تحويل الصلادة والعلاقات بين الخواص في الفولاذ

ما الذي يعنيه تحويل الصلادة فعليًا؟

تحويل الصلادة هو مواءمة تجريبية بين مقاييس الاختبار. وهو لا يغيّر المادة، ولا يعيد إنتاج البصمة الأصلية، ولا يكشف عن قيمة «حقيقية» مخفية للصلادة. عندما يُختبر فولاذ بطريقة برينل وتُسجَّل النتيجة على أنها 210 HBW، فإن هذا الرقم ينتج عن استخدام مُختبر اختراق محدد، وقوة محددة، وزمن مكوث محدد، وقياس محدد للبصمة. وإذا أُبلغ عن النتيجة نفسها على أنها تقارب 21 HRC من خلال جدول تحويل، فهذا لا يعني أن اختبار روكويل قد أُجري. فقيمة HRC مستنتجة من علاقة أُنشئت باستخدام مواد وظروف اختبار قابلة للمقارنة.

ويكتسب هذا التمييز أهمية لأن مقاييس الصلادة تقيس استجابات مترابطة، لكنها مختلفة. تستخدم صلادة برينل قطر بصمة كبيرة نسبيًا أحدثتها كرة من الكربيد. وتستخدم صلادة فيكرز هرمًا ماسيًا، وتحسب الصلادة من القوة المسلطة والقطرين المتعامدين للبصمة. أما صلادة روكويل فتحدد العمق تحت تأثير قوتين ابتدائية وكلية محددتين؛ ويستخدم مقياس HRC مخروطًا ماسيًا وقوة كلية مقدارها 150 kgf. وليست هذه الأرقام وحدات مختلفة لكمية فيزيائية عالمية واحدة.

الصلادة المقاسة مقابل الصلادة المحوَّلة

ترتبط القيمة المقاسة بالاختبار الذي أُجري فعليًا. فتقرير مختبري ينص على 210 HBW 10/3000 يحدد مقياس برينل، وكرة كربيد قطرها 10 mm، وقوة اسمية مقدارها 3000 kgf. أما «500 HV10» فتحدد اختبار فيكرز أُجري بقوة مقدارها 10 kgf. و«32 HRC» تحدد نتيجة روكويل C تم الحصول عليها وفق الشروط المقررة لذلك المقياس. وتشكل اللواحق وتفاصيل الاختبار جزءًا من النتيجة، وليست عناصر تزيينية اختيارية.

ينبغي الإبلاغ عن الصلادة المحوَّلة منفصلةً عن المقياس المقاس مباشرة. Strong evidence

ينبغي وسم القيمة المحوَّلة بوضوح على أنها كذلك. فعلى سبيل المثال، تنقل العبارة «210 HBW، وتقارب 21 HRC وفقًا للمواصفة ASTM E140-12» حقيقتين منفصلتين: القيمة الأولى مقاسة، بينما الثانية قُرئت أو حُسبت من علاقة ارتباط معتمدة. وقد يؤدي الإبلاغ عن «21 HRC» فقط إلى ظهور قيمة مستنتجة كما لو أنها قِيست مباشرة، وهو أمر مضلل عندما يمكن أن تؤثر حالة السطح، أو سُمك المقطع، أو اختيار المقياس في النتيجة.[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

تقدم المواصفة ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، علاقات تقريبية بين مقاييس برينل، وفيكرز، وروكويل، وروكويل السطحي، وكنوب، وسكليروسكوب، وليب، وذلك لمعادن محددة. وتشمل جداولها أنواعًا متجانسة من الفولاذ الكربوني، وسبائكي، وعدة فولاذ، لكن وجود فئة للفولاذ لا يجعل كل درجة قابلة للاستبدال بالأخرى. وتذكر ASTM أن «التحويلات تتأثر بالسبائك، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية» (ASTM International, 2012). فقد يُظهر فولاذ 4140 المقسى والمراجَع، وفولاذ AISI 1020 المطبع، وفولاذ 301 غير القابل للصدأ المشغَّل على البارد، علاقات مختلفة حتى عندما تكون قراءاتها على أحد المقاييس متشابهة.

وتؤثر الهندسة أيضًا في صلاحية القياس قبل إجراء أي تحويل. فقد تُظهر الصفيحة الرقيقة تأثيرًا مفرطًا للسطح المقابل في اختبار برينل أو فيكرز. ويمكن لجزء منحنٍ أن ينتج بصمة مشوهة أو عمق روكويل مفسرًا تفسيرًا غير صحيح. كما أن البصمة الصغيرة الموضوعة بالقرب من حافة، أو بصمة أخرى، أو لحام، أو سطح منزوع الكربون، قد لا تمثل المادة السائبة. ولا يستطيع التحويل تصحيح موضع اختبار اختير بصورة سيئة أو كان غير صالح.

جداول التحويل والارتباطات والتقديرات

جدول التحويل هو ملخص ملائم لنتائج الاختبارات، يُقسَّم عادةً حسب مجموعة المادة ونطاق الصلادة. وهو ليس تطابقًا رياضيًا بين المقاييس. وضمن النطاق المستخدم لإنشاء الجدول، قد يكون متوسط الفرق بين المقاييس المقاسة صغيرًا؛ أما خارج ذلك النطاق، فقد يزداد الخطأ زيادة حادة. ويكون الاستيفاء داخل نطاق محدد أكثر قابلية للدفاع عنه عمومًا من الاستقراء خارج ذلك النطاق.

وتوفر المعادلات النوع نفسه من العلاقة في صورة أخرى. فقد يكون الارتباط خطيًا ضمن نطاق محدود، أو متعدد الحدود، أو قائمًا على انحدار ملائم لمجموعة معينة من أنواع الفولاذ. وتصف المعاملات تلك المجموعة، ولا تؤسس قانونًا فيزيائيًا لجميع أنواع الفولاذ. وقد ينشأ التشتت من هندسة مُختبر الاختراق، والارتداد المرن، والجريان اللدن، وتباين الخواص، وإعداد السطح، والتغيرات في البنية المجهرية.[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

يحد المعيار ISO 18265 من قابلية التطبيق المباشر للقيم المحوَّلة على المادة المحددة التي اختُبرت، ويصنّف تقديرات مقاومة الشد على أنها الأقل موثوقية. Strong evidence

تحدد المواصفة ISO 18265:2013، المواد المعدنية—تحويل قيم الصلادة، مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد. وتحذر من أن «القيم المحوَّلة تنطبق مباشرةً فقط على المادة المحددة التي اختُبرت»، كما تحدد تقديرات مقاومة الشد على أنها أقل التحويلات موثوقية (International Organization for Standardization, 2013). ويحدد هذا التحذير ترتيب الثقة المناسب: فالنتيجة المباشرة للصلادة هي الأقوى، والتحويل إلى مقياس صلادة آخر أقل يقينًا، أما تقدير مقاومة الشد فأقل يقينًا من ذلك مرة أخرى.[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

وجدت دراسة NIST الأقدم للعلاقات التجريبية بين روكويل وبرينل، المنشورة عام 1929، أن مقاومة الشد في الفولاذ يمكن غالبًا تقديرها من صلادة برينل لأغراض تجارية. ويُعد قيد «الأغراض التجارية» مهمًا. فهذا يدعم الفحص الأولي، والتحقق من العمليات، والمقارنة التقريبية بين المواد؛ لكنه لا يحل محل اختبار الشد عندما تعتمد مواصفة أو حساب تصميم أو تحقيق في عطل أو قرار قبول على إجهاد الخضوع، أو مقاومة الشد القصوى، أو الاستطالة، أو النقص في المساحة.

تنطبق العلاقة التقريبية Hᵥ ≈ 3σUTS فقط على بعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة. Limited evidence

من العلاقات المتكررة كثيرًا العلاقة Hᵥ ≈ 3σUTS لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة، مع التعبير عن الصلادة بوحدة إجهاد متوافقة. وقد ربط بحث نُشر في Materials Science and Engineering: A عام 2012 هذا التقريب بفئات معينة من المواد، وأظهر أيضًا أن نسب الصلادة إلى المقاومة تعتمد على البنية المجهرية وشكل البصمة. ولذلك ينبغي التعامل مع هذه العلاقة على أنها تقدير خاص بفئة معينة، لا قاعدة تحويل تنطبق على كل أنواع الفولاذ الكربوني أو السبائكي.

لماذا لا يمكن لرقم واحد أن يمثل كل أنواع الفولاذ؟

تصف درجة الفولاذ تركيبه الكيميائي ومواصفته، ولا تصف حالة ميكانيكية واحدة. فقد يُورَّد AISI 1045 على هيئة فولاذ مدرفل على الساخن، أو مطبع، أو ملدن، أو مقسى ومراجَع، أو مقسى سطحيًا. وتغير كل حالة من هذه الحالات توزيع الأطوار، وحجم الحبيبات، والإجهاد المتبقي، وسلوك التشوه. ولذلك يمكن أن تكون لعينة من الدرجة الاسمية نفسها علاقات مختلفة بين الصلادة والمقاومة. فقد تصف قراءة سطحية على فولاذ 8620 مكربن طبقة مارتنسيتية، بينما تصف قراءة أعمق قلبًا منخفض الكربون؛ ومن ثم لا يمكن لرقم محوَّل واحد أن يمثل المنطقتين معًا.[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

يذكر التقرير الفني لـ SAE، اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة (1967)، أن التحويلات الدقيقة يجب تطويرها لتركيب الفولاذ ومعالجته الحرارية والجزء المحدد، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة. وينطبق ذلك بصفة خاصة على الأجزاء الملحومة، والمطروقات، والمناطق المتأثرة بالحرارة، والمكونات ذات التدرجات الحرارية الكبيرة.

ووجد بحث أُبلغت نتائجه في Materials Today: Proceedings عام 2023 علاقة تجريبية خطية عمومًا بين صلادة برينل ومعلمات مقاومة الشد في أنواع الفولاذ الإنشائي التاريخية والمعاصرة غير السبائكية، وهي في حالتها الخام أو المطبعة. وتكمن فائدة هذه النتيجة تحديدًا في أن حدود انطباقها مذكورة. ولا ينبغي نقلها من دون تحقق إلى فولاذ عدة مقسى ومراجَع، أو فولاذ غير قابل للصدأ مقسى بالترسيب، أو صفيحة باينيتية، أو منتج مشغَّل على البارد بدرجة كبيرة.

والقاعدة العملية بسيطة: لا يكون التحويل ذا معنى إلا ضمن عائلة المادة، وحالتها، ونطاق الاختبار، وهندستها التي طُوِّرت العلاقة من أجلها. وإذا كان القرار يعتمد على خواص الشد، فأجرِ اختبار شد. وإذا وجب الإبلاغ عن قيمة صلادة محوَّلة، فاحتفظ بالمقياس المقاس مباشرةً، وحدد معيار التحويل أو المعادلة، واذكر حالة المادة والنطاق، ووسم النتيجة بأنها تقريبية.

مقاييس الصلادة المستخدمة للفولاذ

صلادة الارتداد الديناميكيصلادة الارتداد الديناميكي صلادة تُستنتج من نسبة سرعتي التصادم والارتداد بدلًا من استنتاجها من أثر انطباع ساكن.

تُبلَّغ صلادة الفولاذ وفق عدة مقاييس، لأن اختبارًا واحدًا لا يناسب كل مقطع أو سطح أو بنية مجهرية. وقد تنتج القيمة عن أثر غائر ساكن كبير، أو أثر ماسي صغير، أو ارتداد ديناميكي. وهذه القياسات غير قابلة للتبادل بحكم التعريف. فالقيمة المقاسة وفق مقياس HRC ليست الكمية الفيزيائية نفسها التي تمثلها قيمة مُبلَّغ عنها وفق HBW، حتى عندما يعيّن جدول التحويل لهما أرقامًا متكافئة تقريبًا.

يعتمد اختيار المقياس على الصلادة المتوقعة، وسُمك المقطع، وتشطيب السطح، والدعم الموجود أسفل موضع الاختبار، وما إذا كان الفولاذ يحتوي على تدرجات موضعية ناتجة عن الكربنة أو النتردة أو اللحام أو المراجعة. فقد ينثني الجزء الرقيق أو يخضع للتشوه تحت تأثير ضاغط كبير. كما يمكن لسطح خشن أن يضيف خطأً إلى قياس عمق صغير. وقد تختلط طبقة سطحية مجهرية مع قلبها الألين إذا كان الأثر الغائر كبيرًا جدًا.

صلادة برينل: HBW والآثار الغائرة الكبيرة

تعتمد طريقة برينل على ضغط كرة صلبة داخل الفولاذ بقوة محددة، ثم قياس قطر الأثر الدائم ذي الشكل الدائري تقريبًا. وتستخدم التسميات الحديثة HBW، حيث يشير الحرف W إلى كرة من كربيد التنغستن. ويمكن كتابة النتيجة الكاملة، على سبيل المثال، بالشكل 220 HBW 10/3000، أي صلادة برينل مقدارها 220 تم الحصول عليها باستخدام كرة قطرها 10 mm وقوة اسمية مقدارها 3000 kgf. ويحدد المعيار ASTM E10 هذا الاختبار، بينما يستخدم ISO 6506 الطريقة الأساسية نفسها.

تتوافر كرات برينل الشائعة بأقطار 1 أو 2.5 أو 5 أو 10 mm. وتُختار القوة المطبقة مع مراعاة قطر الكرة والمادة؛ وتُعد قوى مثل 500 و1500 و3000 kgf نموذجية في اختبار الفولاذ. تحافظ آلة الاختبار على القوة لمدة بقاء محددة، وبعد ذلك يقيس المشغّل أو النظام البصري قطر الأثر. وتحسب قيمة HBW من القوة وقطر الكرة وقطر الأثر، لا من عمق الانغراز وحده.

يكون الأثر كبيرًا مقارنةً بالآثار الناتجة عن اختبارات روكويل أو اختبارات الصلادة المجهرية. ويفيد ذلك عندما يحتوي الفولاذ على الفيريت أو البرليت أو البينيت أو المارتنسيت المراجع الموزعة ضمن حجم تمثيلي، لأن النتيجة تمثل متوسط عدة حبيبات وتغيرات موضعية صغيرة. لكنه يمثل أيضًا قيدًا. فقد تكون كرة قطرها 10 mm غير مناسبة بالقرب من حافة، أو على صفيحة رقيقة، أو بجوار لحام، أو عبر طبقة سطحية مقسّاة ضحلة. ويحتاج موضع الاختبار إلى سُمك كافٍ وإسناد صلب حتى لا تنثني العينة أو تتشوه أثناء التحميل. كما يجب أن يكون السطح مستويًا بدرجة معقولة وخاليًا من القشور ونزع الكربون وآثار التشغيل العميقة.

يُستخدم اختبار برينل على نطاق واسع للمسبوكات والمطروقات والفولاذ المطبع وأنواع الأجزاء الأخرى التي يكون فيها تمثيل حجم كبير من المادة أمرًا مهمًا. ويكون أقل ملاءمة للفولاذ شديد الصلادة إذا كان من المحتمل أن تتشوه الكرة، وللمكونات النهائية الصغيرة، وللمناطق الضيقة المتأثرة بالحرارة. ويمكن أن تقلل كرة أصغر وقوة أقل من حجم الأثر، إلا أن النتيجة تتطلب حينها ضبطًا أدق للمسافات والسُّمك وتجهيز السطح.

صلادة روكويل: HRC وHRB ومقاييس روكويل السطحية

تقيس صلادة روكويل الزيادة الدائمة في عمق الانغراز تحت تأثير حمل ابتدائي يتبعه حمل رئيسي. وهي لا تقيس قطر الأثر. تطبق الآلة أولًا حملًا ابتدائيًا مقداره 10 kgf لإنشاء موضع مرجعي، ثم تطبق الحمل الرئيسي، وتزيل الحمل الرئيسي مع الإبقاء على الحمل الابتدائي، وتحول العمق المتبقي إلى رقم للصلادة. وفي مقاييس روكويل العادية، تقابل كل نقطة صلادة تغيرًا في العمق مقداره 0.002 mm.

يستخدم HRC مخروطًا ماسيًا بزاوية 120 درجة، يُسمى عادةً ضاغط Brale، مع حمل رئيسي مقداره 150 kgf. وهو مخصص للفولاذ الأشد صلادة، بما في ذلك فولاذ العدد المقسى والمراجع والعديد من أنواع فولاذ السبائك المقسّى. أما HRB فيستخدم كرة من كربيد التنغستن أو من الفولاذ المقسى بقطر 1/16 بوصة، مع حمل رئيسي مقداره 100 kgf، مما يجعله مناسبًا للفولاذ الألين، والدرجات منخفضة الكربون الملدنة، وسبائك النحاس، والمواد المماثلة. وتستخدم مقاييس روكويل العادية الأخرى كرات أو أحمالًا مختلفة، ولذلك يكون الحرف ضروريًا؛ فعبارة «Rockwell 60» من دون تحديد المقياس غير مكتملة.

تتميز نتيجة روكويل بالسرعة لأن الآلة تقرأ العمق مباشرة، كما أن الأثر الصغير غالبًا ما يترك علامة مرئية أقل من أثر برينل. إلا أن مساحة التلامس الصغيرة تجعل الاختبار حساسًا لخشونة السطح، والتقوس، والطبقات منزوعة الكربون، والمكونات الصلبة أو اللينة المنفردة. ويجب أن تكون العينة سميكة وصلبة بما يكفي لمقاومة الحركة. وقد تكون القراءة المأخوذة قريبًا جدًا من حافة أو أثر غائر آخر أو انقطاع في الإسناد مرتفعة أو منخفضة على نحو زائف.

تستخدم مقاييس روكويل السطحية المبدأ نفسه القائم على العمق، ولكن بأحمال أقل للمقاطع الرقيقة والأجزاء الصغيرة والطبقات السطحية. ويتبع الحمل الابتدائي البالغ 3 kgf حملٌ رئيسي مقداره 15 أو 30 أو 45 kgf، بحسب المقياس والضاغط المختارين. وتحدد تسميات مثل 30N و45N و30T و15T عائلة القوة والضاغط؛ ويجب الإبلاغ عن تسمية المقياس بدقة بدل استبدالها بـ HRC أو HRB العاديين. تقلل الاختبارات السطحية خطر اختراق طبقة سطحية مقسّاة رقيقة أو تشويه مقطع خفيف، لكنها لا توفر تلقائيًا نتيجة أكثر دقة. فما زال السطح يحتاج إلى تجهيز مناسب، كما يجب أن يكون العمق المتأثر كبيرًا بما يكفي مقارنةً بحجم الأثر.

الصلادة المجهرية بطريقة فيكرز وكنوب

تضغط طريقة فيكرز هرمًا ماسيًا ذا قاعدة مربعة، بزاوية مقدارها 136 درجة بين السطوح المتقابلة، داخل العينة. وبعد إزالة الحمل، يقيس المشغّل قطري الأثر المتبقي بصريًا، ثم يحسب HV، أي صلادة فيكرز. وتتراوح قوى الاختبار من أحمال الصلادة المجهرية البالغة بضعة غرامات-قوة إلى الأحمال التقليدية القريبة من 100 kgf. وتحدد تسمية مثل 600 HV 0.5 الصلادة وقوة الاختبار البالغة 0.5 kgf.

ولأن الماس لا يغير شكله ضمن النطاق المعتاد لصلادة الفولاذ، يمكن لطريقة فيكرز تغطية الفولاذ اللين وشديد الصلادة باستخدام هندسة ضاغط واحدة. وهي مفيدة للمقاطع العرضية للحامات، وفحوص نزع الكربون، والطبقات المنترَدة، والطبقات السطحية المكربنة، وعمليات تتبع الصلادة عبر التدرجات الموضعية. ويكون الأثر أصغر بكثير من أثر برينل، ولذلك يلزم تجهيز مصقول ومراعاة دقيقة للمسافات. وعند الأحمال المنخفضة جدًا، يمكن لخشونة السطح، والاسترداد المرن، ودقة القياس، والأطوار المنفردة أن تؤثر ماديًا في الرقم. ويجب إسناد الفولاذ بإحكام؛ فقد تنثني رقاقة رقيقة أو حافة غير مسنَدة بدلًا من تلقي أثر غائر صالح.

تستخدم الصلادة المجهرية بطريقة كنوب ماسةً أيضًا، إلا أن شكلها مستطيل ممدود وغير متماثل. ويُقاس القطر الطويل للأثر، فتنتج قيمة صلادة كنوب التي يُرمز إليها عادةً بـ HK. وتفيد كنوب بصفة خاصة للطلاءات الرقيقة جدًا، والأعماق السطحية الضيقة، والمناطق الهشة أو الصغيرة، لأن الأثر ضحل وممدود. وتجعل هندستها النتيجة حساسة للاتجاه، وتجهيز السطح، والتشقق، واتجاه السمات البنيوية المجهرية. ولا ينبغي التعامل مع قيم كنوب وفيكرز على أنها متطابقة لمجرد أن كليهما يستخدم ضواغط ماسية.

طريقتا ليب وسكليروسكوب

تُعد صلادة ليب طريقة ارتداد ديناميكي، وليست اختبار انغراز ساكن. إذ يصطدم جسم صادم يعمل بنابض، يكون مزودًا عادةً بكرة من كربيد التنغستن أو بطرف آخر محدد، بالسطح. وتقيس الأداة سرعة الصدم وسرعة الارتداد، وتبلغ عن قيمة ليب، غالبًا HL، استنادًا إلى النسبة بينهما. وتكون علامة التلامس الناتجة صغيرة، إلا أن القراءة تعتمد بدرجة كبيرة على تشطيب السطح، والتقوس، والكتلة، والسُّمك، والإسناد، واتجاه الصدم. ويغطي ASTM A956 اختبارات ليب.

