اختبار التعرية بالتجويف

تحدث التعرية بالتجويف على أسطح المواد التي تتعرض لتجويف شديد بالموجات فوق الصوتية. ويُعد اختبار التعرية بالتجويف طريقة سريعة لقياس مقاومة المواد أو الطلاءات للتعرية الناتجة عن الإجهاد الشديد وعوامل التعرية الأخرى. ويوفر قياسًا كميًا سهلًا لمراقبة الجودة، كما يفيد أثناء أبحاث المواد أو تطوير تركيبات الطلاء.

لماذا يُستخدم اختبار التعرية بالتجويف؟

قد تستلزم التعرية أو التآكل المستمران استبدال الأجزاء بانتظام أو تجديد الطلاءات السطحية. وتعرية أسطح المواد بفعل التأثيرات الميكانيكية أو الكيميائية عملية بطيئة تؤدي إلى تلف هذه الأسطح تدريجيًا. ولذلك، قد يستغرق تقييم مقاومة المواد للتعرية أو تأثير السوائل والمعلقات في التعرية وقتًا طويلًا جدًا.
يُعرّض اختبار التعرية بالتجويف بالموجات فوق الصوتية سطح المادة لدورات إجهاد شديدة ومتكررة وخاضعة للتحكم. وينتج عن ذلك تعرية ملحوظة لسطح المادة خلال وقت قصير. ويمكنك قياس مقاومة التعرية بسرعة لإجراء مراقبة دورية للجودة في الإنتاج، أو لتقييم المواد الواردة، أو أثناء البحث والتطوير.
تشمل التطبيقات المعتادة اختبارات المواد المعدنية، واختبارات تركيبات الطلاء، واختبارات تطبيق الطلاء، أو تقييم مثبطات التعرية في السوائل.

لماذا يسبب التجويف تعرية الأسطح؟

تُقرن أجهزة الموجات فوق الصوتية، مثل UP400St ‏(400 وات، 24kHz) أو UIP1000hdT ‏(1000 وات، 20kHz)، الاهتزازات فوق الصوتية بالسوائل، مثل الماء. وتؤدي الحركة الترددية السريعة للاهتزاز في السائل إلى تكوّن فقاعات التجويف وانهيارها. وعندما تنهار الفقاعات، ينشأ إجهاد ميكانيكي موضعي مرتفع في السائل وعلى أسطح المواد المعرضة له. وتؤدي نفاثات السائل التي تصل سرعتها إلى 1000km/h والضغوط الموضعية التي تصل إلى 1000atm إلى حدوث كلال سريع على سطح المادة. ويمكن أن يزيل ذلك طبقات الأكسيد أو التخميل أو الطلاءات أو الترسبات. وقد يسبب تنقر المواد الصلبة، مثل الفولاذ أو التيتانيوم أو الألومنيوم أو البلاستيك أو الزجاج. ولذلك، يُعد اختبار التعرية بالتجويف طريقة اختبار إتلافية.

كيف يعمل اختبار التعرية بالتجويف؟

تسبب تعرية أسطح المواد بالتجويف فقدانًا تدريجيًا للمادة. ويمكنك قياس هذا الفقد بسهولة بوزن المادة على ميزان دقيق قبل تعريضها للتعرية بالتجويف وفق شروط محددة وبعده. ويتراوح التغير المعتاد في الوزن في اختبار التعرية بالتجويف بين 1 و30mg. ولتحقيق مزيد من التوحيد القياسي، يمكنك حساب فقدان الحجم بقسمة فقدان الوزن على كثافة المادة. ويُحسب متوسط عمق الاختراق (MDP) بقسمة فقدان الحجم على مساحة سطح العينة. ويمكنك، بدلًا من ذلك، قياس عمق التنقر أو الحجم المزاح. كما يمكنك استخدام التحليل المجهري للحصول على معلومات نوعية إضافية عن نمط التعرية.
عند استخدام جهاز موجات فوق صوتية من Hielscher لاختبار التعرية بالتجويف، يمكنك ضبط نطاق درجة الحرارة ونطاق الضغط اللذين تريد العمل ضمنهما مسبقًا. ويمكنك ضبط سعة المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتُراقَب جميع المعلمات وتُعرض وتُسجَّل على بطاقة SD. ولا تحتاج إلى تثبيت أي برنامج خاص. ويمكنك، إن رغبت، التحكم في عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية ومراقبتها من متصفح الويب المعتاد لديك، إذا وصلت جهاز الموجات فوق الصوتية بحاسوبك عبر كابل Ethernet المرفق.

ما الطريقة القياسية ASTM G32 للتعرية بالتجويف باستخدام جهاز اهتزازي؟

يصف المعيار ASTM G32-16 طريقة موحدة للتعرية بالتجويف. وهو يحدد اختبارًا بسيطًا وقابلًا للتحكم وقابلًا للتكرار لقياس مقاومة المواد المختلفة للتعرية بالتجويف كميًا ومقارنتها. وتفيد مواصفات ATSM G32-16 في مقارنة نتائجك بنتائج المنشورات الأخرى. وإذا كنت ترغب في تطبيق اختبار التعرية بالتجويف في مراقبة الجودة، فإننا نوصي بتكييف بروتوكول الاختبار وفق متطلباتك المحددة. ويسعدنا مساعدتك في تصميم بروتوكول مخصص لاختبار التعرية بالتجويف. لمزيد من المعلومات عن اختبار التعرية بالتجويف وفقًا للمعيار ASTM-G32، يُرجى النقر هنا!

