اختيار جهاز قياس الصلادة ونطاق تطبيقه

جهاز قياس الصلادة هو أداة تُستخدم لقياس صلادة المعادن. وقد طرح ليو مول أول تعريفٍ للصلادة، والذي يشير إلى قدرة المادة على مقاومة اختراق سطحها بواسطة جسمٍ صلب. وهي واحدة من المؤشرات المهمة لأداء المواد المعدنية. وبشكل عام، كلما زادت الصلادة زادت مقاومتها للتآكل.

وبالاعتماد على مبادئ مختلفة، ينقسم قياس الصلادة إلى عدة أنواع من أجهزة القياس، منها: جهاز قياس الصلادة حسب معيار لييب، وجهاز قياس الصلادة حسب معيار روكويل، وجهاز قياس الصلادة حسب معيار برينل، وجهاز قياس الصلادة حسب معيار شو، وجهاز قياس الصلادة حسب معيار شور، وجهاز قياس الصلادة حسب معيار باركول، وجهاز قياس الصلادة الدقيق، وجهاز قياس الصلادة حسب معيار موهس، وجهاز قياس الصلادة حسب معيار فيكرز، وغيرها.

جهاز قياس الصلادة حسب معيار برينل وجهاز قياس الصلادة حسب معيار روكويل هما الأكثر استخدامًا على الإطلاق. ويمكن استخدامه لاختبار الفولاذ والصلب المصبوب، وفولاذ السبائك المستخدم في أدوات التصنيع، والفولاذ المقاوم للصدأ، والحديد الزهر الرمادي، والحديد الزهر الدكتايل، وسبائك الألومنيوم المُسبوكة، وسبائك النحاس-الزنك (النحاس الأصفر)، وسبائك النحاس-القصدير (البرونز)، والنحاس النقي، والصلب المطروق، ومعالجة الحرارة، والتقرن، وتصلّد الطبقة السطحية بالتجويز، والطلاءات السطحية، والفولاذ، والمعادن غير الحديدية، والأجزاء الصغيرة جدًّا والرقيقة، والمطاط، والبلاستيك، ورقائق الدوائر المتكاملة (IC wafers)، والمجوهرات، وغيرها.

هناك عدة نقاط يجب الانتباه إليها عند استخدام جهاز قياس الصلادة.

١. سيُحدث جهاز قياس الصلادة نفسه خطأين: الأول ناتج عن تشوه وحركة أجزائه؛ والثاني ناتج عن تجاوز معامل الصلادة للمعيار المحدد. أما بالنسبة للخطأ الثاني، فيجب معايرة جهاز قياس الصلادة باستخدام كتلة قياسية قبل إجراء القياس. ويُعتبر جهاز قياس صلادة روكويل مؤهلاً إذا كانت فروق المعايرة ضمن نطاق ±١، وكانت القيمة المستقرة داخل هذه الفروق ضمن نطاق ±٢، ويمكن حينها إعطاء قيمة التصحيح. أما إذا خرجت الفروق خارج النطاق ±٢، فيجب معايرة جهاز قياس الصلادة وإصلاحه أو استبداله بطريقة أخرى لاختبار الصلادة.

٢. جهاز قياس الصلادة له نطاقات تطبيق مختلفة، ويجب اختياره وفقًا للوائح المعمول بها. فعلى سبيل المثال، عند كون الصلادة أعلى من HRB100، يجب استخدام مقياس HRC للاختبار؛ وعندما تكون الصلادة أقل من HRC20، فيجب استخدام مقياس HRB للاختبار. وذلك لأنه عند تجاوز النطاق المحدد للاختبار، تنخفض دقة جهاز قياس الصلادة وحساسيته، ما يؤدي إلى عدم دقة قيمة الصلادة، وبالتالي لا يكون الجهاز مناسبًا للاستخدام.

٣. عند استبدال المُثبِّت (المُخْرُز) أو السطح القاعدي (المنضدة)، يجب الانتباه إلى تنظيف منطقة التماس جيدًا. وبعد الاستبدال، يُجرى اختبار عيّنة فولاذية ذات صلادة معروفة عدة مرات حتى يتم الحصول على قيمتين متتاليتين متطابقتين تمامًا لقيمة الصلادة. والغرض من ذلك هو ضمان أن يكون المُثبِّت أو السطح القاعدي مضغوطًا بإحكام وملاصقًا جيدًا للجزء المتلامس من جهاز الاختبار، تجنبًا لأي تأثير سلبي على دقة نتائج الاختبار.