تفيد طريقة ليب للمطروقات الكبيرة، والآلات المركبة، والمواضع التي يتعذر فيها وضع جهاز اختبار تقليدي منضدي. ويجب أن يكون الجزء ثقيلًا أو مقترنًا بإحكام بدعامة صلبة؛ وإلا فإن الاهتزاز يمتص الطاقة ويخفض قيمة الارتداد. ويتطلب التحويل من HL إلى HRC أو HBW أو أي مقياس آخر استخدام جهاز الصدم والاتجاه وعائلة المواد الصحيحة. وهذه الطريقة ليست بديلًا مباشرًا لاختبار الانغراز الساكن.

تعتمد طريقة سكليروسكوب أيضًا على الارتداد. إذ تُطلَق مطرقة ذات طرف ماسي من ارتفاع ثابت داخل أنبوب رأسي، ويُلاحظ أو يُقاس إلكترونيًا الارتفاع الذي ترتد إليه عن سطح الفولاذ. وتُعبَّر النتيجة بوحدات صلادة سكليروسكوب، وتُكتب عادةً HS. وعلى خلاف برينل أو فيكرز، لا تحسب هذه الطريقة الصلادة من أثر دائم مقاس. ولذلك يكون لنظافة السطح، والمحاذاة الرأسية، والكتلة، والإسناد، والخشونة تأثيرات كبيرة.

يوفر ASTM E140-12 علاقات تقريبية بين قيم HBW وHV وروكويل وروكويل السطحية وكنوب وسكليروسكوب وليب لمعادن محددة، بما في ذلك الفولاذ الكربوني وسبائكي العدد المتجانس. ويذكر ASTM أن السبيكة والبنية الحبيبية والمعالجة الحرارية تؤثر في عمليات التحويل. كما يحدد ISO 18265:2013 مبادئ التحويل ويحذر من أن القيم المحوَّلة تنطبق مباشرةً فقط على المادة المختبرة ذاتها؛ وتُعد تقديرات مقاومة الشد أقل عمليات التحويل موثوقية. ولذلك ينبغي أن يؤدي اختيار المقياس أولًا إلى قيمة مقاسة صالحة. أما الرقم المحوَّل فهو دليل ثانوي، وليس بديلًا عن الاختبار المباشر عندما تعتمد مقاومة الفولاذ أو قبوله على ذلك.

ASTM E140 وISO 18265: ما الذي تسمح به المعايير

لا تحوِّل معايير تحويل الصلادة نتيجة اختبار واحدة إلى قياس مكافئ أُجري بطريقة أخرى. فهي توفر علاقات تجريبية بين مقاييس الصلادة، تُعرض عادةً في شكل جداول. ولهذا التمييز أهمية: إذ تُحصل على القيمة المقاسة مباشرةً من خلال تطبيق مِخْتَرَق وقوة وزمن مكوث وإجراء محدد على الجزء؛ أما القيمة المحوَّلة فتُحسب انطلاقًا من ذلك القياس؛ في حين أن مقاومة الشد المقدَّرة تمثل استنتاجًا إضافيًا من الصلادة. ويمكن أن تضيف كل خطوة قدرًا من عدم اليقين.

نطاق ASTM E140-12

يعرض ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، علاقات تقريبية بين مقاييس صلادة محددة لمعادن محددة. وتشمل جداوله قيم برينل وفيكرز وروكويل وروكويل السطحي وكنوب وسكليروسكوب وليب. ولا تُعد الوثيقة معادلة عامة تجعل كل مقاييس الصلادة قابلة للتبادل. بل هي مرجع للحالات التي تقع فيها المادة وظروف الاختبار ضمن نطاق الخبرة الذي يمثله الجدول المعني.

وبالنسبة إلى الفولاذ، يتضمن المعيار جداول للفولاذ الكربوني المتجانس، والفولاذ السبائكي، وفولاذ العدد. وتكتسب كلمة «متجانس» أهمية خاصة. فلا يجوز افتراض أن جدولًا أُعد لفولاذ متجانس بدرجة معقولة يصف طبقة مكربنة، أو سطحًا منزوع الكربون، أو منطقة متأثرة بالحرارة في لحام، أو منتجًا مدرفلًا ذا نطاقات، أو جزءًا يحتوي على تدرج حاد في الصلادة. فقد لا يأخذ المِخْتَرَق عينات إلا من منطقة سطحية ضحلة، في حين أن التحويل المطلوب يفترض ضمنيًا وجود مادة متجانسة أسفلها.

وتنص ASTM International مباشرةً على أن «التحويلات تتأثر بالسبائك والبنية الحبيبية والمعالجة الحرارية» (2012). وتغيّر هذه المتغيرات استجابة التشوه أسفل المِخْتَرَق. فقد يمتلك فَولاذان الصلادة نفسها وفق برينل، لكن بنسب مختلفة من الفيريت أو البرليت أو البينيت أو المارتنسيت أو الأوستنيت المحتجز. ولذلك قد يعطيان مقاومات شد مختلفة، وسلوكًا مختلفًا عند الخضوع، ونتائج مختلفة على مقياس صلادة آخر. وحتى ضمن الدرجة نفسها، قد لا تتبع الحالات المُطبَّعة والمُقساة والمُراجَعة، والمُلدَّنة، والمُشغَّلة على البارد منحنى التحويل نفسه.

وتعتمد الجداول أيضًا على نطاق الصلادة الذي تغطيه. ولا تكون عملية التحويل القريبة من منتصف الجدول موثوقة تلقائيًا عند حده الأعلى أو الأدنى. ولا يُعد الاستقراء بديلًا مسموحًا به عن قيمة واردة في الجدول. كذلك لا ينبغي تحويل نتيجة روكويل C إلى برينل عندما تكون البصمة قريبة جدًا من حافة أو بصمة أخرى أو سطح إسناد أو حد لحام. فالنتيجة العددية الواضحة لا تصحح اختبارًا رديئًا.

ويأتي اختيار المقياس قبل التحويل. وغالبًا ما يكون برينل مفيدًا للفولاذ ذي البنية الخشنة نسبيًا أو غير المتجانسة أو ذي المقاطع الكبيرة، لأن بصمته الكبيرة تحسب متوسط حجم أوسع من المادة. ويمكن لفيكرز تغطية نطاق واسع من الصلادة وإجراء الاختبار بأحمال منخفضة، إلا أن البصمات الصغيرة تكون أكثر حساسية لتحضير السطح، والأطوار الموضعية، ودقة القياس. أما طرق روكويل فهي سريعة وعملية في كثير من فحوصات الإنتاج، في حين تقلل مقاييس روكويل السطحية القوة والاختراق للمقاطع الرقيقة أو الطبقات المعالجة سطحيًا. وتُعد طريقتا ليب وسكليروسكوب اختبارين ديناميكيين، وتعتمد قراءاتهما بدرجة كبيرة على الكتلة، والإسناد، والاتجاه، وحالة السطح، ومعايرة الجهاز.

ولا يلغي ASTM E140-12 تلك الفروق بين الطرق. فقد يورد الجدول علاقة تقريبية بين HRC وHB، على سبيل المثال، لكنه لا يستطيع إثبات أن جزءًا معينًا اختُبر بطريقة صحيحة أو أن بنيته المجهرية تنتمي إلى المجموعة التي اشتُقت منها العلاقة. ولذلك ينبغي أن تحتفظ النتيجة المُبلَّغ عنها بالمقياس والطريقة الأصليين. فعبارة «62 HRC، محوَّلة إلى نحو 700 HV» تنقل معلومات أكثر من الاكتفاء بذكر «700 HV»، لأن القيمة الأولى مقاسة، أما الثانية فمستنتجة.

وينطبق التحفظ نفسه عند استخدام الصلادة لاستنتاج مقاومة الشد. فقد أفادت دراسة NIST للعلاقات التجريبية بين روكويل وبرينل، المنشورة عام 1929، بأنه يمكن في كثير من الأحيان تقدير مقاومة الشد في الفولاذ من صلادة برينل لأغراض تجارية. ويدعم ذلك التقدير العملي ضمن مجموعة مناسبة من أنواع الفولاذ؛ لكنه لا يثبت أن مقاومة الشد دالة عالمية في HB. إذ يقيس اختبار الشد السلوك المرتبط بالكسر في عينة مشكلة، بينما يقيس اختبار الانغراز المقاومة الموضعية للتشوه اللدن في حالة إجهاد مختلفة.

المبادئ الواردة في ISO 18265:2013

يحدد ISO 18265:2013، المواد المعدنية—تحويل قيم الصلادة، مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد. ويتعامل المعيار مع التحويل على أنه مشروط بالمادة، وطريقة قياس الصلادة، والنطاق المنطبق، والأدلة التي تستند إليها العلاقة. ولذلك فهو أقرب إلى إطار للاستخدام المسؤول منه إلى ادعاء وجود تكافؤ رياضي ثابت بين جميع المقاييس.

ويتمثل أحد القيود الأساسية في النص الصريح الآتي: «تنطبق القيم المحوَّلة مباشرةً على المادة المختبرة ذاتها فقط» (International Organization for Standardization, 2013). وعمليًا، تشمل عبارة «المادة ذاتها» أكثر من مجرد تعيين اسمي لدرجة مثل ASTM A36 أو AISI 4140 أو UNS S30400. فهي تشمل التركيب الواقع ضمن الحدود ذات الصلة، وشكل المنتج، والبنية الحبيبية، وحالة السطح، والمعالجة الحرارية، والتشوه السابق، وفي كثير من الحالات، مسار التصنيع المحدد. فقضيب من 4140 مُقسى ومُراجَع عند 600 °C لا يعادل ترسًا من 4140 مكربنًا أو عمودًا مقسّى بالحث لمجرد أن جميعها تحمل تعيين الدرجة الأساسية نفسه.

كما يحدد ISO 18265:2013 تقديرات مقاومة الشد بوصفها أقل التحويلات موثوقية. وهذا الترتيب منطقي من منظور علم المعادن. فالتحويل بين مقياسي انغراز مختلفين يعتمد أصلًا على كيفية تفاعل المِخْتَرَقات والأحمال المختلفة مع المادة نفسها. أما الانتقال من الصلادة إلى مقاومة الشد القصوى فيضيف اعتمادًا على التصلد بالتشوه، والعيوب، والتباين الاتجاهي، وهندسة العينة، وسلوك الفشل. وقد يصلح رقم الصلادة للكشف الأولي عن معالجة حرارية غير صحيحة، لكنه لا يستطيع بمفرده إثبات الامتثال لنطاق محدد من مقاومة الشد عندما تكون تلك الخاصية متطلبًا تصميميًا أو شرطًا للقبول.

وتوضح علاقة متداولة كثيرًا خطر حذف القيود المصاحبة للأدلة. فقد حددت دراسة منشورة عام 2012 في Materials Science and Engineering: A العلاقة التقريبية $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والقابلة للطرق. وهنا تمثل $H_V$ الصلادة معبَّرًا عنها بوحدة إجهاد متوافقة، وتمثل ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ مقاومة الشد القصوى. وهذه العلاقة خاصة بفئة معينة من المواد، وليست قانونًا ينطبق على جميع أنواع الفولاذ. كما أفادت الدراسة نفسها بأن نسب الصلادة إلى المقاومة تعتمد على فئة المادة، والبنية المجهرية، وشكل الانغراز. ولذلك فإن تطبيق العامل ثلاثة على حديد زهر، أو فولاذ منخفض الكربون لين ومُلدَّن، أو فولاذ مقاوم للصدأ مقسّى بالترسيب، أو فولاذ عدد ذي بنية مارتنسيتية مُراجَعة، لن يكون قابلًا للدفاع عنه من دون تقييد أو تأهيل.

وهناك حالات أضيق تكون فيها العلاقة التجريبية مفيدة. فقد وجدت دراسة أجريت عام 2023 على أنواع تاريخية ومعاصرة من الفولاذ الإنشائي غير السبائكي علاقة خطية عمومًا بين صلادة برينل ومعلمات مقاومة الشد في الفولاذ الموجود في حالته الخام أو المُطبَّعة. وقد تدعم هذه النتيجة تقديرًا خاصًا بمصنع أو بعائلة منتجات عندما تظل المادة المختبرة ضمن المجموعة المدروسة. لكنها لا تبرر نقل العلاقة إلى فولاذ سبائكي مُقسى ومُراجَع، أو سلك مسحوب على البارد، أو قطعة ملحومة.

الجداول التقريبية مقابل المعايرة الخاصة بالمادة

يجيب الجدول المرجعي المعياري وعلاقة التأهيل عن سؤالين مختلفين. إذ يبحث ASTM E140-12، في جوهره، في قيمة الصلادة التقريبية التي قد تقابل قيمة مقاسة لفئة محددة من المعادن ضمن نطاق المعيار المعلن. أما علاقة التأهيل فتبحث في العلاقة التي ثبتت لفولاذ محدد، ومسار معالجة محدد، وحالة محددة، وقطعة محددة.

فعلى سبيل المثال، قد يختبر مُصنِّع أو مختبر فولاذ 1045 مُطبَّعًا ناتجًا من مسار تصنيع محدد في مصنع معروف، ويقيس صلادة برينل ومقاومة الشد على عينات متطابقة، ثم يطابق نموذج انحدار ضمن نطاق الإنتاج الفعلي. وقد تكون المعادلة الناتجة مناسبة لحالة 1045 تلك إذا جرى التحقق منها مقابل دفعات جديدة ودعمها بتحليل لعدم اليقين. لكن لا ينبغي تطبيقها تلقائيًا على 1045 مقسّى بالحث، ولا ينبغي أن تحل محل اختبارات الشد عندما يحدد العقد مقاومة الخضوع أو مقاومة الشد القصوى مباشرةً.

ويشير التقرير الفني الصادر عن SAE عام 1967، اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة، إلى هذه النقطة بصيغة عملية: إذ يجب تطوير التحويلات الدقيقة للتركيب المحدد للفولاذ، والمعالجة الحرارية، والجزء المعني، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة. ويكتسب حجم الجزء وكتلته أهمية خاصة في الطرق الديناميكية وفي المقاطع الرقيقة التي لا تستطيع توفير إسناد كافٍ. كما يمكن لتحضير السطح، والانحناء، وتباعد البصمات، وصلادة السطح الخلفي أن تغيّر القيمة المقاسة قبل إجراء أي تحويل.

ويسجل التقرير القابل للدفاع عنه الصلادة المقاسة، والمعيار والمقياس، وقوة الاختبار أو الحمل، والمِخْتَرَق، والموضع، وحالة السطح، ودرجة المادة، وحالة المعالجة الحرارية. وإذا كانت هناك حاجة إلى قيمة محوَّلة، فينبغي وسمها بوضوح بأنها محوَّلة وربطها بـ ASTM E140-12 أو ISO 18265:2013، مع ذكر الجدول أو النطاق حيثما كان ذلك عمليًا. وإذا قُدِّرت مقاومة الشد، فينبغي أن يحدد التقرير النموذج التجريبي، ومجموعة المعايرة، والتشتت، وحدود الاستخدام.

وعندما تؤثر النتيجة في تصميم حرج من ناحية الكسر، أو في اعتماد معالجة حرارية، أو في قبول رسمي استنادًا إلى خصائص الشد، فإن اختبار الشد المباشر هو الدليل المناسب، ما لم يثبت إجراء مؤهل مستقل العلاقة المطلوبة. ويُعد تحويل الصلادة ذا قيمة للمقارنة وضبط العمليات، لكنه لا يمثل إذنًا للتعامل مع رقم ملائم على أنه بديل عالمي.

لماذا تغيّر درجة الفولاذ وتركيبه الكيميائي عملية التحويل

يصف رقم الصلادة مقاومةَ مُخترِقٍ معيّن تحت دورة تحميل معيّنة. ولا يحدّد ذلك الرقم مقاومة الفولاذ الكاملة، أو مطيليته، أو سلوكه عند الكسر، أو بنيته المجهرية. فقد تقيس عينتان كلتاهما 200 HBW، مع بلوغ هذه القيمة من خلال نسب مختلفة تمامًا من الفيريت، والبيرليت، والباينيت، والمارتنسيت، والكربيدات، والأوستنيت المتبقي. وقد تختلف مقاومتهما للشد، كما قد لا تتطابق قيمتاهما على مقياس صلادة آخر مع الرقم الذي يقترحه جدول تحويل عام.

يفصل هذا التمييز بين الصلادة المقاسة، والصلادة المحوَّلة، ومقاومة الشد المقدَّرة. فالقيمة المقاسة 200 HBW هي نتيجة اختبار برينيل محدّد. أما قيمة مثل 92 HRB، المستحصلة من جدول، فهي نتيجة محوَّلة. ومقاومة الشد المستدلّ عليها من أيٍّ من القيمتين هي تقدير إضافي ينطوي على قدر أكبر من عدم اليقين. يقدّم المعيار ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، علاقات تقريبية لمعادن ومقاييس صلادة محدّدة، إلا أن ASTM يذكر بوضوح أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية» (ASTM International، 2012).

الكربون، وعناصر السبيكة، وقابلية التصلّد

يغيّر الكربون صلادة الفولاذ من خلال عدة آليات مترابطة. ففي الفولاذ الفيريتي منخفض الكربون، يبقى جزء كبير من الكربون في الفيريت أو يُكوّن كميات صغيرة نسبيًا من البيرليت. وتؤدي زيادة الكربون عمومًا إلى زيادة نسبة البيرليت في البنية المبردة ببطء، وإلى رفع محتوى الكربون المتاح لتكوين المارتنسيت أثناء التخمير. والمارتنسيت أصلد بكثير من الفيريت، إلا أن صلادته تعتمد أيضًا بدرجة كبيرة على محتواه من الكربون وحالة مراجعة التقسية. ولذلك لا يمكن إسناد العلاقة نفسها بين مقاومة الشد والصلادة إلى فولاذ يحتوي على 0.40% من الكربون بعد التخمير وفولاذ يحتوي على 0.20% من الكربون بعد التخمير، لمجرد أن قراءة السطح تبدو متشابهة.

قابلية التقسيةقابلية التقسية قدرة الفولاذ على تكوين المارتنسيت حتى عمق معين تحت حالة تبريد محددة؛ وهي ليست مماثلة لأقصى صلادة.

تغيّر عناصر السبيكة كلاً من الأطوار الموجودة والمسار الذي تتكوّن من خلاله. ويمكن للمنغنيز، والكروم، والموليبدينوم، والنيكل أن تؤخر تحولات البيرليت والباينيت، فتزيد قابلية التصلّد، أي العمق الذي يستطيع الفولاذ أن يكوّن فيه المارتنسيت عند معدل تبريد محدّد. وقد ينتج AISI 1045 سطحًا مارتنسيتيًا صلدًا ولبًّا فيريتيًا-بيرليتيًا أكثر ليونة في مقطع يبرد بسرعة عند السطح. أما AISI 4140، بإضافات الكروم والموليبدينوم، فيمكن أن يتصلّد إلى عمق أكبر في ظل معالجة مماثلة. وإذا خضع الجزآن للتخمير الاسمي نفسه، فقد تختلف تدرجات الصلادة وخصائص الشد لديهما، حتى عندما يعطي أحد الاختبارات الموضعية قيمة HRC نفسها.

ويكتسب التمييز بين الصلادة وقابلية التصلّد أهمية في المقاطع السميكة. فقابلية التصلّد لا تعني أن كل نقطة تصبح صلدة بالقدر نفسه؛ بل تعني أن الفولاذ يقاوم التحول الانتشاري أثناء التبريد. ويحدّد حجم المقطع، ووسط التخمير، والتحريك، وهندسة الجزء التاريخَ الحراري للتبريد. ولذلك يذكر التقرير الفني الصادر عن SAE عام 1967، اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة، أن التحويلات الدقيقة يجب تطويرها لتركيب الفولاذ والمعالجة الحرارية والجزء المعني تحديدًا، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة (SAE International، 1967).

وتضيف الكربيدات مصدرًا آخر للتباين. فالكربيدات الغنية بالكروم في فولاذ الأدوات أو الفولاذ المقاوم للصدأ، وكربيدات الفاناديوم في بعض أنواع الفولاذ السريع أو فولاذ تعدين المساحيق، وكربيدات الحديد في البيرليت، لا تتفاعل مع أثر الاختراق بالطريقة نفسها التي تتفاعل بها مصفوفة مارتنسيتية متجانسة. وقد تؤدي كثرة الكربيدات إلى زيادة مقاومة الاختراق، مع إضعاف العلاقة بين الصلادة والتشوه الشدي للمصفوفة. ويمكن أن يسبب الأوستنيت المتبقي تعقيدًا معاكسًا: فقد تُظهر العينة صلادة مرتفعة بعد التخمير، إلا أن التحول اللاحق أثناء الخدمة أو التجليخ قد يغيّر أبعادها وصلادتها المقاسة.

وتهمّ معالجة المراجعة أيضًا. فقد تشغل المارتنسيتية المُراجَعة، والباينيت، والبيرليت الدقيق نطاقات صلادة متداخلة، مع امتلاكها نسبًا مختلفة بين مقاومة الخضوع ومقاومة الشد، واستجابات مختلفة للكسر. ثم يؤثر حجم أثر الاختراق، والإجهاد المتبقي، والتصلّد بالتشوه، والتباين الاتجاهي في القراءة. فالصلادة الاسمية نفسها ليست تحليلًا للأطوار.

الفولاذ الإنشائي غير المسبوك والعلاقات التجارية

يمكن أن يظل الاتجاه العام للعلاقة بين الصلادة والمقاومة مفيدًا ضمن عائلة محدودة من أنواع الفولاذ. فكثيرًا ما يحتوي الفولاذ الإنشائي غير المسبوك، في حالته الخام أو المطَبَّعة، على الفيريت والبيرليت، وتتغير نسبهما بتغير محتوى الكربون وتاريخ التبريد. وقد أظهرت أنواع الفولاذ الإنشائي غير المسبوك التاريخية والمعاصرة التي دُرست عام 2023 علاقة تجريبية خطية عمومًا بين صلادة برينيل ومعلمات مقاومة الشد في تلك الحالات (Materials Today: Proceedings، 2023). وتفسّر هذه النتيجة سبب إمكان عمل تقديرات المقاومة القائمة على برينيل بصورة معقولة نسبيًا لمجموعة مضبوطة من أنواع الفولاذ الإنشائي العادية.

