متانة الصلب ضد الصدمات واختبار شاربي

ما تعنيه متانة الفولاذ عند الصدم—وما لا تعنيه طاقة شاربي

متانة الصدم مقارنةً بالمتانة والمطيلية ومتانة الكسر

متانة الصدم هي مقاومة المادة للكسر عند تطبيق حمل بسرعة، وغالبًا ما يحدث ذلك عبر شقٍّ يركّز الإجهاد. وهي ليست الخاصية نفسها التي تعبّر عنها المتانة أو المطيلية الشدية أو متانة الكسر، رغم أن جميع هذه الخصائص يمكن أن تؤثر في النتيجة.

تصف متانة الخضوع الإجهاد الذي يبدأ عنده التشوه اللدن أثناء اختبار الشد. أما متانة الشد فهي أقصى إجهاد هندسي يُسجَّل في ذلك الاختبار. ولا تبيّن أيٌّ من القيمتين كيف سيتصرف فولاذ يحتوي على شق حاد أثناء حدث تحميل سريع. فقد تكون مقاومة الفولاذ عالي المتانة للكسر الانفلاقي ضعيفة، ولا سيما عند درجات الحرارة المنخفضة، في حين يمكن لفولاذ أقل متانة أن يمتص قدرًا كبيرًا من طاقة الصدم.

تصف المطيلية التشوه اللدن قبل الكسر، ويُعبَّر عنها عادةً بالاستطالة أو بتناقص مساحة المقطع في عينة الشد. وتشمل متانة الصدم تأثيرًا لمعدل التحميل وتأثيرًا للشق لا تعيد المطيلية الشدية العادية إنتاجهما. ولا تتيح عينة شاربي المشقوقة فرصة كبيرة لإعادة توزيع الإجهاد من خلال تشوه منتظم. ولذلك يجعل الشقُّ التقييدَ الموضعي وبدء الشق محورين أساسيين في الاختبار.

إن الطاقة الممتصة في اختبار شاربي ليست قيمة لـ KIC ولا قياسًا كاملًا لمتانة الكسر. Strong evidence

متانة الكسرمتانة الكسر خاصية مقاومة الشق، تُقاس في ظل شروط محددة لهندسة العينة والتحميل والسماكة والشق وصحة الاختبار.

متانة الكسر فئة مختلفة من الخصائص. فالقيم مثل $K_{\mathrm{IC}}$ و$J_{\mathrm{IC}}$، أو إزاحة فتح رأس الشق (CTOD)، تصف مقاومة شق موجود مسبقًا للامتداد في ظل شروط محددة تتعلق بالعينة والسُّمك والتحميل وصلاحية النتائج. فعلى سبيل المثال، تُعدّ $K_{\mathrm{IC}}$ قيمة لمتانة الكسر في حالة الانفعال المستوي، ويتم الحصول عليها في ظروف تهدف إلى الحد من تأثيرات حجم العينة واللدونة. ويكون شقّ حرف V في عينة شاربي حادًا بما يكفي لتعزيز بدء الكسر، لكنه ليس عينة لمتانة الكسر ذات شق مُسبق بالتعب، كما أن الطاقة الممتصة فيها ليست قيمة $K_{\mathrm{IC}}$.

ويجب أيضًا إبقاء سلوك إيقاف الشق منفصلًا. فقد تقاوم المادة بدء الشق، لكنها تبدي مقاومة مختلفة لشق متحرك. وبالنسبة إلى أنواع فولاذ خطوط الأنابيب، يفحص اختبار التمزق بالسقوط من ثقل سلوك إيقاف الشق، من خلال قياس نسب القص المطيل والكسر الانفلاقي على أسطح الكسر عبر نطاق من درجات حرارة الصدم. ولا يمكن استبدال هذه الطريقة باختبار شاربي.

لماذا تُعدّ الطاقة الممتصة مؤشرًا غير مباشر على المادة

في اختبار شاربي التقليدي، تضرب بندولةٌ عينةً مسننة ومسنودة إسنادًا بسيطًا. ويشير الفرق بين الطاقة الابتدائية للبندول وطاقة نهايته إلى الشغل الذي امتصته العينة، وعمليًا إلى بعض الفواقد المرتبطة التي يأخذ إجراء الاختبار في الحسبان. وتُسجَّل النتيجة بوصفها طاقة الصدم الممتصة، وعادةً ما تُقاس بالجول. وقد وصف NIST اختبار شاربي في عام 2024 بأنه اختبار بمعدل تحميل عالٍ يقيس الطاقة الممتصة أثناء الكسر، ويوفر قياسًا غير مباشر لمتانة الصدم.

[1][1] ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2016.

كلمة «غير مباشر» هي الأهم. فهذه الطاقة المقاسة تجمع عدة أحداث: التشوه اللدن قرب الشق، وبدء الشق، ونمو الشق المستقر أو غير المستقر، والاحتكاك وتأثيرات الآلة، وعملية الكسر النهائية. وهي ليست ثابتًا ماديًا واحدًا يمكن نقله دون تغيير إلى كل هندسة للمكوّن أو كل معدل تحميل. ويغطي ASTM E23 اختبارات الصدم ذات العارضة البسيطة من نوع شاربي وذات العارضة الكابولية من نوع إيزود، بما في ذلك متطلبات العينات والإجراءات والتحقق من الآلة وإعداد التقارير وتحديد مظهر كسر القص. ويحدد ISO 148-1:2016 اختبار الصدم بالبندول ذي الشق على شكل V والشق على شكل U وفق طريقة شاربي للمواد المعدنية. ويكتسب نوع الشق أهمية؛ إذ لا ينبغي التعامل مع نتائج الشق على شكل V والنتائج ذات الشق على شكل U بوصفها متكافئة من دون أساس محدد.

يوفر مظهر الكسر أدلة لا تستطيع قيمة الطاقة وحدها تقديمها. فالتمزق المطيل يتطلب عمومًا تشوهًا لدنًا كبيرًا ويمتص طاقة أكبر. أما الكسر الذي يهيمن عليه الانفلاق فعادةً ما يمتص طاقة أقل. ولذلك يمكن أن تغيّر نسبة كسر القص، والتمدد الجانبي، وموضع النتيجة على منحنى الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة، التفسيرَ الهندسي للطاقة الاسمية نفسها.

ويمكن للاختبار المزود بأجهزة قياس أن يضيف معلومات عن استجابة القوة مع الزمن أو القوة مع الإزاحة. ويحدد ISO 14556:2023 اختبار شاربي المزود بأجهزة قياس ذي الشق على شكل V، وكذلك المعدات المستخدمة لقياس سلوك الكسر الإضافي وتسجيله؛ ولا يشمل ISO 148-1:2016 تلك الطريقة المزودة بأجهزة قياس. كما تهم حالة الآلة. ويوفر كل من ASTM E23 وISO 148-2 متطلبات للتحقق، ويستخدم برنامج NIST للتحقق من آلات شاربي عينات معتمدة لإجراء فحوص دورية للآلات.

خطر التعامل مع قيمة شاربي واحدة بوصفها خاصية عامة

إن عبارة مثل «يمتلك هذا الفولاذ متانة شاربي مقدارها 80 جول» غير مكتملة. فقد تكون درجة الحرارة غير مذكورة، وكذلك هندسة الشق، واتجاه العينة، وسُمك الصفيحة، وحالة المعالجة الحرارية، وموضع أخذ العينة، واتجاه الاختبار، وعدد العينات، والمواصفة القياسية المعتمدة، ومظهر الكسر. ويمكن لكل إغفال أن يغيّر معنى النتيجة.

يُظهر الفولاذ الفريتي عادةً انتقالًا من المطيلية إلى الهشاشة مع انخفاض درجة الحرارة. ولذلك قد لا توفر نتيجة عند درجة حرارة الغرفة ضمانًا يُذكر بشأن السلوك عند درجة حرارة خدمة أبرد. وحتى داخل منطقة الانتقال، يمكن لتغيرات صغيرة في درجة الحرارة أن تُحدث تحولات كبيرة في الطاقة ونمط الكسر. وتنشأ طاقة الرف العلوي، وطاقة منطقة الانتقال، وسلوك الرف السفلي من آليات كسر مختلفة؛ ولذلك يلزم استخدام علاقات منفصلة عند توظيف بيانات شاربي لتقدير قيمة لمتانة الكسر عند الحد الأدنى. ويمكن لهذه العلاقات أن تدعم الفحص الهندسي الأولي لظروف محددة من الفولاذ الفريتي، لكنها لا تحول الطاقة الممتصة إلى متانة كسر في حالة الانفعال المستوي.

لا يمكن تفسير نتيجة شاربي بمعزل عن خطة أخذ العينات واتجاه العينة. Strong evidence

[2][2] ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

ويمثل اتجاه العينة متغيرًا حاسمًا آخر. فعينة شاربي الطولية تأخذ عينة من الفولاذ بطريقة تختلف عن العينة العرضية أو العينة المأخوذة عبر السُّمك، لأن اتجاه الدرفلة والشوائب والتطبّق والبنية الحبيبية تؤثر في نمو الشق. ويحدد ASTM A673/A673M إجراءات أخذ العينات لاختبار شاربي الطولي ذي الشق على شكل V للفولاذ الإنشائي، ويميّز بين تكرارات اختبار الصهرة وتكرارات اختبار القطعة. ومن ثم فإن أخذ العينات جزء من النتيجة، وليس تفصيلًا إداريًا يُضاف بعد الاختبار.

وجد تقييم NIST لعام 2011 للعينات المشقوقة جانبيًا من نوع شاربي أن الشقوق الجانبية تقلل التشوه اللدن المتراكم عند طاقات الرف العلوي وتعزز الانفلاق، وتبلغ شدة الانفلاق أقصاها بالقرب من درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة. وتوضح هذه النتيجة سبب قدرة هندسة العينة على تغيير كلٍّ من الطاقة المقاسة وسطح الكسر.

تكون نتيجة شاربي مفيدة عندما تُسجَّل بوصفها ملاحظة اختبار محددة: حالة المادة، والمواصفة القياسية، والشق، والاتجاه، ودرجة الحرارة، وخطة أخذ العينات، والطاقة، ومظهر الكسر مجتمعةً. ومن دون هذا السياق، لا تمثل قيمة واحدة خاصية عامة للفولاذ، ولا يمكنها بمفردها إثبات سلامة الكسر أثناء الخدمة.

اختبار بندول شاربي: عينة الاختبار، والحز، وحدث الكسر

عينات شاربي القياسية ذات الحز على شكل V والحز على شكل U

يستخدم اختبار شاربي قضيبًا صغيرًا مستطيل الشكل، مشغولًا آليًا بحيث يحتوي أحد أوجهه على حز. توضع العينة أفقيًا فوق دعامتين، ثم يضربها بندول على الوجه المقابل للحز. ويؤدي هذا الترتيب إلى بدء الشق في موضع مضبوط وانتشاره عبر الجزء المتبقي من المقطع. ولذلك فإن النتيجة ليست مجرد خاصية لـ«الفولاذ»، بل هي استجابة لعينة محددة، وحز محدد، واتجاه محدد، ودرجة حرارة محددة، وحالة مادية محددة.

