הפיזיקה של התהליך
המפתח להבנת המנגנון שמאחורי רמת הקושיות הוא הבנת המבנה הגבישי, או המבנה והסדר של האטומים ברמה האטומית. למעשה, תכונות החומר החשובות ביותר לייצור של מוצרים נקבעות על ידי המבנה
מכאניקת תהליך מדידת רמת קשיות עיקבה (אינדנטציה)
כללי
קשיות היא מידה של עמידות החומר בסוגים שונים של שינוי צורה קבועה כתוצאה מכוח דחיסה. חומרים מסוימים (למשל מתכות) קשים יותר מאחרים (למשל פלסטיקים). קשיות מאקרוסקופית מאופיינת בדרך כלל על ידי קשרים בין-מולקולריים חזקים, אבל ההתנהגות של חומרים מוצקים תחת כוח היא מורכבת. לכן, יש מדידות שונות של רמת קשיות: קשיות שריטה, קשיות עקבה (אינדנטציה), קשיות דינמית (ריבאונד).
רמת הקשיות של החומר תלויה במשיכות, אלסטיות, גמישות, חוזק, קשיחות, ויסקואלסטיות ובצמיגות שלו. דוגמאות נפוצות של חומרים בעלי רמת קשיות גבוהה הן קרמיקה, בטון ומתכות מסוימות, אשר יכולים להתנגד לחומר רך.
תהליך הבדיקה
ישנם שלושה סוגים עיקריים של מדידות קשיות: שריטה, עקבה, ודינמית (ריבאונד). בתוך כל אחד מסוגי המדידה יש סקלות מדידה נפרדות. מסיבות מעשיות, משתמשים בטבלאות המרה להמרה בין סולם אחד למשנהו.
רמת קשיות שריטה: רמת קשיות שריטה היא מדד הבודק עד כמה עמיד הדגם בדפורמציה פלסטית קבועה הנובעת מחיכוך עם חפץ חד. העיקרון הוא שאובייקט העשוי מחומר קשה שורט אובייקט העשוי מחומר רך יותר.
כאשר מבצעים את הבדיקה על ציפויים, רמת קשיות שריטה מתייחסת לכוח הדרוש כדי לשרוט את הציפוי עד המצע.
המבחן הנפוץ ביותר של רמת קשיות שריטה הוא סולם מוס, אשר משמש בעיקר במינרלוגיה. כלי המדידה הוא הסקלרומטר.
קשיות עיקבה (אינדנטציה): רמת קשיות עיקבה מודדת את ההתנגדות של דגם לעיוות הנובע עומס דחיסה מתמיד מחפץ חד. משמשים בשיטות אלו בעיקר בתחומי ההנדסה והמתכות. הבדיקות פועלות על הנחת היסוד של מדידת הממדים הקריטיים של העיקבה שנותרה על ידי חודרן בעל ממדים ידועים אשר נדחס לתוך החומר בעומס ידוע. סקאלות מקובלות של רמת קשיות עיקבה הן רוקוול, ויקרס, שור וברינל.
קשיות דינמית (ריבאונד): רמת קשיות דינמית מודדת את גובה הקפיצה של פטיש עם חוד יהלום שנפל מגובה קבוע על גבי החומר. סוג זה של קשיות קשורה בגמישות. המכשיר המשמש למדידה זו ידוע כסקלוסקופ. שתי הסקלות המקובלות של רמת קשיות דינמית הן רמת קשיות לייב ורמת קשיות בנט.
בדיקת רמת קשיות
יש לך עוד שאלות?
ניתן לפנות אלינו בכל שאלה בתחום מטלורגיה, בדיקות, חומרים וחקרי כשל בטלפון:
052-5912775
או במייל:
info@metallabs.co.il
בנוסף, ניתן לפנות אלינו בכל שאלה:
יש ערך נוסף שאתה מעוניין בו או שאתה רוצה להוסיף ערך נוסף?
פנה אלינו בטלפון:
052-5912775
או במייל:
info@metallabs.co.il
בנוסף, ניתן לפנות אלינו בכל בקשה:
מכניקת תהליך מדידת רמת קשיות עיקבה
בדיקות קשיות עיקבה משמשת במחקר ההנדסי ובתעשיה במטרה לקבוע את התנגדות החומר לעיוות. קיימות מספר שיטות מדידה כאלה, שבהן החומר הנבדק נלחץ עד להיווצרות עיקבה (אינדנטציה); בדיקות אלו יכולות להתבצע בקנה מידה מאקרוסקופי או מיקרוסקופי.
