Overview
מקור: רוברטו ליאון, המחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית, וירג'יניה טק, בלקסבורג, VA
בדיקת קשיות היא אחד המבחנים המכניים בעלי הערך האוניברסלי ביותר העומדים לרשות המהנדסים, שכן הוא פשוט וזול יחסית לעושר המידע והנתונים שהוא מייצר. בדיקת קשיות, בדרך כלל בצורה של מבחן חדירה לפני השטח, היא מהירה יותר והרסנית פחות מבדיקות מתיחה. קשיות מספקת מערכת יחסים ליניארית עם חוזק מתיחה על פני מגוון רחב של עוצמות עבור חומרים רבים, כגון פלדה. מבחני קשיות הם אמפיריים, ולא נגזרים מהתיאוריה, שכן התוצאות ממזגות השפעות של תכונות חומרים רבות ושונות (מודולוס של יאנג, חוזק התשואה וכו ').
קשיות היא מאפיין של חומר המשמש לתיאור כמה עיוות פלסטיק (תשואה) כי חומר יעבור כאשר כוח ידוע מוחל). אפשר לאפיין את הקשיות בשלושה נימוסים: שריטה, חריץ וקשיות ריבאונד. דוגמה מוקדמת נפוצה לבדיקת קשיות (שריטה) היא סולם מוס (1820), הנגזר עבור מינרלים, שבו טלק יש ערך של 1 יהלום ערך של 10. בבדיקת כניסה באמצעות הגישה Rockwell, כניסות קטנות משמשות עם עומסים שונים. הנפוצים ביותר הם קשיות רוקוול B (HRB), המשתמשת בכניסה לכדור פלדה מוקשח 1/16 אינץ 'יחד עם משקל של 100 ק"ג, וקשיות רוקוול C (HRC), המשתמשת בכניסה חרוט יהלום יחד עם משקל של 150 ק"ג. בדיקות HRB נערכות עבור חומרים עם קשיות לטווח נמוך, כגון אלומיניום, פליז, ופלדת רכה, ואילו בדיקות HRC משמשות לחומרים עם קשיות לטווח גבוה, כגון פלדות קשות יותר. משקולות קטנות יותר (15 עד 45 ק"ג) משמשות לבדיקת קשיות שטחית של רוקוול כגון HR15W, המשתמש בכדור פלדה 1/8 אינץ 'עם משקל של 15 ק"ג. עם העומס הנמוך והרושם הרדוד שלו, מבחן קשיות רוקוול שטחי הוא אידיאלי עבור חומרים דקים מאוד או שבירים. דוגמה לבדיקת ריבאונד היא פטיש שמידט, המשמש למדידת כוח הבטון. במבחן זה, מסת פלדה נורית על פני השטח עם כוח ידוע ואת הריבאונד של הכדור נמדד. בכל סוגי בדיקות הקשיות, חובה לבצע כיולים נרחבים אם יש להשיג תוצאות אמינות.
לניסוי זה, נבחן את מבחן הקשיות של רוקוול, המודד את קשיות הכניסה של אלומיניום לא מטופל ומטופל בחום.
Principles
ישנן מספר שיטות נפוצות למדידת קשיות, הכוללות ברינל (HB),ויקרס (V), Knoop (K) ובדיקות קשיות שור. כל אחת משיטות אלה משתמשת בחדירה, בין אם בצורת כדור (ברינל), חרוט (רוקוול) או פירמידת יהלומים (ויקרס, קנופ ורוקוול), כדי ליצור חריץ לתוך פני המתכת, אשר נמדדת לאחר מכן אופטית או בקריאה ישירה. מבחן קשיות החוף בדרך כלל מודד את החדירה לפני השטח של פלסטיק או פולימרים אחרים. מבחן קשיות ברינל היה מבחן הקשיות הראשון שהוצג והוא שיטה חזקה לעומסי מבחן גבוהים המשתמשים במכשור בסיסי. בדיקות קשיות של ויקרס מועילות כאשר צריך להסתכל על קשיות על פני מגוון גדול של ערכים, שכן היא יכולה למדוד מהקשיות המתועדת הנמוכה ביותר לגבוהה ביותר. בדיקות קשיות Knoop הן בעלות ערך עבור יישומים עם דגימות קטנות מאוד או דקות. עם זאת, מבחן הקשיות של רוקוול הוא הפופולרי ביותר, שכן הוא הרבה יותר מהיר וזול, כמו גם להיות מבחן הקשיות היחיד שבו אפשר לקרוא ישירות את הקשיות ללא סיוע של כלי אופטי.