يحدد المعيار ISO 148-1:2016 اختبار الصدم بالبندول باستخدام عينات شاربي ذات حز على شكل V أو على شكل U للمواد المعدنية. وتصف تسميتا الحز V والحز U شكل الحز، ولا تدلان على نتيجتين قابلتين للتبادل. يحتوي الحز V على جانبين مائلين يلتقيان عند نصف قطر مضبوط لجذر الحز، مما ينتج تركيزًا حادًا نسبيًا للإجهاد. أما الحز U فجذره مستدير، ولذلك يمتلك مجالًا مختلفًا للإجهادات الموضعية. ويحدد المعيار المعني عمق الحز، وزاوية الانفتاح، ونصف قطر الجذر، وأبعاد العينة، وتشطيب السطح. وقد تؤدي الانحرافات الصغيرة إلى تغيير بدء الشق والتشوه اللدن قبل الكسر.

البعد الاسمي (mm)

تبلغ أبعاد عينة شاربي كاملة الحجم الشائعة اسميًا 10 مم × 10 مم × 55 مم، إلا أن المعيار المعني ومواصفة المنتج هما اللذان يحددان الأبعاد المسموح بها والبدائل ذات الحجم المخفض. وبالنسبة إلى عينة الحز V، يكون عمق الحز عادةً 2 مم، وزاوية انفتاحه 45 درجة، مع نصف قطر محدد للجذر. وتصف هذه القيم هندسة معيارية، ولا تمثل وصفة عامة لأي عينة صدم. كما تتبع أبعاد الحز U المعيار المختار، ولا يجوز استنتاجها من ممارسات الحز V.

يشمل ASTM E23 اختبارات الصدم لعارضة شاربي بسيطة الاستناد واختبارات الصدم لعارضة إيزود الكابولية. وهذا التمييز مهم؛ إذ تُثبت عينة إيزود ككابول وتُضرب فوق موضع التثبيت، في حين تُسنَد عينة شاربي من الطرفين. ولا يجوز إعادة تصنيف قيمة ناتجة عن إحدى الطريقتين على أنها ناتجة عن الطريقة الأخرى. كما يتناول ASTM E23 متطلبات العينات، والإجراءات، والتحقق من الآلة، وإعداد التقارير، وتحديد مظهر الكسر القصي.

يُوجَّه الحز عادةً بحيث يحمّل المِطرَق الوجه غير المحزز، ويقع الحز على جانب الشد من مقطع الانحناء. ويبدأ الشق عندئذٍ عند جذر الحز مع انحناء الجزء المتبقي من المقطع. ويجب أيضًا الإبلاغ عن اتجاه العينة. ففي الصفيحة المدرفلة، على سبيل المثال، تأخذ عينة شاربي ذات الحز V الطولية مزيجًا مختلفًا من اتجاه الدرفلة، والشوائب، والتخطط، وبنية الحبيبات، مقارنةً بعينة مستعرضة أو عينة مأخوذة عبر السمك. ويحدد ASTM A673/A673M إجراءات أخذ العينات لاختبار شاربي ذي الحز V الطولي للفولاذ الإنشائي، ويميز بين تكرارات اختبار الصهرة واختبار القطعة. ولذلك فإن أخذ العينات جزء من معنى النتيجة المُبلّغ عنها.

الصدم بالبندول وحساب الطاقة الممتصة

قبل الإطلاق، يُرفع البندول إلى ارتفاع محدد ويُمنح طاقة وضع معلومة. ثم يتأرجح إلى أسفل، ويضرب العينة بسرعة مضبوطة، فيكسر القضيب أو يثنيه، ثم يرتفع على الجانب المقابل إلى ارتفاع أقل. وبصيغة مبسطة، تكون الطاقة الممتصة

$$E=\mathrm{mg}(h_1-h_2),$$

حيث تمثل $m$ الكتلة الفعالة للبندول، ويمثل $g$ تسارع الجاذبية، ويمثل $h_1$ و$h_2$ الارتفاعين الابتدائي والنهائي للبندول. وتأخذ الآلات الفعلية في الحسبان الفواقد الميكانيكية، والاحتكاك، ومقاومة الهواء، وهندسة المِطرَق، ومعايرة الآلة. وتُبلّغ القيمة المعروضة عادةً بوحدة الجول.[3][3] Charpy Machine Verification Program. National Institute of Standards and Technology. NIST program resource, 2024.

يصف NIST اختبار شاربي بأنه اختبار بمعدل تحميل مرتفع يقيس الطاقة الممتصة أثناء الكسر، ويوفر مقياسًا غير مباشر لمتانة الصدم. وتُفحص الآلات دوريًا من خلال إجراءات مثل برنامج NIST للتحقق من آلات شاربي، باستخدام عينات معتمدة وفق ASTM E23 وISO 148-2. ويثبت التحقق أن الآلة تنتج نتائج مقبولة، لكنه لا يلغي التباين الناجم عن كيمياء الفولاذ، أو المعالجة الحرارية، أو إعداد العينة، أو أخذ العينات.

وتشمل الطاقة أكثر من الطاقة اللازمة لإنشاء سطح شق جديد؛ فهي تشمل أيضًا الانحناء المرن واللدن، وبدء الشق، والتمزق المستقر، وتأثيرات الاحتكاك، وغير ذلك من التشوهات التي تحدث أثناء الحدث. وغالبًا ما تترافق القيمة المرتفعة مع التمزق اللدن، في حين يترافق انخفاض القيمة عادةً مع كسر تهيمن عليه عملية الانفلاق. غير أن الطاقة وحدها لا تحدد عملية الكسر الكاملة. وينبغي فحص السطح المكسور وتسجيل مظهر الكسر القصي حيثما يقتضي الأمر.

يمكن أن تغيّر درجة الحرارة النتيجة بصورة حادة. فقد تُظهر الفولاذات الحديدية، مثل كثير من درجات الفولاذ الكربوني والفولاذ الإنشائي منخفض السبيكة، انتقالًا من المطيلية إلى الهشاشة مع انخفاض درجة الحرارة. ولا يمكن لقيمة واحدة عند درجة حرارة الغرفة أن تمثل السلوك عند درجة حرارة تصميم شتوية، أو في منطقة متأثرة بالحرارة من لحام، أو أثناء حدث شق سريع في الخدمة. ويمكن لطاقة شاربي أن تدعم علاقات ارتباط محددة لتقدير متانة الكسر الدنيا في الفولاذات الحديدية، إلا أن علاقات منفصلة تنطبق على سلوك الرف السفلي، ومنطقة الانتقال، والرف العلوي. وهي ليست قيمة لمتانة الكسر في حالة الانفعال المستوي، كما أنها لا تحدد مباشرةً أداء إيقاف الشق. ويُعد اختبار التمزق بالسقوط الوزني طريقة منفصلة لدراسة سلوك إيقاف الشق في فولاذ خطوط الأنابيب، إذ يقيس نسب القص اللدن والانفلاق عبر درجات حرارة الصدم.

هندسة العارضة بسيطة الاستناد، وشروط الإسناد، واتجاه الحز

تتصرف عينة شاربي تقريبًا كعارضة بسيطة الاستناد أثناء الصدم. وترتكز نهايتاها على سندانات عند بحر محدد، بينما يطبق المِطرَق حملًا مركزًا بالقرب من المنتصف. وتؤثر الدعامات، والبحر، ونصف قطر المِطرَق، والخلوص، والمحاذاة، وسرعة الصدم في إجهاد الانحناء ومقدار التقييد حول الحز. وقد تعطي العينة الموضوعة بصورة سيئة، أو غير المحاذية، أو المتضررة، أو المضروبة بعيدًا عن الموضع المحدد، قيمة مضللة حتى عندما تبدو أبعادها صحيحة.

ويتحكم اتجاه الحز في اتجاه المادة الذي يقع عبر مسار الشق. وقد يؤدي نسيج الدرفلة، والشوائب الممدودة، وبنية تصلب اللحام، والانفصال، والتشوه السابق إلى اختلافات كبيرة بين النتائج الطولية والمستعرضة والنتائج المأخوذة عبر السمك. كما يمكن لعلامات التشغيل الآلي، أو زيادة نصف قطر الجذر، أو الزوائد، أو التآكل، أو الحرارة المتولدة أثناء الإعداد، أن تغيّر بدء الشق. وتتطلب قابلية المقارنة استخدام المعيار نفسه، ونوع الحز نفسه، والأبعاد نفسها، والاتجاه نفسه، ودرجة الحرارة نفسها، وترتيب الدعامات نفسه، وسجل الإعداد نفسه.

وتوضح الأخاديد الجانبية كيف يمكن للهندسة أن تغير سلوك الكسر بدرجة أكبر. فقد أفاد NIST في عام 2011 بأن الأخاديد الجانبية تقلل تراكم التشوه اللدن عند طاقات الرف العلوي وتعزز الانشطار؛ وتبلغ شدة الانشطار أقصاها بالقرب من درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة. وقد تكون هذه العينات مفيدة لتحقيق محدد، إلا أنه لا ينبغي دمج نتائجها مع قيم شاربي العادية من دون تحديد الطريقة المستخدمة.[4][4] ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

يحدد ISO 14556:2023 اختبار الصدم بالبندول باستخدام عينة شاربي ذات حز V والمزوّدة بأجهزة قياس، حيث يسجل القوة والإزاحة أو الإشارات ذات الصلة لتوفير معلومات إضافية عن سلوك الكسر. ولا يستبدل ISO 148-1:2016 طريقة القياس بالأجهزة باختبار الطاقة التقليدي. فنتيجة شاربي التقليدية هي استجابة معيارية لحدث صدم واحد مضبوط، وليست محاكاة مباشرة لكل شق يحدث أثناء الخدمة، أو تاريخ تحميل، أو حالة تقييد، أو مسألة إيقاف شق.

ASTM E23 وISO 148-1:2016 وISO 14556:2023

تُعد نتائج اختبار شاربي قياسات موحّدة، لكنها ليست قابلة للتبادل تلقائيًا بين مختلف المعايير. فالقيمة المُبلَّغ عنها تعتمد على العيّنة، والشق، والاتجاه، ودرجة حرارة الاختبار، وجهاز البندول، وحالة التحقق، وحالة المادة، وقواعد إعداد التقارير. كما أنها تصف طاقة الصدم الممتصة، وليس متانة الكسر تحت الانفعال المستوي، أو مقاومة إيقاف الشق، أو جميع جوانب سلوك الكسر.

يصف NIST اختبار شاربي بأنه اختبار بمعدل تحميل مرتفع يقيس الطاقة الممتصة أثناء الكسر، ويوفر مقياسًا غير مباشر لمتانة الصدم (NIST، 2024). وتكتسب هذه التفرقة أهمية بالنسبة إلى أنواع الفولاذ الفيريتي، التي تمر عادةً بانتقال من المطيلية إلى الهشاشة مع انخفاض درجة الحرارة. ولذلك قد تخفي نتيجةٌ عند درجة حرارة الغرفة انخفاضًا حادًا في الطاقة عند درجة حرارة خدمة أقل.

ما الذي يضبطه ASTM E23 وما الذي يبلّغ عنه[5][5] ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

يغطي ASTM E23 اختبارات صدم شاربي بالعارضة البسيطة واختبارات صدم إيزود بالعارضة الكابولية (ASTM International، 2025). وبالنسبة إلى أعمال شاربي، تتناول متطلباته أبعاد العيّنة وتفاصيل الشق، وإسناد العيّنة واتجاهها، وإجراءات الاختبار، وتشغيل الجهاز، والتحقق منه، وإعداد التقارير. كما يتضمن المعيار تحديد مظهر الكسر القصّي، بما يتيح استخدام سطح الكسر لاستكمال نتيجة الطاقة الممتصة.