בבדיקת מתכות, ישנו קשר לינארי בין רמת הקשיות לחוזק המתיחה. אבל הקשר אינו מושלם ומתקיים לעתים קרובות בטווחים קטנים של חוזק וקשיות עבור כל שיטת מדידה. קשר זה מאפשר בדיקה חסכונית מבחינה כלכלית של מנות חומר גלם או מוצרים מתכתיים.
עם התקדמות מדע החומרים לקראת הבנת המאפיינים הבסיסיים של החומר בסקאלות קטנות וקטנות, טכניקות חדשות משמשות לבדיקת תכונות החומרים. מדידת תכונות מכניות עבור חומרים בסקאלות קטנות, כמו במקרה של סרטים דקים, לא ניתנת לביצוע על ידי בדיקות מתיחה חד צירית קונבנציונאלית. כתוצאה מכך, פותחו טכניקות של בדיקת רמת קשיות החומר על ידי עיקבה כדי לקבוע תכונות כאלה.
בדיקות קשיות עיקבה כוללת את רוב השיטות המשמשות לבדיקת רמת קשיות, והיא יכולה להיות מחולקת לשני סוגים: בדיקות מיקרו-קשיות ובדיקות מארקרו-קשיות. בדיקות מיקרו-קשיות מבוצעות בדרך כלל על ידי שימוש בכוחות הנמוכים מ-1 ניוטון. קשיות, עם זאת, לא יכול להיחשב כתכונה בסיסית של החומר. במקום זאת, היא מייצגת מידה שרירותית המשמשת כדי לספק הבנה על תכונות חומר בסיסיות. ככזו, קשיות יכולה רק להוות מידע השוואתי של התנגדות החומר לעיוות פלסטי מכיוון ששיטות בדיקת קשיות שונות פועלות בסקלות מדידה שונות.
שיטות בדיקת הקשיות נראות כפשוטות יחסית לביצוע, אך, יש שים לב כי ישנה משמעות גדולה להבנת התוצאות מכיוון שטכניקה ירודה, כיול לקוי של הציוד, והשפעה של הקשיית מעוותים הנוצרת בתהליך יכולות להשפיע מאד על תוצאות המדידה ועל המידע שניתן להפיק מהן. דוגמה אחת היא הפרקטיקה הקיימת בתעשיה להשוות תוצאות של בדיקת מיקרו-קשיות לתוצאות בדיקת מאקרו-קשיות אשר יכולות להיות מושפעות, בחלק מחומרים, מהקשיית המעוותים הנוצרת במהלך הבדיקה.
בבדיקת רמת קשיות אין משמעות לחספוס המשטח הנבדק כל עוד רמת החספוס קטנה באופן משמעותי מהעיקבה. עובדה זו יכולה להיות שימושית כאשר רוצים לבדוק רמת קשיות של משטחים מעשיים.
העיקבה שנותרה לאחר הורדת העומס יכולה "להתאושש" מעט כתוצאה משיחרור של כוחות אלסטיים. בגלל אפקט זה הקוטר והעומק של העיקבה יכולים להכיל שגיאות. השגיאה מהשינוי בקוטר הינה באחוזים בודדים, בעוד שהשגיאה לעומק יכולה להיות גדולה יותר.
השפעה נוספת של הפעלת העומס היא דחיפה מעלה או שוקיעה פנימה של החומר שמסביב לעיקבה. למתכת שעברה הקשיית מעוותים תהייה נטייה לערום ולהקים "מכתש". למתכת שעברה הרפייה תהייה נטייה לשקוע מסביב לעיקבה. שתי ההשפעות הללו מוסיפות לשגיאת המדידה של בדיקת רמת הקשיות.
ערכי רמת הקשיות מדווחים לפעמים ביחידות של לחץ כתוצאה מההגדרה של רמת הקשיות כלחץ המופעל על אזור המגע בין החודרן לבין החומר הנבדק. אם כי מדובר בלחץ "אמיתי" רק אם החודרן מפעיל לחץ בניצב לחלוטין לחומר הנבדק.
