سختی

اندازه گیر سختی سختی ویکرز

سختی (به انگلیسی: Hardness) یکی از معیارهای مقاومت مواد جامد در برابر موم سانی است.

سختی معادل واژه Hardness در زبان انگلیسی است و با سختی stiffness در زبان انگلیسی تفاوت دارد.

Hardness به معنای سختی شیمیایی یک ماده است و عاملی شیمیایی می‌باشد که ناشی از ترکیب بندی و فرمول شیمایی ماده و از خواص و ذات یک ماده می‌باشد . اما stiffness به معنای سختی فیزیکی است و در مورد یک ماده به کار نمی‌رود و مربوط به یک جسم یا المان یا ماژول است. و با شکل سطح مقطع و طول جسم و دیگر پارامترهای فیزیکی و همچنین مدول یانگ در ارتباط است. (برای مشاهده سفتی اجسام، صفحه سفتی

را ببینید)

معیارها و آزمون‌های مختلفی برای سختی شیمیایی 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.

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

این قابلیت را می توان در مواد با عملیات های حرارتی یا روش های مختلف تغییر داد. برای مثال کاهش اندازه دانه ها در مواد، باعث افزایش سختی آن ها می شود.افزودن کربن به آهن نیز (فولاد) سختی آلیاژ را افزایش می دهد.

اندازه گیری سختی

سختی، از ویژگی های اصلی و ذاتی یک ماده نیست. برای این واژه می توان بیشتر از یک معنی تعریف کرد؛ مي توان آن را مقاومت ماده در برابر سايش يا مقاومت در مقابل تغيير شکل موم سان (تغيير فرم دائمي يا پلاستيک ) دانست. روش های گوناگون آزمون های سنجش سختی بر اندازه گيری يکی از اين دو ويژگی ماده استوار است. اين آزمون ها ممکن است استاتيک (ايستا) يا ديناميک (پويا) باشند. در آزمون های استاتيک که متداول تر هستند، یک حفره با استفاده از نيرويی معين در قطعه ايجاد کرده و ابعادش را اندازه گیری می کنند. در آزمون های ديناميک، پرتابه ای آزادانه رها شده و به سطح ماده برخورد می کند، بخشي از انرژی پرتابه صرف تغيير شکل ماده شده و باقيمانده آن موجب برگشتن وزنه از سطح می شود و با اندازه گیری این انرژی سختی جسم را می سنجند.

آزمون های استاتیک

دستگاه دیجیتال سختی سنجی با معیار ویکرز

در تمام آزمون های استاتيک، نوعی فروزنده تحت اثر نيرویی خارجی در سطح نمونه فرو برده می شود، يکي از ابعاد اين فرورفتگي اندازه گيري شده و از آن برای تعیین عدد سختی استفاده می شود. ذات ماده، اندازه و نوع فرورونده و همچنين مقدار نيروی وارد شده بر اندازه فرورفتگی تاثیر گذارند. راکول، برينل، نوپ و ويکرز روش هايی هستند که غالبا برای تعيين سختی استفاده می شوند. اساس به کار گرفته شده در تمام اين آزمايش ها، مجموعه نيروهايی هستند که به فرورونده اعمال می شوند. اگر ماده سخت باشد، فرورفتگی ای کوچک و کم عمق حاصل می شود در حالی که اگر ماده نرم باشد، فرورفتگی ای کاملا بزرگ و عميق حاصل خواهد شد.

روش های اندازه گيری موجود شامل مشاهده بصری فرورفتگي يا عمق سنجی مي شود. آزمايشگرهای راکول عمق فرورفتگی را اندازه می گیرند، در حالی که آزمايشگرهای برينل، نوپ و ويکرز نياز به اندازه گیری قطر فرورفتگی دارند.