ويجعل هذا النطاقُ الرقمَ المُبلَّغ عنه أكثر من مجرد قراءة للبندول، لكنه لا يحوّل الاختبار إلى قياس مباشر لمتانة الكسر. يسجل الجهاز فرق الطاقة المرتبط بالعيّنة المكسورة، ويُبلَّغ عن هذه الطاقة عادةً بالجول أو قدم-رطل. ولا تكون القيمة ذات دلالة إلا عند إرفاقها بنوع الشق، واتجاه العيّنة، ودرجة حرارة الاختبار، وتعريف المادة، ومتطلب القبول المنطبق.

وتُعد حالة الجهاز جزءًا من سلسلة القياس. إذ يجري التحقق دوريًا من أجهزة شاربي باستخدام عيّنات مرجعية معتمدة وفقًا لـ ASTM E23 وISO 148-2، ومن خلال برامج مثل برنامج NIST للتحقق من أجهزة شاربي. وقد يعطي جهاز لم يستوفِ متطلبات التحقق المنطبقة نتيجة دقيقة عدديًا، لكنها تظل غير مناسبة للمقارنة.

كما أن ASTM E23 لا يحدد المعنى الكامل لأخذ العيّنات لكل منتج من منتجات الفولاذ. إذ يحدد ASTM A673/A673M إجراءات أخذ العيّنات لاختبار شاربي ذي الشق على شكل V في الاتجاه الطولي للفولاذ الإنشائي، ويميز بين تواتر الاختبار على مستوى الصهرة وتواتر الاختبار على مستوى القطعة. ومن ثم، قد تمثل نتيجتان حُصل عليهما باستخدام إجراء الصدم نفسه مستويات مختلفة من مراقبة الإنتاج إذا اختلفت خطتا أخذ العيّنات.

ويقدم مظهر الكسر أدلة لا تستطيع الطاقة وحدها تقديمها. فعادةً ما يمتص القص المطيل طاقة أكبر، في حين يمتص الكسر الهش الذي يهيمن عليه الانفلاق طاقة أقل عمومًا. ويمكن لنسبة الكسر القصّي أن تحدد موضع العيّنة على منحنى الانتقال، رغم أن قياسات المظهر يجب أن تتبع إجراء إعداد التقارير المنطبق. ولا تثبت نتيجة ذات طاقة مرتفعة على الرف العلوي قيمةً معينة لـ $K_{\mathrm{IC}}$ أو $J_{\mathrm{IC}}$ أو متانة إيقاف الشق.

نطاق ISO 148-1:2016 لاختبار شاربي التقليدي

يحدد ISO 148-1:2016 اختبار الصدم بالبندول ذي الشق على شكل V وذي الشق على شكل U للمواد المعدنية (ISO، 2016). ويعرّف ترتيب الاختبار التقليدي: تُسنَد عيّنة مشقوقة كعارضة بسيطة، ثم تُكسَر بواسطة مطرقة بندول في ظروف محددة. وتُعد الطاقة الممتصة الناتجة قيمة صدم محددة بالمنهج، وليست ثابتًا ماديًا عالميًا.

ولا يمكن التعامل مع التكوينين ذي الشق على شكل V وذي الشق على شكل U على أنهما قابلان للتبادل. فهندسة الشق تغيّر تركيز الإجهاد، والتشوه اللدن، وبدء الشق، والطاقة اللازمة لكسر العيّنة. ولذلك يجب أن ترافق أبعاد العيّنة، وشكل الشق، والاتجاه، ودرجة الحرارة، وتفاصيل المطرقة، والتحقق من الجهاز، أيَّ مقارنة بين نتائج ISO 148-1:2016 ونتائج طريقة أخرى.

يستبعد ISO 148-1:2016 اختبار شاربي الآلي. فهو يتناول اختبار البندول التقليدي وتحديد الطاقة الممتصة فيه؛ أما القياسات التي تتطلب تسجيل القوة والإزاحة فتندرج ضمن ISO 14556. ويتناول ISO 148-2 التحقق من أجهزة الصدم بالبندول الخاصة باختبار شاربي، ولذلك لا ينبغي اعتبار الامتثال لـ ISO 148-1:2016 دليلًا على أن جهازًا لم يُتحقق منه ينتج بيانات قابلة للمقارنة.[6][6] What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

كما أن نطاق المعيار لا يلغي التأثيرات الخاصة بالمادة. فقد يُظهر الفولاذ الفيري رفًا سفليًا، ومنطقة انتقال، ورفًا علويًا مع تغير درجة الحرارة. وتلزم علاقات منفصلة عند استخدام طاقة شاربي لتقدير قيمة حد أدنى لمتانة الكسر في هذه المناطق؛ إذ إن العلاقات الخاصة بسلوك الرف السفلي، ومنطقة الانتقال، والرف العلوي ليست متماثلة (TWI، 2024). ولا تنطبق هذه الارتباطات إلا ضمن حدود المادة والهندسة ودرجة الحرارة المحددة لها.[7][7] Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. National Institute of Standards and Technology. NIST publication, 2011.

وجد بحث أجراه NIST ونُشر في عام 2011 بشأن عيّنات شاربي ذات الأخاديد الجانبية أن الأخاديد الجانبية تقلل التشوه اللدن المتراكم عند طاقات الرف العلوي وتعزز الانشطار. وكانت شدة الانشطار أكبر ما تكون بالقرب من درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة. وتوضح هذه النتيجة سبب قدرة إعداد العيّنة على تغيير سلوك الكسر من دون تغيير تسمية شاربي الاسمية.

اختبار شاربي الآلي وفقًا لـ ISO 14556:2023

يحدد ISO 14556:2023 اختبار الصدم بالبندول الآلي لشاربي ذي الشق على شكل V، كما يحدد معدات القياس والتسجيل المستخدمة فيه (ISO، 2023). وإضافةً إلى الطاقة الممتصة الكلية للبندول، يسجل النظام الآلي بيانات مرتبطة بالقوة أثناء الصدم، مما يتيح تحليل مراحل مثل بدء الشق، والانتشار غير المستقر، والكسر اللاحق، وفقًا لمتطلبات القياس وتفسير البيانات المنصوص عليها في المعيار.

ويمكن أن يوفر ذلك معلومات عن سلوك الكسر، لا عن قيمة طاقة تكاملية واحدة فحسب. وقد تساعد سجلات القوة-الإزاحة أو القوة-الزمن في التمييز بين طاقة البدء وطاقة الانتشار، وقد تكشف الفروق بين التمزق المطيل، والانفلاق، والكسر المختلط. غير أن الإشارات الإضافية لا تنتج تلقائيًا قيمة لمتانة الكسر تحت الانفعال المستوي؛ إذ تظل أبعاد العيّنة، ودرجة التقييد، وحدّة الشق، والمعايرة، وافتراضات التحليل عوامل مهمة.

ويُعد ISO 14556:2023 تحديدًا طريقة شاربي آلية ذات شق على شكل V. ولا ينبغي دمج نتائجها بصورة عفوية مع قيم الشق على شكل V التقليدية وفقًا لـ ISO 148-1:2016 أو مع قيم ASTM E23، حتى عندما تبدو العيّنات متشابهة. فقد تؤدي الاختلافات في المعدات، والمعايرة، والتعريفات، والترشيح، وأعراف إعداد التقارير، ومعايير القبول، إلى تغيير الكميات المُبلَّغ عنها.

كما لا ينبغي الخلط بين اختبار شاربي واختبار التمزق بالوزن الساقط. فهذه طريقة منفصلة تفحص سلوك إيقاف الشق في فولاذ خطوط الأنابيب، وذلك بقياس نسب القص المطيل والانفلاق عبر درجات حرارة الصدم. وهي تجيب عن سؤال هندسي مختلف. فطاقة شاربي، وبيانات الصدم الآلي، ومظهر الكسر، وقياسات إيقاف الشق، أدلة مترابطة وليست تسميات قابلة للتبادل.

التحقق الآلي والمعايرة ومصداقية النتيجة

التحقق المباشر والعينات المرجعية المعتمدة

لا تكون نتيجة شاربي موثوقة إلا عندما يثبت نظام الاختبار الكامل قدرته على إنتاج استجابة معروفة. ويوفر التحقق الآلي هذا الإثبات. فهو لا يعادل التحقق من أن البندول يتأرجح، أو من أن العينة تلائم المسافة بين السندانين، أو من أن المقياس يعرض رقماً يبدو معقولاً.

بموجب ASTM E23 وISO 148-2، يستخدم التحقق المباشر عينات مرجعية معتمدة ذات قيم محددة لطاقة الصدم. ويكسر المختبر هذه العينات على الآلة، ثم يقارن النتائج المقاسة بالمدى المعتمد. ونظراً إلى أن سلوك العينات المرجعية معروف، فهي تختبر الآلة وسلسلة القياس الخاصة بها في ظروف صدم فعلية، بدلاً من مجرد التحقق من الأبعاد الفردية.

ويكتسب هذا التمييز أهمية لأن اختبار شاربي هو قياس بمعدل تحميل مرتفع. وتصف NIST الاختبار بأنه قياس للطاقة الممتصة أثناء الكسر، وتوفر هذه الطاقة مقياساً غير مباشراً لمتانة الصدم. ويجب أن ينقل البندول الطاقة خلال حدث كسر قصير المدة، بينما تسجل الآلة الفرق بين طاقتها الابتدائية والنهائية. ولذلك يمكن للفواقد الميكانيكية الصغيرة أو الأخطاء الهندسية أن تؤثر في القيمة المبلّغ عنها.

ويمكن للتحقق المباشر أن يكشف عدة أنماط من الأعطال في آن واحد. فالاحتكاك المفرط في البندول يقلل الطاقة المتاحة قبل الصدم. كما أن المطرقة الضاربة التالفة أو المستديرة أو الموجهة بصورة غير صحيحة أو ذات الأبعاد غير الصحيحة تغيّر طريقة تحميل الشق. وتؤدي السندان البالية أو مسافة الإسناد غير الصحيحة إلى تغيير ظروف الانحناء والتلامس. وقد يؤدي عدم محاذاة المساند إلى إدخال التواء أو تقييد غير متساوٍ. وقد تستمر الآلة في إحداث كسر واضح وقراءة قرص تبدو معقولة، مع إخفاقها في استيفاء متطلبات العينة المرجعية.

ولقدرة الآلة أيضاً دور محدد. فالبندول الأكبر من اللازم بالنسبة إلى نطاق الطاقة المقصود قد يعطي دقة تمييز ضعيفة، في حين أن الآلة غير الكافية القدرة لا تستطيع كسر العينة بصورة صحيحة، أو قد تفقد دقة القياس بالقرب من حدها الأقصى. ويحدد المعيار المعمول به وتصميم الآلة القدرة المسموح بها، ونطاق الطاقة، وهندسة المطرقة الضاربة، ومساند العينة، ونظام الإشارة.

