دليل مقارنة واختيار مقاييس الصلابة شور وروكويل وبرينل

تعد الصلابة إحدى الخصائص الأساسية للمواد، لا سيما في تطبيقات مقاومة التآكل. فعلى سبيل المثال، في آلات الخراطة، تُصنع أدوات القطع من مواد تتمتع بصلابة كافية لقطع مواد أقوى مثل الفولاذ عالي السرعة. كما تُصنع صمامات المحركات والمحامل والتروس في صناعات السيارات والطيران من مواد مقواة بسبب الاحتكاك الشديد والأحمال الكبيرة التي تتعرض لها. وبفضل خاصية الصلابة التي تتمتع بها، تعمل عجلات الطحن وأقراص الصنفرة بكفاءة في إزالة المواد مع متانة طويلة الأمد. ولكن ما هي الصلابة؟

الصلابة هي مقياس لمقاومة المادة للتشوه الدائم الموضعي. وفي حين أن بعض المواد صلبة بطبيعتها، مثل التنغستن، فإن مواد أخرى تكتسب صلابتها من خلال طرق المعالجة مثل المعالجة الحرارية. ولا يمكن استخدام هذه المواد مباشرة في التطبيقات الهندسية دون اختبارها بشكل فعال. وهناك طرق مختلفة يمكن للمهندسين استخدامها لاختبار هذه الصلابة. في هذا الدليل، نناقش الطرق الثلاث الشائعة لاختبار الصلابة: مقاييس صلابة شور، وروكويل، وبرينل. كما يساعد الدليل في فهم معايير الاختيار من بين مقاييس الصلابة الثلاثة. قبل التعمق في أنواع مقاييس الصلابة الثلاثة، من الضروري أن نناقش الصلابة بإيجاز.

ما هي الأنواع المختلفة لصلابة المواد؟

تُظهر المواد المختلفة سلوكيات متباينة تحت أحمال مختلفة، على الرغم من إمكانية تصنيفها جميعًا على أنها مواد صلبة. على سبيل المثال، قد يتحمل المعدن صدمة قوية لمرة واحدة دون أن يتعرض للانهيار. ومع ذلك، قد تفشل المادة نفسها في تحمل الحمل المستمر، مما يؤدي إلى انهيارها. وينبغي أن يوجه هذا المهندسين إلى إجراء اختبارات الصلابة لاتخاذ قرار منطقي عند اختيار المواد. وتشمل اختبارات الصلابة الثلاثة الشائعة في التطبيقات الهندسية اختبار صلابة الانبعاج، واختبار صلابة الخدش، واختبار صلابة الارتداد.

صلابة التجاويف

عندما يتحدث المهندسون وخبراء علم المعادن عن الصلابة، فإنهم يقصدون في الواقع صلابة الانبعاج. ويرجع ذلك إلى أن معظم تطبيقات الأحمال الهندسية تكون مستمرة. وصلابة الانبعاج هي مقاومة المادة للتشوه الدائم عند تعرضها لحمل مستمر. ويولي الفنيون اهتمامًا أكبر بقياس هذا النوع من الصلابة نظرًا لتطبيقه على نطاق واسع في التصميم الهندسي.

صلابة الخدش

بعض المواد الهندسية، مثل السيراميك، لا تتعرض للتشوه البلاستيكي وتُعتبر هشة. وعندما تتعرض لبعض القوى، تظهر خدوش على أسطحها. من الناحية الفنية، الخدوش هي انبعاجات ضيقة ومتصلة في الطبقة العليا عندما تتلامس المادة مع مواد أكثر حدة وصلابة. وتُسمى قدرة المادة على مقاومة الخدوش على سطحها بـ«صلابة مقاومة الخدش». يُعد اختبار مقاومة الخدش أمرًا بالغ الأهمية، خاصةً عند اختيار المواد لتطبيقات الاحتكاك مثل بطانات أسطوانات المحركات. يجب أن تتمتع البطانة بصلابة أعلى من المادة الملامسة لها.

الصلابة الارتدادية أو الديناميكية

تُعد صلابة الارتداد أحد أنواع الصلابة المرنة. ففي صلابة الانبعاج أو الخدش، تستجيب المادة من خلال مقاومتها للتشوه البلاستيكي. أما في صلابة الارتداد أو الصلابة الديناميكية، فإن المادة تمتص الطاقة الناتجة عن الصدم وتعيدها إلى أداة الاختبار. وتُعد أداة الاختبار مصدر الصدم.

