صلابة برينل HBW - طريقة القياس، المقياس، الصيغة والتطبيق

تُعدّ صلابة برينل إحدى الطرق الأساسية لتقييم صلابة المعادن والسبائك. تتضمن هذه الطريقة ضغط رأس كروي من كربيد التنجستن على سطح المادة المراد اختبارها، ثم قياس قطر الانخفاض الدائم المتبقي بعد إزالة الحمل. تُسجّل نتيجة الاختبار على النحو التالي: HBW.
تُعدّ طريقة برينل مفيدةً للغاية لاختبار الفولاذ الإنشائي، والحديد الزهر، والمطروقات، والمسبوكات، والسبائك غير الحديدية. وبفضل عمق الانبعاج الكبير نسبيًا، تُحقق هذه الطريقة نتائج جيدة أيضًا على المواد ذات البنية غير المتجانسة، إذ تغطي النتيجة مساحةً أكبر من المادة المختبرة مقارنةً بالطرق التي تستخدم انبعاجات صغيرة جدًا.

ماذا تعني صلابة برينل HBW؟

تحدد صلابة برينل مقاومة المادة للتشوه البلاستيكي الموضعي الذي يحدث عند الضغط على رأس كروي تحت حمل معين.
في الوقت الحاضر، التسمية المستخدمة هي HBW:

• H - الصلابة،
• B – برينيل،
• W – أداة ضغط مصنوعة من كربيد التنجستن.

تستخدم الوثائق الفنية القديمة أيضًا التسمية HB . ومع ذلك، يتم إجراء اختبار برينل الحديث باستخدام كرة من كربيد التنجستن، لذا فإن التسمية الصحيحة للنتيجة هي HBW.

ما هي طريقة برينل؟

يبدأ الاختبار باختيار قطر الكرة وقوة التحميل المناسبة. ثم تُضغط الكرة على سطح العينة لفترة زمنية محددة.
بعد إزالة الحمل، تبقى بصمة كروية دائمة على السطح. ويتم قياس قطرها في أغلب الأحيان في اتجاهين متعامدين.
تُستخدم القيمة المتوسطة في الحسابات:
د = (د₁ + د₂) / 2
حيث:

• د₁ – قطر الانطباع في الاتجاه الأول،
• د₂ – قطر الانطباع في الاتجاه العمودي،
• d – متوسط ​​قطر الطباعة.

يمكن عرض تصميم الدراسة على النحو التالي:
اختيار الكرة ← اختيار القوة ← تطبيق الحمل ← تثبيت الحمل ← تخفيف الحمل ← قياس قطر الانبعاج ← تحديد عرض الشق HBW

تركيبة صلابة برينل

ترتبط صلابة برينل بقيمة القوة المطبقة ومساحة البصمة الكروية.
في النظام الدولي للوحدات، يمكن التعبير عن ذلك من خلال العلاقة التالية:
HBW = 0,102 × 2F / [πD(D − √(D² − d²))]
حيث:

• F – قوة التحميل [نيوتن]،
• D – قطر الكرة [مم]،
• d – متوسط ​​قطر الطبعة [مم]،
• 0,102 – معامل مرتبط بالطريقة التاريخية للتعبير عن القوة بالكيلوجرامات.

كلما كان الأثر الناتج أصغر بالنسبة لقطر كرة معينة وقوة معينة، زادت صلابة المادة.
تسمح المواد اللينة للمُثبِّت بالاختراق بشكل أعمق، مما ينتج عنه قطر انبعاج أكبر. أما المواد الصلبة فتُوفر مقاومة أكبر وتُنتج انبعاجًا أصغر.

أداة برينل للضغط

في الوقت الحاضر، يكون رأس الضغط المستخدم في طريقة برينل هو كرة من الكربيد التنجستن.
يجب أن يكون رأس الضغط أكثر صلابة بكثير من المادة التي يتم اختبارها ومقاومًا للتشوه أثناء القياس.
سيؤدي تشوه الكرة نفسها إلى تغيير في هندسة التلامس مع العينة وسيؤدي إلى نتائج خاطئة.

