اختبار صلابة فيكرز

الموسوعة الحرة

جهاز اختبار صلابة فيكرز

طُوِّر اختبار صلابة فيكرز عام 1921 على يد روبرت ل. سميث وجورج إي. ساندلاند في شركة فيكرز المحدودة كبديل لطريقة برينل لقياس صلابة المواد. [ 1 ] يُعد اختبار فيكرز أسهل استخدامًا من اختبارات الصلابة الأخرى، إذ لا تعتمد الحسابات المطلوبة على حجم رأس الاختبار، ويمكن استخدام رأس الاختبار مع جميع المواد بغض النظر عن صلابتها. ويعتمد مبدأه الأساسي، كما هو الحال مع جميع مقاييس الصلابة الشائعة، على ملاحظة قدرة المادة على مقاومة التشوه اللدن الناتج عن مصدر قياسي. يُمكن استخدام اختبار فيكرز مع جميع المعادن ، ويتميز بنطاق قياس واسع يُعد من بين الأوسع بين اختبارات الصلابة. تُعرف وحدة الصلابة التي يُعطيها الاختبار برقم هرم فيكرز ( HV ) أو صلابة هرم الماس ( DPH ). يُمكن تحويل رقم الصلابة إلى وحدات باسكال ، ولكن يجب عدم الخلط بينه وبين الضغط ، الذي يستخدم نفس الوحدات. يتم تحديد رقم الصلابة من خلال الحمل على مساحة سطح الانبعاج وليس المساحة العمودية على القوة، وبالتالي فهو ليس ضغطًا.

تطبيق

مخطط اختبار فيكرز
رأس ماسي هرمي الشكل لجهاز اختبار صلابة فيكرز
أثر انبعاج في الفولاذ المُقسّى سطحيًا بعد اختبار صلابة فيكرز. يُعدّ اختلاف طول القطرين وتدرج الإضاءة مؤشرين كلاسيكيين على عدم استواء العينة. هذا ليس أثر انبعاج جيد.
هذا تباعد جيد.

تقرر أن يكون شكل أداة الضغط قادرًا على إنتاج انطباعات متماثلة هندسيًا، بغض النظر عن الحجم، وأن يحتوي الانطباع على نقاط قياس محددة بدقة، وأن تتمتع أداة الضغط بمقاومة عالية للتشوه الذاتي. وقد استوفى شكل ماسي على هيئة هرم مربع القاعدة هذه الشروط. وقد ثبت أن الحجم الأمثل لبصمة برينل هو 3/8 من قطر الكرة. ولأن مماسين للدائرة عند طرفي وتر طوله 3d /8 يتقاطعان بزاوية 136 درجة، فقد تقرر استخدام هذه الزاوية كزاوية محصورة بين وجهي رأس أداة الضغط. وهذا يعطي زاوية من كل وجه عمودية على العمودي على المستوى الأفقي مقدارها 22 درجة من كل جانب. تم تغيير الزاوية تجريبيًا، ووُجد أن قيمة الصلابة التي تم الحصول عليها على قطعة متجانسة من المادة ظلت ثابتة، بغض النظر عن الحمل. [ 2 ] وبناءً على ذلك، يتم تطبيق أحمال ذات مقادير مختلفة على سطح مستوٍ، اعتمادًا على صلابة المادة المراد قياسها. ثم يتم تحديد رقم HV من خلال النسبة F / A ، حيث F هي القوة المطبقة على الماس بالكيلوجرامات القوة و A هي مساحة سطح الانبعاج الناتج بالملليمترات المربعة.

أ=د22الخطيئة⁡(136∘/2)،{\displaystyle A={\frac {d^{2}}{2\sin(136^{\circ }/2)}},}

والتي يمكن تقريبها بتقييم حد الجيب للحصول على،

أ≈د21.8544،{\displaystyle A\approx {\frac {d^{2}}{1.8544}},}

حيث يمثل d متوسط ​​طول القطر المتبقي من أداة الضغط بالملليمترات. ومن ثم، [ 3 ]

حV=Fأ≈1.8544Fد2[كجم/مم2]{\displaystyle \mathrm {HV} ={\frac {F}{A}}\approx {\frac {1.8544F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {kgf/mm}}^{2}]}،

حيث F بوحدة كجم/ق و d بوحدة مليمتر.

