سختی Hardness

سختی (Hardness) خاصیتی از مواد است که به توانایی آن‌ها در مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک، خراش، فرورفتگی، یا ساییدگی اشاره دارد. سختی یک خاصیت از خواص مکانیکی است که بسته به روش آزمایش می‌تواند شامل جنبه‌های مختلفی از رفتار ماده باشد. در ادامه مفاهیم و اصول پایه‌ای مربوط به سختی را توضیح می‌دهیم:

1. تعریف سختی

سختی به عنوان مقاومت ماده در برابر:

• خراشیدن (Scratch)
• نفوذ کردن (Indentation)
• تغییر شکل پلاستیک (Plastic Deformation)

توصیف می‌شود. این خاصیت معمولاً به شکل عددی بیان می‌شود که از تست های استاندارد به‌دست می‌آید.

اصول پایه ای سختی

ارتباط با خواص مکانیکی

ارتباط با استحکام کششی و تسلیم: سختی اغلب با استحکام کشش (Tensile Strength) و استحکام تسلیم (Yield Strength) رابطه‌ای مستقیم دارد. چقرمگی توانایی ماده در جذب انرژی قبل از شکست است، در حالی که سختی به مقاومت سطح در برابر تغییر شکل مرتبط است. رابطه تقریبی زیر معمولاً برای مواد فلزی به کار می‌رود: $$H\;\approx\;3\;\times\;\sigma_y$$

که در آن:

• H: سختی ماده
• σ_y​: استحکام تسلیم ماده

به‌طور کلی، مواد سخت‌تر معمولاً مقاومت کششی بالاتری دارند، اما این الزاماً به معنای داشتن چقرمگی بیشتر نیست.

ارتباط با چقرمگی و الاستیسیته: چقرمگی (Toughness) و الاستیسیته (Elasticity) نقش مهمی در تعریف سختی ایفا می‌کنند. ماده‌ای با سختی بالا ممکن است شکننده باشد (مانند شیشه)، در حالی که موادی با چقرمگی و الاستیسیته بالا (مانند لاستیک) ممکن است سختی کمتری داشته باشند.

ساختار بلوری، عیوب شبکه‌ای، و تأثیر ناخالصی‌ها

• ساختار بلوری و عیوب شبکه‌ای: سختی مواد، به‌ویژه فولادها، به ساختار بلوری (مانند BCC یا FCC) و عیوب شبکه‌ای (مانند نابجایی‌ها، مرزدانه‌ها و ترک‌های کوچک) بستگی دارد.
  • در فولادهای پرکربن، نفوذ کربن در ساختار بلوری باعث افزایش مقاومت به لغزش نابجایی‌ها و در نتیجه افزایش سختی می‌شود.
• تأثیر عناصر آلیاژی:
  • کربن: افزایش کربن در فولاد سختی آن را افزایش می‌دهد، زیرا تشکیل کاربیدهای آهن (Fe3C) حرکت نابجایی‌ها را محدود می‌کند.
  • عناصر دیگر (مانند کروم، مولیبدن و وانادیوم): این عناصر با تشکیل کاربیدهای سخت و تغییر ساختار میکروسکوپی، سختی فولاد را افزایش می‌دهند.
• اندازه دانه: طبق قانون هال-پچ، کاهش اندازه دانه‌ها سختی را افزایش می‌دهد، زیرا مرزدانه‌ها به‌عنوان موانع حرکت نابجایی‌ها عمل می‌کنند.
• مارتنزیت: مارتنزیت ساختاری بسیار سخت با فاز BCT (Body-Centered Tetragonal) است که در فولاد پس از عملیات حرارتی سریع (کوئنچ) تشکیل می‌شود. این ساختار مقاومت بسیار بالایی در برابر تغییر شکل پلاستیک دارد.

رفتار اتمی و تأثیر ناخالصی‌ها

• ساختار بلوری و حرکت نابجایی‌ها: حرکت نابجایی‌ها در ساختار بلوری ماده یکی از عوامل کلیدی در تعیین سختی است. به‌عنوان مثال:
  • فلزات FCC مانند آلومینیوم به دلیل حرکت آسان نابجایی‌ها سختی کمتری دارند.
  • فلزات BCC مانند تنگستن سخت‌تر هستند، زیرا حرکت نابجایی‌ها در آن‌ها دشوارتر است.
• اثر ناخالصی‌ها و آلیاژسازی: افزودن ناخالصی‌ها و تغییر ترکیب آلیاژ می‌تواند سختی مواد را افزایش دهد. فرآیندهایی مانند سخت کاری (Work Hardening) و ریزدانه کردن نیز نقش مهمی در این افزایش ایفا می‌کنند.

اثر مقیاس و اندازه

• سختی مواد ممکن است با تغییر اندازه نمونه یا روش آزمایش تغییر کند. برای مثال، در مقیاس میکروسکوپی از روش‌هایی مانند نانو-سختی‌سنجی (Nanoindentation) استفاده می‌شود که اطلاعات دقیقی از سختی مواد در ابعاد کوچک ارائه می‌دهد.
• این روش برای مطالعه موادی با کاربردهای نانوفناوری و پوشش‌های سطحی بسیار مفید است.