العلاقة تجريبية وليست قانونًا فيزيائيًا. وبالنسبة إلى درجات مثل EN 10025-2 S275JR وEN 10025-2 S355JR، قد تدعم قراءة الصلادة فحصَ العملية أو تقديرًا أوليًا تقريبيًا عندما يكون معروفًا أن المادة من فولاذ إنشائي غير مَسبوك أو منخفض السبيكة، وفي حالة التوريد المتوقعة. لكنها لا تستطيع إثبات الامتثال لنطاقات مقاومة الخضوع ومقاومة الشد المحدّدة من دون اختبار الشد المطلوب. فالتطبيع يحسّن بنية الحبيبات ويغيّر توازن الفيريت-البيرليت؛ كما يمكن لتاريخ الدرفلة والانفصال الكيميائي أن يغيّرا النتيجة مرة أخرى.

وقد أفادت دراسة لـ NIST عام 1929 عن العلاقات التجريبية بين روكويل وبرينيل بأنه يمكن في كثير من الأحيان تقدير مقاومة الشد في الفولاذ من صلادة برينيل لأغراض تجارية (NIST، 1929). لكن كلمة «كثيرًا» هي الحد العملي لهذا الاستنتاج. فهذا التقدير مفيد لإجراء ارتباط تقريبي ضمن المجموعة التي اشتُق منها، وليس تصريحًا باستبدال اختبار الشد عبر جميع درجات الفولاذ.

يضع ISO 18265:2013 مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد، لكنه يحذّر من أن القيم المحوَّلة لا تنطبق مباشرة إلا على المادة المطابقة تمامًا للمادة التي اختُبرت، ويحدّد تقديرات مقاومة الشد بوصفها أقل التحويلات موثوقية (ISO، 2013). ولذلك لا ينبغي التعامل مع إدخال جدولي لتحويل HBW إلى HRC على أنه دليل على أن قيمة HRC المحوَّلة تتنبأ بمقاومة الشد بالدرجة نفسها من الثقة.

فولاذ الأدوات، والفولاذ المقاوم للصدأ، والافتراضات المستبعدة

يكشف فولاذ الأدوات والفولاذ المقاوم للصدأ حدود العلاقات العامة الخاصة بفولاذ الكربون. فقد يحتوي AISI D2 على كمية كبيرة من الكربيدات الغنية بالكروم ضمن مصفوفة مقسّاة ومراجَعة. وقد يحتوي AISI H13 على مارتنسيت سبائكي مُراجَع بعد معالجة فولاذ الأدوات للعمل على الساخن. ويمكن أن يتراوح الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 420 من مادة ملدَّنة لينة نسبيًا إلى مادة مارتنسيتية صلدة بعد التخمير والمراجعة. وتغيّر كل حالة استجابة الاختراق، ولا ينبغي إسناد تحويل خاص بفولاذ الكربون إلى أي منها لمجرد أن قيمة HRC أو HV تقع ضمن النطاق العددي نفسه.

وتطرح أنواع الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، مثل AISI 304 وAISI 316، مشكلة مختلفة. فقد تتصلّد مصفوفتها المكعبة متمركزة الوجوه بالتشوه بدرجة كبيرة أثناء الاختراق، كما يمكن للاختزال على البارد أن يُنتج مارتنسيت مستحثًا بالتشوه في بعض التراكيب. ولذلك تعكس الصلادة المقاسة بعد التشغيل على البارد كلاً من التركيب الأصلي وتاريخ المعالجة. وتتطلب درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتي، والمزدوج، والمتصلّد بالترسيب، والمارتنسيتي افتراضات منفصلة، لأن توازن أطوارها وآليات تقويتها تختلف.

وقد حُدّد التقريب الشائع Hᵥ ≈ 3σUTS لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة، إلا أن دراسة عام 2012 في Materials Science and Engineering: A تشدّد على أن نسب الصلادة إلى المقاومة تعتمد على فئة المادة، والبنية المجهرية، وشكل أثر الاختراق (Materials Science and Engineering: A، 2012). ولذلك فهو ليس تحويلًا عامًا للفولاذ.

يبقى اختبار الشد المباشر ضروريًا عندما تتحكم خصائص الشد في القبول أو التصميم أو تقييم الفشل، ما لم تُعتمد علاقة ارتباط مؤهلة. Strong evidence

لذلك ينبغي أن تذكر التقارير مقياس الصلادة المقاس، ومعيار الاختبار، والقوة أو تعيين الكرة عند الاقتضاء، والموقع، وحالة المادة. وإذا أُبلغ عن قيمة محوَّلة، فيجب وسمها بأنها محوَّلة وذكر الجدول أو المعيار المعتمد. وإذا قُدّرت مقاومة الشد، فيجب وسمها بأنها تقدير، مع بيان نطاق المواد الذي يستند إليه التقدير. وعندما يعتمد القبول، أو القيم المسموح بها في التصميم، أو تقييم الفشل على خصائص الشد، يظل إجراء اختبار شد مباشر أمرًا ضروريًا.

المعالجة الحرارية والبنية المجهرية: المصادر الرئيسية للخطأ

تُعدّ المعالجة الحرارية متغيرًا من الدرجة الأولى في أي علاقة للصلادة. ولا يجوز التعامل معها باعتبارها مجرد حاشية أسفل نوع الفولاذ. فقد تختلف عينتان لهما التركيب الكيميائي الاسمي نفسه اختلافًا كبيرًا في الصلادة، ومقاومة الشد، والمطيلية، واستجابة الانطباع بعد التخمير، أو التطبيع، أو الإخماد، أو المراجعة، أو الكربنة، أو النتردة، أو التقسية بالحث. وقد ينتج عن تحويل الصلادة الذي يتجاهل حالة المادة رقم يبدو دقيقًا، لكنه يفتقر إلى أساس فيزيائي قوي.

وتكتسب هذه التفرقة أهميتها لأن ثلاث كميات مختلفة كثيرًا ما يجري الخلط بينها. فالصلادة المقاسة هي النتيجة المستخلصة من اختبار محدد، مثل 220 HBW أو 62 HRC. أما الصلادة المحوَّلة فهي تقدير تقريبي على مقياس آخر، مثل قيمة روكويل C مستنتجة من صلادة فيكرز. وأما مقاومة الشد المقدَّرة فهي استنتاج إضافي من الصلادة، وتكون أقل موثوقية من تحويل المقياس. ويقدّم المعيار ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، علاقات تقريبية بين مقاييس برينل، وفيكرز، وروكويل، وروكويل السطحي، وكنوب، والسكليروسكوب، وليب للمعادن المحددة، بما في ذلك أنواع الفولاذ الكربوني والسبائكي وفولاذ العدد المتجانسة. كما ينص على أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية».

ويُصرّح المعيار ISO 18265:2013 بالقيد نفسه. فهو يحدد مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد، لكنه ينص على أن القيم المحوَّلة لا تنطبق مباشرة إلا على المادة المطابقة تمامًا للمادة المختبرة. كما يحدد تقديرات مقاومة الشد باعتبارها أقل التحويلات موثوقية. وتزداد أهمية هذه القيود بوجه خاص عندما لا يمثّل السطح المقاس كامل المقطع.

حالات التخمير والتطبيع والإخماد والمراجعة

في الفولاذ المخمَّر، يؤدي التبريد البطيء عمومًا إلى تكوين بنية من الفيريت–البيرليت خشنة نسبيًا، أو إلى بنية أخرى مَلِيَّنة مختارة لأغراض التشغيل والتشكيل. ويأخذ انطباع برينل في هذه الحالة عينة من حجم كبير نسبيًا يضم مستعمرات الفيريت والبيرليت. وغالبًا ما تتبع الصلادة الناتجة مقاومة الشد بدرجة معقولة ضمن عائلة ضيقة من أنواع الفولاذ منخفض الكربون، إلا أن العلاقة تتغير مع ذلك تبعًا لمحتوى الكربون، ونسبة البيرليت، وتباعد المستعمرات، وحجم الحبيبات. فقد يبدو سطحا الاختبار في فولاذ منخفض الكربون مخمَّر وفولاذ أعلى كربونًا مخمَّر متشابهين، مع اختلاف نسبة المقاومة إلى الصلادة بينهما.

ويغيّر التطبيع هذه المقارنة. فالتسخين فوق المجال الحرج، يعقبه التبريد في الهواء، ينتج عادةً فيريتًا وبيرليتًا أدق مما ينتج عن التبريد البطيء داخل الفرن. ويمكن لتنقية الحبيبات أن ترفع حد الخضوع ومقاومة الشد من دون إحداث الزيادة النسبية نفسها في صلادة الانطباع. وقد وجدت دراسة نُشرت عام 2023 في Materials Today: Proceedings، وتناولت أنواع الفولاذ الإنشائي غير السبائكي التاريخية والمعاصرة، علاقة تجريبية خطية عمومًا بين صلادة برينل ومعاملات مقاومة الشد في الفولاذ بالحالة الخام أو المطبَّعة. وتدعم هذه النتيجة التقدير العملي ضمن مجموعة المواد المدروسة؛ لكنها لا تجعل هذا الخط صالحًا للتعميم على فولاذ سبائكي مُخمَد ومراجَع أو على مكوّن مقسّى سطحيًا.

ينشئ الإخماد مارتنسيت، غالبًا مع أوستنيت متبقٍّ وإجهادات تحول. وقد ترتفع الصلادة ارتفاعًا حادًا لأن جهاز الانطباع يواجه طورًا عالي المقاومة ومحتملاً للقص، إلا أن استجابة الشد تعتمد أيضًا على محتوى الكربون، وحجم حبيبات الأوستنيت السابق، وإذابة الكربيدات، والأوستنيت المتبقي، وقابلية التصدع. وقد تعطي عينة SAE 1045 مُخمَدة وعينة AISI 4140 مُخمَدة كلتاهما قراءة قريبة من قيمة مرتفعة على مقياس روكويل C، مع اختلافهما في مقاومة الشد والمتانة. فالعناصر السبائكية فيهما تغيّر قابلية التقسية واستجابة المراجعة؛ ولذلك فإن قيمة HRC الاسمية نفسها لا تضمن الخواص نفسها للشد.

تؤدي المراجعة إلى تفكك المارتنسيت أو تعديله، وتخفيف الإجهاد المتبقي، وتغيير توزيع الكربيدات. ويمكن للمراجعة عند درجات الحرارة المنخفضة أن تحافظ على صلادة مرتفعة مع تخفيف بعض إجهادات الإخماد. أما المراجعة عند درجات حرارة أعلى فتخفض الصلادة، لكنها قد تحسن المتانة وتنتج علاقة بين المقاومة والصلادة تختلف عن العلاقة في الحالة المُخمَدة. فعلى سبيل المثال، ينبغي مقارنة عمود من AISI 4140 مُخمَد ومُراجَع ببيانات تحويل تخص سبيكة وحالة مماثلتين، لا بجدول عام لفولاذ كربوني. وحتى ضمن النوع الواحد، يمكن لدرجة حرارة المراجعة وزمنها أن ينقلا المادة بين توليفات مختلفة من الصلادة، وحد الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة.

وقد أفادت دراسة NIST للعلاقات التجريبية بين روكويل وبرينل، المنشورة عام 1929، بأنه يمكن في كثير من الأحيان تقدير مقاومة الشد في الفولاذ من صلادة برينل لأغراض تجارية. وكلمة «كثيرًا» هي جوهر العبارة. فالنتيجة تصف مجموعة تجريبية، وليست قانونًا فيزيائيًا يظل صالحًا أمام كل تغيير في المعالجة الحرارية. كما شدد التقرير الفني SAE لعام 1967، اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة، على أن التحويلات الدقيقة يجب تطويرها لتركيب الفولاذ والمعالجة الحرارية والقطعة المعنية تحديدًا، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر جميعها في العلاقة.

التقسية السطحية والتدرجات عبر السمك

تجعل الكربنة والنتردة والتقسية بالحث قيمة الصلادة المفردة أقل تمثيلًا للمادة بدرجة أكبر. فالكربنة تُغني سطح فولاذ منخفض الكربون بالكربون، ثم يتبعها الإخماد لتكوين طبقة مارتنسيتية صلبة فوق قلب أكثر متانة وأقل كربونًا. وقد تكون القراءة السطحية 60 HRC أو أعلى، في حين يكون القلب أكثر ليونة بكثير. ويُعد تحويل هذه القيمة السطحية إلى مقاومة شد للمكوّن بأكمله خطأً في تصنيف الكمية المقاسة: فالاختبار يقيس الطبقة، لا المقطع الحامل للحمل باعتباره مادة متجانسة.

وتنتج النتردة منطقة انتشار مُغناة بالنيتروجين، وطبقة مركّبة قرب السطح تحتوي على نتريدات الحديد مثل ε-Fe₂–₃N وγ′-Fe₄N. وقد تكون هذه الطبقة شديدة الصلادة ورقيقة. وقد تكون اختبارات روكويل أو برينل التقليدية غير مناسبة، لأن عمق اختراقها ومنطقة تشوهها اللدن يمتدان أسفل المنطقة المعالجة؛ ولذلك يلزم غالبًا إجراء مسح دقيق بفيكرز أو كنوب لتحديد توزع الصلادة. وحتى قيمة الانطباع الدقيق يمكن أن تتشوه بفعل الركيزة إذا كان عمق الانطباع كبيرًا جدًا نسبةً إلى سمك الطبقة.

مستوى الصلادة

تنشئ التقسية بالحث منطقة مارتنسيتية مقسّاة يعتمد عمقها على التردد، والقدرة، وسرعة المسح، والهندسة، وظروف الإخماد. وتتغير الصلادة باستمرار من السطح عبر المنطقة الانتقالية وصولًا إلى القلب الأكثر ليونة. وتكون عبارة «62 HRC» ناقصة ما لم يُذكر موضع القياس وعمقه. وقد يعطي المكوّن نفسه تحويلات مختلفة عند السطح، وعند العمق الفعّال للطبقة، وفي القلب.

وتؤثر هذه التدرجات أيضًا في هندسة الانطباع. فقد يكون الانطباع الضحل الموضوع فوق طبقة صلبة مقيدًا بالمادة الأكثر ليونة الموجودة تحته، في حين يقوم الانطباع الأعمق بأخذ متوسط عدة مناطق. كما يمكن لانحناء السطح، وسمك المقطع، والمسافة عن الحافة، وكتلة القطعة أن تغيّر مجال الإجهاد. وقد أُعدت جداول ASTM E140-12 لنطاقات المواد وظروف الاختبار الممثلة في الجداول، لا لمقاطع مقسّاة سطحيًا اعتباطية. ويكتسب اشتراط ISO 18265:2013، القاضي بأن ينطبق التحويل مباشرةً على المادة المطابقة تمامًا للمادة المختبرة فقط، أهمية خاصة هنا.

بنية الحبيبات والأطوار ومورفولوجيا الانطباع

الصلادة مقاومة موضعية للانطباع، وليست قياسًا مباشرًا لمقاومة الشد. ويُحدث جهاز الانطباع تشوهًا مرنًا ولدنًا ضمن حجم محدود. ويؤثر كل من حجم الحبيبات، والنسج البلوري، وحدود الأطوار، والشوائب، والكربيدات، والإجهادات المتبقية في ذلك الحجم. وقد توزّع بنية دقيقة من الفيريت–البيرليت التشوه بطريقة تختلف عن البيرليت الخشن. ويمكن للبينايت، والمارتنسيت، والفيريت، والأوستنيت المتبقي، والمناطق الغنية بالكربيدات أن تنتج قيم صلادة متوسطة متشابهة عبر آليات تشوه مختلفة.

يمكن للإجهاد الضاغط المتبقي أن يرفع المقاومة الظاهرية للانطباع، في حين قد يخفضها الإجهاد الشدي المتبقي أو يعزز التصدع. ولذلك يمكن لحروق التجليخ، ونزع الكربون، والقذف بالخردق، وأضرار التشغيل أن تغيّر قراءة السطح من دون أن تغيّر الخواص الحجمية للشد بالنسبة نفسها. كما أن موضع الانطباع مهم؛ فالانطباع الواقع فوق كربيد كبير، أو قرب حد طور، أو بالقرب من انطباع سابق، قد لا يمثل المصفوفة.

وتقدم مورفولوجيا الانطباع تحذيرًا آخر. فطرائق برينل وفيكرز تعتمد على حجم وشكل الأثر الدائم، بينما تعتمد طرائق روكويل على عمق الاختراق. ويمكن لتراكم المادة حول الانطباع أن يجعل مساحة التلامس أصغر مما يفترضه التحليل المثالي، في حين يجعلها الانغراز إلى الداخل أكبر. وفي أنواع الفولاذ متباينة الخواص، أو متعددة الأطوار، أو شديدة التصلد بالتشوه، تغيّر هذه التأثيرات العلاقة بين الصلادة وإجهاد الجريان. وقد أفادت دراسة محكَّمة نُشرت عام 2012 في Materials Science and Engineering: A بأن نسب الصلادة إلى المقاومة تعتمد على فئة المادة، والبنية المجهرية، ومورفولوجيا الانطباع. وحددت الدراسة العلاقة التقريبية Hᵥ ≈ 3σUTS لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة، إلا أن هذه الصيغة خاصة بفئة معينة من المواد، وليست معادلة عامة للفولاذ.

وبناءً على ذلك، ينبغي أن يذكر التقرير نوع الفولاذ، وحالة المعالجة الحرارية، وطريقة الاختبار، والمقياس، والموضع، وأي معلومات عن عمق الطبقة المقسّاة. فقيمة مقاسة مثل 245 HBW لا تعادل قيمة محوَّلة مثل 23 HRC، كما أن أيًّا منهما لا يمثل تلقائيًا مقاومة شد مقدَّرة. وعندما يعتمد القبول، أو خطر الكسر، أو التصميم الإنشائي على خواص الشد، فإن الاستجابة المناسبة هي إجراء اختبار شد مباشر أو استخدام علاقة مُتحقَّق من صحتها ومحددة لنوع الفولاذ وحالته، لا إجراء تحويل غير مدعوم انطلاقًا من رقم صلادة ميسّر.

علاقات التحويل بين برينل وروكويل وفيكرز

لا تجعل جداول تحويل الصلادة قياسات HBW وHRC وHV قابلة للتبادل. فهي تعرض قيمة تقديرية على مقياس معيّن انطلاقًا من قيمة مقاسة على مقياس آخر. ويكتسب هذا الفرق أهمية لأن كل طريقة تستخدم مخترقًا وقوة وهندسة تماس وإجراءً حسابيًا مختلفًا. فعلى سبيل المثال، تُقاس نتيجة برينل مثل 220 HBW من قطر انطباع كبير نسبيًا؛ أما تحويل 220 HBW إلى 21 HRC فهو تقدير مستخلص من جدول، وليس اختبار روكويل ثانيًا.

يقدّم المعيار ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، علاقات تقريبية بين مقاييس برينل وفيكرز وروكويل وروكويل السطحي وكنوب وسكليروسكوب وليب، وذلك للمعادن المحددة. وتشمل جداول الفولاذ فيه أنواع الفولاذ الكربوني المتجانس، والفولاذ السبائكي، وفولاذ العدد. وهذا القيد مهم؛ إذ تنص ASTM على أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة وبنية الحبيبات والمعالجة الحرارية». كما يضع ISO 18265:2013 مبادئ للتحويل بين مقاييس الصلادة ولتقدير مقاومة الشد، لكنه يوضح أن القيم المحوّلة تنطبق مباشرة فقط على المادة المحددة التي أُجري عليها الاختبار. ولذلك يدعم الجدول المقارنة ضمن المادة والمدى المذكورين فيه، لكنه لا يثبت تطابقًا فيزيائيًا بين أرقام الصلادة.

قراءة جداول التحويل من HBW إلى HRC ومن HRC إلى HBW

حدّد أولًا الاختبار الفعلي وتعيينه الكامل. يشير HBW إلى صلادة برينل المقاسة باستخدام كرة من كربيد التنغستن؛ وقد يُذكر أيضًا قطر الكرة والقوة المطبقة، كما في 220 HBW 10/3000. ويشير HRC إلى صلادة روكويل C، التي تُحصل عليها عادةً باستخدام مخروط ماسي وقوة كلية مقدارها 150 kgf وفق إجراء روكويل. أما الرمز المنفرد «HB» أو «HR» فهو غير مكتمل في التقارير الفنية، لأن مادة الكرة وقطرها ومقياس روكويل وقوة الاختبار قد تؤثر في النتيجة.

لتحويل 220 HBW إلى HRC، حدّد القيمة 220 في عمود HBW في جدول ASTM E140-12 أو ISO 18265:2013 المنطبق، ثم اقرأ القيمة المقابلة في عمود HRC. فإذا أعطى الصف قيمة 21 HRC، فالصياغة الصحيحة للتقرير هي: نحو 21 HRC محوّلة من 220 HBW، وليس «21 HRC» كما لو أن اختبار روكويل C قد أُجري. ويتطلب التحويل العكسي الانضباط نفسه: ابدأ بقيمة HRC المقاسة، واختر جدول الفولاذ الصحيح، ثم اقرأ تقدير HBW المقابل. وليس من الضروري أن يعيد البحث العكسي الرقم الأصلي، لأن العلاقة المدرجة في الجدول مقربة، وقد تكون مبنية على علاقة ملائمة أو تجريبية بدلًا من معادلة قابلة للعكس.

لا تمثل القيم المتجاورة معادلات دقيقة. افترض أن جدولًا يدرج 210 HBW على أنها 19 HRC و230 HBW على أنها 22 HRC. تقع قيمة HBW المقاسة البالغة 220 بين هذين الصفين، لكنها لا تمتلك في الوقت نفسه قيمة دقيقة مقدارها 20.5 HRC وقيمة روكويل متحققة فيزيائيًا. وقد ينتج عن الاستيفاء الخطي نحو 20.5 HRC بوصفها مساعدة في إعداد التقرير، إذا كان المعيار الحاكم يسمح بالاستيفاء في ذلك المدى؛ غير أن النتيجة تظل تقديرًا، وتشمل درجة عدم اليقين فيها تشتت علاقة التحويل وعدم يقين القياس الأصلي.