تُقاس وحدة قياس صلابة فيكرز (HV) بوحدة كيلوغرام-قوة لكل مليمتر مربع (كجم/مم² ) ، أو ما يُعرف برقم HV. في المعادلة أعلاه، يمكن أن تكون القوة ( F) بوحدة نيوتن (N) والمسافة ( d ) بوحدة مليمتر (mm)، مما يُعطي قيمة HV بوحدة ميجا باسكال (MPa) في النظام الدولي للوحدات (SI). لحساب رقم صلابة فيكرز (VHN) بوحدة كيلوغرام-قوة باستخدام وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) للمعطيات المدخلة، يجب تحويل القوة المُطبقة من نيوتن (N) إلى كيلوغرام-قوة (k) بالقسمة على 9.80665 ( الجاذبية القياسية ). ينتج عن ذلك المعادلة التالية: [ 4 ]

حV≈0.1891Fد2[كجم/مم2]،{\displaystyle \mathrm {HV} \approx {0.1891}{\frac {F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {kgf/mm}}^{2}],}

حيث F بوحدة نيوتن و d بوحدة المليمتر.

يتم الإبلاغ عن أرقام صلابة فيكرز على النحو التالي: xxxHVyy ، على سبيل المثال 440HV30 ، أو xxxHVyy/zz إذا اختلفت مدة القوة من 10  ثوانٍ إلى 15  ثانية، على سبيل المثال 440HV30/20، حيث:

  • 440 هو رقم الصلابة،
  • يشير اختصار HV إلى مقياس الصلابة (فيكرز).
  • يشير الرقم 30 إلى الحمل المستخدم بالكيلوجرام.
  • يشير الرقم 20 إلى وقت التحميل إذا كان يختلف من 10  ثوانٍ إلى 15  ثانية.
أمثلة على قيم HV لمواد مختلفة [ 5 ]
مادةقيمة
الفولاذ المقاوم للصدأ 316L140HV30
الفولاذ المقاوم للصدأ 347L180HV30
الفولاذ الكربوني55–120HV5
حديد30–80HV5
المارتنسيت1000HV
الماس10000HV

احتياطات

عند إجراء اختبارات الصلابة، يجب مراعاة الحد الأدنى للمسافة بين آثار الانبعاج والمسافة من أثر الانبعاج إلى حافة العينة لتجنب التداخل بين المناطق المتصلبة بفعل الضغط وتأثيرات الحافة. ​​وتختلف هذه المسافات الدنيا بين معياري ISO 6507-1 و ASTM E384.

معيارالمسافة بين النتوءاتالمسافة من مركز الانبعاج إلى حافة العينة
ISO 6507-1> 3 أيام للفولاذ وسبائك النحاس و > 6 أيام للمعادن الخفيفة2.5 يوم للفولاذ وسبائك النحاس وأكثر من 3 أيام للمعادن الخفيفة
ASTM E3842.5· د2.5· د

تكون قيم فيكرز مستقلة عمومًا عن قوة الاختبار: إذ تكون متطابقة عند تطبيق قوة 500  غرام قوة و50  كيلوغرام قوة، طالما أن القوة لا تقل عن 200  غرام قوة. [ 6 ] مع ذلك، غالبًا ما تُظهر الانبعاجات تحت أحمال منخفضة اعتمادًا للصلابة على عمق الانبعاج، وهو ما يُعرف بتأثير حجم الانبعاج (ISE). [ 7 ] كما أن أحجام الانبعاجات الصغيرة لها قيم صلابة تعتمد على البنية المجهرية.

بالنسبة للعينات الرقيقة، قد يمثل عمق الانضغاط مشكلة بسبب تأثيرات الركيزة. وكقاعدة عامة، يجب أن يكون سمك العينة أكبر من 2.5 ضعف قطر الانضغاط. أو بدلاً من ذلك، عمق الانضغاط،ت{\displaystyle t}ويمكن حسابها وفقًا لما يلي:

ت=دأvز22لون برونزي⁡θ2≈دأvز7.0006،{\displaystyle t={\frac {d_{\rm {avg}}}{2{\sqrt {2}}\tan {\frac {\theta }{2}}}}\approx {\frac {d_{\rm {avg}}}{7.0006}},}

التحويل إلى وحدات النظام الدولي للوحدات

لتحويل رقم صلابة فيكرز إلى وحدات النظام الدولي للوحدات، يجب ضرب رقم الصلابة بالكيلوجرام قوة لكل مليمتر مربع (كجم/مم 2 ) في الجاذبية القياسية .ز0{\displaystyle g_{0}}، للحصول على الصلابة بوحدة ميجا باسكال (نيوتن/مم 2 ) ثم قسمة الناتج على 1000 للحصول على الصلابة بوحدة جيجا باسكال.

