صلابة الانضغاط

تُستخدم اختبارات صلابة الانضغاط في الهندسة الميكانيكية لتحديد صلابة المادة عند تعرضها للتشوه . توجد عدة اختبارات من هذا النوع، حيث يتم ضغط المادة المراد فحصها حتى تتكون بصمة؛ ويمكن إجراء هذه الاختبارات على نطاق واسع أو مجهري.

عند اختبار المعادن، ترتبط صلابة الانضغاط تقريبًا خطيًا بقوة الشد ، ^{[ 1 ]} إلا أن هذا الارتباط ليس مثاليًا، وغالبًا ما يقتصر على نطاقات ضيقة من القوة والصلابة لكل شكل هندسي للانضغاط. تتيح هذه العلاقة إجراء اختبارات غير مدمرة ذات أهمية اقتصادية لشحنات المعادن بكميات كبيرة باستخدام معدات خفيفة الوزن، بل وحتى محمولة، مثل أجهزة اختبار صلابة روكويل اليدوية.

تُستخدم تقنيات مختلفة لتحديد خصائص المواد على نطاقات أصغر. فعلى سبيل المثال، لا يمكن قياس الخواص الميكانيكية للمواد، كالأغشية الرقيقة ، باستخدام اختبار الشد أحادي المحور التقليدي . ونتيجة لذلك، طُوّرت تقنيات لاختبار "صلابة" المواد عن طريق إحداث ضغط طفيف جدًا عليها، وذلك لمحاولة تقدير هذه الخواص.

تقيس قياسات الصلابة مقاومة المادة للتشوه اللدن. تشكل اختبارات الصلابة بالانضغاط غالبية العمليات المستخدمة لتحديد صلابة المواد، ويمكن تقسيمها إلى ثلاثة أنواع: اختبارات الانضغاط الكلي، والجزئي، والنانوي. [2] [3] عادةً ما تكون القوى المستخدمة في اختبارات الانضغاط الجزئي أقل من 2 نيوتن (0.45 رطل) . مع ذلك ^{، لا يمكن اعتبار الصلابة خاصية} أساسية للمادة . عادةً _ما ينتج عن اختبار الصلابة التقليدي قيمة رقمية تُستخدم لإعطاء فكرة نسبية عن خصائص المادة. ^{[ 3 ]} وبالتالي، لا يمكن للصلابة إلا أن تقدم فكرة مقارنة عن مقاومة المادة للتشوه اللدن، نظرًا لاختلاف مقاييس تقنيات قياس الصلابة المختلفة.  

يُعرَّف الصلابة، وفقًا للمعادلة، بأنها الضغط المُطبَّق على منطقة التلامس بين رأس الاختبار والمادة المراد اختبارها. ونتيجةً لذلك، تُسجَّل قيم الصلابة عادةً بوحدات الضغط، مع العلم أن هذا لا يُعد ضغطًا "حقيقيًا" إلا إذا كان سطح التلامس بين رأس الاختبار والمادة مستويًا تمامًا.

تعتمد تقنية قياس الصلابة باستخدام أداة قياس على إدخال طرف حاد في سطح المادة للحصول على منحنى القوة والإزاحة. توفر النتائج معلومات قيّمة حول السلوك الميكانيكي للمادة، بما في ذلك الصلابة ، ومعاملات المرونة، والتشوه اللدن . من أهم عوامل نجاح هذه التقنية التحكم في طرف الأداة عن طريق القوة أو الإزاحة، بحيث يمكن قياسها في آنٍ واحد طوال دورة القياس. ^{[ 4 ]} تتيح التقنيات الحالية التحكم الدقيق في القوة ضمن نطاق واسع، مما يسمح بتحديد الصلابة على مستويات طولية مختلفة، بدءًا من المواد الصلبة كالسيراميك وصولًا إلى المواد اللينة كالبوليمرات.