يجب أن تتطابق فئة المادة مع الجزء محل الاختبار. فالفولاذ 4140 المقسى والمراجَع حتى الحصول على بنية مارتنسيتية لا يتبع بالضرورة علاقة HBW–HRC نفسها التي يتبعها الفولاذ AISI 1020 المطبع، أو الفولاذ AISI 1045 الملدّن، أو فولاذ العدد عالي الكربون. والسبب ميكانيكي وليس مجرد مسألة جدولية؛ إذ تعتمد استجابة الانطباع على مقاومة الخضوع، والتصلد بالتشوه، وتوزيع الكربيدات، والأوستنيت المحتجز، وحجم الحبيبات، والإجهاد المتبقي، والتشوه حول الانطباع. ويذكر تقرير SAE International الصادر عام 1967، اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة، أن التحويلات الدقيقة يجب تطويرها لتركيب الفولاذ المحدد ومعالجته الحرارية والجزء محل الاختبار، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة.

يتميز اختبار روكويل بالسرعة والملاءمة للفحص المتكرر، لكنه قد يكون حساسًا لظروف تتوسطها انطباعات برينل الكبيرة. فقد تنثني المقاطع الرقيقة أو تسمح لمجال إجهاد الانطباع بالتفاعل مع السطح المقابل. كما قد تعطي العينة غير المدعومة جيدًا نتيجة زائفة. ويُعد اختيار المقياس مهمًا أيضًا؛ فاستخدام HRC عندما يكون HRB هو المناسب، أو تطبيق مقياس روكويل السطحي دون تحديد قوته ومخترقه، يبطل المقارنة. وقد يؤثر قشر السطح ونزع الكربون والخشونة والتقوس وعدم كفاية المسافات بين الانطباعات في القراءة. ولا يستطيع تحويل قيمة HRC تصحيح قياس HBW سيئًا أو تعويض إعداد غير مناسب لاختبار روكويل.

متى يوفر فيكرز جسرًا مفيدًا

تُبلّغ صلادة فيكرز بالرمز HV، مع تحديد قوة الاختبار عند اللزوم، وتستخدم هرمًا ماسيًا وتحسب الصلادة من قطري الانطباع. وتجعلها هندستها مفيدة عبر نطاق صلادة أوسع من نطاق مقياس روكويل واحد، وكذلك في الحالات التي تكون فيها كرة برينل كبيرة جدًا. ويمكن لانطباع فيكرز فحص طبقة مقسّاة صغيرة، أو معدن لحام، أو منطقة متأثرة بالحرارة، أو منطقة طور منفرد، أو مقطع رقيق، بشرط أن تتوافق القوة وإعداد السطح والمسافات بين الانطباعات والقياس البصري مع الطريقة المعتمدة.

يمكن أن يعمل فيكرز جسرًا عندما يفصل بين HBW وHRC قيدٌ متعلق بالمقياس. فعلى سبيل المثال، قد تكون الطبقة المكربنة رقيقة جدًا بحيث لا تسمح بانطباع برينل تقليدي، وقد تعطي نتائج غير مستقرة في اختبار روكويل قياسي إذا اخترق الانطباع ما وراء الطبقة. ويمكن لمسح فيكرز بقوة منخفضة إظهار تدرج الصلادة من السطح إلى القلب. وتكون هذه المعلومات أكثر فائدة من إسناد رقم HRC محوّل واحد إلى بنية متعددة الطبقات. وينطبق الأمر نفسه على معدن اللحام والمناطق المتأثرة بالحرارة، حيث قد توجد عدة بنيات مجهرية ضمن بضعة مليمترات.

ولا يكون فيكرز أدق تلقائيًا. إذ يتأثر قياس القطرين بنهائية السطح، والدقة البصرية، وتقدير المشغّل، والتراكم أو الانغراز حول الانطباع، والقوة المختارة. وتؤدي الانطباعات الصغيرة جدًا إلى تضخيم خطأ القياس. وقد تقيس قيمة HV محلية كربيدًا أو جزيرة مارتنسيت أو رقعة منزوعة الكربون، بدلًا من الفولاذ الكتلي الذي يمثله انطباع برينل. ولذلك لا يكون التحويل من HV إلى HRC أو HBW ذا معنى إلا عندما يغطي الجدول فئة الفولاذ المعنية، وفترة الصلادة، وظروف قوة الاختبار.

وتتطلب معادلات التحويل من الصلادة إلى المقاومة مزيدًا من الحذر. فقد حددت دراسة منشورة عام 2012 في Materials Science and Engineering: A العلاقة التقريبية Hᵥ ≈ 3σUTS لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والقابلة للمط، مع إظهار أن نسب الصلادة إلى المقاومة تعتمد على فئة المادة والبنية المجهرية وشكل الانطباع. وهذه ليست معادلة عامة للفولاذ الكربوني والسبائكي. ويحدد ISO 18265:2013 تقديرات مقاومة الشد بوصفها أقل التحويلات موثوقية. كما وجدت دراسة أجرتها NIST عام 1929 أن مقاومة شد الفولاذ يمكن غالبًا تقديرها من صلادة برينل لأغراض تجارية، لكن هذه النتيجة تدعم تقديرًا تجريبيًا مضبوطًا، ولا تبرر الاستعاضة العامة عن اختبار الشد.

حدود المدى والاستيفاء والانقطاعات

استخدم التحويل فقط ضمن مدى الصلادة وفئة المادة المحددين في الجدول. فإذا انتهى جدول عند 60 HRC، فلا يجوز استقراء قيمة HRC مقاسة مقدارها 64 من الصفوف الأخيرة. وإذا كان الجزء من فولاذ مقاوم للصدأ مقسّى بالترسيب، بينما يغطي الجدول أنواع الفولاذ الكربوني والسبائكي وفولاذ العدد المتجانسة، فإن اختيار الصف الأقرب مظهرًا لا يجعل التحويل صحيحًا. وقد لا يكون تعيين الدرجة وحده كافيًا أيضًا؛ فالحالات المطبعة والملدّنة والمقساة والمراجَعة والمكربنة والمشغّلة على البارد قد تنتج علاقات مختلفة عند التركيب الاسمي نفسه.

لا يكون الاستيفاء مقبولًا إلا عندما يدعمه المعيار أو إجراء معتمد، وعندما تشكل القيم المحيطة قسمًا مستمرًا مناسبًا. وينبغي تحديده بوصفه استيفاءً، مع تقريب معقول لا يوحي بدقة غير مدعومة. فالإبلاغ عن 21.37 HRC من جدول برينل يدّعي عمومًا يقينًا أكبر مما يستطيع المصدر توفيره. أبلغ عن القيمة المقاسة أولًا، ثم القيمة المحوّلة والمرجع، مثل: «220 HBW؛ نحو 21 HRC محوّلة وفق ASTM E140-12».

وقد تظهر انقطاعات عندما يغيّر الجدول فئة المادة أو مقياس روكويل أو المخترق أو فترة الصلادة. وقد تعكس هذه الانقطاعات أيضًا تحولات في ميكانيكا الانطباع، لا تغيرًا مفاجئًا في الفولاذ. لا تُجرِ تنعيمًا عبر هذا الحد ولا تحسب متوسط قيم من جداول منفصلة. وعندما يعتمد القبول على خواص الشد أو عمق الطبقة أو تأهيل اللحام أو حالة درجة محددة، فأجرِ الاختبار المباشر المطلوب. فالتحويل أداة للمقارنة، وليس دليلًا على أن الاختبار الذي لم يُجرَ كان سينجح.

الصلادة ومقاومة الشد: علاقة وليست تطابقًا

ترتبط الصلادة بمقاومة الشد لأن كلتيهما تعتمدان على مقاومة المعدن للتشوه اللدن، لكنهما ليستا خاصيتين قابلتين للتبادل. يُحدث اختبار الصلادة انطباعًا صغيرًا في موضع واحد. أما اختبار الشد فيحمّل عينة معيارية عبر حجم أكبر بكثير إلى أن يحدث الخضوع والجريان اللدن والكسر. ولذلك يختبر الاختباران أحجامًا مختلفة من المادة، ويفرضان حالات إجهاد مختلفة، وينتجان أنواعًا مختلفة من القياسات.

يمكن قياس قيمة الصلادة مباشرة على مقياس فيكرز أو برينل أو روكويل أو كنوب أو مقياس آخر. أما قيمة الصلادة المحوّلة فتحسب من مقياس مقاس مختلف باستخدام علاقة منشورة. ويمثل تقدير مقاومة الشد خطوة إضافية؛ إذ يستنتج خاصية شد من الصلادة. وتضيف كل خطوة افتراضات ومصادر خطأ محتملة. ويُعد التعامل مع مقاومة شد تقديرية كما لو كانت نتيجة اختبار شد ممارسة سيئة في إعداد التقارير، ولا سيما عندما تعتمد المواصفة أو حساب التصميم أو تحقيق الفشل على مقاومة الخضوع أو مقاومة الشد القصوى أو الاستطالة.

ما الذي تقيسه الصلادة ميكانيكيًا

الصلادة هي مقاومة التشوه اللدن الموضعي. في اختبار فيكرز، تُضغط هرمية ماسية على السطح بقوة محددة، ثم يُقاس قطرا البصمة. ويُحسب رقم صلادة فيكرز، $H_{\mathrm{V}}$، من القوة المطبقة والمساحة المسقطة للبصمة. أما اختبار برينل فيضغط كرة من الكربيد على المادة، ويربط القوة بقطر البصمة الناتجة. في المقابل، يقيس اختبار روكويل عمق الاختراق تحت حملين محددين: حمل ابتدائي وحمل رئيسي، وتُبلَّغ النتيجة على مقياس محدد مثل HRC أو HRB.

ينشئ الجسم الضاغط مجال إجهاد ثلاثي الأبعاد معقدًا أسفل منطقة التلامس. ويشمل هذا المجال مكونات انضغاطية وقصّية وشدية، وقد تتعرض المادة القريبة من البصمة لانفعال لدن شديد. وتتأثر الاستجابة المقاسة بالتصلد بالتشوه، والاسترداد المرن، والاحتكاك، وهندسة الجسم الضاغط، وتجهيز السطح، وحجم المنطقة المتشوهة لدنًا. كما أنها تعكس خصائص المادة الموجودة مباشرة تحت سطح الاختبار، وليس بالضرورة الخصائص المتوسطة للجزء بأكمله.

تفسر هذه الطبيعة الموضعية سبب فائدة الصلادة في فحص التدرجات وتأثيرات المعالجة. فقد تُظهر طبقة مارتنسيتية مُقساة ومراجعة، أو سطحًا منزوع الكربون، أو منطقة متأثرة بالحرارة في لحام، أو طبقة سطحية مكربنة، قيمة صلادة تختلف بشدة عن قيمة القلب. كما يمكن أن يؤدي تباعد البصمات، والمسافة عن الحافة، وسُمك العينة، والتقوس، وخشونة السطح إلى تشويه النتيجة. ويُعد رقم الصلادة من دون مقياسه وطريقة اختباره وحمله وحالته رقمًا غير مكتمل. فالرقم «60» قد يعني 60 HRC، أو 60 HRB، أو 60 HRA، أو نحو 60 HV تحت حمل محدد؛ وهذه القيم ليست متكافئة.

أما مقاومة الشد، فعلى النقيض، فهي أقصى إجهاد هندسي يُبلَغ أثناء اختبار شد أحادي المحور. تُسحب العينة عبر طول قياس، وتُحسب مقاومة الشد القصوى المبلَّغ عنها، ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$، بقسمة الحمل الأقصى على مساحة المقطع العرضي الأصلية. يلتقط الاختبار التشوه عبر حجم قياس كبير نسبيًا، ويكشف خصائص إضافية، منها سلوك الخضوع، والاستطالة المنتظمة، والاستطالة الكلية، ونقص مساحة المقطع. ولا يمكن لبصمة الصلادة أن توفر قياسات انفعال الشد هذه.

يكتسب هذا التمييز أهمية في الفولاذ غير المتجانس. فقد يهيمن اختبار صلادة السطح على طبقة مقساة رقيقة، حتى عندما يمتلك القلب مقاومة شد أقل. وعلى العكس، قد تؤثر منطقة ذات حبيبات خشنة، أو بنية مجهرية نطاقية، أو مجموعة من الشوائب، أو اختلاف موضعي في المعالجة الحرارية، في عينة الشد بطريقة تختلف عن تأثيرها في بصمة صغيرة. وقد تتوافق الصلادة والمقاومة معًا داخل عائلة إنتاج مضبوطة، لكن هذا التوافق نتيجة تجريبية وليس تعريفًا.

العلاقة التقريبية $H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$

تنص قاعدة شائعة التكرار على ما يلي:

$$H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$$

عندما تُعبَّر صلادة فيكرز ومقاومة الشد بوحدات متوافقة، قد تكون هذه العلاقة مفيدة أحيانًا كمقارنة تقريبية لمرتبة المقدار. فعلى سبيل المثال، قد ترتبط مادة ذات $H_{\mathrm{V}}=600$ بمقاومة شد تقارب $2,000\text{MPa}$ وفق علاقة من هذا النوع. لكن هذا الحساب ليس شهادة للمادة، ولا ينبغي تقديمه على هذا الأساس.

وقد حُدِّدت هذه العلاقة لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة. وأفادت دراسة نُشرت عام 2012 في Materials Science and Engineering: A بأن نسبة الصلادة إلى المقاومة تعتمد على فئة المادة، والبنية المجهرية، وشكل البصمة. وهذه القيود حاسمة. فعامل الثلاثة ليس معادلة عامة لجميع أنواع الفولاذ، أو جميع مقاييس الصلادة، أو جميع المعالجات الحرارية. ولا تصبح العلاقة صحيحة لمجرد أن الرقم المقاس يُسمى صلادة فيكرز.

ومن الناحية الميكانيكية، تستند هذه التقريبية إلى أساس معقول. فالتشوه اللدن أسفل الجسم الضاغط يتطلب إجهاد جريان تمثيليًا مرتفعًا، في حين تعكس مقاومة الشد مستوى الإجهاد الذي تبلغه المادة أثناء التشوه أحادي المحور والتصلد بالانفعال. وفي فئة مواد محدودة تمتلك علاقة متسقة بين ضغط البصمة التمثيلي، وإجهاد الجريان، واستجابة الشد، قد تنشأ نسبة شبه ثابتة. لكن تغيير آلية التشوه أو سلوك التصلد بالانفعال يؤدي أيضًا إلى تغيير النسبة.

وقد يبتعد النوع الفولاذي نفسه عن هذه التقريبية بعد اتباع مسارات معالجة مختلفة. فالفيريت-بيرليت، والباينيت، والمارتنسيت المراجع، والمارتنسيت المُخمَد لا تتصلد تحت التحميل بالطريقة نفسها. كما يمكن للأوستينيت المحتجز، وتوزيع الكربيدات، وحجم الحبيبات، والإجهاد المتبقي، والتشوه السابق، أن تغير شكل البصمة ومنحنى الشد. وقد تُظهر أداة فولاذية عالية الكربون، وفولاذًا إنشائيًا منخفض الكربون، وفولاذًا لا يصدأ أوستنيتيًا نسبًا مختلفة بين الصلادة ومقاومة الشد، حتى عند قيم صلادة اسمية متشابهة.[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

تدعم الأعمال التجريبية المنشورة استخدامًا محدودًا خاصًا بالظروف، لا إحلالًا عامًا. فقد وجدت دراسة نُشرت في Materials Today: Proceedings عام 2023 علاقة خطية عمومًا بين صلادة برينل ومعلمات مقاومة الشد في أنواع من الفولاذ الإنشائي غير السبائكي التاريخي والمعاصر، وهي في حالتها الخام أو المُطبَّعة. وتفيد هذه النتيجة لهذه المجموعة من المواد وفي هذه الحالة. لكنها لا تثبت الخط نفسه لفولاذ سبائكي مُخمَد ومراجع، أو صفائح مشكلة على البارد، أو مكونات مقساة سطحيًا، أو ملحومات.

وتتطلب الوحدات أيضًا عناية. فعادةً ما تُبلَّغ صلادة فيكرز على شكل رقم صلادة لا بُعدي، رغم ارتباطها بالقوة لكل وحدة مساحة. أما مقاومة الشد فتُبلَّغ عادةً بوحدة MPa أو N/mm². وبما أن $1{\text{kgf/mm}}^2$ تساوي تقريبًا $9.807\text{MPa}$، فإن الخلط غير الدقيق بين اصطلاحات الصلادة ووحدات الإجهاد في النظام الدولي قد ينتج خطأً يقارب مرتبة مقدار كاملة. وينبغي أن يذكر التقرير السليم المعادلة والوحدات ومجموعة المواد وحجم عدم اليقين.

لماذا تُعد تقديرات مقاومة الشد أقل التحويلات موثوقية

لا يُعد تحويل مقياس الصلادة وتقدير مقاومة الشد مهمتين متكافئتين. يقدّم المعيار ASTM E140-12، Standard Hardness Conversion Tables for Metals، علاقات تقريبية بين قيم برينل، وفيكرز، وروكويل، وروكويل السطحي، وكنوب، وسكليروسكوب، وليب، للمعادن المحددة، بما في ذلك أنواع الفولاذ الكربوني والسبائكي وفولاذ العدد المتجانسة. وتذكر ASTM International أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية». ولذلك تصف الجداول مجموعات تجريبية محددة؛ ولا تحول كل قيمة صلادة إلى خاصية مادية عامة.

ويحدد المعيار ISO 18265:2013، Metallic materials—Conversion of hardness values، مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد. كما يحذر من أن «القيم المحوَّلة تنطبق مباشرةً فقط على المادة المحددة التي اختُبرت»، ويحدد تقديرات مقاومة الشد باعتبارها أقل التحويلات موثوقية. وينبع هذا الترتيب من سلسلة الاستدلال. فتحويل HRC إلى HV يفترض أصلًا وجود علاقة بين طريقتين لاختبار البصمة. أما تقدير ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ من أي من القيمتين، فيفترض إضافةً إلى ذلك وجود علاقة بين اللدونة الموضعية للبصمة والتشوه أحادي المحور في حجم كبير.

وقد لاحظت دراسة NIST المنشورة عام 1929 حول العلاقات التجريبية بين روكويل وبرينل أن مقاومة الشد في الفولاذ يمكن غالبًا تقديرها من صلادة برينل لأغراض تجارية. وهذه ملاحظة عملية، وليست إعلانًا عن تطابق فيزيائي. وتعتمد كلمة «غالبًا» على مجموعة الفولاذ وحالته والخطأ المسموح به. ولا تلغي ملاحظة NIST ضرورة التحقق من العلاقة بمقارنتها ببيانات الشد الخاصة بالنوع الفولاذي ومسار المعالجة ذوي الصلة.

وقد أوضح التقرير التقني لـ SAE، Hardness Tests and Hardness Number Conversions، المنشور عام 1967، القيد نفسه بصورة أكثر صراحة: إذ يجب تطوير التحويلات الدقيقة للتركيب الفولاذي والمعالجة الحرارية والجزء المحددة، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة. فقد ينتج التطريق السميك، والشريط الرقيق، والمسمار الصغير المعالج حراريًا علاقات مختلفة، حتى عندما تكون أنواعها الاسمية متطابقة. وتغير الهندسة درجة التقييد حول البصمة، في حين تؤثر الكتلة وحجم المقطع في معدل التبريد، ومن ثم في البنية المجهرية.

وبالنسبة إلى قرارات القبول، ينبغي وسم مقاومة الشد المستمدة من الصلادة بأنها تقدير، وإرفاقها بالمقياس المقاس، ومعيار الاختبار، والموقع، ودرجة المادة، وحالة المعالجة الحرارية، ومجموعة المعايرة، وعدم اليقين المتوقع. وإذا كان الرسم أو مواصفة المادة يتطلبان مقاومة شد، فإن الدليل المناسب هو اختبار شد يُجرى وفق المعيار المنطبق، وليس رقمًا محولًا اختير لأنه يبدو قريبًا من المتطلب. ويمكن للصلادة أن تُستخدم للفحص والمقارنة والمراقبة، لكنها لا تستطيع بمفردها إثبات سلوك الشد الكامل لجزء فولاذي.

الهندسة والحجم والكتلة وموقع الاختبار

تصف قيمة الصلادة استجابة حجم معيّن من المادة أسفل مخروط أو كرة الاختراق المعيّنة، ولا تصف التركيب وحده. فقد تعطي عينتان مقطوعتان من الفولاذ نفسه، والمعالج حرارياً بالطريقة نفسها، قراءات مختلفة إذا كانت إحداهما رقيقة، أو ضعيفة الإسناد، أو منحنية، أو خشنة، أو منزوعة الكربون، أو إذا أجري القياس بالقرب من أثر اختراق سابق. ولذلك قد تتغير القيمة المقاسة رغم عدم تغير السبيكة والمعالجة الحرارية.

وتكتسب هذه المسألة أهمية قبل إجراء أي تحويل. إذ يمكن لجدول التحويل أن يربط قياساً صحيحاً بطريقة برينل أو روكويل أو فيكرز بقيمة تقريبية على مقياس آخر، لكنه لا يستطيع تصحيح أثر اختراق تشوّه بسبب الانحناء أو الاهتزاز أو تلف السطح أو اختيار موقع اختبار غير مناسب. ويؤكد التقرير الفني الصادر عن SAE بعنوان اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة (1967) تحديداً أن العلاقات الدقيقة يجب تطويرها للتركيب الفولاذي والمعالجة الحرارية والقطعة المعنية، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في النتيجة.