أقطار الكرات المستخدمة في طريقة برينل

يتم استخدام أقطار مختلفة للمجسات اعتمادًا على نوع المادة وأبعاد العينة والمنهجية المطلوبة.

يجب اختيار قطر الكرة بشكل مناسب للمادة المراد اختبارها وسمكها. قد يؤدي استخدام كرة كبيرة جدًا أو حمل ثقيل جدًا إلى اختراق مفرط للعينة الرقيقة.

حمل اختبار برينل

يتم اختيار قوة التحميل بناءً على قطر الكرة ونوع المادة التي يتم اختبارها.
عملياً، يتم تطبيق مبدأ الحفاظ على النسبة المناسبة بين قوة التحميل ومربع قطر الكرة:
F ∝ D²
في تدوين الكيلوغرام-القوة التقليدي، يمكن كتابة العلاقة على النحو التالي:
F = K × D²
gdzie K هو معامل يعتمد على مجموعة المادة المختبرة.
من خلال الحفاظ على نسبة القوة المناسبة إلى قطر الكرة، من الممكن الحصول على نتائج قابلة للمقارنة عند استخدام أقطار مختلفة للمُدخل.

معامل تحميل برينل

تُستخدم عوامل تحميل مختلفة لمجموعات مختلفة من المواد. تتطلب المواد الصلبة أحمالاً أعلى، بينما يتم اختبار المواد اللينة عند قيم أقل.

ينبغي أن ينتج الاختيار الدقيق لقطر الكرة والقوة ومدة التحميل عن المعيار المناسب ونوع المادة التي يتم اختبارها.

HBW 10/3000 – ماذا يعني ذلك؟

أحد أكثر الأنظمة تميزًا المستخدمة في اختبار الصلب هو:
HBW 10/3000
وهذا يعني استخدام:

• كرات من كربيد التنجستن بقطر سماكة 10 ملم,
• القوة المقابلة للحمل التاريخي 3000 كجمأي ما يقارب 29,42 kN.

إذا تم الحصول على صلابة مقدارها 250 في ظل هذه الظروف، فيمكن كتابة النتيجة على النحو التالي:
250 درجة فهرنهايت 10/3000
ينبغي أن تُمكّن علامة الصلابة من تحديد الظروف الأساسية التي تم في ظلها إجراء الاختبار.

كيف يتم قياس قطر البصمة؟

بعد إزالة الحمل، يتم قياس قطر الانطباع باستخدام نظام بصري أو رقمي.
يتم إجراء القياس في اتجاهين متعامدين.
إذا كان الانطباع صحيحًا وتم تحضير سطح العينة بشكل صحيح، فيجب أن يكون الفرق بين d₁ و d₂ صغيرًا.
قد تحدث مشاكل في القراءة في الحالات التالية:

• سطح غير مستوٍ أو خشن،
• وجود مقياس،
• تباين واضح في خصائص المادة،
• بنية مجهرية غير متجانسة،
• تشوه العينة،
• سُمك العنصر المختبر صغير جدًا.

أهمية تحضير السطح

ينبغي أن يسمح سطح العنصر المختبر بتحديد دقيق لحدود البصمة.
لا يتطلب الأمر دائمًا تلميعًا دقيقًا للغاية، كما هو الحال مع قياسات الصلابة الدقيقة لفيكرز، ولكن يجب أن يكون السطح:

• ينظف،
• خالٍ من القشور المتناثرة،
• خالٍ من الخدوش العميقة،
• مسطحة بما فيه الكفاية،
• مدعومة بثبات أثناء الفحص.

كما يجب ألا تتسبب المعالجة السطحية في ارتفاع درجة الحرارة الموضعية أو السحق الذي من شأنه أن يغير صلابة الطبقة السطحية.

سمك العينة ونتيجة HBW

يجب أن يكون العنصر المختبر ذا سمك مناسب بالنسبة لعمق الانطباع الناتج.
إذا كانت العينة رقيقة جدًا، فقد يؤثر الركيزة أو الدعامة على نتيجة القياس.
قد يؤدي انخفاض السماكة أيضًا إلى تشوه مرئي للسطح المقابل.
لذلك، يجب أن يأخذ اختيار قطر الكرة والحمل في الاعتبار دائمًا سمك العنصر المختبر.