تم إنجاز العمل الأول بواسطة بوليتشيف، أليخين، شورشوروف في السبعينيات، الذين حددوا أن معامل يونغ للمادة يمكن تحديده من ميل منحنى قوة مقابل إزاحة الانضغاط على النحو التالي: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle S={dP \over d\delta }={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}E_{r}{\sqrt {A}}}$

${\displaystyle S}$صلابة المادة، وهي ميل المنحنى

${\displaystyle A}$منطقة التلامس بين رأس المسبار والعينة

${\displaystyle E_{r}}$: معامل مُخفَّض، يُعرَّف على النحو التالي:

${\displaystyle {\frac {1}{E_{r}}}={\frac {1-\nu _{s}^{2}}{E_{s}}}+{\frac {1-\nu _{i}^{2}}{E_{i}}}}$

أين${\displaystyle E_{s}}$و${\displaystyle \nu _{s}}$يمثل كل من معامل يونغ ونسبة بواسون للعينة،${\displaystyle E_{i}}$و${\displaystyle \nu _{i}}$هي تلك الخاصة بالمُدخل. بما أن عادةً،${\displaystyle E_{i}\gg E_{s}}$يمكن عادةً تجاهل الحد الثاني.

يمكن حساب أهم المعلومات، وهي الصلابة، من خلال:

${\displaystyle H={\frac {P_{max}}{A}}}$

فيما يلي مناقشة لتقنيات التضييق الشائعة الاستخدام، بالإضافة إلى الحسابات التفصيلية لكل طريقة مختلفة.

يُستخدم مصطلح "الاختبار بالانضغاط الكلي" للإشارة إلى الاختبارات التي تُجرى باستخدام أحمال اختبار أكبر، مثل 1 كجم أو أكثر. وتشمل أنواع اختبارات الانضغاط الكلي ما يلي: 

• يُعد اختبار صلابة فيكرز (HV) من أكثر الاختبارات شمولاً، ويُستخدم على نطاق واسع لاختبار صلابة جميع أنواع المواد المعدنية (الفولاذ، والمعادن غير الحديدية، والقصدير، وكربيد التنجستن ، والصفائح المعدنية، إلخ)؛ والطبقات السطحية/الطلاءات (الكربنة، والنتردة ، وطبقة إزالة الكربنة، وطبقة تقوية السطح، والطلاء المجلفن، إلخ). ^{[ 6 ]}
• اختبار صلابة برينل (HB) BHN و HBW يستخدمان على نطاق واسع ^{[ 7 ]}
• يُستخدم اختبار صلابة كنوب (HK)، لقياس الصلابة على مساحات صغيرة، على نطاق واسع لاختبار المواد الزجاجية أو الخزفية. ^{[ 8 ]}
• اختبار جانكا للصلابة ، للخشب
• اختبار صلابة ماير
• اختبار صلابة روكويل (HR)، المستخدم بشكل رئيسي في الولايات المتحدة الأمريكية. وتُعد مقاييس HRA وHRB وHRC الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. ^{[ 9 ]}
• يُستخدم اختبار صلابة شور ، للبوليمرات، على نطاق واسع في صناعة المطاط. ^{[ 10 ]}
• اختبار صلابة باركول ، للمواد المركبة.

لا توجد، بشكل عام، علاقة بسيطة بين نتائج اختبارات الصلابة المختلفة. فعلى الرغم من وجود جداول تحويل عملية للفولاذ الصلب، على سبيل المثال، إلا أن بعض المواد تُظهر سلوكيات مختلفة نوعيًا عند استخدام طرق القياس المختلفة. ومع ذلك، فإن مقياسي صلابة فيكرز وبرينل يتوافقان جيدًا ضمن نطاق واسع، حيث لا يُعطي مقياس برينل قيمًا مُبالغًا فيها إلا عند الأحمال العالية.

مع ذلك، يمكن استخدام إجراءات قياس الانضغاط لاستخلاص علاقات الإجهاد والانفعال الحقيقية. ويتطلب الحصول على نتائج موثوقة استيفاء معايير محددة، منها الحاجة إلى تشويه حجم كبير نسبيًا، وبالتالي استخدام أحمال كبيرة. وتُصنف المنهجيات المستخدمة عادةً تحت مصطلح قياس الانضغاط اللدن ، والذي يُشرح في مقال منفصل.