الحد الأدنى للسماكة والمسافة من الحافة

يجب أن تكون قطعة الاختبار سميكة بما يكفي بحيث لا تصل منطقة التشوه اللدن أسفل أثر الاختراق إلى السطح المقابل. فإذا وصلت إليه، لم تعد مادة الإسناد تقيّد أثر الاختراق بالطريقة نفسها التي تقيّده بها عينة ضخمة. وقد يخترق الجسم الضاغط مسافة أكبر، أو قد تتغير هندسة التلامس، فتنتج قيمة صلادة أقل أو منحازة بطريقة أخرى مقارنة بمقطع ذي سماكة كافية. وتعتمد السماكة الدنيا المسموح بها على مقياس الصلادة، والجسم الضاغط، والقوة المطبقة، ونطاق الصلادة؛ فقد تكون صفيحة رقيقة مناسبة لاختبار روكويل السطحي، لكنها غير مناسبة لاختبار روكويل القياسي أو اختبار برينل.

وتسبب الأجزاء الصغيرة مشكلة ذات صلة. فقد يتحرك المكوّن منخفض الكتلة أو يميل أو يتشوه مرناً تحت تأثير قوة الاختبار. وحتى الإزاحة الصغيرة تغيّر عمق الاختراق في اختبار روكويل، وقد تؤثر في قياس القطر في اختبار برينل. وقد يبدو المثبّت صلباً في حين أن الجزء نفسه ينثني. وتكون الشفاه الرقيقة، والضلوع الضيقة، وجدران المقاطع المجوفة حساسة بوجه خاص.

كما أن المسافة من الحافة مهمة. فأثر الاختراق الموضوع قريباً جداً من الحافة تكون حوله كمية أقل من المادة القادرة على مقاومة الجريان اللدن. وقد تنتفخ المادة باتجاه الحافة الحرة، كما قد ينحرف القطر المقاس أو عمق الاختراق عن سلوك أثر اختراق على سطح غير مقيّد. وتنطبق المشكلة نفسها على الثقوب، والفتحات، ومجارِ المفاتيح، والتغيرات المفاجئة في المقطع. فالقراءة المأخوذة بجوار أخدود مشغَّل آلياً لا تمثل تلقائياً المنطقة المسطحة المجاورة.

وقد تتداخل آثار الاختراق القريبة أيضاً. فالتشوه اللدن الناتج عن أثر سابق يترك منطقة محلية متصلبة ومزاحة. وإذا كان أثر الاختراق التالي قريباً جداً، فقد يتغير حجمه أو عمقه. وتختلف متطلبات التباعد باختلاف الطريقة والصلادة، ولذلك يجب أن يكون المعيار المنطبق هو المرجع الحاكم، لا قاعدة تقريبية مريحة. وقد تعطي سلسلة من القراءات الموضوعة على مسافات متقاربة انطباعاً زائفاً بقابلية التكرار، لأن كل اختبار يؤثر في الاختبار الذي يليه.

الإسناد والانحناء وكتلة المكوّن

السندان الداعم جزء من منظومة القياس. فالإسناد الصلب والمستقر والمثبت بصورة صحيحة يحدّ من الحركة ويوفر قوة رد الفعل اللازمة لإحداث أثر اختراق مضبوط. أما الإسناد القابل للتشوه، أو القشور العالقة، أو الزوائد، أو شظايا الطلاء، أو المثبّت غير المستوي، فيسمح بالاستقرار الموضعي. وعندئذ يقيس الجسم الضاغط الاستجابة المشتركة للفولاذ والإسناد وأي مادة موجودة بينهما.

وللاهتزاز تأثير مماثل. فقد يؤدي إجراء الاختبار بجوار مكبس أو جلاخة أو أداة آلية إلى اضطراب تطبيق القوة أو قياس العمق. وفي المكوّن الخفيف، قد يتضخم الاهتزاز بسبب مرونة الجزء نفسه. فالقراءة المأخوذة على كتلة ضخمة والقراءة المأخوذة على مكوّن رقيق مستند إلى مثبّت مرن ليستا متكافئتين لمجرد استخدام مقياس روكويل نفسه في الحالتين.

يغير الانحناء هندسة التلامس. فعلى سطح محدب، يتلامس الجسم الضاغط مع كمية أقل من المادة المحيطة مقارنة بسطح مستوٍ، وقد ينحرف السطح مبتعداً عن الحمل. وعلى سطح مقعر، قد يكون الوصول والمحاذاة إشكاليين بالقدر نفسه. ويهم نصف قطر الانحناء نسبةً إلى حجم أثر الاختراق؛ فقد يكون للانحناء الواسع الضحل تأثير ضئيل، في حين يمكن لعمود أو أنبوب ذي نصف قطر صغير أن يسبب انحيازاً كبيراً. ويجب أن يكون الجسم الضاغط عمودياً على السطح المحلي، لا أن يكون محاذياً لمكوّن القطعة ككل فحسب.

وتثير الأجزاء الأسطوانية أسئلة إضافية بشأن الموقع. فقد تمثل القراءة عند قمة عمود، أو بالقرب من جانبه، أو على وسادة اختبار مفلطحة، حالات مختلفة من التقييد. وإذا شُغّلت وسادة لأغراض الاختبار، فإن إزالتها قد تكشف عمقاً مختلفاً، وقد لا تعود تمثل سطح التشغيل. وينبغي أن يحدد تقرير الاختبار الموقع والاتجاه وسماكة المقطع وحالة الإسناد، حتى يمكن مقارنة القراءات اللاحقة مقارنة ذات معنى.

وتنطبق هذه القيود بقوة إضافية على تقديرات الصلادة والمقاومة المحوّلة. فالمعيار ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، يقدم علاقات تقريبية بين مقاييس برينل، وفيكرز، وروكويل، وروكويل السطحي، وكنوب، والسكيروسكوب، وليب، لمعادن محددة، بما في ذلك أنواع الفولاذ الكربوني والسبائكي وأدوات القطع المتجانسة. وتنص ASTM على أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية». ولا يُزال الخطأ الناجم عن الهندسة باختيار عمود مختلف في ذلك الجدول.

تحضير السطح ونزع الكربون

يمكن لحالة السطح أن تغير النتيجة قبل أن يصل الجسم الضاغط إلى فولاذ ممثل للمادة. فقشور الأكسدة والصدأ والطلاء وآثار التشغيل الآلي وخشونة السطح تتداخل مع التثبيت ومع القياس البصري لأثر برينل أو فيكرز. وقد يجعل السطح الخشن تحديد حواف أثر صغير أمراً صعباً، في حين يمكن لشظية أكسيد مفككة أن تنهار تحت الحمل. ويجب أن تزيل طريقة التحضير الملوثات من دون تغيير الحالة المعدنية التي يجري قياسها.

ولا يكون التجليخ غير ضار تلقائياً. فقد يولّد التجليخ الشديد طبقة متأثرة بالحرارة، أو تطبيعاً موضعياً، أو إجهاداً متبقياً، أو قشرة متصلبة بالتشغيل. كما يمكن للضغط المفرط أن ينشئ سطحاً أصلب أو ألين من المادة الموجودة تحته. ويساعد التبريد والقطع الخفيف وإزالة كمية كافية من المادة على تقليل هذا الخطر، لكن العمق المطلوب يعتمد على العملية والمكوّن. وقد يحسن السطح المصقول القياس البصري، مع أنه يظل ممثلاً لمادة متضررة إذا كان التحضير عنيفاً أكثر من اللازم.

وقد تنشئ المعالجة الحرارية أيضاً تدرجات صلادة مقصودة أو عرضية. فطبقة السطح المكربنة أصلب من لبها منخفض الكربون، وقد يقيس أثر اختراق ضحل الطبقة وحدها. ومع ازدياد حجم أثر الاختراق أو عمقه، تبدأ الركيزة الألين في التأثير في النتيجة. وعندئذ يصبح التحويل القائم على فولاذ متجانس غير مناسب. أما نزع الكربون فيحدث تأثيراً معاكساً؛ إذ يمكن للتسخين في جو مزيل للكربون أن يزيل الكربون من السطح، مخلفاً طبقة لينة فوق فولاذ أصلب. ولذلك قد يفشل اختبار صلادة السطح في استيفاء المواصفة حتى عندما يستوفيها الجزء الداخلي، أو قد يبدو مقبولاً إذا اخترقت قوة الاختبار الطبقة وتجاوزتها.

وتتطلب القياسات الموضعية عناية أكبر. فقد يحتوي معدن اللحام، وحد الاندماج، والمنطقة المتأثرة بالحرارة على بنيات مجهرية وتدرجات صلادة مختلفة عبر مسافات قصيرة جداً. وقد يكون أثر برينل التقليدي كبيراً جداً بحيث لا يعزل منطقة واحدة، في حين يمكن لاختبار فيكرز المجهري أو اختبار كنوب أن يحدد التدرج، لكنه يتطلب تحضيراً أفضل وضبطاً أكبر للتباعد. وينبغي أن يوضح التقرير ما إذا كانت القيمة مأخوذة من معدن اللحام، أو المنطقة المتأثرة بالحرارة، أو المعدن الأساس غير المتأثر، أو من مسافة محددة من خط الاندماج.

يحدد المعيار ISO 18265:2013 مبادئ تحويل مقاييس الصلادة وتقدير مقاومة الشد، لكنه ينص على أن القيم المحوّلة تنطبق مباشرة فقط على المادة المطابقة تماماً للمادة المختبرة، ويحدد تقديرات مقاومة الشد بوصفها أقل التحويلات موثوقية. ووجدت دراسة NIST للعلاقات التجريبية بين روكويل وبرينل (1929) أن مقاومة شد الفولاذ يمكن غالباً تقديرها من صلادة برينل لأغراض تجارية؛ إلا أن ذلك لا يجعل قراءة سطحية مأخوذة من جزء منحني ومنزوع الكربون اختبار شد. وحددت دراسة نُشرت عام 2012 في Materials Science and Engineering: A العلاقة التقريبية $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ لبعض المعادن العالية المقاومة والمطيلة، مع إظهار أن النسبة تعتمد على فئة المادة والبنية المجهرية وشكل أثر الاختراق. ويجب ضبط الهندسة والتحضير أولاً؛ وإلا أضاف التحويل دقة ظاهرية إلى قياس لم يكن يمثل قط حجم المادة المقصود.

تدرجات الصلادة، وعمق الطبقة المقساة، والفولاذ الملحوم أو المعالج

يصبح تحويل الصلادة غير موثوق بوجه خاص عندما تتغير الصلادة خلال بضعة أعشار المليمتر. فقد تحتوي أنواع الفولاذ المكربن، والمنترَت، والمقسى بالحث، والمعالَج بالليزر، والملحوم، والمصنَّع بالإضافة، على عدة مناطق ذات بنى مجهرية مختلفة ضمن حجم أثر غائر واحد أو ضمن المسافة المستخدمة للفحص الروتيني. وعندئذٍ يعطي تقرير «مقاومة الشد المحوَّلة» انطباعًا زائفًا بالتجانس. فقد يصف سطح الاختبار فقط، أو أثرًا غائرًا تأثر بمنطقتين، أو متوسطًا يخفي المنطقة المتحكمة في التشقق أو التآكل أو التشوه.

يقدم المعيار ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن (2012)، علاقات تقريبية بين مقاييس برينل وفيكرز وروكويل وروكويل السطحي وكنوب وسكليروسكوب وليب، وذلك لمعادن محددة، بما في ذلك أنواع الفولاذ الكربوني والسبائكي وفولاذ العدد المتجانسة. ويُعد تحذيره محوريًا هنا: «تتأثر التحويلات بالخلطة السبائكية، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية». ويضيف التدرج متغيرًا آخر هو الموقع. وينص ISO 18265:2013 على أن القيم المحوَّلة تنطبق مباشرةً فقط على المادة المحددة التي جرى اختبارها، في حين أن تقديرات مقاومة الشد هي أقل أنواع التحويل موثوقية. ولذلك يمكن أن تكون قيمة الصلادة الموضعية مفيدة للتحقق من عملية ما، من دون أن تكون تقديرًا يمكن الدفاع عنه لمقاومة الشد الحجمية للقطعة.

مقاطع التصلد السطحي

ينشئ التكربن سطحًا مُغنى بالكربون يتحول عادةً إلى مارتنسيت عالي الكربون بعد التخمير، بينما تحتفظ النواة الأقل احتواءً على الكربون باستجابة مختلفة للقابلية للتصلد وبمتانة مختلفة. وتنتج النترتة طبقة مركبة ومنطقة انتشار تنخفض صلادتها مع العمق؛ ويعتمد المقطع على التركيب الكيميائي للفولاذ، وإمكانات النترتة، ودرجة الحرارة، والزمن، والمعالجة المسبقة بالمراجعة. وينتج التصلد بالحث طبقة مارتنسيتية مقساة بالتخمير السريع فوق منطقة انتقالية ونواة أكثر ليونة. ويمكن أن ينشئ التصلد بالليزر أو السبك بالليزر مناطق أضيق وأكثر تفاوتًا في الشكل، ولا سيما عندما يختلف تراكب المسح أو معدل التبريد أو التخفيف.

تجيب صلادة السطح وصلادة النواة عن سؤالين مختلفين. فقد يتحقق القياس القريب من السطح من بلوغ الطبقة المكربنة صلادة محددة، لكنه لا يمكن أن يحل محل خصائص الشد للنواة منخفضة الكربون. وعلى العكس، لا يخبر قياس النواة إلا قليلًا عن مقاومة إجهاد التلامس أو التآكل اللاصق عند سطح التشغيل. وتكون نتيجة واحدة بمقياس روكويل C على طبقة رقيقة معرضة بوجه خاص لتأثير الركيزة؛ إذ يمتد مجال التشوه إلى أسفل الطبقة المقساة، ولذلك يمكن للنواة الأكثر ليونة أن تخفض القيمة الظاهرية. كما يمكن لانحناء السطح المفرط، أو عدم كفاية الإسناد، أو خشونة الطبقة المركبة أن يضيف أخطاء أخرى.

يُنشأ المقطع عادةً بتحضير مقطع عرضي وصقله بعناية، ثم وضع آثار غائرة من فيكرز على أعماق مقيسة انطلاقًا من السطح. وينبغي لقوة الاختبار أن تنتج آثارًا غائرة كبيرة بما يكفي لقياسها بصورة موثوقة، وصغيرة بما يكفي لتمييز التدرج. فالآثار الموضوعة على مسافات متباعدة أكثر من اللازم تفوّت منطقة الانتقال، في حين تتفاعل الآثار الموضوعة على مسافات متقاربة جدًا من خلال تراكب مجالات الانفعال اللدن. ويحدد ISO 6507-1 وASTM E384 متطلبات اختبار فيكرز وكنوب، بما في ذلك الحدود المتعلقة بالمسافات والحواف والقياس. وينبغي تسجيل المعيار المنطبق وقوة الاختبار بدلًا من الاكتفاء بالإبلاغ عن «الصلادة المجهرية».

لا يقتصر عمق الطبقة المقساة على عمق النقطة الأعلى صلادة. ويُعرَّف العمق الفعال للطبقة المقساة عادةً بأنه العمق الذي تنخفض عنده الصلادة إلى قيمة حدية محددة، إلا أن القيمة الحدية تعتمد على مواصفة المنتج والفولاذ والطريقة. وينبغي أن يحدد التقرير الصحيح تحضير السطح، وقوة الاختبار، ونوع المخترق، ومرجع العمق، والمسافة بين الآثار الغائرة، ومقياس الصلادة، والمعيار المستخدم لتحديد العمق الفعال. ولا يزيل المنحنى ذو المظهر الأملس عدم اليقين؛ فقد يعكس التشتت توزيع الكربيدات، أو الأوستنيت المحتجز، أو نزع الكربون الموضعي، أو دقة القياس.

معدن اللحام والمناطق المتأثرة بالحرارة

يمثل مقطع اللحام سلسلة من المناطق، وليس مادة واحدة. فقد يختلف معدن لحام الانصهار في تركيبه وبنية تصلبه عن الصفيحة الأصلية. وبمحاذاته مباشرةً، قد تحتوي المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) على مناطق خشنة الحبيبات، وناعمة الحبيبات، وبين حرجة، وتحت حرجة. وفي أنواع الفولاذ الكربوني والمنخفض السبائك، قد تتكون في المنطقة المتأثرة بالحرارة خشنة الحبيبات، عند تبريدها بسرعة، بنية مارتنسيتية أو بينيتية قاسية، في حين قد تكون المنطقة المُراجعة أو البين حرجة أكثر ليونة ومعرضة للتليين الموضعي. ويمكن لكل من تاج اللحام، والجذر، وحد الانصهار، والمعدن الأساس غير المتأثر أن يعطي قراءات مختلفة.

ويهم موضع الأثر الغائر. فالأثر المتمركز على حد الانصهار قد يأخذ عينة من مجال تشوه مختلط من معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة، ولذلك لا يمكن إسناد رقمه بثقة إلى أي من المنطقتين. وينبغي أن يكون الأثر الأول بعيدًا بما يكفي عن خط الانصهار وحافة العينة لاستيفاء متطلبات معيار الاختبار الحاكم، مع بقاء صف القياسات قريبًا بما يكفي لتمييز أضيق منطقة. ويستخدم التخطيط العملي شبكة أو مسار قياس موثقًا، مع تقليل المسافات عبر حد الانصهار وانتقالات الصلادة مقارنةً بالمعدن الأساس المتجانس. ويجب أن تتبع المسافة الدقيقة الطريقة المختارة ومواصفة القبول؛ ولا ينبغي اختيارها لمجرد سهولة التنفيذ.

غالبًا ما تُفحص صلادة اللحام للتحكم في العملية، أو لتقييم خطر التشقق الهيدروجيني، أو لتأكيد إجراء لحام مؤهل. ولا يجعل هذا الغرض من الاختبار اختبارَ شد. فقد تشير صلادة موضعية مرتفعة في المنطقة المتأثرة بالحرارة إلى بنية مارتنسيتية وزيادة القابلية للتشقق، بينما قد تشير القيمة المنخفضة إلى الإفراط في المراجعة أو فقدان المقاومة. ولا تثبت أي من النتيجتين مقاومة الشد للوصلة الملحومة بأكملها. كما تعتمد مقاومة الوصلة على هندسة اللحام، والعيوب، والإجهاد المتبقي، والتقييد، والمتانة، وأضعف منطقة موضعية.

رسم خرائط الصلادة الموضعية من دون حساب متوسط مضلل

ينبغي أن يحافظ رسم خرائط الصلادة على الموقع بدل اختزال كل قراءة في متوسط واحد. وسجّل الإحداثيات انطلاقًا من سطح مرجعي أو خط مركز اللحام، وحدد منطقة البنية المجهرية، واعرض القيم الفردية أو مقطعًا مرسومًا للصلادة مع العمق. فقد يخفي المتوسط قيمة عظمى أو صغرى ضمن نطاق ضيق؛ إذ يمكن لعشر قراءات في معدن أساس لين أن تطغى على قراءتين حرجتين في منطقة متأثرة بالحرارة وهشة. وإذا كان المتوسط مطلوبًا، فأبلغ إلى جانبه عن المدى، والانحراف المعياري، وعدد القراءات، وقواعد الاستبعاد.

وينطبق المبدأ نفسه على المسارات المعالَجة بالليزر والفولاذ المصنَّع بالإضافة. فقد تنتج حدود حوض الانصهار، وواجهات الطبقات، ودورانات المسح، وعيوب عدم الانصهار، والمسامية، والنطاقات التي أعيد تسخينها صلادةً تعتمد على الاتجاه. وقد تفوّت شبكة سطحية نطاقًا تحت السطح، كما قد يفوّت المقطع العرضي تباينًا على طول مسار المسح. ولذلك ينبغي أن تتبع القياسات هندسة العملية في أكثر من اتجاه عندما يكون التباين اللاتناظري محتملًا.

تبقى الصلادة المقاسة مباشرةً هي النتيجة الأساسية. وينبغي وسم قيمة برينل أو روكويل أو فيكرز المحوَّلة بأنها محوَّلة، وربطها بالجدول المحدد، وحالة المادة، وموقع الاختبار. وقد وجدت دراسة NIST لعام 1929 أن مقاومة شد الفولاذ يمكن في كثير من الأحيان تقديرها من صلادة برينل لأغراض تجارية، كما وجدت دراسة لعام 2023 علاقة خطية عمومًا بين برينل ومقاومة الشد للفولاذ الإنشائي غير السبائكي في حالتيه الخام أو المُطبَّعة. ولا تصادق هذه النتائج على تحويل طبقة مقساة أو منطقة متأثرة بالحرارة أو سطح مُصنَّع بالإضافة إلى مقاومة الشد الحجمية. وحتى العلاقة التقريبية Hᵥ ≈ 3σUTS الواردة في دراسة عام 2012 في Materials Science and Engineering: A تنطبق على بعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة، وليس على كل فولاذ أو بنية مجهرية. وعندما يعتمد التصميم أو القبول أو تقييم الفشل على خصائص الشد، ينبغي إجراء اختبار شد على مادة ممثلة.

كيفية اختيار تحويل لفولاذ محدد

ينبغي أن يبدأ تحويل الصلادة بالنتيجة المقاسة، لا بالرقم المطلوب وفقًا للمواصفة. سجّل المقياس الأصلي بدقة—مثل 220 HBW أو 32 HRC أو 410 HV أو 72 HRA—مع طريقة الاختبار، والسنّ الضاغط، وقوة الاختبار، وتحضير السطح، وموضع القياس. فكلمة «الصلادة» من دون تحديد المقياس تمثل معلومات ناقصة. والقيمة المحوَّلة ليست قياسًا ثانيًا؛ بل هي تقدير ناتج عن علاقة تجريبية.

تحديد الدرجة، وشكل المنتج، والحالة

حدّد الفولاذ أولًا بأكبر قدر تسمح به السجلات المتاحة من دقة. فتسمية مثل AISI 1045 أو ASTM A36 أو AISI 4140 أو ASTM A240 Type 304 أو ASTM A681 W1 تصف عائلة من المواد، لكنها لا تحدد بمفردها علاقة الصلادة. ويمكن للتركيب الكيميائي الواقع ضمن نطاق المواصفة أن يغير الاستجابة للانغراز، كما يمكن لمنتجين ذوي الدرجة الاسمية نفسها أن تكون لهما توزيعات مختلفة للكربون، أو أحجام حبيبات، أو شوائب، أو أطوار متبقية.

