سختی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
اندازه‌گیر سختی سختی ویکرز

با سفتی اشتباه نشود.

سختی (به انگلیسی: Hardness) به عنوان قابلیت ماده به مقاومت در برابر تغییر شکل دائم یا نفوذ یک نفوذکننده (به انگلیسی: indenter) به سطح آن تعریف می‌شود.[۱] سختی، میزان مقاومت سطح ماده در برابر تغییر شکل دائم یا پلاستیک (غیر الاستیک) است.[۲][۳] از آنجایی که در هنگام تست میزان سختی ماده، نفوذکننده به سطح فشار داده می‌شود، سختی را می‌توان به عنوان میزان مقاومت ماده در برابر نیروی فشاری نیز تعریف کرد.[۱] هر چه سختی یک ماده بیشتر باشد دیرتر خراش برمی‌دارد. الماس از سخت ترین مواد طبیعی شناخته شده می باشد.[۴]

نباید سختی (Hardness)، سفتی (Stiffness) و استحکام (Strength) با یکدیگر اشتباه گرفته شده و به جای یکدیگر استفاده گردند.[۲] شناخت اختلاف و تفکیک این سه مفهوم از اصول بنیادین مهندسی مکانیک است. سفتی معیاری برای تعیین تمایل یک ماده به برگشت به شکل اول پس از تغییر شکل توسط یک نیرو می باشد.[۲] استحکام تعیین می کند که یک ماده چقدر می تواند تنش را قبل از تغییر شکل دائم یا شکست تحمل کند.[۲]

معیارها و آزمون‌های مختلفی برای سختی مواد وجود دارد اما تمام آن‌ها از مقاومت ماده در برابر یک فرورونده یا خراشنده با اعمال نیروی مشخص بر ابزاری با شعاع یا قطر مشخص سختی ماده را ارزیابی می‌کنند. سختی میزان مقاومت یک جسم در برابر یک جسم نوک تیز (خراشیدگی) است.[۵]

پارامترهای مختلف از جمله دما، نرخ کرنش، اندازه دانه، جهات بلوری (در تک بلورها)، ترکیبات آلیاژی و غیره بر سختی مواد تاثیرگذارند.[۶]

این قابلیت را می‌توان در مواد با عملیات‌های حرارتی یا روش‌های مختلف تغییر داد. برای مثال کاهش اندازه دانه‌ها در مواد، باعث افزایش سختی آن‌ها می‌شود.[۷] افزودن کربن به آهن نیز (فولاد) سختی آلیاژ را افزایش می‌دهد.[۸]

اندازه‌گیری سختی[ویرایش]

سختی، از ویژگی‌های اصلی و ذاتی یک ماده نیست. برای این واژه می‌توان بیشتر از یک معنی تعریف کرد؛ می‌توان آن را مقاومت ماده در برابر سایش یا مقاومت در مقابل تغییر شکل موم سان (تغییر شکل دائمی یا پلاستیک) دانست. روش‌های گوناگون آزمون‌های سنجش سختی بر اندازه‌گیری یکی از این دو ویژگی ماده استوار است. این آزمون‌ها ممکن است استاتیک (ایستا) یا دینامیک (پویا) باشند. در آزمون‌های استاتیک که متداول تر هستند، یک حفره با استفاده از نیرویی معین در قطعه ایجاد کرده و ابعادش را اندازه‌گیری می‌کنند. در آزمون‌های دینامیک، پرتابه ای آزادانه رها شده و به سطح ماده برخورد می‌کند، بخشی از انرژی پرتابه صرف تغییر شکل ماده شده و باقیمانده آن موجب برگشتن وزنه از سطح می‌شود و با اندازه‌گیری این انرژی سختی جسم را می‌سنجند.

آزمون‌های استاتیک[ویرایش]

دستگاه دیجیتال سختی سنجی با معیار ویکرز

در تمام آزمون‌های استاتیک، نوعی فروزنده تحت اثر نیرویی خارجی در سطح نمونه فرو برده می‌شود، یکی از ابعاد این فرورفتگی اندازه‌گیری شده و از آن برای تعیین عدد سختی استفاده می‌شود. ذات ماده، اندازه و نوع فرورونده و همچنین مقدار نیروی وارد شده بر اندازه فرورفتگی تأثیر گذارند. راکول، برینل، نوپ و ویکرز روش‌هایی هستند که غالباً برای تعیین سختی استفاده می‌شوند. اساس به کار گرفته شده در تمام این آزمایش‌ها، مجموعه نیروهایی هستند که به فرورونده اعمال می‌شوند. اگر ماده سخت باشد، فرورفتگی ای کوچک و کم عمق حاصل می‌شود در حالی که اگر ماده نرم باشد، فرورفتگی ای کاملاً بزرگ و عمیق حاصل خواهد شد.

روش‌های اندازه‌گیری موجود شامل مشاهده بصری فرورفتگی یا عمق‌سنجی می‌شود. آزمایشگرهای راکول عمق فرورفتگی را اندازه می‌گیرند، در حالی که آزمایشگرهای برینل، نوپ و ویکرز نیاز به اندازه‌گیری قطر فرورفتگی دارند.