يُستخدم مصطلح " الصلابة المجهرية " على نطاق واسع في المراجع العلمية لوصف اختبار صلابة المواد تحت أحمال منخفضة. ويُعدّ مصطلح "اختبار الصلابة بالانضغاط المجهري" أكثر دقة. في هذا الاختبار، يُضغط رأس ماسي ذو شكل هندسي محدد على سطح العينة باستخدام قوة معروفة (تُسمى عادةً "الحمل" أو "حمل الاختبار") تتراوح بين 1 و1000 غرام قوة . تُطبّق في اختبارات الانضغاط المجهري عادةً قوى مقدارها 2 نيوتن (حوالي 200 غرام قوة) وتُنتج انضغاطات بعمق 50 ميكرومتر تقريبًا . ونظرًا لخصوصيتها، يُمكن استخدام اختبار الصلابة المجهرية لمراقبة التغيرات في الصلابة على المستوى المجهري. مع ذلك، يصعب توحيد قياسات الصلابة المجهرية؛ فقد وُجد أن الصلابة المجهرية لأي مادة تقريبًا أعلى من صلابتها الكلية. إضافةً إلى ذلك، تتفاوت قيم الصلابة المجهرية باختلاف الحمل وتأثيرات التصلب بالتشكيل على المواد. ^{[ 3 ]} الاختباران الأكثر استخدامًا لقياس الصلابة الدقيقة هما اختباران يمكن تطبيقهما أيضًا بأحمال أثقل كاختبارات للصلابة الكلية:  

• اختبار صلابة فيكرز (HV)
• اختبار صلابة كنوب (HK)

في اختبار الصلابة الدقيقة، يُحسب رقم الصلابة بناءً على قياسات الانخفاض المتكون على سطح العينة. ويُحسب هذا الرقم بقسمة القوة المطبقة على مساحة سطح الانخفاض، بوحدة كجم/مم² ^. يُمكن إجراء اختبار الصلابة الدقيقة باستخدام مُغْرِزات فيكرز أو كنوب. في اختبار فيكرز، يُقاس كلا القطرين، ويُستخدم متوسط ​​القيم لحساب رقم هرم فيكرز. أما في اختبار كنوب، فيُقاس القطر الأطول فقط، وتُحسب صلابة كنوب بناءً على مساحة الانخفاض المسقطة مقسومة على القوة المطبقة، بوحدة كجم/مم² ^أيضًا .

يُجرى اختبار فيكرز للصلابة الدقيقة بطريقة مشابهة لاختبارات فيكرز للصلابة الكلية، باستخدام الهرم نفسه. أما اختبار كنوب، فيستخدم هرمًا مستطيلًا لضغط عينات المواد. يُحدث هذا الهرم المستطيل انطباعًا سطحيًا، وهو ما يُفيد في قياس صلابة المواد الهشة أو المكونات الرقيقة. يتطلب كل من اختبار كنوب واختبار فيكرز صقل السطح للحصول على نتائج دقيقة.

سبقت اختبارات الخدش تحت أحمال منخفضة، مثل اختبار بيرباوم للخصائص المجهرية ، الذي يُجرى بأحمال 3 أو 9 غرامات قوة، تطوير أجهزة اختبار الصلابة المجهرية باستخدام رؤوس الضغط التقليدية. في عام 1925، طوّر سميث وساندلاند من المملكة المتحدة اختبار ضغط باستخدام رأس ضغط هرمي الشكل ذي قاعدة مربعة مصنوع من الماس. ^{[ 11 ]} اختارا الشكل الهرمي بزاوية 136 درجة بين الأوجه المتقابلة للحصول على قيم صلابة قريبة قدر الإمكان من قيم صلابة برينل للعينة. يتميز اختبار فيكرز بميزة كبيرة تتمثل في استخدام مقياس صلابة واحد لاختبار جميع المواد. ورد أول ذكر لرأس ضغط فيكرز تحت أحمال منخفضة في التقرير السنوي للمختبر الفيزيائي الوطني عام 1932. وصف ليبس وساك أول جهاز اختبار فيكرز يستخدم أحمالًا منخفضة عام 1936.

يوجد بعض الاختلاف في المراجع العلمية فيما يتعلق بنطاق الحمل المناسب لاختبار الصلادة المجهرية. على سبيل المثال، تنص مواصفة ASTM E384 على أن نطاق الحمل لاختبار الصلادة المجهرية يتراوح بين 1 و1000 غرام قوة. بالنسبة للأحمال التي تبلغ 1 كيلوغرام قوة أو أقل، تُحسب صلادة فيكرز (HV) باستخدام معادلة، حيث يُقاس الحمل ( L ) بوحدة غرام قوة، ومتوسط ​​قطري الركيزة ( d ) بوحدة مليمتر.