ولا يُعد التحقق مجرد مرادف للمعايرة. فالمعايرة تتعلق عموماً بدقة عنصر قياس مقارنةً بمرجع قابل للتتبع. أما التحقق فيسأل عما إذا كانت آلة شاربي المجمعة، بما في ذلك مكوناتها الميكانيكية وإظهار الطاقة، تنتج نتائج مقبولة في الاختبار المحدد. وقد يعاير المختبر مُرمِّزاً أو يفحص مقياساً، ومع ذلك تظل لديه آلة تفشل في التحقق المباشر بسبب عيب في المطرقة الضاربة أو المحامل أو الاحتكاك أو المساند.

برنامج NIST للتحقق من آلات شاربي

يدعم برنامج NIST للتحقق من آلات شاربي التحقق الدوري من آلات شاربي باستخدام عينات معتمدة وفقاً لـ ASTM E23 وISO 148-2. وقد أُنشئ البرنامج لأن الفروق بين الآلات قد تكون كبيرة بما يكفي لحجب الفروق بين المواد، ولا سيما عندما تكون الطاقات المقاسة قريبة من حد مواصفة ما أو عندما تُقارن النتائج بين المختبرات.

وليست العينات المعتمدة بديلاً عن عينات الإنتاج. فهي مواد ضبط تُستخدم لتحديد ما إذا كانت الاستجابة المقاسة للآلة تقع ضمن نطاق مقبول. وتدعم النتيجة الناجحة الثقة في نظام الاختبار وقت إجراء التحقق، لكنها لا تعتمد كل اختبار مستقبلي، ولا تثبت أن كل عينة جُهزت ووُجهت وكُيّفت واختُبرت بصورة صحيحة.

وتظل الفحوص الروتينية ضرورية بين عمليات التحقق الرسمية. وينبغي للعاملين تأكيد أبعاد المطرقة الضاربة والسندان، ومحاذاة المساند، وموضع البندول، واستواء الآلة، وفواقد الاحتكاك، ووظيفة نظام الإشارة أو الأجهزة، وحالة الواقيات ومعدات الاحتواء. ويجب أن تستوفي العينة الأبعاد المطلوبة، ونصف قطر الشق، وعمق الشق، واتجاه الشق، وحالة السطح. ويمكن لفحص الشق أن يكشف النتوءات، أو الخشونة المفرطة، أو علامات التشغيل الآلي، أو نصف قطر خارج حدود السماحية. وتعالج هذه الفحوص هندسة العينة والآلة؛ أما التحقق المباشر فيعالج استجابة الكسر المقاسة للنظام المجمع.

ويمثل التحكم في درجة الحرارة مصدراً منفصلاً لعدم اليقين. فقد تنتقل أنواع الفولاذ الفيريتي من كسر مطيل عالي الطاقة إلى كسر منخفض الطاقة تهيمن عليه حالة الانفلاق مع انخفاض درجة الحرارة. وقد تنتج عينة اختُبرت عند درجة حرارة غير صحيحة رقماً قابلاً للتكرار تماماً، لكنه يجيب عن السؤال الخطأ. ويجب على المختبر التحكم في زمن التكييف، وزمن النقل، ودرجة حرارة الحمام أو الحجرة، ودرجة الحرارة التي تبلغها العينة فعلياً. كما تكتسب إجراءات المشغل أهمية مماثلة؛ فالتمركز غير الصحيح، أو عكس اتجاه العينة، أو تأخير التحرير، أو الخطأ في اتجاه الشق، يمكن أن يبطل صلاحية آلة اجتازت التحقق لولا ذلك.

يغطي ASTM E23 اختبارات الصدم باستخدام شاربي ذي العارضة البسيطة واختبار إيزود ذي العارضة الكابولية، بما في ذلك التحقق من الآلة، وإعداد التقارير، وتحديد مظهر الكسر القصّي. ويحدد ISO 148-1:2016 اختبار البندول بشقي V وU وفق شاربي للمواد المعدنية. أما الاختبار الآلي فسياقه منفصل؛ إذ يتناول ISO 14556:2023 اختبار شاربي الآلي بشق V والمعدات المستخدمة لتسجيل معلومات إضافية عن الكسر.

لماذا يمكن أن تظل قيمة الصدم التي تبدو صحيحة غير موثوقة

قد تبدو النتيجة الرقمية معقولة، ومع ذلك تفتقر إلى الدلالة المتعلقة بالمادة. ولا يستطيع التحقق إزالة التشتت بين عينة وأخرى، أو التباين بين الصهرات، أو تأثيرات الاتجاه، أو أخطاء أخذ العينات. ويحدد ASTM A673/A673M إجراءات أخذ العينات لاختبار شاربي بشق V في الاتجاه الطولي للفولاذ الإنشائي، ويميز بين تواتر اختبار الصهرة وتواتر اختبار القطعة. ولذلك فإن خطة أخذ العينات جزء مما تمثله النتيجة. فثلاث عينات اختُبرت بصورة صحيحة، لكنها مأخوذة من موضع غير ممثل، لا توصف بها بنية كاملة.

ويوفر مظهر الكسر دليلاً لا تستطيع قيمة الطاقة وحدها توفيره. ويستهلك القص المطيل عموماً طاقة أكبر من الانفلاق، لكن الطاقة الممتصة نفسها قد تنتج عن تراكيب مختلفة من القص والانفلاق والانشطار والتشوه اللدن. وقد أفادت NIST في عام 2011 بأن الأخاديد الجانبية تقلل تراكم التشوه اللدن عند طاقات الرف العلوي وتعزز الانشطار، مع بلوغ شدة الانشطار أقصاها بالقرب من درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة. ويمكن لهندسة العينة أن تغير عملية الكسر.

كما أن طاقة شاربي ليست قيمة لمتانة الكسر في حالة الانفعال المستوي. وقد تقدر علاقات الارتباط متانة الكسر الدنيا لفولاذات فيريتية محددة ومناطق حرارية معينة، إلا أن علاقات منفصلة تنطبق على سلوك الرف السفلي ومنطقة الانتقال والرف العلوي. ولا تستطيع قيمة مقاسة في درجة حرارة الغرفة وصف الخدمة عند درجات الحرارة المنخفضة عندما يمر الفولاذ بانتقال من المطيلية إلى الهشاشة.[8][8] What is the drop-weight tear test?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

وأخيراً، لا يحل اختبار شاربي محل اختبار إيقاف الشق. إذ يقيّم اختبار التمزق بالسقوط سلوك إيقاف الشق في فولاذ خطوط الأنابيب من خلال نسب القص المطيل والانفلاق عبر درجات حرارة الصدم. وهو يجيب عن سؤال مختلف. فالآلة التي جرى التحقق منها تجعل قيمة شاربي أكثر موثوقية بوصفها قياساً، لكنها لا تجعل تلك القيمة وصفاً كاملاً لمقاومة الكسر.

درجة الحرارة، والفولاذ الفيريتي، والانتقال من المطيلية إلى الهشاشة

غالبًا ما يُظهر الفولاذ الفيريتي انتقالًا من المطيلية إلى الهشاشة مع انخفاض درجة الحرارة. فعند درجات الحرارة الأعلى، يمكن أن يتطور التشوه اللدن حول الشق ويمتص طاقة صدم كبيرة قبل انفصال العينة. أما عند درجات الحرارة المنخفضة، فتكون حركة الانخلاعات أكثر تقييدًا، ويرتفع الإجهاد الموضعي بسرعة عند جذر الشق، ويمكن للكسر الانفلاقي أن ينتشر مع تشوه لدن محدود. ولا يُمثَّل هذا التغير بدرجة حرارة عالمية واحدة أو بقيمة شاربي واحدة.

يسجل اختبار شاربي الطاقة التي تمتصها عينة ذات شق أثناء الكسر عند درجة حرارة ومعدل تحميل محددين. وتصفه NIST بأنه اختبار بمعدل تحميل مرتفع ومقياس غير مباشر لمتانة الصدم، وليس اختبارًا مباشرًا لمتانة الكسر في حالة الانفعال المستوي. كما تعتمد النتيجة على شكل الشق، واتجاه العينة، وحالة الصفيحة أو المنتج، وإجراء الاختبار، وأخذ العينات. تغطي ASTM E23 اختبارات الصدم ذات العارضة البسيطة بطريقة شاربي والعارضة الكابولية بطريقة إيزود، بينما تحدد ISO 148-1:2016 اختبار البندول ذي الشق على شكل V والشق على شكل U بطريقة شاربي للمواد المعدنية. وتكتسب هذه التسميات والإجراءات أهمية عند مقارنة النتائج.

الرف السفلي، ومنطقة الانتقال، والرف العلوي

المنصة الدنياالمنصة الدنيا منطقة درجات الحرارة المنخفضة من منحنى شاربي للفولاذ الفيريتي، حيث تكون الطاقات الممتصة منخفضة نسبيًا ويهيمن الكسر الانفلاقي عادةً.

يُقسَّم منحنى درجة الحرارة المألوف لاختبار شاربي عادةً إلى ثلاثة أنظمة تفسيرية. الرف السفلي هو منطقة درجات الحرارة المنخفضة التي تبقى فيها الطاقات الممتصة منخفضة نسبيًا، وقد تكون التغيرات مع درجة الحرارة محدودة. ويكون الكسر في الغالب شبيهًا بالكسر الانفلاقي، رغم احتمال ظهور مناطق لدنة صغيرة أو شفاه قص. وتشير قيمة منخفضة للرف السفلي إلى محدودية امتصاص الطاقة اللدنة؛ لكنها لا تقدم بمفردها وصفًا كاملًا لانتشار الشق في المنشأ.

تقع منطقة الانتقال بين الرفين السفلي والعلوي. وهنا يمكن لتغير متواضع في درجة الحرارة أن يُحدث تغيرًا كبيرًا في الطاقة الممتصة ومظهر الكسر. وقد تُظهر بعض العينات مزيجًا من الكسر الانفلاقي والقص اللدن، كما قد يكون التشتت كبيرًا. ولذلك فإن درجة الحرارة المرتبطة بطاقة محددة، مثل تلك المنصوص عليها في متطلبات العقد، لا تمثل تلقائيًا درجة حرارة الانتقال الفيزيائية للمادة. وقد يستخدم تعريف آخر طاقة متوسطة، أو معيارًا لمظهر الكسر، أو نسبة محددة من مساحة الكسر القصي.

على الرف العلوي، تمتص العينة طاقة أكبر بكثير من خلال التشوه اللدن الواسع قبل الانفصال النهائي. ومع ذلك، لا تزال القيمة المقاسة لا تمثل قيمة مباشرة لمتانة الكسر. وتتأثر طاقة شاربي على الرف العلوي بأبعاد العينة، وحدّة الشق، ومعدل الانفعال، والاتجاه، والتقييد. وقد أفادت NIST في عام 2011 بأن الأخاديد الجانبية في عينات شاربي تقلل تراكم التشوه اللدن عند طاقات الرف العلوي وتشجع على الانشطار، وتبلغ شدة الانشطار أقصاها بالقرب من درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة. ولذلك لا ينبغي التعامل مع نتيجة عينة ذات أخاديد جانبية على أنها قابلة للاستبدال بنتيجة عينة قياسية غير معدلة.