עבור מחקר זה, נתמקד במבחן הקשיות של רוקוול, כפי שהוא מוגדר ב- ASTM E-18. הבוחן הטיפוסי של רוקוול מוצג ב- Fig. 1 ומורכב מקריאה ומערכת ידית כדי להחיל את העומסים, המוסתרים לצופה. גרסאות ידניות ואוטומטיות של מכונות אלה זמינות בדרך כלל במעבדות בדיקה.
איור 1: מכונת הבדיקות של רוקוול.
ככל שהחומר קשה יותר, כך עומק החדירה קטן יותר, כך ערך הקשיות של רוקוול המקביל יהיה נמוך יותר. קשיות רוקוול B ו- C מחושבת כ:
ניתן להמיר את התוצאות מכל בדיקת קשיות לקשקשי קשיות אחרים באמצעות משוואות המתאימות ביותר לסט נתונים נרחב. עם זאת, אין המרה ליניארית דיסקרטית אחת, ולכן הערכים המתקבלים יהיו קירובים במקום ערכים מוחלטים. לדוגמה, עבור חומרים שאינם מתקשים לעבוד תחת זן המטוס:
תמונה 2 מציגה חריצים אופייניים על בלוק כיול, אשר מרוהט בדרך כלל עם מכונת הבדיקה. בלוקים אלה צריכים לשמש מעת לעת כדי להבטיח כי המחשב פועל כראוי.
איור 2: כניסה בבלוק כיול.
באופן כללי, חוזק המתיחה של חומר (σu) יכול להיות קשור קשיות Brinell שלה (HB) באמצעות משוואות כמו:
אחת הדרכים שבהן כוחו של החומר משתנה היא באמצעות טיפול בחום או גלגול קר. באופן כללי, קר מתגלגל דרך לחמניות דקות יותר ברציפות יגרום חומר חזק יותר (וקשה יותר). באופן דומה, בפלדות, קצב הקירור משפיע באופן משמעותי על היווצרות מבנים מרטנזיים, התורמים לשיפור הביצועים המכניים. מבנים מרטנסיטיים מציגים את מבנה הגביש המובהק של טטרגוניה ממוקדת גוף (BCT), שם הגבישים נמתחים כדי להיות מרובעים בשני קצות אבל ארוכים יותר בצדדים, כמו עדשה, ובכך להקנות קשיות רבה לחומר.
אחת ה דרך לאפיין טיפול בחום היא באמצעות בדיקת סוף מרווה ג'ומיני (ASTM A225). בבדיקה זו דגימה עגולה, באורך 4 אינץ', מחוממת באופן אחיד בתנור. ברגע שהוא הגיע לטמפרטורה הרצויה כך שהגיעה התעצמת מלאה (>900 מעלות צלזיוס), הדגימה מקוררת עם סילון מים בקצה אחד. Austenization הוא התהליך שבו פלדה מחוממת כדי לשנות את מבנה הגביש מפריט לאוסטניט, אלוטרופ מתכתי, לא מגנטי של ברזל המכונה ברזל גמא פאזה.
הסוף הכפוף לסילון המים יתקרר באופן משמעותי מהר יותר מהקצה השני, וכתוצאה מכך מבנים מרטנזיים שונים, ומכאן קשיות שונה, לאורך הדגימה. בשלב זה משטח שטוח רדוד נטחן לאורך הדגימה כדי לאפשר בדיקת קשיות על משטח שטוח. דגימת ג'ומיני שימושית כדי להדגים את מבחן הקשיות של רוקוול, אך יש להקפיד שלא לבלבל את תוצאות בדיקת הקשיות עם התקשות של חומר שמבחן סוף ג'ומיני אמור למדוד. התקשות נועדה למדוד כיצד המבנה המרטנזי משתנה על פני עומק של פיסת חומר; קשיות היא דרך אחת לאפיין את הווריאציה הזו.