المسافة بين الانطباعات ومن حافة العينة

يؤدي تأثير التبرقش إلى تشوه بلاستيكي موضعي ليس فقط أسفل الكرة مباشرة ولكن أيضًا في بعض المناطق المحيطة بها.
ولهذا السبب، لا يمكن ترك انطباعات لاحقة متقاربة جداً.
يجب عليك أيضاً الحفاظ على مسافة مناسبة من حافة العنصر الذي يتم اختباره.
إذا تم أخذ الانطباعات متقاربة جدًا، فقد تتداخل مناطق التشوه وتؤثر على نتيجة القياس التالي.

نطاق تطبيق طريقة برينل

تُعد طريقة HBW مفيدة بشكل خاص للمواد التي يسمح فيها الانخفاض الكبير بمتوسط ​​الاختلافات الميكروية المحلية.
يُستخدم، من بين أمور أخرى، لفحص ما يلي:

• الفولاذ الإنشائي,
• الفولاذ منخفض السبائك،
• الفولاذ بعد التلدين i التطبيع,
• حديد الزهر الرمادي،
• حديد مطاوع،
• الفولاذ المصبوب،
• المشغولات المطروقة,
• المسبوكات،
• سبائك الألومنيوم،
• سبائك نحاس,
• البرونز والنحاس الأصفر.

لماذا يعمل طلاء برينل بشكل جيد على الحديد الزهر والمسبوكات؟

تتميز الحديد الزهر والعديد من المواد المصبوبة ببنية مجهرية غير متجانسة.
قد تظهر مكونات هيكلية مختلفة ذات صلابة مختلفة ضمن منطقة صغيرة.
مع وجود انبعاج صغير جدًا، يمكن أن تعتمد النتيجة بشكل كبير على المكون الذي اصطدم به جهاز الانبعاج من البنية المجهرية.
يغطي انخفاض برينل الكبير حجمًا أكبر من المادة وينتج عنه نتيجة متوسطة أكثر تمثيلاً.
هذه إحدى أعظم مزايا طريقة HBW.

برينل والفولاذ المقوى

لا تُعد طريقة برينل عادةً الخيار الأول لقياس المواد الصلبة جداً. متصلب فُولاَذ.
عند الصلابة العالية، يصبح الانبعاج صغيرًا نسبيًا، مما يجعل من الصعب قياس قطره بدقة ويقلل من الفائدة العملية للطريقة.
تُستخدم الطرق التالية بشكل أكثر شيوعًا لاختبار الفولاذ المقوى:

• روكويل إتش آر سي,
• فيكرز إتش في.

ومع ذلك، يظل مقياس برينل مفيدًا للغاية في نطاق الصلابة المنخفضة والمتوسطة.

برينل مقابل روكويل - أهم الاختلافات

برينل وفيكرز – أهم الاختلافات

تعتمد طريقة فيكرز على استخدام أداة قياس ماسية على شكل هرم بقاعدة مربعة. ويتم قياس أقطار الانخفاض، وليس قطره.
تتيح تقنية فيكرز اختبار نطاق واسع جدًا من الصلابة ومساحات أصغر بكثير من المادة.
ومع ذلك، فإن برينل مفيد بشكل خاص عندما تكون هناك حاجة إلى قيمة تمثل مساحة أكبر من المادة.

مزايا طريقة برينل

تشمل أهم المزايا ما يلي:

• إمكانية تكرار القياس بشكل جيد مع تحضير العينة بشكل صحيح،
• بصمة كبيرة تمثل متوسط ​​عدم تجانس البنية،
• تطبيق ممتاز للمسبوكات والمطروقات،
• إمكانية اختبار الفولاذ والحديد الزهر والعديد من سبائك المعادن غير الحديدية،
• تاريخ صناعي عريق وتوافر واسع للبيانات المقارنة،
• إمكانية وجود علاقة تقريبية بين الصلابة وقوة الشد لبعض أنواع الفولاذ.