ניתן לבצע בדיקות רמת קשיות וכן בדיקות מטלורגיות נוספות במטאלבס
לקבלת הצעת מחיר ניתן לפנות אלינו בטלפון:
052-5912775
או במייל:
info@metallabs.co.il
הגבישי של החומר. ברמה האטומית, האטומים של חומרים מוצקים מסודרים במערך תלת מימדי מסודר הקרוי סריג קריסטלי. במציאות, עם זאת, רוב החומרים לא מכילים סריג גביש יחיד אלה גרעינים רבים, אשר לכל אחד מהם מבנה סריג באורינטציה מסויימת ביחס לאחרים. בקנה מידה קטן עוד יותר, כל גרעין הוא גביש יחיד.
ישנם שני סוגים של אי רציפויות ברמת המיקרו-גרעין אשר אחראים על רמת הקשיות של החומר. אי רציפויות אלה הם פגמי נקודה ופגמי קו.
פגם נקודה הוא אי רציפות הממוקמת באתר סריג יחיד בתוך הסריג התלת מימדי של הגרעין. ישנם שלושה פגמי נקודה מרכזיים. חוסר באטום באתר הסריג נקרא פגם היעדרות. מקרה שבו יש סוג אחר של אטום באתר הסריג נקרא פגם החלפה (או אטום החלפה). מקרה שבו קיים אטום באתר שבו בדרך כלל אין
אטום נקרא פגם חדירה (או אטום חדירה). מצב זה אפשרי מכיוון שקיים חלל בין האטומים בסריג.
בעוד שפגמי נקודה הם אי רציפויות באתר יחיד בסריג הגבישי, פגמי קו הם אי רציפויות על מישור האטומים. נקעים הם סוג של פגם קו הנובע מחוסר תיאום במישורי הגביש. במקרה של נקע קצה, חצי מישור של אטומים נכנס בין שני מישורי אטומים. במקרה של נקע בורגי, שני מישורי אטומים מוסטים זה ביחס לזה באופן מעגלי.
נקעים מאפשרים החלקה של מישורי אטומים ביחס למישורים אחרים ובכך מאפשרים עיוות פלסטי או קבוע. מישורי אטומים יכולים לנוע מצדו האחד של הנקע לצידו השני ביעילות ועל ידי כך לאפשר לנקע לנוע בחומר תוך כדי עיוות החומר. בכך שהחלקת נקעים מאפשרת עיוות פלסטי, היא למעשה מורידה את רמת הקשיות של החומר, בכך שהיא מורידה את התנגדות החומר לעיוות קבוע.
הדרך לעכב את התנועה של מישורי האטומים, ובכך להפוך את החומר לקשה יותר, כרוכה באינטראקציה של נקעים אחד עם השני ועם אטומי חדירה. כאשר נקע מצטלב עם נקע אחר, הוא לא יכול להמשיך
בתנועתו דרך הסריג הגבישי. צומת המפגש של הנקעים יוצרת נקודת עוגן אשר לא מאפשרת למישורי אטומים להמשיך להחליק זה על גבי זה. נקע יכול גם להיות מעוגן על ידי אינטראקציה עם אטומי חדירה. אם נקע בא במגע עם שניים או יותר אטומי חדירה, החלקה של מישורי האטומים שוב תופרע. אטומי החדירה יוצרים נקודות עיגון באותו האופן כמו הצטלבות נקעים.
על ידי שינוי נוכחות של אטומי חדירה וצפיפות נקעים, ניתן לשלוט, ברמה מסויימת, על רמת הקשיות של מתכות. כתוצאה מעליה בצפיפות נקעים, נוצרים צמתים רבים יותר וכתוצאה מכך יותר נקודות עוגן. באופן דומה, צפיפות גדולה יותר שלאטומים חדירה מביאה ליצירת יותר נקודות עוגן, אשר מעכבת את תנועות הנקעים. כתוצאה מכך, ככל שישנן יותר נקודות עיגון, כך החומר יהיה קשה יותר.
שיטות מיקרו-קשיות עקבה
המונח "מיקרו-קשיות" משמש לתיאור בדיקות של רמת קשיות עקבה של חומרים על ידי שימוש בעומסים נמוכים. מונח מדויק יותר הוא "בדיקת רמת קשיות מיקרו-אינדנטציה".
בבדיקת רמת מיקרו-קשיות מוחדר חודרן יהלום בגיאומטריה ספציפית אל פני השטח של הדגם הנבדק באמצעות כוח ידוע (המכונה בדרך כלל "עומס" או "עומס הבדיקה") של 1 עד 1000GF. בשל הייחודיות שלהן, ניתן להשתמש בבדיקות מיקרו-קשיות כדי לבחון שינויים ברמת הקשיות בקנה מידה מיקרוסקופי.