במבחן רוקוול C טיפוסי, עומס ראשוני מוחל על החוזין, ועומק חדירה ראשוני נמדד. צעד ראשון זה הוא ליצור נקודת אפס או נקודת התייחסות, על מנת למתן את ההשפעות של וריאציות על פני השטח של החומר. לאחר מכן, העומס העיקרי מוחל על החוזי. לבסוף, המטען מראש מוסר, ועומק החדירה הסופי נמדד. ההפרש של ערך זה מערך הטעינה מראש ההתחלתי מחושב לאחר מכן לערך קשיות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
ההליך הבא הוא עבור המכונה הידנית המוצגת בתמונה 1. ההליך אופייני גם למכונות אחרות.
- השג דגימת מבחן טיפוסית של ג'ומיני שעבר טיפול בקירור מים.
- אבטח את הדגימה לשולחן של מכונת הבדיקה כך שהיא לא תזוז במהלך הבדיקה.
- ודא שמנוף הבחירה נמצא במיקום "ביטול טעינה".
- באמצעות גלגל ההתאמה מתחת לתמיכה, להעלות את המדגם עד מגע עם החוזין נוצר (כאשר מגע הוא רק עשה, המחט על החוגה הקדמית יתחיל לזוז מעט).
- התאם את החיוג, כך שהקריאה הראשונית היא 0.
- החל טעינה מראש על-ידי המשך איטי של התאמת הטבלה עד שהחיוג יעבור שלוש פניות שלמות; לעצור כאשר המחט היא חזרה ל 0.
- הזז את הידית הצדדית למיקום "טעינה".
- המתן עד שהמחט תפסיק לנוע (5 עד 10 שניות) ואז העבר את הידית בחזרה ל"פריקה ".
- הקלט את קשיות רוקוול סי מקריאת חיוג.
- חזור על הבדיקה לאורך. ASTM A255 מציין שיש לבצע קריאות במרווח זמן של 1/16 אינץ' עבור מרווח הזמן הראשון של 1/2 אינץ', ובמרווחי זמן של 1/8 אינץ' עבור 1/2 אינץ' הבאים.
בדיקת קשיות היא מבחן פשוט וזול יחסית. מהיר יותר והרסני פחות מבדיקות מתיחה, הוא נחשב לאחד המבחנים המכניים החשובים ביותר אוניברסלית הזמינים למהנדסים.
ערכי בדיקת הקשיות הם אמפיריים, ובכל זאת התוצאות מספקות מתאם טוב מאוד עם חוזק חומרי על פני מגוון רחב של חומרים. כאשר כוח ידוע מוחל במבחן קשיות, כמות עיוות הפלסטיק שהחומר עובר קובעת את ערך הקשיות.
בבדיקות מסוג רוקוול, כניסות טעונות בגדלים וצורות שונות מודדות קשיות. לניסוי זה, נמדוד ונשווה את קשיות הפלדה הלא מטופלת ומטופלת בחום באמצעות מבחן הקשיות של רוקוול.
מספר שיטות נפוצות למדידת קשיות המתכות כוללות את ברינל, ויקרס, קנופ ו- Rockwell קשיות BNC. כל אחת מהשיטות הללו משתמשת בחדירה, בין אם בצורת כדור, חרוט או פירמידת יהלומים.
חריץ נעשה לתוך פני השטח של מתכת וקריאת קשיות מוצגת. מתוך רשימה זו, מבחן הקשיות של רוקוול הוא הפופולרי ביותר עבור פלדות מבניות. בודק רוקוול ידני סטנדרטי מורכב ממערכת ידית כדי להחיל את העומס וקריאה אנלוגית המציגה את מספר הקשיות.
במבחן רוקוול הטיפוסי, נקודת אפס נקבעת כדי להסביר את שינויי פני השטח על ידי החלת עומס ראשוני ומדידת עומק חדירה ראשוני. לאחר מכן, העומס העיקרי מוחל על החוזי. לבסוף, העומס מוסר ועומק החדירה הסופי נמדד. מד החיוג בחלק העליון של המחשב משתמש בהבדל בין שני ערכים אלה כדי להציג ערך קשיות של Rockwell. ככל שהחומר קשה יותר, כך החוזית תחדור פחות, מה שיביא לערך קשיות גבוה יותר של רוקוול. לכן, הערכים עבור קשיות Rockwell B ו Rockwell C מבוססים על עומק החדירה, ולכן מכונות הבדיקה מכויל לעתים קרובות באמצעות בלוקים מבחן כיול לטווחי קשיות ספציפיים.
