n) من قانون ماير . إذا كان مؤشر ماير أقل من 2.2، فإن نسبة قوة الشد القصوى إلى صلابة برينل تساوي 0.36. أما إذا كان مؤشر ماير أكبر من 2.2، فإن هذه النسبة تزداد. ^{[ 1 ]}

تُحدد صلابة برينل في أكثر معايير الاختبار شيوعًا (ASTM E10-14 ^{[ 2 ]} وISO 6506-1:2005) بالرمز HBW ( حيث H اختصار للصلابة، و B اختصار لبرينل، و W اختصار لمادة رأس الاختبار، وهي كربيد التنجستن (الولفرام)). في المعايير السابقة، كان يُستخدم الرمزان HB أو HBS للإشارة إلى القياسات التي تُجرى باستخدام رؤوس اختبار فولاذية.

يتم حساب وزن الجسم المثالي (HBW) في كلا المعيارين باستخدام وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) كما يلي:

${\displaystyle \operatorname {HBW} =0.102{\frac {2F}{\pi D\left(D-{\sqrt {D^{2}-d^{2}}}\right)}}}$

أين:

F = الحمل المطبق (نيوتن)

D = قطر أداة الضغط (مم)

د = قطر الانبعاج (مم)

عند ذكر قيمة صلابة برينل (HBW)، يجب تحديد شروط الاختبار المستخدم للحصول على هذه القيمة. يمكن الاطلاع على الصيغة القياسية لتحديد الاختبارات في المثال "HBW 10/3000". يُمثل الرقم "10" قطر الكرة بالملليمترات، بينما يُمثل الرقم "3000" الحمل مُعبرًا عنه بقوة كيلوغرام (29820 نيوتن).

يمكن التعبير عن الصلابة أيضًا بالصيغة XXX  HB  YY D ^2. يُمثل XXX القوة اللازمة لتطبيقها (بالكيلوجرام) على مادة من النوع YY (5 لسبائك الألومنيوم، 10 لسبائك النحاس، 30 للفولاذ). وبالتالي، يمكن كتابة صلابة الفولاذ النموذجية على النحو التالي: 250  HB  30 D ^2. وقد تكون هذه القيمة قيمة عظمى أو صغرى.

• المعيار الدولي ( ISO ) والمعيار الأوروبي ( CEN )
  • "EN ISO 6506-1:2014: المواد المعدنية - اختبار صلابة برينل - الجزء 1: طريقة الاختبار" .
  • "EN ISO 6506-2:2017: المواد المعدنية - اختبار صلابة برينل - الجزء 2: التحقق من ومعايرة آلة الاختبار" .
  • "EN ISO 6506-3:2014: المواد المعدنية - اختبار صلابة برينل - الجزء 3: معايرة الكتل المرجعية" .
  • "EN ISO 6506-4:2014: المواد المعدنية - اختبار صلابة برينل - الجزء 4: جدول قيم الصلابة" .
• المعيار الأمريكي ( ASTM International )
  • "ASTM E10-23: طريقة الاختبار القياسية لصلابة برينل للمواد المعدنية" .

• التمليح
• مقارنة الصلابة
• اختبار صلابة كنوب
• اختبار صلابة الارتداد من ليب
• اختبار صلابة روكويل
• اختبار صلابة فيكرز

• اختبار صلابة برينل - الطرق، المزايا، العيوب، التطبيقات
• فيديو عن اختبار صلابة برينل على يوتيوب
• جدول تحويل روكويل إلى برينل (برينل، روكويل أ، ب، ج)
• جدول تحويل صلابة ستراورز (فيكرز، برينل، روكويل B، C، D)
• جدول تحويل صلابة برينل (HB) (ميجا باسكال، برينل، فيكرز، روكويل C)