سجّل شكل المنتج: صفيحة، أو لوح، أو قضيب، أو سلك، أو أنبوب، أو مطروقة، أو مصبوب، أو جزء ملحوم، أو مكوّن مشغَّل آليًا. وتكتسب السماكة وحجم المقطع الموضعي أهمية لأن الانغراز يجب أن يكون مدعومًا بكمية كافية من المادة. فعلى سبيل المثال، يقيس انغراز برينل في مطروقة فولاذية سميكة من نوع 4140 حجمًا أكبر من البصمة التي يتركها اختبار فيكرز بالقرب من سطح لوح سماكته 1 mm. وقد لا تمثل النتيجتان المنطقة ذات البنية المجهرية نفسها، حتى إذا أُبلغ عن كلتيهما بوصفهما رقمي صلادة.

والحالة مهمة بالقدر نفسه. اذكر ما إذا كانت المادة مُلدَّنة، أو مطبَّعة، أو مُخمَّدة ومراجَعة، أو معالجة بالترسيب، أو مشغَّلة على البارد، أو مكربنة، أو نيتريدية، أو مقسّاة بالحث، أو خضعت لمعالجة سطحية أخرى. فعلى سبيل المثال، يمكن أن يمتلك AISI 1045 المطبَّع وAISI 1045 المخمَّد والمراجَع بنيتين مختلفتين من الفيريت–البيرليت أو بنى مارتنسيتية، ومن ثم علاقات مختلفة بين الصلادة ومقاومة الشد. وقد يُظهر مكوّن من AISI 8620 مكربن صلادة سطحية مرتفعة، في حين تظل لبُّه أكثر ليونة بكثير. ولا يُعد التحويل المستند إلى فولاذ متجانس وصفًا سليمًا لذلك التدرج.

وينبغي أن يحدد السجل أيضًا ما إذا كان الاختبار قد أُجري على سطح مجلوخ، أو مصقول، أو منزوع الكربون، أو مؤكسد، أو مطلي، أو معالَج بالقذف بالخردق. فقد تهيمن طبقات السطح على نتيجة ضحلة لاختبار فيكرز أو كنوب أو روكويل السطحي. وعلى العكس، قد يعمل انغراز برينل الكبير على حساب متوسط طبقة السطح مع اللب الواقع تحتها. وإذا كان موضع القياس قريبًا من لحام، أو منطقة متأثرة بالحرارة، أو حافة، أو ثقب، أو انحناء، فيجب إدراج ذلك الموضع ضمن بيانات النتيجة.

تنص ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، على أن «التحويلات تتأثر بالسبائك، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية» (ASTM International, 2012). وهذا التحذير قاعدة للاختيار، وليس مجرد قيد عام. فلا ينبغي تطبيق مدخل في جدول خاص بالفولاذ الكربوني أو السبائكي أو العدد المتجانس تلقائيًا على طبقة مقسّاة سطحيًا، أو بنية مجهرية مزدوجة الطور، أو منطقة لحام.

مواءمة المقياسين الأصلي والمستهدف

حدّد بعد ذلك ما المقصود من القيمة المستهدفة. فتحويل 32 HRC إلى نحو 300 HBW هو مقارنة بين مقياسين للصلادة. أما تحويل 32 HRC إلى مقاومة شد تقديرية فهو عملية مختلفة وأقل موثوقية. وينبغي الإبلاغ عن العملية الأولى بوصفها صلادة محوَّلة، في حين ينبغي الإبلاغ عن الثانية بوصفها مقاومة شد تقديرية، مع بيان أساسها وحدودها.

اختر مقياس الاختبار استنادًا إلى الهندسة وحالة المادة قبل اختيار جدول التحويل. ويكون اختبار برينل، المحدد في ASTM E10 أو ISO 6506-1، مناسبًا غالبًا للفولاذ السميك والمتجانس نسبيًا، لأن انغرازه الأكبر يحسب متوسط التباين الموضعي. لكنه غير مناسب جيدًا لمقطع ضيق، أو جدار رقيق، أو نصف قطر صغير، أو سطح قريب من حافة. وتوفر مقاييس روكويل، المشمولة في ASTM E18 أو ISO 6508-1، نتائج سريعة، لكن يجب أن يكون المقياس المختار ملائمًا لصلادة المادة وسماكتها. فـ Rockwell C ليس بديلًا عامًا لكل اختبار فولاذ؛ إذ قد تتطلب أنواع الفولاذ الأكثر ليونة Rockwell B، في حين قد تتطلب المقاطع الرقيقة أو الطبقات المقسّاة الضحلة مقياس روكويل السطحي.

ويفيد اختبار فيكرز وفق ASTM E384 أو ISO 6507-1 عندما تكون المساحة المتاحة صغيرة أو عندما يلزم تتبع الصلادة عبر عمق طبقة سطحية أو خلال لحام. وقد يكون اختبار كنوب أفضل للطبقات الرقيقة جدًا أو المناطق الضيقة، لأن بصمته الممدودة تتيح قياسًا موضعيًا. ويمكن أن يساعد اختبار ليب المحمول في المكوّنات الكبيرة التي يتعذر نقلها إلى آلة ثابتة، إلا أن حالة السطح، وكتلة المكوّن، وتقوسه، ودعامته، واتجاه الصدمة، والمعايرة، كلها تؤثر في النتيجة. ولذلك ينبغي ربط تحويل ليب إلى روكويل بجهاز ليب المسموح به وبفئة المادة، لا اعتباره قابلًا للتبادل مع اختبار روكويل مباشر.

كما تحد ميكانيكا الانغراز من المقارنة. فالمقاييس المختلفة تفرض أشكالًا وقوى مختلفة للسن الضاغط، فتنتج مناطق لدنة مختلفة. ولا ينجح التحويل إلا بقدر ما يتصرف الفولاذ المختبَر مثل المواد التي أُنشئت العلاقة استنادًا إليها. وقد لا تتحول قيمة صلادة مرتفعة قريبة من الحد الأعلى لأحد المقاييس بصورة موثوقة إلى مقياس آخر، حتى عندما تكون القراءتان من الناحية التقنية ضمن نطاقاتهما الاسمية.

وتتسم العلاقة بين الصلادة ومقاومة الشد بكونها مشروطة بوجه خاص. فقد حددت دراسة نُشرت عام 2012 في Materials Science and Engineering: A العلاقة التقريبية $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة، لكنها أفادت أيضًا بأن نسب الصلادة إلى المقاومة تعتمد على فئة المادة، والبنية المجهرية، وشكل الانغراز. وهذه الصيغة ليست معادلة عامة للفولاذ. وبالمثل، وجدت دراسة عام 2023 للفولاذ الإنشائي غير السبائكي التاريخي والمعاصر علاقة خطية عمومًا بين صلادة برينل ومعاملات مقاومة الشد للفولاذ في حالته الخام أو المطبَّعة. ولا تثبت هذه النتيجة العلاقة نفسها بالنسبة إلى 4340 المخمَّد والمراجَع، أو 4140 النيتريدي، أو فولاذ العدد المارتنسيتي.

التحقق من نطاق المعيار ومداه

بعد تحديد المادة واختيار المقياسين، اقرأ نطاق المعيار المعني وملاحظاته. وتقدم ASTM E140-12 علاقات تقريبية بين قيم برينل، وفيكرز، وروكويل، وروكويل السطحي، وكنوب، وسكليروسكوب، وليب، لمعادن محددة، ومنها أنواع الفولاذ الكربوني والسبائكي وفولاذ العدد المتجانسة. ويجب أن يغطي الجدول فئة المادة ذات الصلة ونطاق الصلادة المقاسة معًا. ولا تستقرأ خارج حدوده لمجرد أن الاتجاه العددي يبدو سلسًا.

وتحدد ISO 18265:2013 مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد. وتنص على أن القيم المحوَّلة تنطبق مباشرة فقط على المادة المحددة التي خضعت للاختبار، وتحدد تقديرات مقاومة الشد بوصفها أقل التحويلات موثوقية. وهذا يجعل الدرجة، والحالة، وتاريخ المنتج أدلة أساسية عند الاستشهاد بجدول ISO.

وتكون الجداول المنشورة أكثر قابلية للدفاع عنها عندما يكون الفولاذ مشابهًا من حيث التركيب والبنية المعدنية للمجموعة التي أُنشئ الجدول استنادًا إليها، ويقع الاختبار ضمن النطاق المعلن بوضوح، وتستوفي هندسة العينة متطلبات الطريقة الأصلية، ولا تُستخدم النتيجة بوصفها شهادة لخاصية شد. وقد يكون تحويل الجدول كافيًا لمراقبة العملية أو لإجراء مقارنة أولية. لكنه لا يكفي بمفرده عندما يعتمد عقد، أو تقييم للسلامة، أو عملية حسابية تصميمية على إجهاد الخضوع، أو مقاومة الشد القصوى، أو أداء الكسر.

أما بالنسبة إلى القرارات الحرجة، فأجرِ مطابقة مخبرية. اختبر قطعًا ممثلة—أو عينات مجاورة من الصهيرة نفسها، وشكل المنتج نفسه، والسماكة نفسها، ودفعة المعالجة الحرارية نفسها—باستخدام طريقة الصلادة الأصلية والطريقة المستهدفة المطلوبة أو اختبار الشد. وينبغي أن تغطي القياسات المزدوجة نطاق التشغيل الفعلي، وأن تتضمن قراءات مكررة، وأن تُحلل باستخدام حدود تنبؤ، لا بخط ملائم واحد. ويطرح التقرير الفني الصادر عن SAE بعنوان اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة (1967) النقطة الأساسية مباشرة: إذ يجب تطوير التحويلات الدقيقة للتركيب المحدد للفولاذ، ومعالجته الحرارية، والجزء المعني، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة. وقد وجدت دراسة أجرتها NIST عام 1929 أن مقاومة شد الفولاذ يمكن غالبًا تقديرها من صلادة برينل لأغراض تجارية، لكن هذه النتيجة تدعم التقدير العملي، ولا تمثل قانونًا عامًا.

أبلغ أولًا عن القيمة الأصلية المقاسة، ثم عن القيمة المحوَّلة، والجدول أو النموذج المستخدم، وحالة المادة، وبيان عدم اليقين أو القيد. وعلى سبيل المثال: «قيسَت 32 HRC؛ وتبلغ القيمة نحو 302 HBW باستخدام ASTM E140-12 للفولاذ السبائكي، مع مراعاة نطاق الجدول وحدود انطباقه على المادة». وإذا استُنتجت مقاومة الشد، فاذكر صراحة أنها تقديرية. وعندما تكون الخاصية هي التي تتحكم في القبول أو التصميم، فأجرِ اختبار الشد نفسه.

التحقق من الصحة، وعدم اليقين، وقرارات القبول

لا تكون عملية تحويل الصلادة قابلة للدفاع عنها إلا عندما يشبه أساسها المادة الجاري تقييمها. فالمقارنة ذات الصلة ليست بين رقم صلادة منفرد وقيمة في جدول، بل بين الصلادة المقاسة وسلوك الشد المقاس لمادة تشترك معها في الدرجة نفسها، والمعالجة الحرارية نفسها، وحجم المقطع نفسه، والتاريخ التصنيعي نفسه. ولا ينبغي تطبيق تحويل طُوِّر لصفائح مطبَّعة تلقائيًا على قضبان مروَّاة ومراجَعة، أو صفائح مشكلة على البارد، أو أجزاء مكربنة، أو مادة متأثرة باللحام، حتى عندما تكون الدرجة الكيميائية الاسمية متطابقة.

الاختبار المزدوج والانحدار

يبدأ التحقق باستخدام عينات مزدوجة أو مواضع مزدوجة من مادة ممثلة. تُقاس الصلادة باستخدام الطريقة المحددة—مثل برينل أو روكويل أو فيكرز—وتُجرى اختبارات الشد وفقًا لمعيار الشد المعتمد، على مادة مأخوذة من نفس الصهرة، وشكل المنتج، والاتجاه، ونطاق السماكة، ومسار المعالجة. وينبغي أن تحافظ خطة الاختبار على الحالة المهمة أثناء الخدمة: فقضيب من 42CrMo4 في الحالة المروَّاة والمراجَعة لا تمثله تمثيلًا كافيًا مادة 42CrMo4 ملدَّنة لا صلة لها به، كما لا ينبغي تجميع صفيحة ASTM A36 مع درجة إنشائية مطبَّعة ذات مقاومة أعلى لمجرد أن كلتيهما من أنواع الفولاذ الكربوني.

يجب ضبط إجراء قياس الصلادة قبل ملاءمة أي علاقة. وينبغي تسجيل المقياس، والنافذ، وقوة الاختبار، وزمن التثبيت، وتحضير السطح، والمسافة بين الاختبارات، والمسافة عن الحواف أو الأسطح المنحنية. يغطي المعيار ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، العلاقات التقريبية بين قيم صلادة برينل، وفيكرز، وروكويل، وروكويل السطحي، وكنوب، وسكليروسكوب، وليب للمعادن المحددة، بما في ذلك أنواع الفولاذ الكربوني والسبائكي وأدوات القطع المتجانسة. وينص ASTM على أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية». وتمثل هذه العبارة قيدًا على الجدول، وليست مؤهلًا ثانويًا.

فترة التنبؤفترة التنبؤ فترة تعبّر عن النطاق المتوقع لنتيجة فردية مستقبلية، وتشمل كلاً من عدم يقين النموذج والتشتت بين المواد.

يمكن بعد ذلك أن يربط نموذج انحدار بين الكميات المقاسة. وبحسب البيانات، قد يكون النموذج الخطي مناسبًا ضمن نطاق محدود:

$$R_m=a+\mathrm{bH}$$

حيث تمثل $R_m$ مقاومة الشد المقاسة، وتمثل $H$ الصلادة المقاسة على مقياس محدد. وقد تكون هناك حاجة إلى نموذج غير خطي، أو نموذج خاص بدرجة معينة، أو نماذج منفصلة للمعالجات الحرارية المختلفة. وينبغي ملاءمة النموذج للمشاهدات المزدوجة، لا لقيم الصلادة المنسوخة من جدول تحويل. ويجب الإبلاغ عن عدد الصهرات، وعدد العينات لكل صهرة، ونطاق الصلادة، ونطاق الشد، وتقديرات المعاملات، والانحراف المعياري للبواقي، وفواصل الثقة للمتوسط الملائم وللتنبؤ الفردي.

ويمثل التمييز بين هذين النوعين من الفواصل أمرًا مهمًا. ففاصل الثقة حول متوسط مقاومة الشد المتنبأ بها يصف عدم اليقين في العلاقة المتوسطة المقدَّرة. أما فاصل التنبؤ الفردي فيشمل أيضًا التشتت من عينة إلى أخرى، ولذلك يكون أوسع. وتتعلق قرارات القبول بالمادة الفردية، لا بمتوسط مجرد. ومن ثم يمكن لخط انحدار ضيق أن يتعايش مع فاصل تنبؤ واسع إلى حد لا يسمح بدعم حد المواصفة.

ويجب فحص الانحياز بصورة منفصلة عن التشتت. فإذا كانت مقاومة الشد المحوَّلة أعلى باستمرار من نتائج الشد المباشر، فإن للتحويل انحيازًا موجبًا وقد يؤدي إلى قبول مادة ضعيفة بصورة زائفة. وينبغي مقارنة البواقي عبر الصلادة، والصهرة، وسماكة المقطع، والاتجاه، ودفعة المعالجة الحرارية. ويمكن لمخطط البواقي أن يكشف التقوس، أو تغير التباين، أو وجود تجمع مرتبط بتحميلة فرن واحدة. ولن يكشف معامل ارتباط كلي واحد هذه التأثيرات.

وتتطلب القيم الشاذة التحقيق فيها، لا حذفها تلقائيًا. فقد تنتج نتيجة متطرفة عن وضع غير صحيح لبصمة الصلادة، أو سوء تحضير السطح، أو عيب في عينة الشد، أو خطأ في النسخ، أو انفصال حقيقي وتباين في البنية المجهرية. ولا يكون استبعادها مبررًا إلا بوجود سبب تقني موثق، ومع إجراء اختبار مكرر متى أمكن. وإلا فإن القيمة الشاذة تشكل جزءًا من العلاقة التي يجب أن يتحملها إجراء القبول.

وتوضح الأدلة التاريخية سبب نجاح النماذج المقيدة. فقد وجدت دراسة نُشرت عام 2023 في Materials Today: Proceedings علاقة تجريبية خطية عمومًا بين صلادة برينل ومعاملات مقاومة الشد لفولاذ إنشائي غير سبائكي تاريخي ومعاصر، في الحالة الخام أو المطبَّعة. ولا تثبت هذه النتيجة صلاحية الخط نفسه للفولاذ السبائكي، أو المروَّى والمراجَع، أو المقسّى بالترسيب، أو المكربن، أو المشكَّل على البارد بدرجة كبيرة. وبالمثل، أفادت دراسة أجراها NIST عام 1929 بأنه يمكن غالبًا تقدير مقاومة شد الفولاذ من صلادة برينل للأغراض التجارية، غير أن التقدير المفيد للفرز الأولي ليس قانونًا عامًا للمادة.

القابلية للتكرار، وقابلية إعادة الإنتاج، وعدم اليقين

تصف القابلية للتكرار التباينَ عندما يستخدم المشغّل نفسه الجهازَ والطريقةَ نفسيهما على مواضع متشابهة بما يكفي وتحت ظروف مضبوطة بدرجة كبيرة. أما قابلية إعادة الإنتاج فهي أوسع نطاقًا؛ إذ تشمل التغير في المشغّل، أو الجهاز، أو المختبر، أو اليوم، أو إعداد الاختبار. ولا ينبغي الخلط بين هذه المكونات والتشتت في العلاقة بين الصلادة والمقاومة.

فعلى سبيل المثال، قد تُظهر خمس بصمات متكررة لصلادة فيكرز تباينًا ضئيلًا، مما يدل على قابلية تكرار جيدة، بينما تتباين نتائج الشد المباشر تفاوتًا كبيرًا بين عينات متشابهة اسميًا بسبب تباعد الفريت والبرليت، أو مراجعة المارتنسيت، أو التخطط، أو الشوائب، أو الانفصال الموضعي. وعلى العكس، قد تُظهر مادة مستقرة قابلية تكرار ضعيفة لأن السطح خشن، أو لأن الجزء رقيق جدًا، أو لأن البصمة قريبة جدًا من حافة، أو لأن النافذ أو التحقق من القوة معيب. تنتمي المشكلة الأولى إلى نموذج التحويل، بينما تنتمي الثانية أساسًا إلى نظام القياس.

وينبغي أن تتضمن ميزانية عدم اليقين المعايرة، ودقة الجهاز، وتأثيرات المشغّل والمختبر، وتأثيرات السطح والهندسة، وأخذ العينات، والتباين المتبقي للعلاقة التجريبية. ولذلك فإن النتيجة المحوَّلة ليست ببساطة «الصلادة المقاسة ± عدم يقين الجهاز»، بل تتضمن عدم اليقين الناشئ عن التحويل نفسه. ويحدد ISO 18265:2013 مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد، مع التحذير من أن «القيم المحوَّلة تنطبق مباشرة فقط على المادة المحددة التي اختُبرت». كما يحدد تقديرات مقاومة الشد باعتبارها أقل التحويلات موثوقية.

وغالبًا ما يهيمن أخذ العينات على النتيجة. فبصمة صلادة واحدة تأخذ عينة من حجم صغير، في حين تأخذ عينة الشد حجمًا أكبر بكثير وباتجاه مختلف. ولا تمثل عدة قراءات من سطح واحد ملائم كامل المطروقة، أو الصفيحة، أو الملحومة، أو اللفيفة. وينبغي أن يغطي أخذ العينات الصهرات، والمواضع، والسماكات، والاتجاهات التي يمكن لعملية الإنتاج توليدها. وإذا جرى التحقق من العلاقة على مادة خط المركز فقط، فلا ينبغي أن تحكم ضمنيًا المناطق المقسّاة سطحيًا أو المنزوعة الكربون.

وينطبق الحذر نفسه على الصيغ البسيطة. فقد حددت دراسة نُشرت عام 2012 في Materials Science and Engineering: A العلاقة التقريبية $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة. ومع ذلك، تعتمد نسبة الصلادة إلى المقاومة على فئة المادة، والبنية المجهرية، وشكل البصمة. وقد يؤدي التعامل مع هذه الصيغة باعتبارها معادلة عامة للفولاذ إلى إنتاج نتيجة تبدو دقيقة دون بيان قابل للدفاع عنه بشأن عدم اليقين.

متى يكون التحويل غير مناسب للقبول

يكون التحويل غير مناسب عندما تشترط المواصفة مقاومة الشد ولم يُتحقق من صحة التحويل للمنتج والحالة المحددين بالضبط. وينبغي أن يحكم اختبار الشد المباشر، المنفذ وفق معيار المادة المعتمد، كلما اعتمد القبول على مقاومة الخضوع، أو مقاومة الشد، أو الاستطالة، أو الاختزال في المساحة، أو خاصية شد ذات صلة. ويمكن لقيمة محوَّلة أن تدعم مراقبة العملية، أو الفرز، أو التحقيق، لكنها لا ينبغي أن تحل محل اختبار القبول لمجرد أن قياس الصلادة أسرع.

وتلزم عناية خاصة بالقرب من حد المواصفة. فافترض أن معيار المادة يشترط حدًا أدنى لمقاومة الشد $R_m$، وأن جدول الصلادة ينتج مكافئًا يبدو دقيقًا. لا يحوِّل الجدول ذلك الحد الأدنى إلى حد صلادة دقيق. إذ يمكن للتقريب، وانحياز النموذج، وعدم يقين التنبؤ، وتباين أخذ العينات أن تنقل المادة عبر الحد. ولذلك قد تكون لقيمة صلادة أعلى هامشيًا من العتبة المحوَّلة احتمالية ذات دلالة للإخفاق في متطلب الشد المباشر؛ كما أن قيمة أدنى هامشيًا منها لا تثبت الإخفاق.