لماذا ينبغي أن أستخدم حدًا للطاقة بدلًا من حد زمني؟

تحدد العديد من المنشورات وبروتوكولات اختبار التعرية مدة للتعرض للتجويف. وفي أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher، يمكنك ضبط مدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية مسبقًا، وسيتوقف النظام بعد انقضاء هذه المدة. ويمكنك بعد ذلك حساب معدل التعرية بالتجويف الناتج بوحدة mm/hr أو mm3/hr. ولا يكون الحد الزمني مقبولًا إلا إذا لم تغيّر أيًا من المعلمات، مثل مستوى السائل أو السعة أو الضغط أو درجة الحرارة أو تركيب السائل أو الفجوة بين السونوترود وسطح المادة. وإذا تغيرت أي من هذه المعلمات، فستتغير أيضًا قدرة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وشدة التجويف. ومن الضروري ألا تتذبذب القدرة الصافية الفعلية المنقولة إلى السائل طوال مدة الاختبار.
يمكنك ضبط حد للطاقة في أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher. وفي هذه الحالة، يتوقف جهاز الموجات فوق الصوتية بعد نقل كمية الطاقة فوق الصوتية المحددة. وسيعرض جهاز Hielscher معلمات مثل القدرة الصافية الفعلية والسعة والضغط ودرجة حرارة السائل ويسجلها. وعند استخدام حد للطاقة، تُعوَّض تقلبات القدرة أو التغييرات المتعمدة في المعلمات. ويمكنك بعد ذلك تحديد معدل التعرية بالتجويف الناتج بوحدة mm/kWhr أو mm3/kWhr أو mg/kWhr.
إذا وزنت العينة بين فترات التعرية بالتجويف، فيمكنك إنشاء منحنى يوضح فقدان الوزن الهامشي (معدل فقدان الوزن في كل فترة طاقة) بدلالة الطاقة التراكمية.
للحصول على نتائج أكثر دقة، يمكن للجهاز إجراء معايرة آلية (30 ثانية). وتقيس هذه المعايرة القدرة لجميع إعدادات السعة في الهواء عند الضغط المحيط. ويستخدم جهاز Hielscher بيانات المعايرة هذه لتقديم قيم دقيقة جدًا للقدرة الصافية في الوقت الفعلي.

ضغط السائل أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية

تستخدم العديد من البروتوكولات القياسية لاختبار التعرية بالتجويف التجويف بالموجات فوق الصوتية عند الضغط المحيط. ويُعد ضغط السائل ثاني أهم عامل لشدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتؤدي زيادة الضغط المحيط بنسبة 10% إلى زيادة شدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بنحو 10%. ويقلل التجويف الأشد الوقت اللازم للوصول إلى درجة معينة من التعرية بالتجويف. وغالبًا ما يستغرق اختبار عينة واحدة ما بين 15 و120 دقيقة. وإذا كانت لديك عينات كثيرة لاختبارها، فقد يقلل العمل عند ضغوط أعلى مدة كل اختبار بدرجة كبيرة. وتتطلب الاختبارات عند 5 barg ‏(73psig) وقتًا أقل بنحو 80% لكل اختبار.
توفر Hielscher خلايا اختبار محكمة الضغط مزودة بمستشعر ضغط رقمي لاختبار التعرية بالتجويف. وباستخدام خلية محكمة الضغط، يمكنك التحكم في الضغط والحفاظ عليه خلال كل اختبار. ويراقب مولد الموجات فوق الصوتية مستشعر الضغط باستمرار، ويسجل الضغط الفعلي في ملف CSV متوافق مع Excel على بطاقة SD مرفقة. وتوفر Hielscher منظمات ضغط لضبط ضغط التشغيل والحفاظ عليه.
تُصنَّف خلايا الاختبار محكمة الضغط من Hielscher لاختبار التعرية بالتجويف، في تجهيزها القياسي، للعمل عند ضغوط تصل إلى 5barg ‏(73psig). وتتوفر ضغوط أعلى تصل إلى 300barg ‏(4350psig) عند الطلب.

تردد الموجات فوق الصوتية

يستخدم اختبار التعرية بالتجويف عمومًا موجات فوق صوتية منخفضة التردد وعالية الشدة ضمن النطاق 18–30kHz. وضمن هذا النطاق، يكون لتغير التردد تأثير محدود جدًا في شدة التجويف. وتعمل جميع أجهزة Hielscher بتردد ثابت.