בדיקת קשיות Rockwell ניתן להשתמש כדי להעריך כיצד כוחו של חומר משתנה באמצעות תהליכים כגון טיפול בחום או גלגול קר. גלגול קר נוטה לגרום לחומרים חזקים וקשים יותר. טיפול בחום יכול לגרום לחומרים רכים יותר באמצעות חימום אך מבנים קשים יותר באמצעות מרווה.
לדוגמה, במבחן ההרווץ' של ג'ומיני אנד, דגימה גלילית מחוממת באופן אחיד. קצה אחד הוא לאחר מכן מרווה עם זרם של מים. שינויים לאורך הדגימה מהקצה המרווה ועד לקצה הבלתי מרווה ניתן לראות בערכי קשיות, המייצגים שינויים במיקרו מבנים.
בחלק הבא, נמדוד את הקשיות לאורך של דגימת מבחן מרווה ג'וני אנד פלדה כדי לצפות במעבר מפלדה לא מטופלת לפלדה שטופלה בחום באמצעות מבחן הקשיות של רוקוול.
לפני שתתחיל, הכר את מכונת הבדיקה. הסדן, שניתן להעלות או להוריד על ידי גלגל היד קסטן, תומך במדגם מתחת לכניסה הניתנת להחלפה.
עומס בדיקה נבחר באמצעות הבורר בצד המחשב והוא מוחל על-ידי הפיכת ידית העומס ממצב הפריקה למיקום הטעינה. מידות קדם-טעינה וגמר נכונות נקבעות באמצעות מד החיוג בחלק העליון של המחשב.
לפני הכנסת דגימת הבדיקה, ודא כי חרוט היהלומים Rockwell C מותקן ועומס הבדיקה מוגדר ל- 150 ק"ג. אבטחו את הדגימה במכונה עם המשטח השטוח כנגד הסדן. להדגמה זו, נשתמש בדגימה מרווה של ג'ומיני אנד שעברה טיפול בקירור מים.
הזז את ידית העומס למיקום הפריקה ולאחר מכן הרם את הסדן כדי לקרב את הדגימה לכניסה. כוונן את מיקום הדגימה כך שהכניסה תספק 16 אינץ' מהקצה. כאשר המיקום נכון, אבטח מחדש את הדגימה כך שהיא לא תזוז במהלך הבדיקה. עכשיו, להעלות את המדגם שוב עד המחט על החוגה הקדמית מתחיל לנוע מעט, המציין כי מגע עם החוזה נוצר.
החל את העומס מראש על ידי המשך להעלות לאט את הדגימה עד המחט על החוגה השלים שלוש סיבובים מלאים. עצור כאשר המחט השלימה את הפנייה השלישית. התאם את הטבעת החיצונית של מד החיוג כך שהקריאה הראשונית היא אפס. לאחר מכן הזז את ידית העומס למיקום הטעינה כדי להחיל את עומס הבדיקה. המחט תסתפק בערך חדש עם החלת העומס. המתן עד שהוא יפסיק לזוז ולאחר מכן העבר את ידית העומס בחזרה למצב הפריקה.
הקלט את קשיות Rockwell C מד החיוג ולאחר מכן להוריד את הסדן כדי להזיז את המדגם מן החוזית. חזור על בדיקה זו לאורך הדגימה. הנחיות ASTM-A255 מציינות שיש לבצע קריאות במרווחי אינץ' של 16 אינץ' עבור חצי האינץ' הראשון ובמרווחי אינץ' שמינית אינץ' לחצי האינץ' הבא.
שרטט את קשיות הרוקוול של הדגימה כפונקציה של מיקום לאורך הדגימה. קשיות בבירור פוחתת ככל שהמרחק מהקצה המנוה גדל.
מבחן הקשיות של רוקוול שימש כדי להראות כי בשל קצב הקירור, השינוי במבנה הפנימי של החומר השפיע על קשיות החומר, אשר בתורו מציין את כוחו של החומר.
עכשיו שאתה מעריך את מבחן הקשיות על קלות השימוש שלה, בואו נסתכל על איך זה מיושם כדי להבטיח את האיכות של מוצרים יומיומיים.
ניתן להמיר בקלות ערכי קשיות לערכי חוזק באמצעות תרשימים הנגזרים משוואות אמפיריות. כצפוי, לחומרים רכים יותר יש ערכי חוזק נמוכים יותר וחומרים קשים יותר בעלי ערכי חוזק גבוהים יותר. בגלל זה, ערכי קשיות יכולים לשמש במקום בדיקות מתיחה יקרות יותר כדי לחזות את כוחם של דברים שאנו משתמשים בכל יום.