كما يحدد المعيار المعتمد ما إذا كان التحويل مسموحًا أصلًا. فكل من ISO 18265:2013 وASTM E140-12 يقدمان مبادئ أو علاقات تقريبية مجدولة، لا تفويضًا شاملًا لاستبدال اختبار بآخر. ويؤكد التقرير التقني الصادر عن SAE عام 1967، اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة، بالمثل أن التحويلات الدقيقة يجب تطويرها للتركيب المحدد للفولاذ، والمعالجة الحرارية، والجزء، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة.

وينبغي أن تحدد إجراءات القبول ما إذا كان الرقم المُبلَّغ عنه يمثل صلادة مقاسة، أو صلادة محوَّلة، أو مقاومة شد مقدَّرة. ولا يجوز دمج هذه التسميات. فإذا أشار تحويل للفرز الأولي إلى احتمال وجود إخفاق، فيجب إجراء الاختبار المباشر المحدد أو تحقيق معتمد. وإذا لم تكن نتائج الشد متاحة، فينبغي الإبلاغ عن التحويل مع مصدره، ونطاق المادة التي ينطبق عليها، وعدم يقينه، وقيوده، بدلًا من تقديمه باعتباره خاصية شد مضمونة.

الأخطاء الشائعة في جداول تحويل الصلادة

تكون جداول تحويل الصلادة مفيدة فقط عندما تقع القيمة المقاسة، والمادة، والحالة، وطريقة الاختبار ضمن الأساس الذي أُعدّ الجدول على أساسه. والنتيجة المحوَّلة ليست قياسًا ثانيًا، بل تقديرًا مشتقًا من علاقة تجريبية، تكون عادةً مصحوبة بتشتت يزداد عندما تختلف المادة أو ظروف الاختبار عن تلك المستخدمة في تحديد العلاقة.

يقدم المعيار ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، علاقات تقريبية بين مقاييس Brinell وVickers وRockwell وsuperficial Rockwell وKnoop وScleroscope وLeeb لمعادن محددة. ويشمل نطاقه الفولاذ الكربوني المتجانس، والفولاذ السبائكي، وفولاذ العدد، إلا أن الجداول لا تلغي الفروق بين هذه الفئات. وتذكر ASTM أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية» (ASTM International، 2012). ويبيّن ISO 18265:2013 النقطة العملية نفسها: فالقيم المحوَّلة تنطبق مباشرةً فقط على المادة المطابقة تمامًا للمادة المختبرة، في حين أن تقديرات مقاومة الشد هي أقل أنواع التحويل موثوقية (ISO، 2013).

اعتبار الأرقام المتكافئة قابلةً للتبادل

إن إدخالًا في جدول مثل 40 HRC ≈ 375 HBW لا يعني أن قراءة 40 HRC وقراءة 375 HBW حقيقتان قابلتان للتبادل. فالأولى نتيجة مقاسة باختبار Rockwell C باستخدام مخروط ماسي، وحمل ابتدائي محدد، وحمل رئيسي محدد. أما الثانية فهي قيمة Brinell مرتبطة بكرة من الكربيد، وقوة محددة، وقطر أثر انطباع محدد. إنهما تقديران مترابطان، وليسا ملاحظتين مكررتين.

ويكتسب هذا التمييز أهمية في سجلات الفحص. فإذا كان الرسم الهندسي يشترط 35–40 HRC، فقد تدعم نتيجة Brinell محوَّلة إلى هذا المجال عملية فرز أولي، لكنها لا تستوفي بالضرورة شرطًا صيغ لاختبار Rockwell C. فقد يخفي التحويل فرقًا ناجمًا عن عمق الانطباع، أو البنية المجهرية الموضعية، أو حالة السطح، أو تشتت الاختبار. ويكون القياس المباشر لـ HRC هو الدليل المناسب عندما تكون طريقة القبول المحددة هي Rockwell C.

والخطأ العكسي شائع أيضًا: إذ يحوّل المستخدم HRC إلى HBW خارج نطاق الجدول، ثم يورد الرقم المستقرأ كما لو كان مدرجًا في الجدول. فلا ينبغي تمديد علاقة عايرت، مثلًا، بين 20 و50 HRC بصورة عفوية إلى سطح من فولاذ العدد تبلغ صلادته 62 HRC. فعند الصلادات العالية، يمكن لميكانيكا الانطباع وتوزيع الكربيدات أن يغيرا العلاقة تغيرًا حادًا. ونهايات الجدول ليست حدودًا دقيقة داخل المادة، بل هي حدود البيانات المنشورة أو الارتباط الموصى به. والقيمة التي تتجاوز النهاية بقليل ليست باطلة تلقائيًا، لكنها غير مدعومة بذلك الجدول، وتتطلب طريقة ملائمة لنطاق الصلادة الفعلي.

ويجب أن يظل القياس الأصلي ظاهرًا. فعبارة «420 HBW محوَّلة إلى 44 HRC» أفضل بكثير من مجرد الإبلاغ عن «44 HRC»، لأنها توضح للقارئ أنه لم يُجرَ اختبار Rockwell. ويتضمن السجل السليم مقياس القياس، والمقياس المحوَّل، ومعيار الاختبار، والموقع، وحالة المادة أو المعالجة الحرارية.

خلط المقاييس والوحدات وظروف رأس الانطباع

تتضمن تعيينات الصلادة معلومات عن الاختبار. فمقاييس HRC وHRB وsuperficial Rockwell ليست نسخًا قابلةً للتبادل من رقم Rockwell واحد. يستخدم HRC رأس انطباع ماسيًا وحملًا رئيسيًا قدره 150 kgf؛ بينما يستخدم HRB عمومًا رأس انطباع كرويًا وحملًا رئيسيًا قدره 100 kgf. وتستخدم مقاييس superficial Rockwell قوى أقل ولها تعييناتها الخاصة، مثل 30N أو 30T. وقد يؤدي حذف اللاحقة إلى تحويل نتيجة قابلة للتتبع إلى نتيجة ملتبسة.

وينطبق التحذير نفسه على تدوين Brinell. إذ يحدد HBW كرةً من كربيد التنجستن، في حين قد تستخدم السجلات الأقدم اصطلاحَي HB أو HBS اللذين لا يقدمان معلومات رأس الانطباع نفسها. كما تعتمد نتيجة Brinell على قطر الكرة، وقوة الاختبار، وزمن تثبيت الحمل، ونسبة القوة إلى قطر أثر الانطباع. وقد لا تكون قيمتان مكتوبتان على أنهما «HB» قد أُنتجتا في ظروف متكافئة.

وتُعد صلادة Vickers، التي تُكتب HV مع تضمين قوة الاختبار عادةً في التعيين، مصدرًا متكررًا آخر للخطأ. فـ HV هو رقم صلادة، وليس قيمة لمقاومة الشد. وتخلط عبارة مثل «الفولاذ ذو 650 HV لديه مقاومة شد قدرها 650 MPa» بين كميتين غير مرتبطتين، وقد تكون خاطئة بفارق كبير. وبالنسبة إلى بعض المواد المعدنية عالية المقاومة والقابلة للمط، حددت الأبحاث العلاقة التقريبية $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$، إلا أن الدراسة نفسها أفادت بأن نسب الصلادة إلى المقاومة تعتمد على فئة المادة، والبنية المجهرية، ومورفولوجيا الانطباع (Materials Science and Engineering: A، 2012). ولذلك فإن هذه العلاقة تقريب تجريبي محدود النطاق، وليست قانون تحويل.

وتنطوي الوحدات على مأزق آخر. فـ صلادة Brinell ليست قيمة إجهاد، رغم أن تعريفها العددي يتضمن القوة والمساحة. وقد تُعبَّر مقاومة الشد بوحدة MPa أو ksi، في حين أن مقاييس الصلادة هي أرقام اختبارية لا بُعدية ذات معانٍ خاصة بكل مقياس. ويجب تعريف أي جدول يقدّر مقاومة الشد انطلاقًا من HBW على أنه تقدير، مع بيان مصدره ونطاق المواد الذي ينطبق عليه.

وقد تجعل الهندسةُ مقياسًا مناسبًا في الأصل غير صالح. فقد تُظهر صفيحة رقيقة نتيجة مرتفعة أو منخفضة زيفًا إذا كان الانطباع عميقًا أكثر من اللازم أو كان الإسناد غير كافٍ. كما قد لا يوفر جزء صغير، أو سطح منحني، أو حافة ضيقة، أو طبقة مقسّاة موضعيًا مادةً كافية للانطباع المقصود. ويذكر تقرير SAE بعنوان اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة (1967) أن التحويلات الدقيقة يجب تطويرها لتركيب الفولاذ المعين، ومعالجته الحرارية، والجزء المعني، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة.

الاستقراء عبر درجات أو معالجات حرارية مختلفة

إن أخطر خطأ ليس حسابيًا، بل هو إحلال مادة دون فحص: تطبيق علاقة أُنشئت لفولاذ معين على فولاذ آخر لمجرد أن كليهما يحمل تسمية «فولاذ».

فقد يؤدي ارتباط خاص بالفولاذ الكربوني أداءً معقولًا لفئة فولاذ كربوني عادي في الحالة المطَبَّعة، لكنه يفشل مع فولاذ عدد عالي السبيكة، أو فولاذ لا يصدأ مقسّى بالترسيب، أو فولاذ منخفض الكربون مكربَن. ولا تشترك AISI 1045 وAISI D2 وAISI H13 وAISI 304 وAISI 17-4 PH في علاقة واحدة بين الصلادة والمقاومة. فمحتوى السبيكة، وتوزيع الكربيدات أو الرواسب، والأوستنيت المحتجز، وحجم الحبيبات، واستجابة التشوه، تغير جميعها سلوك الانطباع وسلوك الشد.

وقد تكون المعالجة الحرارية حاسمة حتى داخل الدرجة نفسها. فالفولاذ AISI 4140 المقسّى والمراجَع، والفولاذ AISI 4140 الملدّن، والفولاذ AISI 4140 المقسّى بالحث، قد تنتج جميعها الصلادة الاسمية نفسها للكتلة في موقع واحد، مع اختلافها في توزيع المقاومة، والإجهاد المتبقي، وسلوك الفشل. ومن السهل خصوصًا إغفال التقسية السطحية. إذ يمكن للكربنة، والنترتة، والتقسية بالحث، والتقسية بالليزر أن تُنشئ طبقة سطحية قاسية فوق لب أكثر ليونة. وقد يقيس انطباع Rockwell أو Vickers ضحل الطبقة السطحية، في حين قد يشمل انطباع Brinell الأكبر حجمًا اللب. ويؤدي تحويل أي من النتيجتين دون تسجيل العمق والموقع إلى إنشاء مقارنة زائفة.

وقد وجدت أبحاث تناولت أنواع الفولاذ الإنشائي غير السبائكي التاريخية والمعاصرة علاقة تجريبية خطية عمومًا بين صلادة Brinell ومعلمات مقاومة الشد للفولاذ في الحالة الخام أو المطَبَّعة (Materials Today: Proceedings، 2023). وتدعم هذه النتيجة الاستخدام المنضبط داخل مجموعة فولاذية محددة، لكنها لا تبرر نقل العلاقة إلى فولاذ العدد المقسّى أو الفولاذ الذي لا يصدأ. كما أفادت دراسة أجرتها NIST عام 1929 بأنه يمكن في كثير من الأحيان تقدير مقاومة شد الفولاذ من صلادة Brinell لأغراض تجارية، مع اعتبار العلاقة تجريبية لا عالمية (NIST، 1929).

وعندما تؤثر خصائص الشد في التصميم، أو تأهيل اللحام، أو تقييم الكسر، أو القبول، يلزم إجراء اختبار شد مباشر أو استخدام علاقة ارتباط مُتحقَّق من صحتها ومحددة الدرجة والحالة. وينبغي أن يوجّه الجدول الحكم، لا أن يحل محل الاختبار الذي يعتمد عليه القرار فعليًا.

الإبلاغ عن الصلادة والخواص المحوّلة بصورة صحيحة

ينبغي أن تُظهر بيانات الصلادة ما قيس فعليًا قبل عرض أي تحويل. فذكر رقم الصلادة من دون مقياسها وطريقتها وظروف الاختبار يُعد غير مكتمل؛ إذ إن «الصلادة 42» قد تعني 42 HRC أو 42 HRB أو 42 HV أو 42 HBW، وهذه القيم لا تصف الاستجابة المادية نفسها. وينبغي أن يوضح التقرير أيضًا ما إذا كان الرقم ناتجًا عن اختبار انطباع، أو عن جدول تحويل منشور، أو عن تقدير يستند إلى علاقة تجريبية بين الصلادة والمقاومة.

تسجيل نتيجة الاختبار الأصلية أولًا

ينبغي أن تكون أول قيمة في التقرير هي النتيجة المقاسة بمقياسها وتعيينها الأصليين. على سبيل المثال:

> الصلادة المقاسة: 58 HRC، وفق ASTM E18، لفولاذ AISI 4140، مُخمَّد ومُراجَع عند 540 °C؛ موضع الاختبار: منتصف نصف القطر، على بُعد 10 mm أسفل السطح المشغَّل؛ السطح مجلَّخ؛ جهاز روكويل مُعاير، حمل رئيسي قدره 150 kgf.

يحدد هذا البيان نتيجة تم الحصول عليها باختبار روكويل. ولا يستبدل النتيجة ضمنيًا برقم برينل أو فيكرز. وإذا أُجريت عدة انطباعات، فينبغي الإبلاغ عن القراءات الفردية أو عن متوسطها ومداها، مثل: 58، 59، 58 HRC؛ المتوسط 58.3 HRC، والمدى 1 HRC. وقد يكون عدد الانطباعات والمسافة الفاصلة بينها مهمين عندما تكون للمادة تدرجات، أو بنية مجهرية خشنة، أو نزع كربنة، أو معالجة حرارية موضعية.

وينبغي أن يحدد التقرير درجة الفولاذ بدقة كما يرد تحديدها في مواصفة المادة المعمول بها، حيثما أمكن. فعبارة «4140» أقل دقة من SAE J404 Grade 4140، كما أن عبارة «فولاذ غير قابل للصدأ» لا تُعد وصفًا كافيًا للدرجة عندما تكون المادة UNS S30400 أو AISI 304 أو أي تعيين محدد آخر. وسجّل حالة المعالجة الحرارية: ملدَّن، أو مُطبَّع، أو مُخمَّد ومُراجَع، أو مكربَن، أو مُنترَد، أو كما استُلم. ولا يمكن اعتبار قراءة صلادة طبقة منترَدة مكافئة لقراءة مأخوذة من القلب.

وتندرج الهندسة ضمن البيانات الواجب تسجيلها، لأن المقاطع الرقيقة، والأجزاء الصغيرة، والأسطح المنحنية، والعينات منخفضة الكتلة قد تشوّه نتائج الانطباع. اذكر السُّمك والقطر والمسافة من الحافة، وما إذا كان الاختبار قد أُجري على سطح مستوٍ أو منحني. كما أن تحضير السطح مهم أيضًا. حدِّد عمليات التشغيل الآلي، والتجليخ، والتلميع، وإزالة الطلاء، وأي قشور سطحية أو طبقة منزوعة الكربنة يمكن رؤيتها. وينبغي أن تذكر نتيجة روكويل أو برينل أو فيكرز أو كنوب أو ليب اسم الجهاز، أو على الأقل طريقة الاختبار والحمل والمخترِق والمواصفة ذات الصلة.

تحديد المواصفة وأساس التحويل

يجب أن تتبع القيمة المحوّلة القياس الأصلي، لا أن تحل محله. على سبيل المثال:

> المقاس: 58 HRC، وفق ASTM E18. المحوَّل: ما يقارب 615 HV كمكافئ روكويل وفق ASTM E140-12، الجدول [الجدول المنطبق]، لنطاق الفولاذ المحدد؛ التحويل تقريبي وليس قياسًا مستقلًا بفيكرز.

وينبغي تسجيل رقم الجدول أو المعادلة حيثما يورده المصدر. وإذا كان البرنامج قد أمدّ بالنتيجة، فحدِّد اسم البرنامج وقاعدة البيانات وإصدارها وفئة المادة المختارة. فعبارة «حُوِّلت إلى 615 HV» غير كافية، لأن الجداول المختلفة قد تعطي نتائج مختلفة، ولا سيما قرب حدود نطاقاتها المحددة.

توفر ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، علاقات تقريبية بين مقاييس برينل وفيكرز وروكويل وروكويل السطحي وكنوب والسكليروسكوب وليب للمعادن المحددة، بما في ذلك أنواع الفولاذ الكربوني والسبائكي وفولاذ العدد المتجانسة. وتنص ASTM على أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة والبنية الحبيبية والمعالجة الحرارية» (ASTM International, 2012). ويُعد هذا القيد جزءًا من النتيجة، وينبغي الإبقاء عليه في الرسومات وسجلات الفحص والشهادات بدل حذفه لتسهيل العرض.

تحدد ISO 18265:2013 مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد. وتحذيرها أكثر صرامة مما توحي به كثير من مخططات التحويل المختصرة: فالقيم المحوّلة تنطبق مباشرة فقط على المادة المحددة التي اختُبرت، كما أن تقديرات مقاومة الشد هي أقل التحويلات موثوقية (International Organization for Standardization, 2013). ولذلك ينبغي أن يذكر التقرير أساس التحويل صراحةً:

> الأساس: ISO 18265:2013، جدول تحويل الفولاذ، قيمة تقريبية؛ تقتصر قابلية التطبيق على الدرجة والحالة اللتين اختُبرتا.

ولا تُعد ASTM E140 وISO 18265 ترخيصًا لتحويل كل تركيبات المقاييس. فجداولهما تتضمن فئات للمواد ونطاقات وحدودًا لطرق الاختبار. وينبغي وسم أي تحويل يقع خارج هذه الحدود بأنه غير مدعوم، أو حذفه.

الفصل بين القيم المقاسة والمحوّلة والمقدَّرة

استخدم تسميات منفصلة لثلاثة أنواع مختلفة من المعلومات:

> الصلادة المقاسة: 225 HBW 10/3000، وفق ASTM E10. > الصلادة المحوَّلة: نحو 22 HRC، وفق ISO 18265:2013، جدول الفولاذ المنطبق. > مقاومة الشد المقدَّرة: نحو 760 MPa، وفق علاقة تجريبية بين الصلادة والمقاومة؛ لم تُقَس باختبار شد.

يجب ألا تُعرض القيمة الثالثة على الإطلاق بصيغة مقاومة الشد: 760 MPa ما لم ينتجها اختبار شد. وتحدد ISO 18265 تقديرات مقاومة الشد بوصفها أقل التحويلات موثوقية. وقد وجدت دراسة NIST للعلاقات التجريبية بين روكويل وبرينل، المنشورة عام 1929، أن مقاومة شد الفولاذ يمكن غالبًا تقديرها من صلادة برينل لأغراض تجارية، لكن هذه النتيجة تصف ملاءمة تجريبية وليست قانونًا عامًا. ويظل اختبار الشد المباشر ضروريًا عندما يعتمد حساب تصميم، أو اعتماد مادة، أو تحقيق في فشل، أو قرار قبول على إجهاد الخضوع، أو مقاومة الشد القصوى، أو الاستطالة، أو النقص في مساحة المقطع.

وتكون بعض العلاقات مفيدة فقط ضمن فئة مواد محددة. فقد حددت دراسة نُشرت عام 2012 في Materials Science and Engineering: A العلاقة التقريبية Hᵥ ≈ 3σUTS لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة. وتتغير النسبة بحسب فئة المادة والبنية المجهرية وشكل الانطباع؛ ولذلك لا ينبغي تطبيقها تلقائيًا على ASTM A36 الفيريتي-البيرليتي، أو SAE J404 Grade 4140 المُخمَّد والمُراجَع، أو الفولاذ غير القابل للصدأ المارتنسيتي، أو السطح المنترَد. كما وجدت دراسة أجريت عام 2023 على أنواع الفولاذ الإنشائي غير السبائكي التاريخية والمعاصرة علاقة تجريبية خطية عمومًا بين صلادة برينل ومعلمات مقاومة الشد في المادة الخام أو المطبَّعة. ولا تثبت هذه النتيجة الخط نفسه للفولاذ المُخمَّد والمُراجَع، أو المشغَّل على البارد، أو المكربَن، أو المقسّى بالترسيب.

وبناءً على ذلك، يمكن أن يكون الإدخال الكامل كما يلي:

> المادة: SAE J404 Grade 4140، مُخمَّدة ومُراجَعة عند 540 °C؛ قضيب بقطر 40 mm، والاختبار عند منتصف نصف القطر؛ سطح مجلَّخ. المقاس: 31 HRC، وفق ASTM E18، باستخدام جهاز روكويل مُعاير. المحوَّل: نحو 295 HBW، وفق ASTM E140-12، جدول الفولاذ السبائكي المنطبق؛ قيمة تقريبية فقط. مقاومة الشد المقدَّرة: نحو [القيمة] MPa من [المعادلة أو الجدول المسمى]؛ تقدير فقط وليس نتيجة اختبار شد.

يحافظ هذا التنسيق على الأدلة والافتراضات وحدود التحويل. كما يتيح لمراجع لاحق أن يقرر ما إذا كان يلزم إجراء اختبار مباشر، بدل أن يخلط بين رقم مكافئ ملائم وقياس جديد.

مقارنات ميتالورجية تطبيقية من دون دقة زائفة

يصبح تحويل قيم الصلادة مضلِّلًا عندما يُتعامل مع الرقم على أنه هوية للمادة، بدلًا من اعتباره نتيجة اختبار محدد أُجري على حالة محددة من الفولاذ. فقد ترتبط قيمة برينل المقاسة على مقطع سليم ومتجانس ارتباطًا معقولًا بمقاومة الشد ضمن عائلة مضبوطة من أنواع الفولاذ المُطبَّع. أما قيمة الصلادة العددية نفسها، إذا قيسَت على فولاذ مُقَسّى ومُراجَع، أو على طبقة سطحية لمكوّن مُكربَن، فلا تحمل المعنى نفسه.