اثر دما

• دما تأثیر قابل‌توجهی بر سختی مواد دارد. معمولاً با افزایش دما، سختی کاهش می‌یابد زیرا مواد در دمای بالا نرم‌تر می‌شوند. این پدیده به دلیل افزایش تحرک نابجایی‌ها در ساختار ماده رخ می‌دهد.
  • مثال: فلزات در دماهای بالا مقاومت کمتری در برابر تغییر شکل نشان می‌دهند، در حالی که سرامیک‌ها یا شیشه‌ها ممکن است در دماهای پایین‌تر شکننده‌تر باشند.

نتیجه‌گیری اصول پایه ای

سختی یک ماده به عوامل متعددی مانند ساختار بلوری، عیوب شبکه‌ای، ترکیب شیمیایی، اندازه دانه‌ها، دما، اندازه نمونه، و نحوه آزمایش بستگی دارد. در فولادها، تأثیر ساختارهای میکروسکوپی مانند مارتنزیت و ترکیب آلیاژی (مانند حضور کربن و عناصر آلیاژی دیگر) به‌ویژه برجسته است. اگرچه سختی با خواص مکانیکی دیگر مانند استحکام کششی و تسلیم ارتباط نزدیکی دارد، برای درک کامل رفتار مکانیکی مواد باید عواملی مانند چقرمگی، الاستیسیته، و تغییر شکل پلاستیک نیز مورد توجه قرار گیرد.

تست سختی

تست سختی مواد یکی از جنبه‌های اساسی تعیین خواص مکانیکی مواد است. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری و سنجش وجود دارد که هر کدام برای کاربردها و شرایط خاصی مناسب هستند. در زیر روش‌های متداول تست سختی به همراه توضیحات و فرمول‌ها آورده شده است:

1. تست سختی برینل (Brinell Hardness Test – BH)

در تست سختی برینل از یک توپ فلزی یا کاربیدی (به‌طور معمول فولادی یا تنگستنی) استفاده می‌کند که تحت نیروی مشخصی روی سطح ماده قرار داده می‌شود.

کاربرد: مواد نرم و فولادهای کم‌کربن.

فرمول محاسبه سختی برینل (BHN) در آزمایش سختی برینل به صورت زیر است:

$$BHN=\frac{2F}{\pi D\;\left(D-\sqrt{D^2-d^2}\right)}$$

که در آن:

• BHN = عدد سختی برینل
• F = نیروی اعمال شده (بر حسب کیلوگرم-نیرو یا kgf)
• D = قطر گوی سختی‌سنج (بر حسب میلی‌متر)
• d = قطر فرورفتگی ایجاد شده روی نمونه (بر حسب میلی‌متر)

مراحل اصلی آزمون:

1. نیروی مشخص F با استفاده از یک گوی فولادی یا کاربید تنگستن با قطر D به ماده اعمال می‌شود.
2. قطر فرورفتگی d ایجاد شده روی سطح ماده اندازه‌گیری می‌شود.
3. با استفاده از فرمول فوق، مقدار سختی برینل (BHN) محاسبه می‌شود.

2. تست سختی ویکرز (Vickers Hardness Test – HV)

در تست سختی ویکرز از یک هرم الماسی با زاویه نوک 136 درجه استفاده می‌کند.

فرمول محاسبه سختی ویکرز (HV) در آزمایش سختی ویکرز به صورت زیر است:

$$HV\;=\;\frac{1.8544\;\times\;F}{d^2}$$

که در آن:

• HV = عدد سختی ویکرز
• F = نیروی اعمال شده (بر حسب کیلوگرم-نیرو یا kgfkgfkgf)
• d = میانگین طول قطرهای فرورفتگی ایجاد شده (بر حسب میلی‌متر)

ثابت 1.8544 از هندسه هرم الماسی شکل سختی‌سنج مشتق شده است.

مراحل اصلی آزمایش:

1. یک سختی‌سنج هرمی‌شکل از جنس الماس با نیروی مشخص F به سطح ماده فشار داده می‌شود.
2. طول دو قطر فرورفتگی مربع‌شکل ایجاد شده اندازه‌گیری و میانگین آنها محاسبه می‌شود (d).
3. با استفاده از فرمول بالا، عدد سختی ویکرز (HV) محاسبه می‌شود.

3. تست سختی راکول (Rockwell Hardness Test – HR)

تست سختی راکول از یک فرورونده (توپ فولادی یا مخروط الماسی) استفاده می‌کند و نیروی اعمال شده را به‌صورت مرحله‌ای افزایش می‌دهد. رایج‌ترین روش در صنعت؛ سختی بر اساس میزان نفوذ یک فرورونده مشخص اندازه‌گیری می‌شود.