عيوب وقيود طريقة برينل

كما أن لهذه الطريقة قيودًا:

• يترك أثراً دائماً كبيراً نسبياً،
• غير مناسب للعناصر الرقيقة جدًا،
• ليست هذه أفضل طريقة للفولاذ شديد الصلابة،
• يتطلب ذلك قياسًا بصريًا لقطر البصمة،
• أبطأ من طريقة روكويل،
• غير مناسب لفحص مناطق صغيرة جدًا من البنية المجهرية،
• يجب أن يسمح سطح العينة بقراءة صحيحة لحدود البصمة.

صلابة برينل وقوة الشد Rm

بالنسبة للعديد من أنواع الفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك، توجد علاقة تقريبية بين صلابة برينل وقوة الشد.
يمكن إيجاد العلاقة التالية تقريبًا:
Rm ≈ 3,4–3,6 × HBW
حيث:

• Rm – قوة الشد [ميجا باسكال]،
• HBW – صلابة برينل.

على سبيل المثال، بالنسبة لصلابة تبلغ حوالي 200 HBW، يمكن الحصول على:
Rm ≈ 700 ميجا باسكال
ومع ذلك، فإن هذه العلاقة تقريبية ولا ينبغي تطبيقها تلقائياً على جميع المواد.
ينبغي توخي الحذر الشديد في الحالات التالية:

• الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي,
• الفولاذ المزدوج والفولاذ فائق المزدوج،
• الفولاذ المقوى بالترسيب,
• حديد الزهر،
• سبائك الألومنيوم,
• سبائك النيكل.

تحويل HBW إلى HRC و HV

في الممارسة الصناعية، غالباً ما يكون من الضروري مقارنة نتيجة برينل مع صلابة روكويل أو فيكرز.
ينبغي إجراء هذا التحويل بناءً على جداول التحويل المناسبة.
لا توجد علاقة رياضية عالمية واحدة صالحة لجميع المعادن.
أمثلة على القيم التقريبية للصلب:

ينبغي اعتبار هذه القيم تقريبية. وتعتمد الحسابات الدقيقة على نوع المادة التي يتم اختبارها ونطاق صلابتها.

أخطاء عند قياس صلابة برينل

تشمل أكثر مصادر الخطأ شيوعاً ما يلي:

• سطح غير مُجهز بشكل صحيح،
• اختيار غير صحيح لقطر الكرة،
• حمل قليل جدًا أو حمل كثير جدًا،
• عينة رقيقة جداً،
• ترك انطباع قريب جدًا من الحافة،
• مما يجعل الانطباعات اللاحقة متقاربة للغاية،
• قياس غير صحيح لقطر البصمة،
• تشوه أو تآكل أداة الضغط،
• دعم غير مستقر للعنصر المختبر،
• تم التحقق من صحة جهاز قياس الصلابة بشكل خاطئ.

معايير طريقة برينل

المعيار الدولي الأساسي لاختبار صلابة برينل هو ISO 6506.
تتضمن السلسلة، من بين أمور أخرى، متطلبات طريقة الاختبار نفسها، وفحص الآلة، ومعايرة معايير الصلابة، وجداول قيم الصلابة.

المعيار الحالي المنشور لطريقة اختبار ISO هو ISO 6506-1:2014 . هذا المعيار لا يزال ساريًا، ولكن يجري إعداد نسخة جديدة منه. أما في نظام ASTM، فالنسخة النشطة حاليًا هي ASTM E10-23.

ISO 6506-1 و ASTM E10

يصف كلا المستندين اختبار صلابة برينل للمواد المعدنية، ولكن لا ينبغي افتراض أن كل تفاصيل الإجراء متطابقة.
إذا كانت متطلبات القبول أو الطلب أو وثائق العميل أو معيار المواد تحدد طريقة معينة، فيجب إجراء الاختبار وفقًا للوثيقة المشار إليها.
وهذا الأمر بالغ الأهمية في حالة:

• اختبارات القبول،
• شهادات المواد،
• ضبط الجودة،
• تم إجراء الفحوصات المخبرية للعميل،
• مقارنة النتائج من مختبرات مختلفة.