רק מסתכל סביב ברביקיו בחצר האחורית, תוכלו לראות מוצרים רבים שנחשבים בטוחים עקב בדיקות קשיות. כיסאות מדשאה ממתכת, סורגים על הגריל על מגוון רחב של טמפרטורות, סכיני פלדה מוקשחת וסולם בריכת המתכת בתנאים ימיים. כולם נבדקו ככל הנראה כדי להבטיח את בטיחות הצרכנים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למבחן הקשיות של רוקוול. עכשיו אתה צריך להבין מדוע בדיקות קשיות נפוץ, איך לבצע בדיקות קשיות, וכיצד לנתח את התוצאות שהושגו.
תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
תוצאה אופיינית של בדיקת רוקוול על דגימת ג'מיני לבדיקת HR C מוצגת בסרטון. הקשיות פוחתת באופן ניכר ככל שאדם מתרחק מהסוף הכפוף למטוס המים. ניתן להמיר את ערך בדיקת הקשיות לחוזק מתיחה באמצעות תרשימים המסופקים על-ידי יצרן מכונת הבדיקה. התוצאות מראות כי הפלדה משתנה במידה ניכרת הן קשיות וכוח כמו אחד מתרחק מן הקצה מרווה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
בדיקת קשיות היא אחד המבחנים העיקריים כדי לגייס מידע הנדסי חשוב על חומר. בדיקת קשיות Rockwell היא השיטה המועדפת לבדיקת קשיות, שכן היא מבטלת את הצורך בציוד אופטי מתקדם, אך במקום זאת משתמשת בציוד מעבדה בסיסי כדי למדוד במדויק, בזול ובמהירות את קשיות החומר. חשוב מכך, שיטה זו מתורגמת בקלות לשחזור בין מעבדות ואנשי בדיקה בגלל הפשטות היחסית שלה. ההליך דורש כי לאחר לקיחת קריאה ראשונית בתנאי טעינה מראש, אחד מחיל את העומס העיקרי ולמדוד את השינוי במיקום מן הערך הראשוני. לאחר מכן ניתן לחשב ערך זה לערך קשיות, אשר ניתן גם להפוך ולהעריך לסולם קשיות אחרים על ידי סדרה של משוואות. מבחן הקשיות של רוקוול שימש כדי להראות כיצד קצב הקירור משפיע על המבנה המרטנזי של הפלדות, וכיצד קצב הקירור גורם לחומרים עם עוצמות שונות באופן משמעותי.
בדיקות קשיות מאפשרות לנו להשתמש בחומרים מתאימים שיבטיחו איכות ביצועים גבוהה בשימוש בהם. כל מוצר שאנו משתמשים בחיי היומיום שלנו נבדק לקשיות. תן דעתך לתרחיש המשעשע הבא הוא רק אחת מדוגמאות יומיומיות רבות באשר לאופן שבו בדיקות קשיות מאפשרות לנו ליהנות מחומרים שימושיים ובטוחים כאחד. תארו לעצמכם שפע של פעמים בדיקות קשיות שימש על מנת שתוכל לזרוק ברביקיו בחצר האחורית לאיחוד המשפחתי שלך. כסאות המדשאה המתכתיים בהחלט היו צריכים להיבדק קשות כדי לוודא שהמתכת חזקה מספיק, כך שדודה בסי לא נפלה לקרקע כשהיא התיישבה. סורג המתכת על הגריל היה צריך גם להיות קשיות נבדק על פני מגוון רחב של טמפרטורות (בהתחשב בכך שאמא שלך אוהבת את הסטייק שלה כל הכבוד על חום גבוה) כדי להבטיח שהם לא ישברו או לתת כאשר באופן בלתי נמנע הפלת את מלקחיים צלייה על הגריל. הסכינים שאתה משתמש כדי לחתוך את הבשר הם כל פלדה מוקשה גם. לבסוף, סולם המתכת בבריכה נאלץ להיבדק קשות בתנאים ימיים כדי לוודא שכאשר בן דודך הצעיר ניסה לטפס מהבריכה, הוא לא נפל לאחור כאשר המתכת נכשלה. יש הרבה המבורגרים, פרחחים ונקניקיות שמורים, שלא לדבר על חיי אדם, הודות לבדיקות קשיות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