يوفّر المعيار ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، علاقات تقريبية بين مقاييس برينل، وفيكرز، وروكويل، وروكويل السطحي، وكنوب، والسكلييروسكوب، وليب للمعادن المحددة، بما في ذلك أنواع الفولاذ الكربوني، والسبائكي، وفولاذ العدد المتجانسة. وتنص ASTM مباشرةً على أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية» (ASTM International، 2012). وينطبق هذا القيد على كل مقارنة ترد أدناه.

فولاذ إنشائي غير سبائكي مُطبَّع

الفولاذ الإنشائي غير السبائكي المُطبَّع هو الحالة التي يمكن فيها أن تكون العلاقة بين صلادة برينل والمقاومة متماسكة نسبيًا. ولنأخذ في الاعتبار درجة مثل ASTM A36، أو درجة من درجات EN 10025-2 مثل S275JR، شريطة أن تكون المادة فعلًا في حالة مُطبَّعة أو في حالة مكافئة ذات حبيبات دقيقة، وأن يكون المقطع المختبَر متجانسًا بما يكفي. تؤدي عملية التطبيع إلى تنقية بنية الفيريت–البيرليت وتنظيمها من خلال التسخين فوق المجال الحرج ثم التبريد في الهواء. وهي لا تجعل كل صبة من الفولاذ متطابقة، لكنها تقلل بعض الاختلافات المرتبطة بالحالة التي تعقّد تفسير الصلادة.

بالنسبة إلى هذه الفئة، تقيس صلادة برينل حجمًا كبيرًا نسبيًا من المادة عبر انطباع كرة. ولذلك فإن النتيجة تمثّل متوسط الفيريت، والبيرليت، والشوائب، والتفاوتات الموضعية بفاعلية أكبر من انطباع صلادة مجهرية صغير جدًا. وإذا ظل محتوى الكربون، ومحتوى المنغنيز، وحجم الحبيبات، والسماكة، وتاريخ المعالجة ضمن مجموعة محدودة الخصائص، فإن زيادة صلادة برينل ستترافق عمومًا مع زيادة مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. وقد وجدت دراسة نُشرت عام 2023 في Materials Today: Proceedings علاقة تجريبية خطية عمومًا بين صلادة برينل ومعلمات مقاومة الشد للفولاذ الإنشائي غير السبائكي التاريخي والمعاصر في حالته الخام أو المُطبَّعة (Materials Today: Proceedings، 2023).

ولا تعني عبارة «خطية عمومًا» أن من المسموح حساب قيمة مضمونة لمقاومة الشد انطلاقًا من انطباع واحد. فهي تصف علاقة ملائمة لمجموعة من المواد. وحتى داخل S275JR أو ASTM A36، يمكن للاختلافات في سماكة اللوح، وممارسة نزع الأكسجين، ومحتوى الفوسفور والكبريت، وتاريخ الدرفلة، والانفصال الموضعي أن تغيّر النتيجة. فقيمة الصلادة المأخوذة من منطقة متأثرة بالحرارة في لحام لا يمكن معاملتها على أنها مكافئة لقيمة مأخوذة من اللوح الأساسي.

توصلت دراسة NIST الأقدم للعلاقات التجريبية بين روكويل وبرينل إلى موقف عملي لا يزال مفيدًا: يمكن غالبًا تقدير مقاومة الشد في الفولاذ من صلادة برينل لأغراض تجارية، لكن التقدير تجريبي وليس قانونًا عامًا (NIST، 1929). ومن ثم، يمكن لجدول التحويل أن يساعد في فحص تجانس المادة أو دعم ضبط العملية عندما تتطابق عائلة الفولاذ وحالته مع ما يغطيه الجدول. لكنه لا يمكن أن يحل محل اختبار الشد عندما تكون مقاومة الخضوع المحددة، أو مقاومة الشد، أو الاستطالة، أو معيار القبول موضع اهتمام.

فولاذ سبائكي مُقَسّى ومُراجَع

يكشف الفولاذ السبائكي المُقَسّى والمُراجَع نقاط ضعف التحويل العام للصلادة بصورة أوضح. فقد يوصف كل من SAE 4140 وEN 10083-3 42CrMo4 بأنهما من أنواع فولاذ الكروم–الموليبدينوم، إلا أن العلاقة بين الصلادة والمقاومة تعتمد بدرجة كبيرة على أسلوب الأوستنة، وشدة التبريد، ودرجة حرارة المراجعة، وزمن التثبيت، وحجم المقطع. وقد تحتوي الدرجة الاسمية نفسها على مارتنسيت مُراجَع قرب سطح التبريد، ومزيج من البينيت والمارتنسيت في موضع متوسط، وبنية تحوّل أكثر ليونة باتجاه مركز قضيب كبير.

وتكتسب حالة المراجعة أهمية لأن الصلادة وسلوك الشد لا يتغيران بنسبة متطابقة تمامًا على امتداد مجال المراجعة. فقد يحتفظ المارتنسيت المُراجَع عند درجة حرارة منخفضة بصلادة مرتفعة مع متانة محدودة؛ بينما تؤدي المراجعة عند درجة حرارة أعلى إلى خفض الصلادة مع تحسين المطيلية وتخفيف الإجهاد المتبقي. ويمكن لتفاعلات التقسية الثانوية، وترسيب الكربيدات، والأوستنيت المحتجز، وهشاشة المراجعة أن تزيد من اضطراب العلاقة البسيطة ذات الرقم الواحد. وقد يكون التحويل من HRC إلى HB مقبولًا كتقريب للمقياس بالنسبة إلى عينة اختبار متجانسة، في حين أن تقدير مقاومة الشد استنادًا إلى قيمة HB المحوَّلة قد ينطوي على عدم يقين أكبر بكثير.

ويُعد حجم المقطع مهمًا بالقدر نفسه. فقد تتصلب عينة صغيرة من 42CrMo4 عبر كامل مقطعها، في حين قد يتكون في عمود مطروق كبير من الفئة نفسها تدرج في الصلادة لأن القلب يبرد ببطء أكبر. ويمكن أن يؤدي اختبار السطح وإسناد نتيجته إلى كامل المقطع العرضي إلى المبالغة في تقدير مقاومة القلب. ويذكر التقرير الفني الصادر عن SAE بعنوان اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة أن التحويلات الدقيقة يجب تطويرها للتركيب الفولاذي، والمعالجة الحرارية، والجزء المحددين، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة (SAE International، 1967).

وتوضح العلاقة التقريبية Hᵥ ≈ 3σUTS، التي أُبلغ عنها لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة في دراسة نُشرت عام 2012 في Materials Science and Engineering: A، خطرَ تعميم علاقة مفيدة خارج فئة المواد التي تنطبق عليها. كما تذكر الدراسة أن نسب الصلادة إلى المقاومة تعتمد على فئة المادة، والبنية المجهرية، وشكل الانطباع (Materials Science and Engineering: A، 2012). ولا ينبغي تطبيق هذه العلاقة كقاعدة عامة على كل حالة من حالات 4140، فضلًا عن تطبيقها على سلسلة تحويل تتضمن عدة مقاييس للصلادة.

فولاذ مُقَسّى سطحيًا ذو قلب ليّن

يجعل مكوّن فولاذي مُكربَن استبدالَ مقاومة الشد بالصلادة أمرًا غير آمن بوجه خاص. ولنأخذ SAE 8620 أو EN 10084 20MnCr5 بعد الكربنة، والتقسية، والمراجعة. يؤدي إثراء السطح بالكربون إلى تكوين طبقة مارتنسيتية صلبة، بينما يظل القلب منخفض الكربون أكثر متانة وأقل صلادة بدرجة كبيرة. ولذلك لا توجد للمكوّن صلادة واحدة تمثل حالته الميكانيكية الكاملة.

وتعبّر قراءة روكويل C على الطبقة السطحية عن مقاومة منطقة سطحية ضحلة. وهي لا تقول إلا القليل عن مقاومة خضوع القلب، أو مقاومة شدّه، أو استطالته، أو سلوكه عند الكسر. فإذا كانت الطبقة السطحية رقيقة مقارنة بعمق الانطباع، أو إذا بلغ حمل الاختبار منطقة الانتقال، فقد تنخفض القيمة المقاسة بفعل الركيزة اللينة. وقد يتيح اختبار روكويل السطحي أو اختبار فيكرز توصيف الطبقة بصورة أفضل، لكنه يظل يصف الطبقة المختبَرة لا الكتلة الكلية. ويمكن لمسوح الصلادة المجهرية أن ترسم خريطة للصلادة من السطح إلى القلب؛ لكنها لا تستطيع وحدها تحديد منحنى الإجهاد–الانفعال في الشد.

ويؤثر هذا التمييز أيضًا في أخذ العينات. فقد يؤدي إزالة الطبقة السطحية بالطحن قبل إجراء اختبار برينل إلى الحصول على صلادة مفيدة للقلب، لكن يجب الإبلاغ عن النتيجة بوصفها قياسًا للقلب. أما إبقاء الطبقة السطحية سليمة وإجراء قراءة سطحية، فينتج عنه قياس للطبقة السطحية. ووصف أي من القيمتين بأنه «صلادة المكوّن» يخفي تدرج الخاصية.

يحدد ISO 18265:2013 مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد، لكنه ينص على أن القيم المحوَّلة تنطبق مباشرةً فقط على المادة المحددة التي اختُبرت، ويعرّف تقديرات مقاومة الشد بأنها أقل التحويلات موثوقية (ISO، 2013). ولا تُعدّ سِنّة من SAE 8620 المُكربَن مادة متجانسة مطابقة للمادة التي يمثلها جدول تحويل خاص بالفولاذ الكربوني. ولذلك لا يمكن للمعيار ASTM E140-12 أن يحوّل قيمة HRC لطبقتها السطحية إلى قيمة يمكن الدفاع عنها لمقاومة الشد الكلية.

وبالنسبة إلى قرار تصميم أو قبول، تتمثل الاستجابة الصحيحة في تحديد الخاصية المراد التحقق منها: صلادة الطبقة السطحية، أو العمق الفعّال للطبقة، أو صلادة القلب، أو خواص الشد المقاسة على عينة أُعدّت بصورة منفصلة. ويجيب اختبار الشد المباشر، والفحص الميتالوغرافي، وتحديد بروفيل الصلادة مع العمق عن أسئلة مختلفة. أما الرقم المحوَّل فلا يجيب إلا عن السؤال الضيق الذي تدعمه العلاقة القابلة للتطبيق والمحددة للمادة.

سير عمل عملي مرجعي

ينبغي أن يبدأ تحويل الصلادة باتخاذ قرار بشأن الخاصية المطلوبة فعليًا. فقيمة الصلادة المقاسة تصف استجابة سطح وموقع ومخترق وقوة اختبار محددة. أما قيمة الصلادة المحوَّلة فهي تقدير على مقياس صلادة آخر. وتُعد مقاومة الشد المقدَّرة استدلالًا إضافيًا، وتكون عادةً أقل موثوقية من تحويل مقياس الصلادة. ولا ينبغي الإبلاغ عن هذه النتائج الثلاث كما لو كانت قابلة للتبادل.

قبل الاختبار

حدِّد المسألة الهندسية قبل اختيار الاختبار. فإذا كان المطلوب هو مقاومة تآكل السطح، أو عمق الطبقة المقسّاة، أو تجانس المعالجة الحرارية موضعيًا، أو قيمة لمراقبة الإنتاج، فقد تكون الصلادة هي الخاصية المباشرة المناسبة. أما إذا كان المطلوب هو حد الخضوع، أو مقاومة الشد القصوى، أو الاستطالة، أو سلوك الكسر، أو اعتماد المادة، فالصلادة ليست سوى قياس فرز محتمل. ويُعد اختبار الشد الطريقة المباشرة لتحديد خواص الشد.

حدِّد درجة الفولاذ وحالة المنتج بأكبر قدر تسمح به السجلات من دقة. فعبارة «فولاذ كربوني» غير كافية. سجِّل التعيين، مثل ASTM A36 أو SAE J403 1045 أو AISI 4140 أو ASTM A681 O1 أو EN 1.2379، إلى جانب شكل المنتج، وحجم المقطع، والمعالجة الحرارية، والمراجعة، والتشغيل على البارد، ومعالجة السطح. فالعينة المصنوعة من 4140 والمقساة بالتبريد والمراجعة عند 540 °C لا تملك العلاقة نفسها بين الصلادة والمقاومة التي يملكها 4140 الملدَّن، حتى لو أُطلق على كليهما اسم 4140. وقد يتطلب السطح المكربن، والطبقة منزوعة الكربون، والمنطقة المتأثرة حراريًا باللحام، واللوح المطبَّع، كلٌّ منها خطة قياس مختلفة.

اختر المقياس استنادًا إلى الهندسة والصلادة المتوقعة، لا إلى سهولة الاستخدام. ويفيد مقياس Brinell في كثير من المقاطع الأكبر حجمًا والمتجانسة نسبيًا، إلا أن أثر الكرة يحتاج إلى سماكة كافية وإلى مسافة مناسبة عن الحواف أو الآثار المجاورة. أما مقياس Rockwell فهو أسرع ويترك أثرًا أصغر، في حين تناسب مقاييس Rockwell السطحية المقاطع الأقل سماكة أو الطبقات المقسّاة الضحلة. ويمكن لقياسات الصلادة الدقيقة بمقياسي Vickers وKnoop تمييز المناطق الصغيرة والتدرجات والأطوار المنفردة، لكن إعداد السطح ومهارة المشغّل يصبحان أكثر أهمية. وتتميز طريقتا Leeb وScleroscope بإمكانية نقلهما، وتفيدان في ظروف ميدانية مناسبة، إلا أن قراءاتهما تعتمد بدرجة كبيرة على الكتلة، والدعم، والاتجاه، وحالة السطح، وإعداد الجهاز.

اقرأ معيار الاختبار المنطبق قبل إحداث الأثر. إذ يحكم ASTM E10 اختبار صلادة Brinell، ويحكم ASTM E18 اختبار صلادة Rockwell، ويحكم ASTM E384 اختبار صلادة الانطباع المجهري؛ وقد تُحدَّد أيضًا طريقة ISO ذات الصلة في الرسم أو معيار المادة. ويتضمن ASTM E140-12، جداول تحويل الصلادة القياسية للمعادن، علاقات تقريبية بين قيم Brinell وVickers وRockwell وRockwell السطحية وKnoop وScleroscope وLeeb للمعادن المحددة، بما في ذلك أنواع الفولاذ الكربوني والسبائكي وفولاذ العدد المتجانسة. لكنه لا يجعل أحد المقاييس بديلًا عالميًا عن مقياس آخر.

خطِّط لإعداد العينة. أزل القشور والصدأ والطلاء والنتوءات من دون تغيير الطبقة المعالجة حراريًا نتيجة الجلخ أو التلميع المفرط. وينبغي أن يكون سطح الاختبار مستويًا ونظيفًا وناعمًا بدرجة كافية للطريقة المختارة. ثبّت العينة بإحكام. فقد ينثني اللوح الرقيق تحت المخترق، مما يؤدي إلى قراءة منخفضة بشكل مضلل، بينما قد يؤدي الجزء المنحني أو المدعوم دعمًا غير مناسب إلى تغيير النتيجة في أي من الاتجاهين.

أثناء القياس

تحقّق من الجهاز باستخدام كتل المعايرة المرجعية أو إجراء التحقق المطلوب، وسجِّل تعريف الآلة، ونوع المخترق، والقوة، وزمن تثبيت الحمل، ودرجة الحرارة، وموقع الاختبار. لا تخلط المقاييس أو الأحمال دون توثيق. فـ“HRC” و“HRB” مقياسان مختلفان من مقاييس Rockwell، وليسا تسميتين قابلتين للتبادل؛ كما أن “HV10” و“HV0.2” يستخدمان قوتي اختبار مختلفتين وقد يأخذان عينات من حجوم مختلفة من البنية المجهرية.

ضع الآثار بعيدًا عن الحواف والثقوب وحدود اللحام والآثار السابقة، وفق المسافات التي يحددها معيار الاختبار. وفي المكوّن المقسّى سطحيًا، ارسم خريطة للمسافة من السطح بدلًا من أخذ قراءة واحدة ملائمة. وفي الفولاذ ذي الانفصال أو التخطط أو الأطوار المتعددة، قد تكون هناك حاجة إلى عدة آثار لتمييز التغير الفعلي من تشتت القياس.

كرِّر القياسات. فقد تكون ثلاث قراءات كافية لعينة مختبرية متجانسة، في حين قد تتطلب وصلة ملحومة أو طلاء رقيق أو تدرج أو مطروقة كبيرة شبكة قياس أوسع. إن رفض قراءة غير ملائمة من دون قاعدة موثقة يُعد ممارسة غير سليمة. أبلغ عن القيم الفردية، والمتوسط، والمدى أو الانحراف المعياري، وأي استبعادات مع ذكر أسبابها. وإذا اختلفت آثار القياس المتكررة اختلافًا جوهريًا، فتحقّق من حالة السطح، والدعم، واختيار المقياس، والبنية المجهرية، ومهارة المشغّل قبل إجراء أي تحويل.

ينبغي أن تحتفظ النتيجة المقاسة بهويتها الأصلية، مثل: 22 HRC أو 235 HBW 2.5/187.5 أو 310 HV10. وينبغي كتابة التحويل بصورة منفصلة، مثل: «حوالي 22 HRC، محوَّلة من 235 HBW باستخدام ASTM E140-12». ويمنع ذلك الخلط بين ناتج الجدول وقياس ثانٍ.

بعد التحويل

استخدم جدول تحويل يتوافق مع عائلة الفولاذ ومع مجال القياس. وينص ASTM E140-12 على أن «التحويلات تتأثر بالسبيكة، وبنية الحبيبات، والمعالجة الحرارية» (ASTM International، 2012). ويحدد ISO 18265:2013 مبادئ تحويل قيم الصلادة بين المقاييس وتقدير مقاومة الشد، لكنه ينص على أن القيم المحوَّلة تنطبق مباشرةً فقط على المادة المحددة التي اختُبرت؛ كما يحدد تقديرات مقاومة الشد باعتبارها أقل التحويلات موثوقية (ISO، 2013). ولا تعوّض زيادة المنازل العشرية عن كون قيمة الجدول خارج نطاقها المحدد.

تعامل مع تقديرات مقاومة الشد على أنها نتائج فرز. فقد أفادت دراسة أجراها NIST عام 1929 بإمكان تقدير مقاومة شد الفولاذ غالبًا من صلادة Brinell لأغراض تجارية، استنادًا إلى علاقات تجريبية بين Rockwell وBrinell (NIST، 1929). ويدعم ذلك الارتباط العملي، لا قانونًا عالميًا. كما يوضح تقرير SAE لعام 1967، اختبارات الصلادة وتحويلات أرقام الصلادة، أن التحويلات الدقيقة يجب تطويرها للتركيب المحدد للفولاذ، ومعالجته الحرارية، والجزء المعني، لأن الحجم والكتلة والتركيب والمعالجة تؤثر في العلاقة.

لقد أُبلغ عن العلاقة التقريبية $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ لبعض المواد المعدنية عالية المقاومة والمطيلة، إلا أن دراسة نُشرت عام 2012 في Materials Science and Engineering: A ربطت نسب الصلادة إلى المقاومة بفئة المادة، والبنية المجهرية، ومورفولوجيا الانطباع (Materials Science and Engineering: A، 2012). ولذلك لا يجوز تطبيقها تلقائيًا على الألواح الفريتية–البيرليتية، أو فولاذ العدد المارتنسيتي، أو الفولاذ غير القابل للصدأ المقسّى بالترسيب، أو الطبقة السطحية المقسّاة. وبالمثل، وجدت دراسة عام 2023 علاقة خطية عمومًا بين صلادة Brinell ومقاومة الشد في أنواع الفولاذ الإنشائي غير السبائكي التاريخية والمعاصرة، في حالتها الخام أو المطبَّعة، وليس في كل حالة من حالات السبائك أو المعالجة الحرارية (Materials Today: Proceedings، 2023).

سجِّل مصدر جدول التحويل، ونسخته، والمقياس الأصلي، والمقياس المحوَّل، وتعيين الفولاذ، والحالة، وموقع الاختبار، وعدد القراءات، وعدم اليقين. واذكر ما إذا كانت القيمة مقاسة أو محوَّلة أو مقدَّرة. وأدرج القيود، مثل تأثيرات المقاطع الرقيقة، وتدرجات السطح، وعدم معرفة المعالجة الحرارية، وحالة المعايرة، وما إذا كان الفولاذ يقع خارج نطاق بيانات المصدر.

وعليه، يتمثل سير العمل الهندسي في: تحديد الخاصية المطلوبة؛ واختيار اختبار مباشر صالح حيثما أمكن؛ والتحقق من درجة الفولاذ وحالته؛ وإعداد العينة ودعمها؛ وإجراء قياسات متكررة؛ والرجوع إلى معيار التحويل ذي الصلة؛ وتسجيل عدم اليقين والقيود؛ والانتقال إلى اختبار الشد المباشر عندما تؤثر النتيجة في التصميم أو الاعتماد أو قبول المادة.

المراجع

1. [1]ASTM International. Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International standard, 2012. https://store.astm.org/e0140-12.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials—Conversion of hardness values. ISO standard, 2013. https://www.iso.org/standard/53810.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Empirical Rockwell–Brinell relationships. NIST Journal of Research, 1929. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/5/jresv5n1p19_A2b.pdf
4. [4]SAE International. Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE technical report, 1967. https://books.google.com/books/about/Hardness_Tests_and_Hardness_Number_Conve.html?id=hRW4zwEACAAJ
5. [5]Materials Today: Proceedings authors. Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings, 2023. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423017897