دسترسی سریع به محتوای این مطلب
در صنایع مختلف، انتخاب فلز مناسب همیشه به بررسی همزمان ویژگی های فنی و اقتصادی وابسته است. سختی به عنوان یک شاخص مکانیکی نقش تعیین کننده ای در دوام و مقاومت قطعات دارد، اما تنها معیار تصمیم گیری نیست. بسیاری از مهندسان علاوه بر رجوع به جدول سختی فلزات و مقایسه آلیاژها، شرایط بازار و هزینه تأمین مواد اولیه را نیز مد نظر قرار می دهند. برای مثال، در پروژه های ساختمانی یا تولیدی، انتخاب بین فولادهای مختلف معمولاً با توجه به میزان سختی و مقاومت در برابر سایش انجام می شود، اما در کنار آن بررسی قیمت آهن هم می تواند تأثیر مستقیمی بر تصمیم نهایی داشته باشد. از آنجا که هزینه ها در پروژه های کلان اهمیت زیادی دارند، توجه به قیمت مواد در کنار خواص مکانیکی، انتخابی بهینه و اقتصادی را ممکن می سازد. به همین دلیل، مهندسان و طراحان اغلب جداول سختی را در کنار داده های اقتصادی تحلیل می کنند تا به ترکیب مناسبی از کارایی و صرفه جویی برسند.
در علم مواد، سختی یکی از مهم ترین ویژگی های مکانیکی فلزات و آلیاژها به شمار می آید. سختی بیانگر میزان مقاومت یک فلز در برابر خراش، سایش، تغییر شکل پلاستیک و نفوذ جسم سخت به سطح آن است. برای مهندسان متالورژی، طراحان صنعتی و حتی تولیدکنندگان قطعات، دانستن سختی فلزات نقش حیاتی دارد، زیرا سختی ارتباط مستقیم با مقاومت به سایش، دوام در شرایط کاری و حتی فرآیندهای ماشین کاری دارد. به همین دلیل، جداول سختی فلزات طراحی شده اند تا امکان مقایسه و انتخاب بهترین فلز برای کاربرد مشخص فراهم شود.
یکی از چالش های اصلی این حوزه، تنوع روش های اندازه گیری سختی است. واحد سختی فلزات بسته به نوع تست می تواند متفاوت باشد؛ برای مثال سختی را می توان با مقیاس موس، برینل، ویکرز یا راکول بیان کرد. به همین دلیل، وجود جدول تبدیل سختی فلزات و همچنین جدول تبدیل واحد سختی فلزات ضروری است تا امکان مقایسه بین نتایج مختلف فراهم شود. همچنین برای کاربردهایی مثل انتخاب نوع فولاد یا بررسی استحکام سازه ها، استفاده از جدول سختی فولادها یا حتی جدول میزان سختی فولادها در طراحی بسیار پرکاربرد است. از سوی دیگر، در بسیاری از پروژه های صنعتی، بررسی همزمان سختی و قیمت آهن آلات می تواند معیار مناسبی برای انتخاب اقتصادی ترین و مقاوم ترین گزینه باشد. به ویژه در مورد فولاد ضد زنگ، آگاهی از مقادیر سختی و مقایسه آن با قیمت آهن آلات اهمیت دو چندانی پیدا می کند، زیرا این آلیاژ هم در برابر خوردگی مقاوم است و هم در صنایع حساس مانند پتروشیمی و غذایی کاربرد گسترده دارد.
مقیاس موس یکی از قدیمی ترین و شناخته شده ترین روش های تعیین سختی مواد است که همچنان به عنوان یک مرجع پایه ای در علوم مواد شناخته می شود. این مقیاس توسط فریدریش موس در سال ۱۸۱۲ معرفی شد و اساس آن بر مقایسه مقاومت مواد مختلف در برابر خراش است. در این سیستم ساده مواد از عدد ۱ تا ۱۰ درجه بندی می شوند؛ عدد ۱ نشان دهنده نرم ترین ماده یعنی تالک و عدد ۱۰ بیانگر سخت ترین ماده یعنی الماس است. این روش گرچه از نظر علمی بسیار ابتدایی به نظر می رسد، اما به دلیل سادگی و درک شهودی آن، هنوز در بسیاری از منابع علمی و آموزشی مورد استفاده قرار می گیرد.
در جدول موس، فلزاتی مانند طلا، سرب و قلع در رده های پایین قرار دارند و نشان دهنده نرمی و قابلیت تغییر شکل بالای آن ها هستند. در مقابل، فولادهای سخت کاری شده و ابزارهای صنعتی در محدوده ۶ تا ۷ جای می گیرند و همین موضوع دلیل کاربرد گسترده آن ها در صنایع سنگین و ابزارسازی است. آلومینیوم نیز در محدوده ۲ تا ۳ موس قرار دارد که نشان دهنده نرمی نسبی آن در مقایسه با فولاد است. این ویژگی سبب می شود که آلومینیوم در کاربردهایی مانند صنایع هوافضا، خودروسازی و بسته بندی مورد استفاده قرار گیرد، هر چند که در برابر خراش مقاومت کمتری دارد و نیازمند پوشش های محافظ یا ترکیب با آلیاژهای مقاوم تر است.