صلابة مساحة السطح (جيجا باسكال)=ز01000حV=9.806651000حV{\displaystyle {\text{surface area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}HV={\frac {9.80665}{1000}}HV}

يمكن أيضًا تحويل صلابة فيكرز إلى صلابة بنظام الوحدات الدولي (SI) بناءً على المساحة المسقطة للنتوء بدلاً من مساحة السطح. المساحة المسقطة،أص{\displaystyle A_{\rm {p}}}، يتم تعريفها على النحو التالي لهندسة فيكرز للضغط: [ 8 ]

أص=دأvز22=1.8542أs{\displaystyle A_{\rm {p}}={\frac {d_{\rm {avg}}^{2}}{2}}={\frac {1.854}{2}}{A_{s}}}

يُشار إلى هذه الصلابة أحيانًا باسم متوسط ​​مساحة التلامس أو صلابة ماير ، ومن الناحية المثالية، يمكن مقارنتها مباشرةً باختبارات الصلابة الأخرى التي تُعرَّف أيضًا باستخدام المساحة المسقطة. يجب توخي الحذر عند مقارنة اختبارات الصلابة الأخرى نظرًا لاختلاف عوامل الحجم التي قد تؤثر على الصلابة المقاسة.

صلابة المساحة المسقطة (GPa)=ز0100021.854حV≈حV94.5{\displaystyle {\text{projected area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}{\frac {2}{1.854}}HV\approx {\frac {HV}{94.5}}}

تقدير قوة الشد

إذا تم التعبير عن صلابة فيكرز (HV) أولاً بوحدة نيوتن/مم² ( ميجا باسكال)، أو بتحويلها من كيلوغرام قوة/مم² ، فيمكن تقريب مقاومة الشد (بوحدة ميجا باسكال) للمادة بالعلاقة σu ≈ HV/ c ، حيث c ثابت يُحدد بناءً على مقاومة الخضوع، ونسبة بواسون، ومعامل التصلب بالتشكيل، وعوامل هندسية - تتراوح عادةً بين 2 و4. [ 9 ] بعبارة أخرى، إذا تم التعبير عن صلابة فيكرز (HV) بوحدة نيوتن/مم² ( أي بوحدة ميجا باسكال)، فإن مقاومة الشد (بوحدة ميجا باسكال) ≈ HV/3. يعتمد هذا القانون التجريبي بشكل متفاوت على سلوك التصلب بالتشكيل للمادة. [ 10 ] 

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ RL Smith & GE Sandland, "طريقة دقيقة لتحديد صلابة المعادن، مع الإشارة بشكل خاص إلى تلك ذات درجة عالية من الصلابة"، وقائع مؤسسة المهندسين الميكانيكيين ، المجلد الأول، 1922، ص 623-641.
  2. ↑ جهاز اختبار صلابة فيكرز، مؤرشف بتاريخ 23 أكتوبر 2016 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) . UKcalibrations.co.uk. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 يونيو 2016.
  3. ↑ ASTM E384-10e2
  4. ↑ ISO 6507-1:2005(E)
  5. ↑ كتاب سميثيلز المرجعي للمعادن، الطبعة الثامنة، الفصل 22
  6. ↑ اختبار فيكرز مؤرشف بتاريخ 21 أكتوبر 2014 في موقع Wayback Machine . موقع إنسترون الإلكتروني .
  7. ↑ نيكس، ويليام د.؛ غاو، هواجيان (1 مارس 1998). "تأثيرات حجم الانبعاج في المواد البلورية: قانون لدونة تدرج الإجهاد" . مجلة ميكانيكا وفيزياء المواد الصلبة . 46 (3): 411-425 . Bibcode : 1998JMPSo..46..411N . doi : 10.1016/S0022-5096(97)00086-0 . ISSN 0022-5096 . 
  8. ↑ فيشر-كريبس، أنتوني سي. (2007). مقدمة في ميكانيكا التلامس ( الطبعة الثانية). نيويورك: سبرينغر. الصفحات 212-213 . ISBN   9780387681887. OCLC 187014877 . 
  9. ↑ "الصلابة" . matter.org.uk .
  10. ↑ تشانغ، ب. (سبتمبر 2011). "العلاقة العامة بين القوة والصلابة". علم وهندسة المواد أ . 529 : 62. doi : 10.1016/j.msea.2011.08.061 .

للمزيد من القراءة

  • مايرز وتشاولا (1999). "القسم 3.8". السلوك الميكانيكي للمواد . برنتيس هول، إنك.
  • ASTM E92: طرق الاختبار القياسية لصلابة فيكرز وصلابة كنوب للمواد المعدنية
  • ASTM E384: طريقة الاختبار القياسية لصلابة المواد بالاختبار المجهري
  • ISO 6507-1: المواد المعدنية - اختبار صلابة فيكرز - الجزء 1: طريقة الاختبار
  • ISO 6507-2: المواد المعدنية - اختبار صلابة فيكرز - الجزء 2: التحقق من معايرة أجهزة الاختبار
  • ISO 6507-3: المواد المعدنية - اختبار صلابة فيكرز - الجزء 3: معايرة الكتل المرجعية
  • ISO 6507-4: المواد المعدنية - اختبار صلابة فيكرز - الجزء 4: جداول قيم الصلابة
  • ISO 18265: المواد المعدنية - تحويل قيم الصلابة