تتطلب جميع أنواع الصلابة هذه أدوات مختلفة لقياسها. دعونا نناقش الآن مقاييس الصلابة المختلفة المستخدمة في قياس هذه الأنواع من الصلابة.

ما هو مقياس صلابة شور؟

مقياس صلابة شور هو نوع خاص من إجراءات قياس الصلابة يُستخدم لقياس مقاومة المواد المرنة والبلاستيك والبوليمرات الأخرى ^[1]. يحدد هذا القياس مدى مرونة المادة وصلابتها ومتانتها قبل اختيارها لاستخدامات معينة. وتُجرى عملية القياس هذه باستخدام مقياس الصلابة.

كيف يعمل جهاز قياس الصلابة؟

يستخدم مقياس صلابة شور دبوسًا أو مخروطًا فولاذيًا مزودًا بنابض للضغط على المواد. وتقدم الأداة قراءات تتراوح بين 0 و100، والتي يمكن تفسيرها على أنها درجة صلابة المادة. بالنسبة للمواد الأكثر صلابة، تكون القراءة أعلى، مما يعني أن الدبوس لا يستطيع اختراق المواد. وإذا أظهر المقياس قيمًا أقل نسبيًا، فهذا يعني أن الدبوس يغوص أعمق في المادة. وعندئذ تُعتبر المادة لينة. القياسات المأخوذة من مقياس الصلابة هي قياسات نسبية، والوحدات الفيزيائية ليست مطلقة.

أنواع الموازين الشاطئية

لدينا أنواع مختلفة من الموازين الشاطئية، مع نطاقات قياس متنوعة للعديد من المواد. ويلخص الجدول التالي هذه الأنواع من الموازين.

يُعدّ شور «أ» وشور «د» النوعين الأكثر استخدامًا. ويتراوح النطاق النموذجي لشور «أ» بين 20 و95A، بينما يتراوح النطاق النموذجي لشور «ب» بين 30 و90B.

تتأثر صلابة المواد بعدة عوامل. ومن بين هذه العوامل التركيب الكيميائي والبنية الجزيئية. فالمكونات التي تحتوي على روابط تساهمية قوية تكون صلبة بشكل عام. كما تتغير صلابة شور مع تغير درجة الحرارة؛ فكلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفضت درجة الصلابة. 

إيجابيات وسلبيات اختبار مقياس صلابة شور

يلخص الجدول التالي مزايا وقيود اختبار مقياس صلابة الشاطئ.

المزايا

• اختبار سريع جدًّا (عادةً ما يستغرق أقل من ثانيتين)
• المعدات المحمولة
• إعداد عينة بسيط
• مثالي للمواد المرنة
• تكلفة اختبار منخفضة

القيود

• غير مناسب للمعادن
• تتأثر بسماكة العينة
• تؤثر تقنية المشغل على قابلية التكرار
• تؤثر درجة الحرارة على النتائج

ما هي صلابة روكويل؟

تتضمن صلابة روكويل ضغط أداة إندنت صلبة على عينة من المادة قيد الاختبار. ويُجرى هذا الاختبار على مرحلتين: الحمل الرئيسي والأحمال الثانوية. ويعتمد الاختبار والمنحنى المرسوم على نوع المقياس المستخدم.

كيف يتم إجراء اختبار صلابة روكويل؟

يستخدم هذا الاختبار مخروطًا ماسيًّا أو كرةً فولاذيةً مقواةً لإحداث انبعاج في المادة الخاضعة للاختبار ^[2]. في كل مرة يتم فيها إجراء الاختبار، يتم تطبيق حملين على العينة. يُدفع جهاز الاختبار أولاً إلى داخل المادة تحت تأثير حمل ثانوي. ثم يتم تسجيل العمق الأولي تحت هذا الحمل الثانوي. ومع استمرار وجود الحمل الثانوي، يُضاف حمل إضافي يُسمى الحمل الرئيسي. ويؤدي هذا الحمل الرئيسي إلى زيادة عمق اختراق المادة. ثم يُزال الحمل الكبير، مما يجعل القوة المطبقة تعود إلى الحمل الصغير.

يُحسب معدل صلابة روكويل بناءً على الزيادة في عمق الاختراق الناتجة عن تطبيق الحمل الرئيسي وإزالته.

أنواع مقاييس روكويل

يوضح الجدول أدناه المقياسات الخمسة الأولى من مقياس روكويل مع تطبيقاتها. يبلغ العدد الإجمالي للمقياسات 17 مقياسًا، ولكل منها تطبيق محدد.

