سختی چیست؟
سختی چگونه تعریف میشود؟
در سادهترین تعریف، سختی معیاری است که نشان میدهد یک ماده چقدر در برابر خراشیده شدن یا تغییر شکل توسط یک جسم دیگر مقاومت میکند. به عبارت دیگر، مادهای سختتر است که به راحتی خراش برندارد یا فرونرود. این مفهوم با استحکام که مقاومت در برابر شکستن است، کاملاً متفاوت است. یک ماده میتواند بسیار سخت باشد اما شکننده نیز باشد، مانند شیشه.
برای درک بهتر، یک تکه گچ و یک تکه شیشه را در نظر بگیرید. اگر با گچ روی شیشه بکشید، گچ روی شیشه خط میاندازد و خودش خرد میشود. این یعنی شیشه از گچ سختتر است. اما اگر همان شیشه با یک چکش ضربه بخورد، میشکند. این نشان میدهد که شیشه اگرچه سخت است، اما استحکام کششی یا ضربهای بالایی ندارد.
مقیاس معروف موس؛ مقایسه سختی مواد معدنی
یکی از شناختهشدهترین روشها برای سنجش سختی مواد معدنی، مقیاس موس است که توسط زمینشناسی آلمانی به نام فردریش موس در سال ۱۸۱۲ ابداع شد. این مقیاس، مواد را از عدد ۱ (نرمترین) تا ۱۰ (سختترین) رتبهبندی میکند. اصل کار ساده است: اگر مادهای بتواند ماده دیگری را خراش دهد، از آن سختتر است.
| درجه سختی | ماده معدنی | مثال ساده |
|---|---|---|
| 1 | تالک | با ناخن به راحتی خراشیده میشود. |
| 2 | ژیپس (گچ) | با ناخن قابل خراشیدن است. |
| 3 | کلسیت | با یک سکه مسی خراشیده میشود. |
| 4 | فلوریت | با یک چاقوی فولادی به راحتی خط میافتد. |
| 5 | آپاتیت | با چاقو به زودی خط میافتد اما با ناخن نه. |
| 6 | اورتوکلاز (فلدسپات) | یک سوهان فولادی میتواند روی آن خط بیندازد. |
| 7 | کوارتز | شیشه را میخراشد. در ماسه و سنگچشم یافت میشود. |
| 8 | توپاز | میتواند شیشه و کوارتز را بخراشد. |
| 9 | کوراندوم (یاقوت، یاقوت کبود) | میتواند تقریباً همه چیز را بخراشد، به جز الماس. |
| 10 | الماس | سختترین ماده طبیعی شناخته شده. فقط با الماس دیگر قابل برش است. |
روشهای دقیقتر آزمایشگاهی برای اندازهگیری سختی
برای اندازهگیری دقیقتر سختی فلزات و آلیاژها در صنعت، از روشهای دیگری استفاده میشود که بر اساس ایجاد فرورفتگی با یک جسم سخت و سپس اندازهگیری ابعاد آن فرورفتگی کار میکنند. سه روش رایج عبارتند از:
۱. سختی برینل (HB): در این روش یک گلوله فولادی سخت شده با قطر مشخص (مثلاً 10 mm) با نیروی معین به سطح ماده فشار داده میشود. پس از برداشتن نیرو، قطر فرورفتگی ایجاد شده با میکروسکوپ اندازهگیری میشود. عدد سختی برینل از رابطه زیر محاسبه میشود:
$ HBW = \frac{2F}{g \pi D (D - \sqrt{D^2 - d^2})} $
که در آن F نیروی وارد شده، D قطر گلوله و d قطر فرورفتگی است.
۲. سختی ویکرز (HV): این روش مشابه برینل است، اما به جای گلوله از یک هرم الماسه با قاعده مربع استفاده میکند. این روش برای مواد بسیار سخت و لایههای نازک مناسبتر است.
۳. سختی راکول (HR): پرکاربردترین روش در صنعت. در این روش عمق فرورفتگی اندازهگیری میشود، نه قطر آن. بسته به نوع ماده، از یک مخروط الماسه (مقیاس C برای فولادهای سخت) یا یک گلوله فولادی (مقیاس B برای فولادهای نرمتر و مس) استفاده میشود. عدد سختی مستقیماً از روی صفحه دستگاه خوانده میشود.