٤. بعد ضبط جهاز قياس الصلادة، عند بدء قياس الصلادة، تُجرى أول عملية قياس على كتلة اختبار قياسية لاستبعاد احتمال وجود تماس غير جيد بين العينة وقاعدة الاختبار (الأنفيل)، مما قد يؤدي إلى الحصول على قيمة غير دقيقة. وبعد التأكّد من ذلك، يُعتبر جهاز قياس الصلادة في حالة تشغيل طبيعية قبل إجراء الاختبار الرسمي على العينة، ويُسجَّل قيمة الصلادة المقاسة.

٥. إذا سمحت أبعاد العينة، فيُفضَّل عمومًا اختيار أجزاء مختلفة منها لقياس ما لا يقل عن ثلاث قيم للصلادة. ويجب أن تكون المسافة بين هذه النقاط الثلاث ≥ ٣ مم، وتؤخذ القيمة المتوسطة لهذه القيم الثلاث باعتبارها قيمة صلادة العينة.

٦. بالنسبة للعينات ذات الأشكال المعقدة، يجب استخدام وسادات مناسبة، ويمكن إجراء الاختبار بعد تثبيت العينة. أما العينات الدائرية فتُوضع عادةً في أخاديد على شكل حرف V لإجراء الاختبار.

٧. يجب معايرة جهاز قياس الصلادة وفقًا للوائح المعمول بها. ولا يجوز استخدام الكتلة القياسية المستخدمة في معايرة جهاز قياس الصلادة من كلا الجانبين، لأن صلادة السطح القياسي والسطح الخلفي قد لا تكون متسقة. وعادةً ما يُنصَّ على أن صلاحية الكتلة القياسية تمتد لمدة سنة واحدة ابتداءً من تاريخ المعايرة.

نطاقات الاستخدام المختلفة لمختلف أجهزة قياس الصلادة هي كما يلي:

جهاز قياس الصلادة حسب معيار برينل: يُستخدم أساسًا لاختبار صلادة الصلب المطروق والحديد الزهر ذي البنية غير المتجانسة، كما يناسب أيضًا المعادن غير الحديدية والصلب اللين. ويصلح اختبار صلادة برينل لفحص المواد الخام والمنتجات شبه المصنعة. منتجات ومن مزاياه أنَّ أثر الاختراق يكون كبيرًا، ما يعكس الأداء الشامل للمادة بدقة عالية؛ أما عيبه فيتمثل في أنَّ أثر الاختراق كبيرٌ عمومًا، ولذلك لا يُستخدم عادةً لفحص المنتجات النهائية.

‌ جهاز قياس الصلادة حسب معيار روكويل: مناسب لاختبار صلادة مختلف المعادن الحديدية وغير الحديدية، بما في ذلك الفولاذ المُسخَّن، والفولاذ المُسخَّن والمُعَالَج حراريًّا، والفولاذ المُعَالَج حراريًّا، والفولاذ المُرَخَّص، والفولاذ المُصلَّب سطحيًّا، ومواد الكاربايد، ومواد ميتالورجيا المساحيق، والطلاءات الحرارية الرشّية، إلخ. والميزة هي اتساع نطاق تطبيقاته، مما يجعله مناسبًا لاختبار صلادة مختلف المعادن الحديدية وغير الحديدية؛ أما العيب فهو أنّ عمق التجويف الناتج صغيرٌ، وبالتالي فهو مناسب لاختبار صلادة الصفائح المعدنية الرقيقة وأنابيب الجدران الرقيقة، إلخ.

‌ جهاز قياس الصلادة السطحية حسب مقياس روكويل: مناسب لاختبار صلادة الصفائح الرقيقة، والتسمنر، والنتريد، وطبقات التصلب الناتجة عن المعالجات السطحية، والفولاذ المقاوم للصدأ، وسبائك الألومنيوم، إلخ. جهاز قياس الصلادة بطريقة فيكرز: يُستخدم لقياس الأجزاء الصغيرة جدًّا، والصفائح الفولاذية الرقيقة، وأوراق المعادن الرقيقة، ولوحات الدوائر المتكاملة (IC)، والأسلاك، والطبقات المصلبة الرقيقة، والطبقات المطلية كهربائيًّا، والزجاج، والمجوهرات، والخزف. وتتمثّل ميزته في أنّ أثر الاختراق الناتج عنه صغير جدًّا، ما يجعله مناسبًا لاختبار الأجزاء الصغيرة جدًّا والمواد الرقيقة؛ أما عيبه فهو أنّ عملية التشغيل تكون معقّدة نسبيًّا. وهو مناسب لاختبار الأجزاء الصغيرة جدًّا، والصفائح الفولاذية الرقيقة، وأوراق المعادن الرقيقة، وغيرها من المواد.