هذه الأنظمة ليست نقاطًا على مقياس خطي يتدرج من «سيئ» إلى «جيد». وتُستخدم علاقات منفصلة عند ربط طاقة شاربي بمتانة الكسر الدنيا المقبولة لسلوك الرف السفلي ومنطقة الانتقال والرف العلوي، كما أشار TWI في عام 2024. وتتطلب هذه الارتباطات فئة فولاذ، ونطاق درجة حرارة، وتكوين عينة، وافتراضات تقييد قابلة للتطبيق. وتظل طاقة شاربي طاقة صدم تُقاس بالجول؛ بينما يُعبَّر عن متانة الكسر عادةً من خلال معلمات مثل $K_{\mathrm{IC}}$، أو $J_{\mathrm{IC}}$، أو مقياس ذي صلة بطرف الشق.

الكسر الانفلاقي مقابل القص اللدن

الكسر الانفلاقي عملية كسر سريعة وهشة يتقدم فيها الشق على طول مستويات بلورية مفضلة مع تشوه لدن سابق محدود. وغالبًا ما يبدو سطح الكسر ساطعًا وحبيبيًا نسبيًا. وبما أن الشغل اللدن المنجز يكون محدودًا، فإن العينات التي يهيمن عليها الكسر الانفلاقي تمتص عمومًا طاقة شاربي أقل. ولذلك يرتبط الرف السفلي بطاقة منخفضة ونسبة مرتفعة من الكسر الهش، رغم أن المظهر الدقيق يعتمد على الفولاذ، والاتجاه، والشق، ودرجة حرارة الاختبار.

يتطور الكسر اللدن من خلال الجريان اللدن وتكوّن الفجوات المجهرية ونموها والتحامها. وعادةً ما يستهلك طاقة أكبر وينتج سطحًا ليفيًا أو باهت المظهر، غالبًا مع شفاه قص بالقرب من الأسطح الخارجية. ويمكن أن تحتوي منطقة الانتقال على كلتا الآليتين في سطح كسر واحد. وقد يؤدي الإبلاغ عن الطاقة الممتصة دون وصف مظهر الكسر إلى إخفاء هذا التغير.

ولهذا السبب، قد تتطلب المعايير والمواصفات الإبلاغ عن نسبة الكسر القصي إلى جانب الطاقة. فالعينة ذات الطاقة المتوسطة والكسر المختلط تحكي قصة مختلفة عن عينة لها الطاقة نفسها ولكن يهيمن عليها القص اللدن. وتتضمن ASTM E23 تحديد مظهر الكسر القصي ومتطلبات الإبلاغ عنه. ويمكن للاختبار الآلي أن يضيف معلومات عن القوة والإزاحة والطاقة الممتصة أثناء الحدث؛ إذ تتناول ISO 14556:2023 اختبار شاربي الآلي ذي الشق على شكل V، في حين أن ISO 148-1:2016 لا يشمل تلك الطريقة الآلية.

يوفر اختبار التمزق بالوزن الساقط تمييزًا مفيدًا آخر. فهو طريقة منفصلة خاصة بخطوط الأنابيب الفولاذية لتقييم سلوك إيقاف الشق، إذ يقيّم كسور القص اللدن والكسر الانفلاقي عبر درجات حرارة الصدم. ولا يجوز استبدال نتائجه بطاقة شاربي أو عرضها على أنها القياس نفسه.

لماذا يجب أن تحكم درجة حرارة الخدمة درجة حرارة الاختبار

ينبغي أن تمثل درجة حرارة الاختبار الحاكمة أدنى حالة خدمة ذات صلة، مع مراعاة الهوامش التي يقتضيها كود التصميم والمواصفة المنطبقان. وتثبت نتيجة شاربي عند درجة حرارة الغرفة الأداء فقط عند حالة الاختبار تلك أو بالقرب منها. ولا يمكنها إثبات موضع الرف السفلي، أو سلوك الانتقال، أو مظهر الكسر عند درجة حرارة تصميم أقل.

ويكتسب هذا القيد أهمية خاصة بالنسبة إلى الفولاذ الفيريتي الإنشائي. إذ تحدد ASTM A673/A673M إجراءات أخذ العينات لاختبار شاربي الطولي ذي الشق على شكل V للفولاذ الإنشائي، وتميز بين تواتر الاختبار لكل صهرة وتواتر الاختبار لكل قطعة. ويُعد أخذ العينات جزءًا من معنى النتيجة: فمجموعة واحدة من العينات المطابقة لا تصف بالضرورة كل موقع، أو اتجاه، أو صهرة، أو سماكة، أو حالة للمنتج.

ولذلك ينبغي ذكر درجة حرارة الاختبار مع الطاقة الممتصة، واتجاه العينة، وتسمية الشق، والمعيار، وأي متطلب يتعلق بالكسر القصي. كما تهم حالة الجهاز؛ إذ توفر ASTM E23 وISO 148-2 أطرًا للتحقق، بينما يستخدم برنامج NIST للتحقق من أجهزة شاربي عينات معتمدة للتحقق الدوري من الجهاز. ومن دون هذه التفاصيل، يكون الرقم المبلَّغ عنه لـ«متانة شاربي» غير مكتمل. فدرجة الحرارة ليست هامشًا في النتيجة؛ بل يمكنها، بالنسبة إلى الفولاذ الفيريتي، أن تحدد ما إذا كان الكسر المشاهد لدنًا في معظمه أم يهيمن عليه الكسر الانفلاقي.

تاريخ أخذ العينات والتوجيه ومعالجة الفولاذ

ASTM A673/A673M وأخذ عينات الفولاذ الإنشائي

تصف نتيجة اختبار شاربي عينةً محددة مأخوذة من قطعة فولاذ محددة. وبالنسبة إلى الصفائح الإنشائية، تكتسب ASTM A673/A673M أهمية لأنها تحدد إجراءات أخذ العينات لاختبار شاربي ذي الشق على شكل V في الاتجاه الطولي، بدلاً من التعامل مع أخذ العينات على أنه تفصيل إداري يُضاف بعد الاختبار. ويحدد المعيار مواضع أخذ العينات وعدد مرات طلب عينات الصدم بموجب أحكام اختبار الصهيرة أو اختبار القطعة. وتشكل هذه الاختيارات جزءاً من معنى النتيجة.

قد يكون لموضع أخذ العينة أهمية، لأن الصفيحة ليست متجانسة تماماً على امتداد طولها أو عرضها أو عبر سمكها. وقد يكون الانفصال الكيميائي أشد قرب مناطق معينة من سبيكة الصب أو المنتج المصبوب باستمرار، في حين يمكن أن يؤدي الاختزال بالدرفلة، ومعدل التبريد، وفروق درجات الحرارة بين السطح والمركز إلى تكوين بنيات مجهرية مختلفة عبر السمك. ولذلك تثبت العينة المقطوعة من أحد المواضع المسموح بها سلوك المادة المأخوذة من ذلك الموضع في إطار خطة الاختبار المحددة. لكنها لا تثبت تلقائياً سلوك كل موضع في الصفيحة، أو كل صفيحة من دفعة الإنتاج، أو كل مكوّن صُنّع منها.

ينبغي أيضاً قراءة ASTM A673/A673M بالاقتران مع مواصفة المادة المعمول بها ومتطلبات الشراء أو التصنيع. إذ تحدد الطبعة وقواعد المنتج أحكام أخذ العينات بدقة. والتقرير الذي يذكر فقط «أُجري اختبار شاربي» يحذف معلومات أساسية، هي: المعيار الحاكم، واتجاه العينة، ودرجة حرارة الاختبار، وموضع أخذ العينة، والتواتر المطلوب، ونتيجة الطاقة الممتصة، وأي متطلب يتعلق بمظهر الكسر. وتوفر ASTM E23 الإطار العام لاختبار شاربي بالعَتَلة البسيطة، بما في ذلك متطلبات العينات، والإجراءات، والتحقق من الآلة، وإعداد التقارير، وتحديد مظهر الكسر القصي. ويصف برنامج NIST للتحقق من آلات شاربي الاختبار بأنه قياس، بمعدل تحميل مرتفع، للطاقة الممتصة أثناء الكسر؛ لكنه لا يحوّل تلك الطاقة إلى قيمة مباشرة لمتانة الكسر تحت حالة الانفعال المستوي.

الاختبار الطولي في مقابل الاختبار العرضي

يحدد مصطلح «شاربي طولي» اتجاه العينة بالنسبة إلى اتجاه الدرفلة الرئيسي للمنتج. ففي العينة الطولية، يكون طول العينة محاذياً عموماً لاتجاه الدرفلة، في حين يحدد اتجاه الشق الاتجاه الذي يتقدم فيه الكسر عبر المادة. أما العينة العرضية فتُقطع بحيث يكون طولها عابراً لاتجاه الدرفلة. وهذه اتجاهات مادية مختلفة، وليست تسميات قابلة للتبادل.

تؤدي الدرفلة إلى إطالة الحبيبات والشوائب، وقد تنتج بنية مجهرية نطاقية. ونتيجة لذلك، قد يواجه الشق المتقدم عبر السمات الممدودة تتابعاً مختلفاً من الفيريت والبرليت ونطاقات الانفصال أو الشوائب، مقارنةً بالشق المتقدم بمحاذاتها. ويمكن أن تتغير الطاقة المقاسة باختلاف الاتجاه، ولا سيما في صفائح الفولاذ ذات النسيج البلوري القوي أو التطبق الواضح أو الضعف عبر السمك. ولا يحدد اسم الدرجة وحده هذا التأثير. فسمك الصفيحة، ونسبة الاختزال، وممارسة إعادة التسخين، والدرفلة المتحكم بها، والتطبيع، والتقسية والمراجعة، وتاريخ التبريد، كلها عوامل تسهم فيه.

ويستحق كل من الشق واتجاه انتشار الكسر القدر نفسه من الاهتمام. فالتصنيف الطولي في ASTM A673/A673M ليس بديلاً عاماً عن متطلب المتانة العرضية أو المتانة عبر السمك أو المتانة المرتبطة باللحام. وإذا كان الهيكل سيحمّل صفيحة في اتجاه لا تمثله عينة الاختبار، فقد تكون القيمة المبلغ عنها أساساً غير مكتمل للتقييم. ويجب على المهندس مواءمة اتجاه العينة مع مسار الشق المتوقع ومع المتطلب الوارد في معيار التصميم أو المادة المعمول به.

وتضيف درجة الحرارة قيداً آخر. إذ تمر الفولاذات الفيريتية عادةً بانتقال من المطيلية إلى الهشاشة مع انخفاض درجة الحرارة. ولذلك يمكن لقيمة طولية عند درجة حرارة الغرفة أن تخفي نتيجة أقل بكثير عند درجة حرارة الخدمة، أو استجابة مختلفة من عينة عرضية عند درجة الحرارة نفسها. وينبغي قراءة الطاقة الممتصة ومظهر الكسر معاً: فالكسر القصي المطيل يمتص عموماً طاقة أكبر، في حين يمتص الكسر الذي يهيمن عليه الانشطار عادةً طاقة أقل. وتتضمن ASTM E23 تحديد مظهر الكسر القصي، بينما تحدد ISO 148-1:2016 اختبار البندول بشق على شكل V وشق على شكل U وفق طريقة شاربي للمواد المعدنية. أما القياسات الآلية فهي منفصلة؛ إذ تغطي ISO 14556:2023 اختبار شاربي الآلي ذي الشق على شكل V والمعدات المستخدمة لتسجيل معلومات إضافية عن القوة والإزاحة.