کاربردهای شگفتانگیز سختی در دنیای واقعی
مفهوم سختی فقط محدود به آزمایشگاهها نیست؛ این خاصیت در انتخاب مواد از بین محصولات متعدد اطراف ما نقش اساسی دارد.
ساخت ابزارآلات: لبه یک مته، تیغه اره یا قلم تراش باید از مادهای ساخته شود که از موادی که قرار است برش دهند سختتر باشد. به همین دلیل از فولادهای پرکربن سختشده یا حتی پوششهای کاربید تنگستن برای ساخت آنها استفاده میشود.
صنعت جواهرسازی: از آنجایی که الماس سختترین ماده طبیعی است، به ندرت خراش برمیدارد و درخشش خود را برای همیشه حفظ میکند. این ویژگی آن را به گزینهای ایدهآل برای نگین حلقههای ازدواج که هر روز استفاده میشوند، تبدیل کرده است. یاقوت و یاقوت کبود (کوراندوم) نیز به دلیل سختی بالا برای جواهراتی مانند ساعتهای مچی که در معرض ضربه و خراش هستند، استفاده میشوند.
ساختوساز: کفپوشهای مناطق پرتردد مانند راهروهای فروشگاهها یا لابی هتلها باید در برابر سایش ناشی از عبور و مرور مردم مقاوم باشند. موادی مانند سرامیکهای با درجه سختی بالا یا سنگهای طبیعی مانند گرانیت برای این منظور انتخاب میشوند.
تولید خودرو: قطعات موتور که تحت سایش مداوم هستند، مانند سیلندرها و پیستونها، باید سطحی بسیار سخت داشته باشند تا عمر طولانیتری پیدا کنند. این سطوح اغلب با روشهای خاصی سختکاری میشوند.
پرسشهای رایج و باورهای نادرست
بله، الماس فقط توسط الماس دیگر خراشیده میشود. به همین دلیل است که برای برش و صیقل دادن الماسهای خام از پودر الماس استفاده میکنند. اما این به معنای شکستناپذیری آن نیست. الماس میتواند در اثر ضربهی قوی بشکند زیرا اگرچه بسیار سخت است، اما شکننده نیز هست.
خیر، این یک اشتباه رایج است. سختی مقاومت در برابر خراش و فرورفتگی است، در حالی که استحکام (مثلاً استحکام کششی) مقاومت یک ماده در برابر شکستن تحت نیرو است. یک تکه خمیر بازی نرم است و سختی کمی دارد، اما اگر آن را بکشید، استحکام کششی دارد و پاره نمیشود (کش میآید). در مقابل، شیشه بسیار سخت است اما استحکام کششی پایینی دارد و به راحتی میشکند.
مقیاس موس برای شناسایی سریع مواد معدنی در محیط میدانی بسیار کاربردی و سریع است. یک زمینشناس میتواند با داشتن یک مجموعه ساده از مواد مرجع (مثلاً یک قطعه کوارتز و یک چاقو) به راحتی سختی تقریبی یک کانی ناشناخته را تشخیص دهد. روشهایی مانند راکول یا ویکرز نیاز به دستگاههای بزرگ، ثابت و گرانقیمت دارند و برای آزمایشگاه مناسب هستند.
پاورقی
1HRC (Hardness Rockwell C): یکی از مقیاسهای متعدد آزمایش سختی راکول که برای مواد بسیار سخت مانند فولاد سختشده استفاده میشود. در این مقیاس از یک نفوذگر مخروطی الماسه استفاده میگردد.
2HV (Vickers Hardness): عدد سختی حاصل از آزمایش ویکرز. این روش قابلیت اندازهگیری سختی مواد بسیار نازک و سخت را با دقت بالا دارد.
3آلیاژ (Alloy): مخلوط یا محلول جامد فلزی متشکل از یک فلز اصلی و یک یا چند عنصر دیگر. آلیاژها معمولاً خواص مکانیکی بهتری (مانند استحکام و سختی) نسبت به فلزات خالص دارند. مثال: فولاد (آلیاژ آهن و کربن).