آزمون های دینامیک

سختي فلزات به روش ديناميک، به کمک اندازه گيری ميزان جهش يک پرتابه سخت پس از برخورد به سطح قطعه شده به دست می آيد. جهش بيشتر پرتابه، نشان دهنده سختی بيشتر است. در اثر برخورد، اثر کوچکی روي نمونه به جای مي ماند، اندازه اين اثر، نشان دهنده خاصيت پلاستيک قطعه است که تظاهر"سختی استاتيکی" فلز مي باشد. بخشی از انرژی پرتابه صرف ايجاد اين اثر گشته و تقريبا باقيمانده انرژی صرف بازگشت پرتابه می شود. دستگاه لیب، بر اساس روش ديناميک ساخته شده و استفاده از آن در صنعت مرسوم است. البته روش های ديناميک ديگری نيز براي سختی سنجی وجود دارند، اما کاربردی و رايج نيستند.

روش های دیگر سختی سنجی

برای برخی مواد، مانند مواد معدنی، يکی از بهترين روش های سختی سنجی، اندازه گيری مقاومت آن ها نسبت به سايش است. سختی خراش طبق مقياس موس اندازه گيری می شود. در این روش، اين مقياس شامل 10 ماده معدنی استاندارد است که به ترتيب قابليت خراشيده شدنشان مرتب می شوند. نرم ترين ماده معدنی در اين مقياس، تالک می باشد ( با سختی خراش 1)، در حالی که الماس سختی برابر 10 دارد. بر اساس اين نوع سنجش سختی، مواد مطابق با توانايی شان برای خراشيدن يکديگر، ارزيابی مي شوند. اگر ماده بتواند روی ماده ای دیگر خراش ايجاد کند، از آن سخت تر است. بدين ترتيب در اين آزمون، نمونه های استاندارد توسط ماده مورد ارزیابی خراشيده می شوند و عدد سختی ماده بين عدد سختی دو نمونه استاندارد متوالی قرار می گيرد.

روش های سختی سنجی ديگری نيز وجود دارند که کمتر رايج هستند. مثلا در سختی سنجی به روش التزاسونيک از نيروهای تا 800 گرم استفاده شده و عمق اثر را با یک پروب اندازه می گیرند و عدد سختی در معيار راکول يا ويکرز به صورت ديجيتال گزارش می شود. از ويژگی های مهم اين روش قابليت خودکار شدن آن است به طوری که در صورت وجود تمهيدات لازم، می توان تا 1200 قطعه را در ساعت سختی سنجی کرد.

سختی سنجی مواد و قطعات مختلف

سختی سنجی چوب با روش "Janka"

روش های ديگر سختی سنجی نيز برای ساير مواد وجود دارند. برای سنجش سختی انواع چوب ها از روشی به نام Janka استفاده می شود که اساس آن اين است که با چه نيرويی بر حسب پوند نيرو (Ibf) می توان نيمی از يک گلوله با قطر 0/444 اينچ را درون چوب فروبرد. بدين ترتيب انواع چوب ها را طبقه بندی شده د و معياری برای آسان بودن يا دشواری بريدن يا ميخ کاری چوب به دست می آید که به عنوان راهنمايی برای چگونگی کاربرد آن ها بر اساس استحکام به کار می رود.

سختی لاستیک ها و پلاستیک ها با وسيله کوچکی به نام دورومتر اندازه گيری می شود. دورومتر معمولی، وسیله کوچکی است که در آن یک فرورونده کروی تحت اثر نيروی فنر يا وزنه، روي سطح ماده فشرده شده و يک عقربه عدد سختی را روي صفحه مدرج نمايش می دهد. این دستگاه انواع مختلفی برای آزمايش گسترده کامل الاستومرها و پلاستيک ها از بسيار نرم تا بسيار سخت، دارد.

معیارهای سختی

• سختی ویکرز
• سختی برینل
• سختی راکول
• سختی نوپ
• سختی موس
• سختی لیب

جستارهای وابسته

• چقرمگی
• کارسختی
• تغییر شکل پلاستیک
• عملیات حرارتی
• روش های سختی سنجی
• مقاومت