اختبار الصهيرة واختبار القطعة وتباين خواص المادة

اختبار الصهيرة واختبار القطعة استراتيجيتان لأخذ العينات، وليسا اسمين للاختبار نفسه. ويربط اختبار الصهيرة تواتر أخذ العينات بصهيرة الفولاذ، أي المادة الناتجة من مصهور كيميائي واحد خاضع للتحكم. أما اختبار القطعة فيسند أخذ العينات إلى قطع المنتجات أو الوحدات الفردية وفقاً للمتطلب الحاكم. ويميز ASTM A673/A673M بين هذين النهجين وبين تواترهما، ولذلك لا يجوز تفسير مواصفة تستند إلى أحدهما كما لو كانت تتطلب الآخر. ويجب استقاء التواتر الدقيق من الطبعة المعمول بها ومن أحكام المنتج؛ ولا ينبغي استنتاجه من ممارسة عامة لاختبار شاربي.

ويكتسب هذا التمييز أهمية عندما تُحوَّل الصهيرة إلى عدد كبير من الصفائح، أو عندما تختلف الصفائح اختلافاً كبيراً في السمك، أو عندما تتغير ظروف المعالجة أثناء الإنتاج. وقد توفر عينة على مستوى الصهيرة دليلاً على المادة التي تمثلها خطة أخذ العينات المحددة، لكنها لا تكشف كل خيط شوائب موضعي، أو نطاق انفصال، أو انفصال صفائحي، أو تغير في المعالجة. ويزيد اختبار القطعة من الصلة المباشرة بين النتيجة وقطعة منتج معينة، لكنه يظل يفحص المنطقة المأخوذة من العينة، لا الهيكل النهائي بأكمله.

وقد تؤدي المعالجة اللاحقة لإنتاج الصفيحة إلى مزيد من التباعد بين نتيجة معدن الأساس وسلوك المادة أثناء الخدمة. فاللحام يُدخل دورات حرارية تغير حجم الحبيبات، ونواتج التحول، والصلادة، والإجهاد المتبقي، والمتانة الموضعية في المنطقة المتأثرة بالحرارة. ويمكن للمعالجة الحرارية اللاحقة للحام أن تغير هذه السمات مرة أخرى. ولا تؤهل عينة من الصفيحة الأم مأخوذة وفق ASTM A673/A673M معدن اللحام أو المنطقة المتأثرة بالحرارة، ما لم تؤخذ عينات من تلك المناطق وتُختبر بصورة منفصلة وفق الإجراء المعمول به.

وأفاد NIST في عام 2011 بأن الأخاديد الجانبية في عينات شاربي تقلل تراكم التشوه اللدن عند طاقات الرف العلوي وتعزز الانقسام، مع بلوغ شدة الانقسام أقصاها قرب درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة. ويوضح ذلك سبب إمكان تغير تفسير قيمة الطاقة تبعاً لهندسة العينة ومظهر الكسر. وقد تدعم طاقة شاربي تقديرات محددة لمتانة الكسر الدنيا للفولاذات الفيريتية، لكن العلاقات المنفصلة تنطبق على سلوك الرف السفلي ومنطقة الانتقال والرف العلوي. وتظل النتيجة نتيجةً لطاقة صدم مقاسة في الاتجاه والحالة اللذين أُخذت منهما العينة، وليست وصفاً كاملاً لكل مسار شق، أو منطقة لحام، أو مكوّن.

مظهر الكسر، ومساحة القص، والانشطار، والأخاديد الجانبية

تحتوي عينة شاربي المكسورة على معلومات لا يمكن لقيمة الطاقة الممتصة وحدها إظهارها. فالطاقة هي الشغل الذي تبذله الرقّاصة لكسر العينة، بينما يسجل مظهر الكسر كيفية استهلاك ذلك الشغل. وقد تعكس القيمة المرتفعة تشوهًا لدنًا واسعًا، في حين قد تشير القيمة المنخفضة إلى انفلاق سريع؛ غير أن الطاقة الاسمية نفسها يمكن أن تنتج عن توليفات مختلفة من اللدونة، وامتداد الشق، والتقييد.

تكتسب هذه التفرقة أهمية خاصة في أنواع الفولاذ الفريتي، التي تنتقل عادةً من السلوك المطيل عند درجات الحرارة الأعلى إلى سلوك تهيمن عليه الكسور بالانفلاق مع انخفاض درجة الحرارة. ولذلك قد تخفي نتيجة عند درجة حرارة الغرفة انتقالًا يتغير فيه نمط الكسر تغيرًا حادًا ضمن مجال حراري صغير نسبيًا. ويتضمن ASTM E23 تحديد مظهر كسر القص في اختبارات شاربي وإيزود، بينما يحدد ISO 148-1:2016 اختبارات الصدم الرقّاصية بشقّي V وU وفق طريقة شاربي للمواد المعدنية. ولا يجعل أيٌّ من المعيارين مظهر الكسر بديلًا عن الطاقة أو المتانة أو التأهيل للخدمة.

قراءة السمات المطيلة وسمات الانفلاق

تتميز منطقة القص المطيل عادةً بمظهر ليفي أو باهت أو ممزق. ويتقدم الشق عبر تشوه لدن كبير، غالبًا بواسطة تنوي الفجوات المجهرية ونموها والتحامها. ويمكن أن تنتج هذه الآلية على سطح الكسر نسيجًا أكثر خشونة، وشُفاه قص مائلة بالقرب من الأسطح الحرة. وغالبًا ما يسجل الاختبار المرتبط بذلك طاقة ممتصة أكبر، لأن العينة تتشوه بدرجة ملحوظة قبل الانفصال الكامل.

يكون كسر الانفلاق عادةً أكثر لمعانًا وشبهًا بالمظهر البلوري، مع أوجه مسطحة نسبيًا وأنماط نهرية تشير إلى انتشار سريع للشق عبر مستويات بلورية مفضلة. وينطوي ذلك على قدر أقل بكثير من التشوه اللدن العياني مقارنةً بالتمزق المطيل. وغالبًا ما يصاحب السطح الذي يهيمن عليه الانفلاق نتيجة منخفضة لطاقة الصدم، لكن يجب تفسير المظهر المرئي مع مراعاة اتجاه العينة، ودرجة الفولاذ، ودرجة الحرارة، وحالة الشق، وطريقة الفحص. فسطح الكسر لا يمثل تشخيصًا ميتالوجرافيًا كاملًا.

وغالبًا ما يكون الانتقال مختلطًا وليس مفاجئًا. فقد تحتوي عينة واحدة على تمزق مطيل عند الأسطح الخارجية ومنطقة انفلاق أقرب إلى الشق، أو على منطقتين منفصلتين، مطيلة ومنفلقة، تفصل بينهما حدود مرئية. ويمكن أن يوضح الإبلاغ عن نسبة كسر القص، وغالبًا ما تكون نسبة مئوية من سطح الكسر، أن المادة تمر بانتقال من المطيلية إلى الهشاشة حتى عندما تتداخل قيم الطاقة. فعلى سبيل المثال، قد تمتص عينتان طاقة متشابهة، بينما يكون الكسر في إحداهما ليفيًا في معظمه وتحتوي الأخرى على منطقة انفلاق كبيرة؛ ولا تحمل النتيجتان التحذير نفسه بشأن انتشار الشق عند درجات الحرارة المنخفضة.

ويساعد مظهر الكسر أيضًا على كشف التشتت. إذ تتأثر طاقة شاربي بحدة الشق، والشوائب الموضعية، وبنية الحبيبات، واتجاه العينة، ودرجة حرارة الاختبار. وقد يخفي المتوسط المفرد عينة ذات منطقة انفلاق كبيرة بصورة غير معتادة. ويضيف فحص أوجه الكسر تحققًا ماديًا من توافق الطاقة المقاسة مع نمط الفشل المتوقع.

ولا ينبغي تصنيف هذه الأدلة خطأً على أنها متانة كسر تحت الانفعال المستوي. ويصف NIST اختبار شاربي بأنه اختبار بمعدل تحميل مرتفع يقيس الطاقة الممتصة أثناء الكسر، ويوفر قياسًا غير مباشر لمتانة الصدم. وقد تقدر علاقات الارتباط متانة الكسر عند الحد الأدنى للفولاذ الفريتي، إلا أن علاقات منفصلة تنطبق على سلوك الرف السفلي، ومنطقة الانتقال، والرف العلوي. فقيمة شاربي ليست قياسًا مباشرًا لـ $K_{\mathrm{IC}}$ أو $J_{\mathrm{IC}}$ أو لقياس إيقاف الشق.

مظهر كسر القص بوصفه نتيجة مُبلَّغًا عنها

يُبلَّغ عن مظهر كسر القص إلى جانب الطاقة الممتصة، ودرجة حرارة الاختبار، واتجاه العينة، وتفاصيل التعريف. وفي الأعمال المستندة إلى المعايير، تهم الطريقة المستخدمة لتحديد نسبة القص؛ فلا ينبغي خلط التقديرات المرئية، وإجراءات المقارنة، واصطلاحات القياس من دون بيان الأساس المستخدم. وينبغي أن يحدد التقرير ما إذا كانت العينة ذات تكوين قياسي بشق V أو بشق U، وما إذا كان قد أُجري أي تعديل، مثل إضافة أخاديد جانبية.

وتدعم زيادة نسبة القص مع ارتفاع درجة الحرارة عمومًا الانتقال من الانفلاق نحو الكسر المطيل. لكنها لا تثبت بمفردها درجة حرارة انتقال عامة. فقد يحدد المهندسون درجة حرارة الانتقال استنادًا إلى معيار للطاقة، أو معيار لمساحة القص، أو توليفة محددة منهما، وقد لا تتطابق درجات الحرارة الناتجة عن هذه المعايير. ولذلك يجب بيان المعيار المختار.

ويمكن أن يوفر الاختبار الآلي معلومات إضافية عن أحداث التحميل والكسر. ويغطي ISO 14556:2023 اختبار شاربي الآلي ذي الشق V والمعدات المستخدمة لقياس سلوك الصدم وتسجيله؛ أما الاختبار الآلي فهو خارج نطاق ISO 148-1:2016. ويمكن لهذه الطرق أن تساعد على التمييز بين سمات بدء الكسر وانتشاره، لكنها تظل تتطلب ضبط الهندسة، وحالة المادة، ودرجة الحرارة، والاتجاه.

ويؤثر أخذ العينات أيضًا في التفسير. إذ يحدد ASTM A673/A673M إجراءات أخذ العينات لاختبار شاربي الطولي ذي الشق V للفولاذ الإنشائي، ويميز بين تكرارات اختبار الصهر واختبار القطعة. ولذلك تصف صورة الكسر وقيمة الطاقة عينةً مختبرة بعينها؛ ولا تمثلان تلقائيًا كل لوح أو قطعة أو صهيرة.

نتائج NIST بشأن عينات شاربي ذات الأخاديد الجانبية

وجد تقييم NIST لعام 2011 لاختبارات صدم شاربي باستخدام الأخاديد الجانبية أن الأخاديد الجانبية تغير أكثر من مجرد محيط العينة. فعند طاقات الرف العلوي، تقلل هذه الأخاديد تراكم التشوه اللدن وتعزز الانشطار. وكانت شدة الانشطار المُبلَّغ عنها أكبر ما تكون بالقرب من درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة.

والانشطار هو سمة من سمات الانفصال أو التمزق الطولي يمكن أن تتطور أمام مسار الكسر الرئيسي أو بمحاذاته. إذ توجه الأخاديد الجانبية التشوه وتغير التقييد عبر عرض العينة، فتغير نمو الشق ومورفولوجيا الكسر الناتجة. وقد تجعل سطح الكسر يبدو أكثر تجزؤًا، كما يمكن أن تؤثر في الطاقة المقاسة وفي التقسيم بين مناطق الكسر المطيل ومناطق الانفلاق.

ولهذا السبب، لا ينبغي مقارنة عينات شاربي ذات الأخاديد الجانبية بالعينات التقليدية بصورة عفوية. فالهندسة المعدلة تغير التقييد، واللدونة، وامتداد الشق، وإمكانية حدوث الانشطار. وقد تكون نتيجة العينة ذات الأخاديد الجانبية مفيدة لغرض بحثي أو تأهيلي محدد، لكنها ليست ببساطة نسخة أكثر حدة من النتيجة القياسية. ويجب أن تتطابق الهندسة، وشكل الشق، وأبعاد الأخدود، والاتجاه، ودرجة الحرارة، وطريقة الإبلاغ مع المقارنة المقصودة.

كما تعزز نتائج NIST القيد الأساسي لطاقة الصدم: فالرقم وحده لا يحدد آلية الكسر. وينبغي قراءة الطاقة، ومساحة القص، وسمات الانفلاق، والانشطار معًا، مع إبقاء المعيار المنطبق وتصميم العينة واضحين.

اختبار شاربي الآلي وما يمكن أن تكشفه الإشارات الإضافية

يضيف اختبار شاربي الآلي قنوات قياس إلى اختبار الصدم البندولي العادي. فبدلاً من تسجيل الطاقة الابتدائية والنهائية للمطرقة فقط، تسجل الآلة القوة المؤثرة في العينة وتغيرها أثناء الحدث. ويمكن لهذا السجل الإضافي أن يبين متى تبدأ العينة في فقدان قدرتها على تحمل الحمل، ومقدار الشغل الذي يحدث قبل نمو الشق، وكيف يتطور الكسر بعد بدء تشكله. لكنه لا يحول عينة شاربي إلى عينة تقليدية لاختبار متانة الكسر.

تحدد المواصفة ISO 148-1:2016 اختبار الصدم البندولي بشق على شكل V وشق على شكل U لمواد معدنية، إلا أن الاختبار الآلي مستثنى من هذه الطريقة. أما المواصفة المنفصلة ISO 14556:2023 فتحدد اختبار الصدم البندولي الآلي بشق على شكل V وفق طريقة شاربي، وكذلك معدات القياس والتسجيل المستخدمة للحصول على معلومات إضافية عن سلوك الكسر في ظروف الصدم. وتغطي ASTM E23 اختبارات الصدم لعينة شاربي ذات العارضة البسيطة وعينة إيزود ذات العارضة الكابولية، بما في ذلك متطلبات العينات، والإجراءات، والتحقق من الآلة، وإعداد التقارير، وتحديد مظهر الكسر القصّي؛ غير أن النتيجة الآلية تظل معتمدة على معيار الاختبار المعمول به ومتطلبات إعداد التقارير.

معلومات القوة-الزمن والطاقة-الزمن

تُ報ّغ نتيجة شاربي التقليدية عادةً على شكل طاقة الصدم الممتصة، وغالباً ما تكون بوحدة الجول. ويصف NIST اختبار شاربي بأنه اختبار بمعدل تحميل مرتفع يقيس الطاقة الممتصة أثناء الكسر، ويوفر مقياساً غير مباشراً لمتانة الصدم. وتضيف الأجهزة منحنى للقوة-الزمن، وغالباً أيضاً منحنى للقوة-الإزاحة أو القوة-الطاقة، يمكن من خلاله حساب الشغل الكلي. وبعبارات مبسطة، تمثل المساحة الواقعة تحت منحنى القوة-الإزاحة الشغل الميكانيكي المنقول إلى العينة، في حين يبين منحنى الطاقة-الزمن مدى سرعة تراكم ذلك الشغل.

ويكتسب شكل المنحنى أهمية. فقد يعكس الارتفاع الأولي الحاد التحميل المرن والبلاستيكي للوصلة المتبقية عند الشق. وقد تمثل القوة العظمى النقطة التي تبلغ فيها العينة أعلى حمل، إلا أن القوة العظمى لا تتطابق تلقائياً مع بدء تشكل الشق الفعلي. وقد يشير الجزء الهابط إلى نمو الشق، أو الانهيار البلاستيكي، أو تغيرات تماس المهاجم، أو مزيج من هذه التأثيرات. ولذلك يجب تفسير الإشارة مع مراعاة هندسة العينة، وترتيب المهاجم، والبحر، وسرعة الصدم، ودرجة حرارة الاختبار.

ويبدأ المنحنى ذي الدلالة بجودة القياس. فجميع محولات القوة، وقياس الإزاحة أو السرعة، والتوقيت، وعرض نطاق المضخم، ومعدل اكتساب البيانات، والمعايرة، تؤثر في المنحنى المسجل. وقد تولد الاهتزازات الميكانيكية تذبذبات تشبه أحداث الكسر. ويمكن للترشيح إزالة الضوضاء، إلا أن الترشيح المفرط قد يزيح قمة أو يخفي حدث بدء قصير المدة. كما تؤثر مطاوعة الآلة وكتلة المهاجم في العلاقة بين الإشارة المسجلة والقوة التي تتحملها العينة فعلياً.

وينبغي أيضاً التحقق من الطاقة الآلية المتكاملة بمقارنتها بنتيجة الطاقة الممتصة التقليدية للآلة. فالتطابق ليس مضموناً؛ إذ يمكن أن يؤدي الاحتكاك، وفواقد البندول، وتأثيرات التثبيت، وأخطاء المعايرة، وطريقة إعادة بناء علاقة القوة-الإزاحة المختارة إلى إحداث فروق. ويظل التحقق الدوري من الآلة مهماً. وتوفر ISO 148-2 وASTM E23 مسارات للتحقق، بما في ذلك العينات المعتمدة ضمن برنامج التحقق من آلات شاربي الذي يصفه NIST.

سلوك بدء الكسر وانتشاره تحت الصدم

من الاستخدامات المهمة لسجل القوة فصل الحدث إلى مراحل. فقبل أن يتقدم الشق، قد تخضع الوصلة المتبقية عند الشق لتشوه مرن وبلاستيكي. وإذا بدأ الشق بعد ذلك، فقد يظهر في منحنى القوة-الزمن تغير في الميل، أو عظمى موضعية، أو هبوط مفاجئ، أو سمة أخرى تحددها الطريقة التحليلية. ويمكن تسمية الشغل حتى نقطة البدء المختارة بطاقة البدء، في حين يرتبط الشغل المتبقي بانتشار الشق اللاحق وتشوه العينة.

وتصف هذه المصطلحات تحليلاً، وليست حقيقة فيزيائية تلقائية. فقد يحدث بدء الشق قبل هبوط واضح في القوة، ولا سيما عندما يتطور التمزق المطيل المستقر تدريجياً. وعلى العكس، قد ينتج تغير حاد في الإشارة عن تأثير في الآلة أو التماس، لا عن تشكل شق جديد. وقد تكون هناك حاجة إلى التصوير عالي السرعة، أو فحص سطح الكسر بعد الاختبار، أو تحليل المطاوعة، أو استخدام حساسات إضافية، لتأكيد ما تمثله إحدى السمات.

وقد يكون هذا التمييز مفيداً بصفة خاصة عبر منطقة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة في الفولاذ الفيريتي. فعند درجات الحرارة المنخفضة، يمكن أن يؤدي الكسر الانشطاري إلى فقدان سريع للحمل وتشوه قليل نسبياً. وعند درجات الحرارة الأعلى، قد يستهلك التمزق المطيل والتشوه البلاستيكي طاقة أكبر على مدى جزء أطول من المنحنى. ويوفر مظهر الكسر وسيلة تحقق أساسية؛ فالمناطق القصّية والليفية تدعم عموماً تفسيراً مختلفاً عن المناطق التي يهيمن عليها الكسر الانشطاري، حتى عندما تكون للعَيّنتين طاقات كلية متشابهة.

ويظل اتجاه العينة وحالة المادة جزءاً من النتيجة. تحدد ASTM A673/A673M إجراءات أخذ العينات لاختبار شاربي الطولي ذي الشق على شكل V للفولاذ الإنشائي، وتميز بين تكرارات الاختبار المرتبطة بالصبّة وتلك المرتبطة بالقطعة. ولا يمكن لمنحنى قوة مفصل من موضع واحد لأخذ العينات أن يثبت السلوك في كل اتجاه، أو كل سماكة للوح، أو كل منطقة لحام، أو كل حالة معالجة حرارية.

وجد تقييم NIST لعام 2011 للعينات ذات الأخاديد الجانبية في اختبار شاربي أن الأخاديد الجانبية تقلل تراكم التشوه البلاستيكي عند طاقات الرف العلوي وتعزز الانشطار، وتكون شدة الانشطار أكبر قرب درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة. ويمكن لهذه التغييرات الهندسية أن تغير تاريخ القوة ومظهر الكسر. ولذلك لا ينبغي التعامل معها على أنها تعديل ثانوي عند مقارنة مجموعات البيانات.

حدود تحويل البيانات الآلية إلى متانة الكسر

يمكن لبيانات شاربي الآلية أن تدعم حسابات ميكانيكا الكسر، إلا أن التحويل يتطلب إجراءً تحليلياً محدداً، ومعايرة متحقَّقاً من صحتها، وافتراضات بشأن هندسة الشق، والتشوه، ومعدل التحميل، وسلوك المادة. ولا يوفر منحنى القوة-الزمن وحده معامل شدة إجهاد حرجاً صالحاً، $K_{\mathrm{Ic}}$، ولا قيمة $J_{\mathrm{Ic}}$ صالحة لمطاوعة الانفعال المستوي.

يستخدم اختبار متانة الكسر القياسي عينة ذات شق مسبق بالتعب، وأبعاد مضبوطة، وقياساً لحجم الشق، ومتطلبات للصلاحية، ومعايير لحالة الانفعال المستوي أو المتانة المرنة-البلاستيكية. أما شق شاربي المشغَّل على شكل V فله نصف قطر شق مختلف، وهندسة مختلفة للوصلة المتبقية، وترتيب تحميل مختلف، وغالباً مستوى مختلف من التقييد. كما يغير التحميل الديناميكي استجابة المادة بدرجة إضافية. وحتى إذا أتاح منحنى آلي تقدير طاقة البدء أو قوة مرتبطة بنمو الشق، فإن هذا التقدير لا يمكن استبداله تلقائياً بمتانة الكسر.

قد ترتبط طاقة شاربي بحد أدنى لمتانة الكسر في الفولاذ الفيري من خلال علاقات ارتباط محددة، إلا أن علاقات منفصلة تنطبق على سلوك الرف السفلي، ومنطقة الانتقال، والرف العلوي. ويجب أن ترافق الرقمَ درجةُ الحرارة، وهندسةُ الشق، واتجاهُ العينة، ومظهرُ الكسر، وحالةُ المادة. أما سلوك إيقاف الشق فهو مسألة مستقلة مرة أخرى؛ إذ يحدد اختبار التمزق بالوزن الساقط قدرة فولاذ خطوط الأنابيب على إيقاف الشق من خلال نسب القص المطيل والكسر الانشطاري عبر درجات حرارة الصدم، بدلاً من إحلال نتيجته محل بيانات شاربي أو بيانات متانة الكسر.

ولذلك يضيف الاختبار الآلي أدلة، لا عامل تحويل عالمياً. ويكون تفسيره الأقوى عندما تكون المعدات متحقَّقاً منها، والإشارات واضحة ومعايرة، والعينة ودرجة الحرارة موثقتين، ومعيار البدء أو الانتشار مذكوراً صراحةً.

من طاقة شاربي إلى متانة الكسر وإيقاف انتشار الشقوق

لا تُعدّ طاقة شاربي قيمةً لمتانة الكسر. فهي الطاقة الممتصة عند انكسار عينة معيارية ذات شقٍّ مُسنَّن تحت تأثير صدمة بندولية بمعدل تحميل مرتفع. ويصف NIST النتيجة بأنها مقياس غير مباشر لمتانة الصدم، وليس قياسًا مباشرًا لمعامل عند رأس الشق مثل $K_{\mathrm{IC}}$ أو $J_{\mathrm{IC}}$ أو إزاحة انفتاح رأس الشق. ويكتسب هذا التمييز أهمية لأن عارضة شاربي صغيرة ومكوّن إنشائي كبير يحتوي على شق يواجهان قيودًا مختلفة، وأحجام شقوق مختلفة، وحالات إجهاد مختلفة، وأبعادًا مختلفة للمنطقة اللدنة.

يغطي ASTM E23 اختبارات الصدم لكلٍّ من عارضة شاربي البسيطة وعاكسة إيزود الكابولية، بينما تحدد ISO 148-1:2016 اختبارات البندول من نوع شاربي ذات الشق على شكل V والشق على شكل U للمواد المعدنية. أما اختبار الصدم الآلي القياس فهو منفصل؛ إذ تتناول ISO 14556:2023 اختبارات شاربي الآلية ذات الشق على شكل V، وتسجل القوة والإزاحة والطاقة أثناء الكسر. كما يؤثر التحقق من الآلة في مدى موثوقية النتيجة. إذ يشترط كلٌّ من ASTM E23 وISO 148-2 إجراء تحقق دوري، بما في ذلك اختبارات باستخدام عينات مرجعية معتمدة، كما يدير NIST برنامج التحقق من آلات شاربي.

وعليه، فإن قيمة الجول المُبلَّغ عنها تصف عينةً وشقًّا واتجاهًا ودرجة حرارة ومعدل اختبار وحالة مادة محددة. ويضيف ASTM A673/A673M قيدًا آخر يتعلق بالفولاذ الإنشائي؛ فهو يحدد إجراءات أخذ العينات لاختبار شاربي الطولي ذي الشق على شكل V، ويميز بين ترددات اختبار الصهيرة واختبار القطعة. ويُعد أخذ العينات جزءًا من معنى النتيجة. فلا يمكن تلقائيًا اعتبار قيمة مأخوذة من عينة مختارة واحدة ممثلةً لكل صفيحة، أو لكل منطقة مجاورة للحام، أو لكل اتجاه درفلة، أو لكل درجة حرارة تشغيل.

الارتباطات الشرطية للفولاذ الفيريتي

بالنسبة إلى الفولاذ الفيريتي، يمكن لطاقة شاربي أن تدعم تقديرًا للحد الأدنى لمتانة الكسر عندما يكون الارتباط قد أُثبت لفئة الفولاذ ونظام الكسر ذوي الصلة. ويفيد ذلك لأن الفولاذ الفيريتي يُظهر عادةً انتقالًا من المطيلية إلى الهشاشة مع انخفاض درجة الحرارة. وقد يتضمن منحنى طاقة الصدم لديه منصة دنيا، ومنطقة انتقال، ومنصة عليا، كما تتغير العلاقة بين الطاقة الممتصة ومقاومة الكسر عبر هذه المناطق.

وتنطبق علاقات منفصلة على سلوك المنصة الدنيا ومنطقة الانتقال والمنصة العليا. فلا ينبغي تطبيق ارتباط اختير للمنصة العليا على نتيجة تخص المنصة الدنيا لمجرد أن كلتا القيمتين مُبلغ عنهما بوحدة الجول. وفي منطقة الانتقال، يمكن لتغيرات صغيرة في درجة الحرارة أن تُحدث تغيرات كبيرة في نمط الكسر والطاقة المقاسة؛ لذلك فإن درجة الحرارة التي قيسَت عندها قيمة شاربي أساسية. كما يوفر مظهر الكسر دليلًا ثانيًا؛ فالكسر الذي يهيمن عليه الانشطار يمتص عادةً طاقة أقل، في حين يؤدي التمزق اللدن عادةً إلى تشوه لدن أكبر وطاقة ممتصة أعلى.

وحتى داخل الفولاذ الفيريتي، يمكن لكلٍّ من التركيب الكيميائي، وحجم الحبيبات، ومستوى المقاومة، والمعالجة الحرارية، وسماكة الصفيحة، واتجاه الدرفلة، وحدّة الشق، والتشعيع أو التقادم الحراري أن يغير العلاقة. ولذلك فإن الارتباط نموذج مشروط، وليس تحويلًا عالميًا من الجول إلى متانة الكسر. وقد يوفر تقديرًا محافظًا للفحص الأولي لمجموعة مواد محددة، ومدى درجات حرارة محدد، واتجاه عينة محدد، وشرط صلاحية محدد. لكنه لا يحول نتيجة شاربي روتينية إلى قياس لمتانة الكسر تحت الانفعال المستوي.

ويمكن للعينة نفسها أن تؤثر أيضًا في التفسير. ففي دراسة أجراها NIST ونُشرت عام 2011، أظهرت عينات شاربي ذات الأخاديد الجانبية تراكمًا أقل للتشوه اللدن عند طاقات المنصة العليا، مع زيادة في الانقسام؛ وكانت شدة الانقسام أكبر ما تكون بالقرب من درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة. وتؤكد هذه النتيجة النقطة الأساسية: فحتى هندسة شاربي المعدلة يمكن أن تغير عملية الكسر، ولا يمكن التعامل معها على أنها قابلة للتبادل مع عينة عادية ذات شق على شكل V.

تقديرات الحد الأدنى وحدودها

يهدف تقدير الحد الأدنى إلى تجنب الادعاء بوجود مقاومة للكسر تتجاوز ما تدعمه الأدلة. وقد يكون مناسبًا للفحص الأولي، أو لتقييمات السلامة الإنشائية التي تُجرى وفق إجراءات محددة، أو للحالات التي تسمح فيها صراحةً قاعدة أو ممارسة تنظيمية بعلاقة قائمة على شاربي. ويجب أن يحتفظ التقدير بشروطه، وهي: عائلة المادة، ومدى مقاومة الخضوع، والاتجاه، ودرجة الحرارة، وتكوين الشق، ومدى الطاقة، ومعامل متانة الكسر الجاري تقديره.

ولا يمثل الحد الأدنى ضمانًا بأن مكوّنًا ما سيقاوم كل شق. فعينات شاربي صغيرة، وقد يحدث كسرها تحت قيد أقل من القيد الموجود في مكوّن سميك يحتوي على شق تعب حاد. ولذلك قد يواجه الشق الإنشائي مجال إجهاد مختلفًا عن مجال الإجهاد عند شق شاربي المشغَّل آليًا. ويمكن لكلٍّ من السماكة، والإجهاد المتبقي، وعيوب اللحام، ومعدل التحميل، وحجم الشق، وثنائية المحورية أن يقلل من أهمية ارتباط بسيط بالطاقة. كما أن قيمة مقاسة عند درجة حرارة الغرفة لا تقول الكثير عن السلوك عند درجة حرارة تشغيل أقل، ما لم يُحدَّد منحنى الانتقال.

وينبغي أن يرافق قيمة الطاقةَ كلٌّ من مظهر الكسر وبيانات درجة حرارة الانتقال متى كانت مخاطر الكسر الهش مهمة. فقد تخفي نتيجة واحدة عند المنصة العليا انتقالًا حادًا عند درجات الحرارة الأبرد؛ وقد تحدد نتيجة عند المنصة الدنيا حالةً يكون فيها الانشطار هو النمط المسيطر بالفعل. ويظل اختبار متانة الكسر المباشر ضروريًا عندما يعتمد التقييم على قيمة مؤهلة لـ $K$ أو $J$ أو إزاحة انفتاح رأس الشق، في ظل متطلبات محددة للقيد والصلاحية.

كيف يختلف اختبار التمزق بالوزن الساقط

يجيب اختبار التمزق بالوزن الساقط عن سؤال مختلف عن اختبار شاربي. وقد طُوِّر لدراسة سلوك إيقاف انتشار الشقوق في فولاذ خطوط الأنابيب، وليس لمجرد ترتيب العينات الصغيرة وفق الطاقة الممتصة في الصدم. إذ تُعرَّض شريحة ذات طول نسبيًا كبير وشقٍّ مُسنَّن لصدم مضبوط الظروف، ثم يُفحص سطح الكسر الناتج عبر نطاق من درجات الحرارة. ويركز التقييم على نسبتي الكسر بالقص اللدن والكسر بالانشطار، بما في ذلك ما إذا كان الكسر الجاري يظل متوقفًا مع تغير نمط الكسر.

يسأل اختبار شاربي عن مقدار الطاقة التي تمتصها عارضة معيارية ذات شق قبل الكسر، وقد يُبلغ عن الطاقة الممتصة، والتمدد الجانبي، ومظهر الكسر القصي. أما اختبار التمزق بالوزن الساقط فيسأل عن كيفية سلوك كسر ممتد في فولاذ خطوط الأنابيب، وكيف يتغير سطح الكسر بين التمزق اللدن والانشطار. وقد يكشف الاختباران معًا انتقالًا من المطيلية إلى الهشاشة، لكن هندستهما وأبعاد عيناتهما واستجاباتهما للتحميل ومخرجاتهما الهندسية مختلفة.

استخدم اختبار شاربي لتحديد سلوك طاقة الصدم والانتقال للمادة والاتجاه المحددين. ولا تستخدم ارتباط شاربي إلا لتقدير مُعلن للحد الأدنى من متانة الكسر. واستخدم اختبار التمزق بالوزن الساقط عندما يتعلق السؤال الهندسي بالكسر الممتد لمسافات طويلة وإيقاف انتشار الشقوق في فولاذ خطوط الأنابيب. ولا يمكن لأيٍّ من النتيجتين أن يجيب عن السؤال الآخر بمفرده.

المراجع

1. [1]International Organization for Standardization. ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. ISO standard, 2016. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/06/38/63802.html
2. [2]ASTM International. ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/a0673_a0673m-25.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Charpy Machine Verification Program. NIST program resource, 2024. https://www.nist.gov/programs-projects/charpy-machine-verification-program
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. ISO standard, 2023. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/08/21/82164.html
5. [5]ASTM International. ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/standards/e23
6. [6]TWI. What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-fracture-toughness-can-i-assume-for-a-ferritic-steel-if-i-know-that-it-meets-a-certain-charpy-energy-requirement
7. [7]National Institute of Standards and Technology. Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. NIST publication, 2011. https://www.nist.gov/publications/side-grooved-charpy-impact-testing-assessment-splitting-and-fracture-properties-high
8. [8]TWI. What is the drop-weight tear test?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-drop-weight-tear-test