${\displaystyle HV=0.0018544\times {\tfrac {L}{d^{2}}}}$

عند أي حمل مُحدد، تزداد الصلابة بسرعة عند الأطوال القطرية القصيرة، ويزداد هذا التأثير وضوحًا مع انخفاض الحمل. لذا، عند الأحمال المنخفضة، تُؤدي أخطاء القياس الصغيرة إلى انحرافات كبيرة في الصلابة. لذلك، ينبغي دائمًا استخدام أعلى حمل ممكن في أي اختبار. كذلك، في الجزء الرأسي من المنحنيات، تُؤدي أخطاء القياس الصغيرة إلى انحرافات كبيرة في الصلابة.

تتمثل المصادر الرئيسية للخطأ في اختبارات الانضغاط في ضعف التقنية، وسوء معايرة الجهاز، وتأثير التصلب الناتج عن عملية الاختبار. ومع ذلك، فقد ثبت تجريبياً من خلال "اختبارات الصلابة بدون إجهاد" أن هذا التأثير يكون ضئيلاً مع الانضغاطات الصغيرة. ^{[ 12 ]}

لا يؤثر تشطيب سطح القطعة أو أداة الضغط على قياس الصلابة، طالما كان الانخفاض كبيرًا مقارنةً بخشونة السطح. وهذا مفيد عند قياس صلابة الأسطح العملية. كما أنه مفيد عند ترك انخفاض سطحي، لأن أداة الضغط المحفورة بدقة تترك انخفاضًا أسهل في القراءة من أداة الضغط الملساء. ^{[ 13 ]}

من المعروف أن الانخفاض المتبقي بعد إزالة أداة الضغط والحمل "يستعيد شكله"، أو يرتد قليلاً. يُعرف هذا التأثير باسم " الضحالة ". بالنسبة لأدوات الضغط الكروية، يبقى الانخفاض متناظرًا وكرويًا، ولكن بنصف قطر أكبر. بالنسبة للمواد شديدة الصلابة، قد يصل نصف القطر إلى ثلاثة أضعاف نصف قطر أداة الضغط. يُعزى هذا التأثير إلى تحرر الإجهادات المرنة. نتيجةً لهذا التأثير، يحتوي كل من قطر وعمق الانخفاض على أخطاء. يُعرف أن الخطأ الناتج عن تغير القطر لا يتجاوز بضعة بالمئة، بينما يكون الخطأ في العمق أكبر. ^{[ 14 ]}

من التأثيرات الأخرى للحمل على الانبعاج تراكم أو انغماس المادة المحيطة. فإذا كان المعدن مُقسّى بالتشكيل، فإنه يميل إلى التراكم وتشكيل "حفرة". أما إذا كان المعدن مُلدّنًا، فإنه سينغمس حول الانبعاج. ويساهم هذان التأثيران في زيادة هامش الخطأ في قياس الصلابة. ^{[ 15 ]}

عندما تكون الصلابة،${\displaystyle H}$، ويُعرَّف بأنه متوسط ​​ضغط التلامس (الحمل / مساحة التلامس المسقطة)، وإجهاد الخضوع ،${\displaystyle \sigma _{y}}$، بالنسبة للعديد من المواد، يتناسب مع الصلابة بواسطة ثابت يُعرف باسم عامل التقييد، C. ^{[ 16 ]}

${\displaystyle H=C\sigma _{y}}$

أين:

${\displaystyle C\approx {\begin{cases}3&{\text{large }}E/\sigma _{y}{\text{ (ex. metals)}}\\1.5&{\text{small }}E/\sigma _{y}{\text{ (ex. glass)}}\end{cases}}}$

تختلف صلابة المادة عن إجهاد الخضوع الانضغاطي أحادي المحور نظرًا لاختلاف أنماط الفشل الانضغاطي . يقتصر الاختبار أحادي المحور على تقييد المادة في بُعد واحد فقط، مما يسمح لها بالفشل نتيجة القص . أما صلابة الانضغاط، من ناحية أخرى، فهي مقيدة في ثلاثة أبعاد، مما يمنع القص من أن يكون العامل المهيمن في الفشل. ^{[ 16 ]}

• اختبار صلابة الارتداد من ليب
• قانون ماير

• "جهاز اختبار لعبة الكرة والدبابيس يكشف عن الصلابة." مجلة Popular Mechanics ، نوفمبر 1945، ص  75.