לאומת זאת, נמצא כי רמת המיקרו-קשיות של כמעט כל חומר גבוהה יותר מאשר רמת המאקרו-קשיות שלו. בנוסף, ערכי רמת המיקרו-קשיות משתנים עם עומס הבדיקה והקשיית המעוותים אשר נוצרת במהלך הבדיקה של חומרים רבים.
שתי השיטות המקובלות ביותר של בדיקת מיקרו-קשיות הן שיטות המיושמות גם עם עומסים גבוהים יותר בבדיקות מאקרו-קשיות:
-
רמת קשיות ויקרס (HV)
-
רמת קשיות קנופ (HK)
בבדיקות מיקרו-קשיות, תוצאת רמת הקשיות מבוססת על מדידת גודל העיקבה שנוצרה על פני השטח של הדגם הנבדק והיא מבוססת על הכוח שהופעל מחולק בשטח העיקבה. עבור שיטת ויקרס, נמדדים שני האלכסונים של העיקבה והערך הממוצע משמש לחישוב רמת קשיות ויקרס. בשיטת קנופ, נמדד רק האלכסון הארוך יותר, ורמת הקשיות קנופ מחושבת
שיטות מאקרו-קשיות אינדנטציה
המונח מקרו-קשיות עקבה מתייחס לבדיקות בעומס גדול יותר, כגון 1 kgf או יותר. קיימות שיטות מקרו-קשיות שונות, כולל:
-
מת קשיות ויקרס (HV), אשר כוללת את סקלת המדידה הרחבה ביותר.
-
רמת קשיות ברינל (HB)
-
רמת קשיות קנופ (HK), המתאימה לבדיקת שטחים קטנים
-
רמת קשיות ג'אנקה, המתאימה לבדיקת קשיות לעץ
-
רמת קשיות מאייר
-
רמת קשיות רוקוול (HR) המשמשת במדידת עומק חדירת החודרן
-
בדיקת קשיות שור, המשמשת עבור בדיקת פולימרים
-
בדיקת קשיות ברקול, המשמשת עבור חומרים מרוכבים.
באופן כללי, אין קשר פשוט בין התוצאות של בדיקות הקשיות השונות. למרות שקיימים לוחות המרה מעשיים עבור סוגים מסויימים של מתכות, אך חומרים מסוימים עשויים להראות תוצאות רמת קשיות שונות במדידה בסקאלות מדידה שונות. רמת קשיות ויקרס ורמת קשיות ברינל מתואמים היטב על פני טווח רחב, עם זאת, תוצאות רמת קשיות ברינל עלולות לספק ערכי קשיות גבוהים מידי בעומסים גבוהים.
ניתן לבצע בדיקות רמת קשיות וכן בדיקות מטלורגיות נוספות במטאלבס
לקבלת הצעת מחיר ניתן לפנות אלינו בטלפון:
052-5912775
או במייל:
info@metallabs.co.il
על פי שטח העקבה מחולק בכוח המיושם.
שיטת מיקרו-קשיות ויקרס מבוצעת באופן דומה לבדיקות מאקרו-קשיות ויקרס, באמצעות פירמידה שוות צירים. בדיקת קנופ משתמשת בחודרן בעל פירמידה מאורכת. פירמידה מוארכת זו יוצרת עקבה רדודה, אשר מתאימה במיוחד למדידת רמת הקשיות של חומרים פריכים או רכיבים דקים. שץי השיטות, ויקרס וקנופ, דורשות ליטוש מוקדם של פני השטח על מנת להשיג תוצאות מדויקות.
לשיטת ויקרס יש יתרון גדול עלשיוטות אחרות בכך שסולם קשיות אחד מאפשר להשוות את כל רמות הקשיות של כל החומרים. אך עבור כל עומס נתון, רמת הקשיות גדלה במהירות עבור אורכי אלכסונים קצרים, כאשר ההשפעה הופכת לבולטת יותר עם ירידת העומס. כך שבעומסים נמוכים, שגיאות מדידה קטנות יפיקו חריגות גדולות במדידת רמת הקשיות. לכן יש תמיד להשתמש בעומס הגבוה ביותר הניתן בבדיקה.