روش انجام:

1. اعمال یک نیروی اولیه (پیش‌بار F₀​) برای حذف اثرات سطحی.
2. اعمال نیروی کل (F) و اندازه‌گیری عمق فرورفتگی (h).

فرمول: برای مقیاس‌های مختلف، روابط متفاوت است. برای مثال:

• مقیاس HRB (توپ فولادی): $$HRB=\frac h{0.002}-130$$
• مقیاس HRC (مخروط الماسی): $$HRB=\frac h{0.002}-100$$

که، h: عمق فرورفتگی (بر حسب میلی‌متر) است.

4. تست سختی کنوپ (Knoop Hardness Test – HK)

تست سختی کنوپ برای مواد کوچک یا لایه‌های نازک استفاده می‌شود و از یک فرورونده هرم الماسی نامتقارن استفاده می‌کند.

• روش انجام:
  1. اعمال نیروی ثابت F.
  2. اندازه‌گیری طول قطر بزرگ فرورفتگی (d).

فرمول محاسبه

$$HK=\frac{14.229F}{d^2}$$

که:

• F: نیروی اعمال شده (بر حسب نیوتن).
• d: طول بزرگ‌ترین قطر فرورفتگی (بر حسب میلی‌متر).

5. تست سختی موس (Mohs Hardness Test)

تست سختی موس روشی کیفی است و مواد را بر اساس توانایی‌شان در خراشیدن یا خراشیده‌شدن توسط مواد دیگر رتبه‌بندی می‌کند.

• روش انجام: مواد از 1 (تالک) تا 10 (الماس) طبقه‌بندی می‌شوند. عدد سختی موس، سخت‌ترین ماده‌ای است که بتواند نمونه مورد نظر را خراش دهد.

6. تست سختی شور (Shore Hardness Test)

این روش برای مواد نرم (مانند پلاستیک و لاستیک) مناسب است و از یک فرورونده فنری استفاده می‌کند.

• روش انجام: میزان نفوذ فرورونده به ماده تحت نیروی فنر اندازه‌گیری می‌شود.
• فرمول: این روش بیشتر مبتنی بر مقیاس و نمودار است و فرمول خاصی ندارد. مقیاس‌های متداول شامل ShoreA و ShoreD هستند.

7. تست سختی مارتنز (Martens Hardness Test – HM)

این روش برای اندازه‌گیری سختی مواد تحت بارهای دینامیکی و نیروهای کم استفاده می‌شود و از عمق فرورفتگی (hhh) به صورت مستقیم استفاده می‌کند.

• روش انجام: نیروی ثابت اعمال می‌شود و عمق نفوذ مستقیماً ثبت می‌شود.
• فرمول:

$$HM=\frac FA$$

که:

• F: نیروی اعمال شده (بر حسب نیوتن).
• A: مساحت فرورفتگی (بر حسب میلی‌متر مربع).

8. تست سختی دینامیکی یا برگشت‌پذیری (Dynamic Hardness – Rebound Hardness)

این روش برای مواد بزرگ و غیرقابل حمل استفاده می‌شود.

• روش انجام: یک جرم استاندارد به ماده برخورد می‌کند و ارتفاع بازگشت جرم اندازه‌گیری می‌شود.
• فرمول:

$$H=\frac{h_r}{h_i}$$

که:

• h_r​: ارتفاع بازگشت.
• h_i​: ارتفاع اولیه سقوط.

مقایسه روش‌های تست سختی در قالب جدول

مقایسه روش‌های تست سختی به‌صورت دقیق و سازمان‌یافته در جدول زیر ارائه شده است که ویژگی‌ها، کاربردها و نحوه انجام هریک از 8 روش را شامل می‌شود.

توضیحات اضافی

1. چرا از هر روش استفاده می‌شود؟
   • برینل: برای مواد با ساختار درشت و فلزات نرم.
   • ویکرز: دقت بالا برای اندازه‌گیری سختی مواد سخت.
   • راکول: تست سریع و مناسب برای تولید انبوه.
   • کنوپ: لایه‌های نازک و میکروسختی.
   • موس: مقایسه کیفی برای مواد معدنی.
   • شور: مواد نرم و الاستیک.
   • مارتنز: بررسی تغییرات سختی در لایه‌های سطحی.
   • دینامیکی: تست غیرتخریبی برای قطعات بزرگ و غیرقابل حمل.
2. مزایا و معایب: هر روش بسته به نوع ماده و دقت موردنیاز انتخاب می‌شود. روش‌هایی مثل ویکرز و کنوپ برای کاربردهای دقیق مناسب هستند، در حالی که روش‌های شور و موس بیشتر برای سنجش سریع و کیفی استفاده می‌شوند.
3. کاربرد در صنایع:
   • برینل و راکول: کاربرد در صنایع فلزی.
   • ویکرز و کنوپ: پژوهش‌های علمی و صنعتی دقیق.
   • شور: صنایع پلاستیک و لاستیک.
   • دینامیکی: مهندسی سازه و قطعات بزرگ.