أين يُستخدم قياس عرض الجسم (HBW) عمليًا؟

تُستخدم صلابة برينل، من بين أمور أخرى، في:

• علم المعادن،
• مسبك،
• التشكيل بالحدادة،
• إنتاج مكونات الآلات،
• مراقبة مواد البناء،
• اختبار منتجات الصلب شبه المصنعة الكبيرة،
• قبول المسبوكات والمطروقات،
• مختبرات المواد.

يمكن إجراء القياس على عينات المختبر وعلى أجزاء من العناصر الأكبر حجماً تم تحضيرها بشكل مناسب.

هل يُعتبر دليل الأعمال التاريخية (HBW) قيمة مادية؟

الصلابة ليست ثابتًا ماديًا مستقلًا عن ظروف الاختبار.
تعتمد قيمة HBW، من بين أمور أخرى، على ما يلي:

• نوع المادة،
• البنى المجهرية،
• حالة المعالجة الحرارية،
• درجة تصلب العمل،
• شروط إجراء القياس،
• حالة سطح العينة.

لذلك، عند مقارنة النتائج، ينبغي دائمًا إيلاء الاهتمام لظروف الاختبار وحالة المادة.

صلابة برينل والمعالجة الحرارية للفولاذ

يمكن أن يكون HBW معيارًا مفيدًا جدًا للتحكم في فعالية المعالجة الحرارية.
يؤدي التغير في البنية المجهرية أثناء التلدين أو التطبيع أو المعالجة الحرارية أو غيرها من العمليات إلى تغير في الصلابة.
وبالتالي يمكن استخدام القياس كطريقة سريعة للتحقق مما إذا كانت المادة قد حققت النطاق المتوقع من الخصائص.
ومع ذلك، لا ينبغي اعتبار الصلابة وحدها بديلاً كاملاً عن الاختبار:

• Rm – قوة الشد,
• Rp0,2 – قوة الخضوع التقليدية,
• أ – ملحقات,
• KV - قوة الصدم.

قد يكون لمادتين متشابهتين في الصلابة خصائص مختلفة من حيث الليونة أو قوة الصدم أو مقاومة الكسر.

تُعد طريقة برينل طريقة كلاسيكية ولا تزال ذات أهمية بالغة لقياس صلابة المعادن. وتتمثل ميزتها الأساسية في استخدام كرة من كربيد التنجستن وتحديد الصلابة بناءً على قطر الانبعاج الدائم.
تتمثل أكبر ميزة لتقنية HBW في القدرة على الحصول على نتيجة تمثيلية للمواد ذات البنية غير المتجانسة، وهذا هو السبب في أن هذه الطريقة تحظى بشعبية خاصة عند اختبار الفولاذ الإنشائي والحديد الزهر والمسبوكات والمطروقات.
تتطلب النتيجة الصحيحة الاختيار المناسب لقطر الكرة، والحمل، وسماكة العينة، والمسافة بين الطبعات، وإعداد السطح بشكل صحيح.
في الاختبارات الفنية، ينبغي تطبيق متطلبات المعايير ذات الصلة، وخاصة ISO-6506 1 oraz ASTM E10.

التطبيق – محول الصلابة: برينل HB، روكويل HRC، فيكرز HV، كنوب، موس

صلابة المعادن والفولاذ - طرق القياس، ومقاييس الصلابة، والتحويل
صلابة روكويل HRC و HRB و HRA - طريقة القياس والمقاييس والتطبيقات
صلابة برينل HBW - طريقة القياس، المقياس، الصيغة والتطبيق
صلابة فيكرز (HV) - طريقة القياس، الصيغة والتطبيق
صلابة كنوب HK - طريقة القياس، الصلابة المجهرية والتطبيق
مقياس موس – جدول لصلابة المعادن والمواد
تحويل الصلابة HBW و HRC و HRB و HV – جداول التحويل