مزايا وقيود مقياس صلابة روكويل

يلخص الجدول التالي مزايا وعيوب مقياس روكويل.

المزايا

• قابلية عالية للتكرار
• ملائمة للإنتاج
• تأثير ضئيل من جانب المشغل
• مثالي للمعادن المعالجة حرارياً
• أوقات دورات سريعة

القيود

• يؤثر تشطيب السطح على النتائج
• تتطلب المواد الرقيقة موازين خاصة
• غير مناسب للمطاط شديد النعومة

ما هي صلابة برينل؟

تُعد صلابة برينل مقياسًا لمدى مقاومة المادة للانبعاج، ويتم تحديدها باستخدام اختبار صلابة برينل. في هذا الاختبار، تُضغط كرة من الفولاذ الصلب أو الكربيد على سطح المادة تحت حمل محدد، ثم يُقاس قطر الانبعاج الناتج ^[3]. يُحسب رقم صلابة برينل (BHN) بقسمة القوة المطبقة على مساحة سطح الانبعاج. وتُستخدم هذه الطريقة عادةً لاختبار المعادن، وتوفر معلومات قيّمة عن قوة المادة ومدى ملاءمتها لمختلف التطبيقات.

أنواع المقاييس المستخدمة في مقياس صلابة برينل

يستخدم اختبار صلابة برينل مقياسًا واحدًا متواصلًا يُشار إليه بالرمز HB أو HBW في حالة كرات كربيد التنجستن. ويستخدم الاختبار حوالي 25 تركيبة قياسية لأقطار الكرات، بما في ذلك 1، و2.5، و5، أو 10 ملم. ويستخدم الاختبار قوة اختبار تتراوح من 1 كجم قوة إلى 3000 كجم قوة، مجمعة حسب نسب القوة إلى القطر F/D².

يُشار إلى F/D² ببساطة باسم «النسبة». على سبيل المثال، النسبة 30 تعني أن F/D² = 30 مم، بينما النسبة 2.5 تعني أن F/D² = 2.5 مم. يوضح الجدول التالي النسب الشائعة المستخدمة في قياس صلابة برينل واستخداماتها.

مزايا وقيود اختبار صلابة برينل

المزايا

• مثالي للمواد غير المتجانسة
• تأثير متوسط جيد بفضل الانبعاج الكبير
• مثالي للمسبوكات
• مقبول على نطاق واسع في الصناعة الثقيلة

القيود

• تؤدي التجاويف الكبيرة إلى إتلاف الأسطح المطلية
• بطء عملية الاختبار
• يتطلب قياسًا بصريًّا
• غير مناسب للمقاطع الرقيقة

كيف يمكنك مقارنة مقاييس الصلابة واختيار المقياس المناسب؟

جميع الطرق الثلاث ذات صلة بالموضوع، ولا توجد طريقة أفضل من الأخرى. ومع ذلك، إذا كانت جميع الطرق قابلة للتطبيق بناءً على المادة المتاحة المراد اختبارها، فيمكنك اختيار الطريقة الأسرع والأكثر فعالية من حيث التكلفة. يتميز اختبار صلابة شور بأسرع وقت اختبار، حيث يستغرق من 1 إلى 2 ثانية، يليه اختبار صلابة روكويل الذي يستغرق من 5 إلى 15 ثانية. أما اختبار صلابة برينل فيستغرق من 30 إلى 60 ثانية. وفيما يتعلق بالاستخدام في الإنتاج، فإن كلاً من صلابة شور وروكويل يعطيان نتائج ممتازة، بينما توفر صلابة برينل حماية معتدلة. تعد صلابة شور مناسبة للمطاط واللدائن والمواد ذات الصلة بالبلاستيك. ويتم اختيار صلابة روكويل عند العمل مع البلاستيك الهندسي. من ناحية أخرى، يمكنك اختيار صلابة برينل إذا كنت تتعامل مع المسبوكات والمطروقات والمعادن ذات الحبيبات الخشنة.

المراجع

[1] TWI Global. (بدون تاريخ). ما هو الاختبار الميكانيكي؟ (دليل شامل). الأسئلة الشائعة حول المعرفة التقنية العالمية لشركة TWI. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-mechanical-testing

[2] منظمة ASTM الدولية. (2024). ASTM E18-22: طرق الاختبار القياسية لقياس صلابة روكويل للمواد المعدنية. معايير ASTM. https://www.astm.org/e0018-22.html

[3] TWI Global. (بدون تاريخ). اختبار الصلابة - الجزء الأول. معرفة الوظائف العالمية من TWI. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-part-1-074