בדיקת קשיות רוקוול והשפעת הטיפול על פלדה

ישנן מספר שיטות נפוצות למדידת קשיות, הכוללות ברינל (H_B),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 (σ_u) יכול להיות קשור קשיות Brinell שלה (H_B) 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.

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.

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.