المسافة من السونوترود

يمكن تثبيت المادة المراد اختبارها على السونوترود أو أسفله. ويمكنك تصنيع عينة من المادة مزودة بسن لولبي وتثبيتها على طرف سونوترود الموجات فوق الصوتية. وفي هذه الحالة، تهتز العينة بسعة الموجات فوق الصوتية المحددة وتولّد تجويفًا على سطحها. ويتطلب ذلك تشغيلًا ميكانيكيًا دقيقًا، وليست جميع المواد مناسبة لهذا الخيار.
ويمكنك، بدلًا من ذلك، تثبيت جزء أو عينة على مسافة قريبة أسفل سونوترود من التيتانيوم. وفي هذه الحالة، يولّد سونوترود التيتانيوم التجويف، ويتعرض سطح المادة له. وهذا الخيار أكثر ملاءمة، إذ يمكنك وضع عينات بأحجام أو أشكال مختلفة في خلية الاختبار. وإذا استخدمت سونوترود أكبر، مثل سونوترود بقطر 50mm أو 80mm، فيمكنك تعريض أجزاء متعددة للتعرية بالتجويف في الوقت نفسه. ويكون ذلك مفيدًا جدًا عندما تحتاج إلى اختبار أجزاء كثيرة يوميًا، مثلًا لمراقبة الجودة.
في كلتا الحالتين، تكون المسافة بين سونوترود الموجات فوق الصوتية وسطح المادة المجاور له مهمة جدًا. وعمومًا، تكون التعرية بالتجويف أسرع عند استخدام مسافة أصغر. وتتراوح المسافات المعتادة بين 0.2 و15mm. وللحصول على نتائج حاسمة، ينبغي استخدام المسافة نفسها في جميع الاختبارات.

درجة حرارة السائل

تؤدي السوائل الأكثر دفئًا إلى انخفاض شدة التجويف بالموجات فوق الصوتية. ويؤدي إدخال طاقة الاهتزاز الميكانيكي إلى السائل إلى ارتفاع درجة حرارته. وللحفاظ على درجة حرارة ثابتة خلال كل اختبار تعرية بالتجويف، يجب تبريد السائل. وتوفر Hielscher أوعية ذات أغلفة تبريد وخلايا محكمة الضغط ذات أغلفة تبريد. ويمكنك، بدلًا من ذلك، استخدام ملف تبريد في كأس مخبري أو وضع الكأس في حمام ثلجي. ويزيل سائل التبريد الذي يمر عبر الغلاف أو ملف التبريد الحرارة من السائل.
تأتي أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher، مثل UP400St أو UIP1000hdT، مع مسبار درجة حرارة PT100 مرفق. ويراقب مولد الموجات فوق الصوتية درجة حرارة السائل الفعلية باستمرار، ويسجلها في ملف CSV متوافق مع Excel على بطاقة SD مرفقة. ويمكنك ضبط المولد لإيقاف اختبار التعرية بالتجويف مؤقتًا إذا انحرفت درجة حرارة السائل كثيرًا عن القيمة التي حددتها، مثلًا بسبب عدم كفاية قدرة التبريد. ويمكن للمولد استئناف المعالجة بالموجات فوق الصوتية تلقائيًا عندما يعود السائل إلى درجة الحرارة المحددة.

السائل الذي يحدث فيه التجويف

يستخدم اختبار التعرية بالتجويف عمومًا الماء، مثل الماء المقطر. وتُظهر السوائل المختلفة خصائص تجويف مختلفة. وإذا كان الماء يسبب تآكل مادتك، فقد ترغب في اختبار سوائل بديلة، مثل زيوت السيليكون منخفضة اللزوجة أو المذيبات العضوية، لإزالة عامل التآكل أو تقليله. ويمكنك، بدلًا من ذلك، جعل السائل أكثر إحداثًا للتآكل، مثلًا بتغيير pH، أو أكثر إحداثًا للسحج بإضافة جسيمات كاشطة. ويمكنك استخدام اختبار التعرية بالتجويف لتقييم قدرة السوائل، مثل سوائل طين الحفر، على إحداث التعرية والتآكل، أو لتقييم فعالية مثبطات التآكل أو التعرية.

التشغيل الميكانيكي

عند تصنيع جزء أو عينة، يؤدي التشغيل الميكانيكي باستخدام CNC أو التجليخ أو التلميع إلى إتلاف البنية الحبيبية بالقرب من سطح المادة. ويقلل ذلك مقاومة التعرية.

طبقات التخميل/الأكسيد

غالبًا ما تحدث التعرية والتآكل في الوقت نفسه. وقد يسبب الماء، مثل الماء المقطر أو منزوع المعادن أو منزوع الأيونات، تآكل العديد من المواد. ويعزز التجويف بالموجات فوق الصوتية التآكل. وتزيد طبقات التخميل، مثل تلك الموجودة على الألومنيوم المؤكسد أنوديًا، مقاومة سطح المادة للتعرية والتآكل.

ما قيود اختبار التعرية بالتجويف؟

قد تتطلب بعض اللدائن المرنة تعرضًا لتجويف شديد جدًا لكي تظهر عليها أي تعرية بالتجويف أصلًا. وفي هذه الحالة، قد لا تُظهر المعالجة بالموجات فوق الصوتية دون خلية مضغوطة أي تأثير قابل للقياس.