آزمون‌های دینامیک[ویرایش]

سختی فلزات به روش دینامیک، به کمک اندازه‌گیری میزان جهش یک پرتابه سخت پس از برخورد به سطح قطعه شده به دست می‌آید. جهش بیشتر پرتابه، نشان دهنده سختی بیشتر است. در اثر برخورد، اثر کوچکی روی نمونه به جای می‌ماند، اندازه این اثر، نشان دهنده خاصیت پلاستیک قطعه است که تظاهر «سختی استاتیکی» فلز می‌باشد. بخشی از انرژی پرتابه صرف ایجاد این اثر گشته و تقریباً باقیمانده انرژی صرف بازگشت پرتابه می‌شود. دستگاه لیب، بر اساس روش دینامیک ساخته شده و استفاده از آن در صنعت مرسوم است. البته روش‌های دینامیک دیگری نیز برای سختی سنجی وجود دارند، اما کاربردی و رایج نیستند.[۹]

روش‌های دیگر سختی سنجی[ویرایش]

برای برخی مواد، مانند مواد معدنی، یکی از بهترین روش‌های سختی سنجی، اندازه‌گیری مقاومت آن‌ها نسبت به سایش است. سختی خراش طبق مقیاس موس اندازه‌گیری می‌شود. در این روش، این مقیاس شامل ۱۰ ماده معدنی استاندارد است که به ترتیب قابلیت خراشیده شدنشان مرتب می‌شوند. نرم‌ترین ماده معدنی در این مقیاس، تالک می‌باشد (با سختی خراش ۱)، در حالی که الماس سختی برابر ۱۰ دارد. بر اساس این نوع سنجش سختی، مواد مطابق با توانایی شان برای خراشیدن یکدیگر، ارزیابی می‌شوند. اگر ماده بتواند روی ماده ای دیگر خراش ایجاد کند، از آن سخت‌تر است. بدین ترتیب در این آزمون، نمونه‌های استاندارد توسط ماده مورد ارزیابی خراشیده می‌شوند و عدد سختی ماده بین عدد سختی دو نمونه استاندارد متوالی قرار می‌گیرد.

روش‌های سختی سنجی دیگری نیز وجود دارند که کمتر رایج هستند. مثلاً در سختی سنجی به روش التزاسونیک از نیروهای تا ۸۰۰ گرم استفاده شده و عمق اثر را با یک پروب اندازه می‌گیرند و عدد سختی در معیار راکول یا ویکرز به صورت دیجیتال گزارش می‌شود. از ویژگی‌های مهم این روش قابلیت خودکار شدن آن است به طوری که در صورت وجود تمهیدات لازم، می‌توان تا ۱۲۰۰ قطعه را در ساعت سختی سنجی کرد.[۱۰]

سختی سنجی مواد و قطعات مختلف[ویرایش]

سختی سنجی چوب با روش "Janka"

روش‌های دیگر سختی سنجی نیز برای سایر مواد وجود دارند. برای سنجش سختی انواع چوب‌ها از روشی به نام Janka استفاده می‌شود که اساس آن این است که با چه نیرویی بر حسب پوند نیرو (Ibf) می‌توان نیمی از یک گلوله با قطر ۰/۴۴۴ اینچ را درون چوب فروبرد. بدین ترتیب انواع چوب‌ها را طبقه‌بندی شده د و معیاری برای آسان بودن یا دشواری بریدن یا میخ کاری چوب به دست می‌آید که به عنوان راهنمایی برای چگونگی کاربرد آن‌ها بر اساس استحکام به کار می‌رود.

سختی لاستیک‌ها و پلاستیک‌ها با وسیله کوچکی به نام دورومتر اندازه‌گیری می‌شود. دورومتر معمولی، وسیله کوچکی است که در آن یک فرورونده کروی تحت اثر نیروی فنر یا وزنه، روی سطح ماده فشرده شده و یک عقربه عدد سختی را روی صفحه مدرج نمایش می‌دهد. این دستگاه انواع مختلفی برای آزمایش گسترده کامل الاستومرها و پلاستیک‌ها از بسیار نرم تا بسیار سخت، دارد.[۱۰]

معیارهای سختی[ویرایش]

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ ASM Handbook Volume 8: Mechanical Testing and Evaluation. ASM International. ۲۰۰۰. صص. ۴۱۶. شابک ۹۷۸-۰-۸۷۱۷۰-۳۸۹-۷.
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ ۲٫۲ ۲٫۳ "Engineering Fundamentals Refresh: Strength vs Stiffness vs Hardness | Fictiv - Hardware Guide". www.fictiv.com. Retrieved 2019-12-11.
  3. «Hardness | MATSE 81: Materials In Today's World». www.e-education.psu.edu. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۱۲-۱۱.
  4. Griggs، Jessica. «Diamond no longer nature's hardest material». New Scientist (به انگلیسی). دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۱۲-۱۱.
  5. "Book Review of Materials Handbook: A Concise Desktop Reference, 2nd ed. Materials Handbook: A Concise Desktop Reference, 2nd ed. By François Cardarelli (Materials and Electrochemical Research (MER) Corp. , Tucson, AZ). Springer-Verlag: London Limited. 2008. xxxviii + 1340 pp. $229.00. ISBN 978-1-84628-668-1". Journal of the American Chemical Society. 130 (33): 11242–11242. 2008-08. doi:10.1021/ja805138a. ISSN 0002-7863. Check date values in: |date= (help)
  6. گفت، ابوالحسن (۲۰۱۱-۰۴-۱۱). «کار سختی (Work Hardening)». نواندیشان. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۶-۱۷.
  7. http://nm.iau-shahrood.ac.ir/article_542626_5d1fa5ac10206b93f979fe12964b63c0.pdf
  8. «Hardness Increase - an overview | ScienceDirect Topics». www.sciencedirect.com. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۶-۱۷.
  9. ماهنامه دانشمند، شماره 575.
  10. ۱۰٫۰ ۱۰٫۱ «چگونه سختی مواد را اندازه می‌گیرند؟». rasekhoon.net. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۶-۱۷.