JoVE Logo

Sign In

בדיקת קשיות רוקוול והשפעת הטיפול על פלדה

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.

Figure 1
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:

Equation 1

Equation 2

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:

Equation 3

Equation 4

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.

Figure 2
איור 2: כניסה בבלוק כיול.

באופן כללי, חוזק המתיחה של חומרu) יכול להיות קשור קשיות Brinell שלה (HB) באמצעות משוואות כמו:

Equation 5

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.

Procedure

ההליך הבא הוא עבור המכונה הידנית המוצגת בתמונה 1. ההליך אופייני גם למכונות אחרות.

  1. השג דגימת מבחן טיפוסית של ג'ומיני שעבר טיפול בקירור מים.
  2. אבטח את הדגימה לשולחן של מכונת הבדיקה כך שהיא לא תזוז במהלך הבדיקה.
  3. ודא שמנוף הבחירה נמצא במיקום "ביטול טעינה".
  4. 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).
  5. התאם את החיוג, כך שהקריאה הראשונית היא 0.
  6. החל טעינה מראש על-ידי המשך איטי של התאמת הטבלה עד שהחיוג יעבור שלוש פניות שלמות; לעצור כאשר המחט היא חזרה ל 0.
  7. הזז את הידית הצדדית למיקום "טעינה".
  8. המתן עד שהמחט תפסיק לנוע (5 עד 10 שניות) ואז העבר את הידית בחזרה ל"פריקה ".
  9. הקלט את קשיות רוקוול סי מקריאת חיוג.
  10. 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.

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.

Application 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.

Tags

Rockwell Hardness TestTreatment On SteelHardness TestingMechanical TestsEmpirical ValuesMaterial StrengthPlastic DeformationRockwell type TestingIndentersUntreated SteelHeat treated SteelBrinell Hardness TestVickers Hardness TestKnoop Hardness TestRockwell Hardness BNC TestPenetratorIndentationStructural SteelsManual Rockwell TesterLever SystemAnalog ReadoutPreliminary LoadMajor Load

Skip to...

0:08

Overview

1:01

Principles of the Rockwell Hardness Test

3:38

Measuring Rockwell C Hardness

6:07

Results

6:38

Applications

7:40

Summary

Videos from this collection:

article

Now Playing

בדיקת קשיות רוקוול והשפעת הטיפול על פלדה

Structural Engineering

28.6K Views

article

קבועי חומרים

Structural Engineering

23.6K Views

article

מאפייני מתח-מתח של פלדות

Structural Engineering

111.0K Views

article

מאפייני מתח-מאמץ של אלומיניום

Structural Engineering

89.5K Views

article

בדיקת השפעה צ'רפיה של פלדות מגולגלות קרות וחמות בתנאי טמפרטורה מגוונים

Structural Engineering

32.5K Views

article

כיווץ עמודי פלדה

Structural Engineering

36.3K Views

article

דינמיקה של מבנים

Structural Engineering

11.8K Views

article

עייפות של מתכות

Structural Engineering

41.5K Views

article

בדיקות מתח של פולימרים

Structural Engineering

26.3K Views

article

בדיקת מתח של חומרים פולימריים מחוזקים בסיבים

Structural Engineering

15.2K Views

article

אגרגטים לתערובות בטון ואספלטיות

Structural Engineering

12.4K Views

article

בדיקות על בטון טרי

Structural Engineering

26.1K Views

article

בדיקות דחיסה על בטון מוקשח

Structural Engineering

15.5K Views

article

בדיקות של בטון מוקשח במתח

Structural Engineering

23.8K Views

article

בדיקות על עץ

Structural Engineering

33.2K Views

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Research

Education

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved