, הנדסת חומרים

חוזק חומרים Strength of Materials), הוא ענף בהנדסה בכלל ובמכניקה שימושית בפרט העוסק בהתנהגות של גופים בהשפעת עומס חיצוני, בהתנגדות הפנימית של הגוף התלויה בחומר ובמעוות כתוצאה מהעומס.

ידיעת תכונות החומר והאנליזה של הכוחות הפועלים על הגוף הם הבסיס להנדסת בניין ולתכנון חלקי מכונות, שלא יהרסו, לא יתעוותו באופן שלא יוכלו לתפקד והמחיר יהיה כלכלי. לפעמים נדרש גם משקל מינימלי. חוזק החומרים משתמש מצד אחד בשיטות מתמטיות ובעקרונות המכניקה ומצד שני בנסיונות ובמבחנים מעשיים המגדירים את תכונות החומר והמגדירים קבועים נסיוניים שונים המופיעים בנוסחאות.

בדיקת קושי

שיטת רוקוול היא שיטה לבדיקות קשיות. זו השיטה המקובלת ביותר בתעשייה בגלל קלות ביצועה. השיטה מבוססת על חדירה של חודרן קשה בתוך החומר ומדידת עומק החדירה.

קיימות מספר סקאלות לבדיקות הנ"ל על בסיס קומבינציה "חודרן - עומס". יש שלושה סוגים של חודרנים:

כדור ממתק"ש
כדור מפלדה קשה (לא מומלץ)
קונוס יהלום עם זווית 120°

העומסים המקובלים: 60 ק"ג, 100 ק"ג ו- 150 ק"ג. ערך של קשיות רוקוול הוא הפרש בעומק החדירה בין העומס המקסימלי לחדירה בעומס פרלימינרי של 10 ק"ג.

הסקאלות העיקריות של קשיות רוקוול

סקאלה	חודרן	עומס, ק"ג
А	קונוס יהלום עם זווית 120°	60 ק"ג
В	כדור ממתק"ש או פלדה קשה עם קוטר 1/16 אינץ' (1.5875 מ"מ)	100 ק"ג
С	קונוס יהלום עם זווית 120°	150 ק"ג

נוסחאות לחישוב קשיות רוקוול

קשיות לפי סקאלה HRC מחשבים לפי נוסחה הבאה:

$HRC = 100 - \frac{H - h}{0,002}$

לסקאלה C מחולקת ל- 100. הפרש H - h הוא הפרש בעומק החדירה לאחר הורדת העומס העקרי לבין חדירה בעומס הפרלימינרי

קשיות לפי סקאלה HRB מחשבים לפי נוסחה הבאה:

$HRB = 130 - \frac{H - h}{0,002}$

סקאלה B מחולקת ל- 130 ויש לה אותו איפוס כמו לסקאלת C.

דרישות לביצוע בדיקת רוקוול

החדרן וסדן צריכים להיות נקיים ולשבת בצורה נכונה
פני השטח הנבדקים צריכים להיות חלקים, נקיים מתחמוצת. פני שטח מיוצר על ידי עיבוד שבבי גס מתאים לבדיקה
פני שטח הנבדקים צריכים להיות שטוחים הנוחים לחדרן
בדיקות על פני שטח גליליים נותנות תוצאות לא נכונות, תלויות בעקמומיות, עומס, חדרן וקשיות החומר
עובי הדגם צריך להיות מספיק כדאי לא ליצר בליטות על הצד ההפוך של הדגם. מומלץ שעובי הדגם יהיה לפחות פי-10 יותר מעומק החדירה
מרחק בין העקבות או בין העקבה לבין קצה הדגם צריך להיות לפחות פי-3 מקוטר העקבה
על המפעיל להסתכל באופן ישיר על שעון המכשיר כדי למנוע סטיות בקריאה

ביצוע בדיקות

סקאלה של מכשיר רוקוול

יש לבחור את הסקאלה המתאימה (A, B או C) לפי החומר הנבדק (לפי התקן)
יש להשתמש בחדרן ועומס נכונים
יש לבצע שתי עקבות פרלימינאריות (לא לקחת תוצאות אלה בחשבון) כדי לוודא ביצוע פעולה נכון ותושבת טובה של חדרן ושולחן המכשיר לאחר החלפה. יש לבצע את העקבות על פלטה פסולה
יש לשים מסטר (TEST BLOCK) על שולחן המכשיר
יש להשקיע העומס הפרלימינרי (10 ק"ג כוח) – החץ הקטן על השעון יש להתאים לנקודה. יש לאפס את הסקאלה (אותו אפס לכל הסקאלות).
יש להשקיע את העומס העיקרי ולחכות לקבלת העומס המאקסימלי (עצירת תנועה של חץ גדול)
לאחר הורדת עומס יש לקרוא את ערך הקושי על הסקאלה המתאימה
יש לבצע פעולות 4 – 7 על הדגם (חלק)

הערות

לפני בדיקת דגם (חלק) יש לבצע 3 בדיקות על המסטר. הפרש בין הערך הנומינלי של קושי המסטר לקושי הנמדד צריך להיות פחות מ- ± 1
על כל דגם יש לבצע לפחות 3 בדיקות
יש לא לקחת בחשבון את הבדיקה הראשונה על כל דגם

שיטת ברינל (Brinell Scale) היא שיטה לבדיקת קשיות מתכות. השיטה בודקת את התנגדות המתכת לחדירת חומר זר (חודרן) לתוכה. באמצעות בדיקה זו ניתן לקבוע תכונות טכנולוגיות ומכניות של החומר.

שיטת ברינל קרויה על שם ממציאה, המהנדס השבדי יוהן אוגוסט ברינל (Johan August Brinell). היא הומצאה בשנת 1900 והייתה השיטה הראשונה לבדיקת קשיות החומר.
בשיטת ברינל, בדומה לשיטת ויקרס, המדידה מתבצעת עבור העקבה שמשאיר החודרן במשטח הנבדק, ועל פי קוטרה ניתן לקבוע את קשיות החומר ביחידות BHN ‏(Brinell Hardness Number, מסומן גם כ-HB).

החודרן הסטנדרטי בשיטה זו הוא כדור פלדה בקוטר של 10 מ"מ הפועל בכח של 3000 קג"כ למשך 30 שניות. עומס הפעולה של החודרן משתנה לפי קשיות החומר; עבור חומרים רכים העומס המופעל נמוך, ועבור חומרים קשים משתמשים בחודרן העשוי מקרביד הטונגסטן במקום חודרן הפלדה.

שיטה זו מאפשרת לחשב את מאמץ המתיחה המקסימלי, והיא מהירה, זולה ופשוטה יחסית לשיטות אחרות.
חסרונה העיקרי הוא שמדידת קוטר העקבה נעשית על ידי הבודק - משמע אינה מדויקת.

הנוסחה המשמשת לחישוב קשיות לפי מספר ברינל היא:

The Vickers hardness test was developed in 1924 by Smith and Sandland at Vickers Ltd as an alternative to the Brinell method to measure the hardness of materials.^[1] The Vickers test is often easier to use than other hardness tests since the required calculations are independent of the size of the indenter, and the indenter can be used for all materials irrespective of hardness. The basic principle, as with all common measures of hardness, is to observe the questioned material's ability to resist plastic deformation from a standard source. The Vickers test can be used for all metals and has one of the widest scales among hardness tests. The unit of hardness given by the test is known as the Vickers Pyramid Number (HV). The hardness number can be converted into units of Pa, but should not be confused with a pressure, which also has units of Pa. The hardness number is determined by the load over the surface area of the indentation and not the area normal to the force, and is therefore not a pressure.

The hardness number is not really a true property of the material and is an empirical value that should be seen in conjunction with the experimental methods and hardness scale used. When doing the hardness tests the distance between indentations must be more than 2.5 indentation diameters apart to avoid interaction between the work-hardened regions.

where c is a constant determined by geometrical factors usually ranging between 2 and 4.

It was decided that the indenter shape should be capable of producing geometrically similar impressions, irrespective of size, the impression should have well defined points of measurement and the indenter should have high resistance to self deformation. A diamond in the form of a square based pyramid satisfied these conditions. It had been established that the ideal size of a Brinell impression was 3/8 of the ball diameter. As two tangents to the circle at the ends of a chord 3d/8 long, intersect at 136° It was decided to use this as the included angle of the indenter. The angle was varied experimentally and it was found that the hardness value obtained on a homogeneous piece of material remained constant, irrespective of load.^[2] Accordingly, loads of various magnitudes are applied to a flat surface, depending on the hardness of the material to be measured. The Vickers Pyramid Number (HV) is then determined by the ratio F/A where F is the force applied to the diamond and A is the surface area of the resulting indentation. A can be determined by the formula

The corresponding units of HV are then kilogram-force per square millimetre (kgf/mm²). To convert a Vickers hardness number in SI units (MPa or GPa) one needs to convert the force applied from kgf to newtons and the area from mm² to m² to give results in pascals (1 kgf/mm² = 9.80665×10⁶ Pa).