جدول درجه سختی فلزات در مقیاس موس به خوبی بیان می کند که چرا برخی فلزات مانند مس یا آلومینیوم به راحتی خراشیده می شوند، در حالی که فولاد ابزار یا کاربیدها مقاومت بالاتری دارند. این مقیاس اگرچه دقیق ترین روش برای ارزیابی نیست، اما نگاه اولیه و مقایسه ای خوبی از ماهیت نسبی مواد ارائه می دهد. در نتیجه، در پروژه های مهندسی، ابتدا شناخت کلی از سختی با استفاده از موس صورت می گیرد و سپس روش های دقیق تر مانند راکول یا برینل برای محاسبات صنعتی به کار می روند.
علاوه بر جنبه های فنی، در صنایع امروزی توجه به شاخص های اقتصادی نیز اهمیت زیادی پیدا کرده است. برای مثال، انتخاب یک فلز تنها بر اساس سختی آن انجام نمی شود، بلکه هزینه های تأمین و بازار نیز در تصمیم گیری دخیل هستند. بررسی همزمان ویژگی های مکانیکی و معیارهای مالی مانند قیمت آلومینیوم یا قیمت سایر فلزات، رویکردی متوازن و کاربردی برای یافتن بهترین گزینه به شمار می آید. از این رو، در صنایع مختلف، جداول سختی فلزات در کنار داده های اقتصادی مورد بررسی قرار می گیرند تا انتخاب نهایی هم از نظر کارایی و هم از نظر هزینه ها بهینه باشد.
جدول سختی فلزات بر اساس مقیاس موس (Mohs)
| ماده/فلز | سختی موس |
| تالک | 1 |
| سرب | 1.5 |
| قلع | 2 |
| آلومینیوم | 2.5 – 3 |
| مس | 3 |
| آهن خالص | 4 |
| فولاد نرم | 4 – 4.5 |
| فولاد سخت کاری شده | 6 – 7 |
| کوارتز | 7 |
| الماس | 10 |
یکی از پرکاربردترین روش ها در صنعت برای اندازه گیری سختی، روش راکول است. در این آزمون، یک فرو رونده (معمولاً مخروط الماسی یا ساچمه فولادی) با بار مشخص به سطح فلز وارد می شود و عمق نفوذ اندازه گیری می گردد. نتایج به صورت عددی در مقیاس های مختلف مانند HRB،HRC و HRF بیان می شوند که هر کدام برای نوع خاصی از مواد مناسب هستند.
برای مثال، واحد سختی فلزات راکول C (HRC) بیشتر برای فولادهای سخت کاری شده استفاده می شود، در حالی که HRB برای فولادهای نرم تر و آلیاژهای مسی رایج است. جدول سختی استیل معمولاً با مقیاس HRC بیان می شود و بسیاری از طراحان هنگام انتخاب تیغه، ابزار برش یا قطعات مقاوم در برابر سایش به این جدول رجوع می کنند. همچنین وجود جدول تبدیل سختی فلزات بین راکول و سایر مقیاس ها اهمیت زیادی دارد تا بتوان استحکام کششی یا سایر خواص مکانیکی را تخمین زد.
جدول سختی فلزات راکول (Rockwell)
| ماده / فلز | سختی راکول (مقیاس تقریبی) |
| آلومینیوم خالص | HRB 10 – 25 |
| مس | HRB 40 – 60 |
| فولاد کم کربن | HRB 55 – 80 |
| فولاد کربنی متوسط | HRC 15 – 25 |
| فولاد ضد زنگ | HRC 20 – 35 |
| چدن خاکستری | HRC 15 – 30 |
| فولاد ابزار سخت کاری شده | HRC 55 – 65 |
| تیتانیوم خالص | HRB 35 – 50 |
| آلیاژهای تیتانیوم | HRC 20 – 40 |
| کاربید تنگستن | HRA 85 – 94 |
روش برینل یکی دیگر از متدهای شناخته شده و پرکاربرد برای اندازه گیری سختی فلزات است که اساس آن بر فرو بردن یک ساچمه فولادی یا کاربیدی با قطر مشخص در سطح فلز قرار دارد. پس از وارد کردن نیرو، قطر فرو رفتگی ایجاد شده توسط میکروسکوپ اندازه گیری می شود و بر همین اساس عدد سختی محاسبه می گردد. این روش، که خروجی آن به صورت BHN (Brinell Hardness Number) یا همان جدول سختی برینل ارائه می شود، یکی از معتبرترین منابع برای مقایسه خواص مکانیکی فلزات در صنایع مختلف است. ویژگی مهم آزمون برینل این است که برای مواد با ساختار ناهمگن مانند چدن، فولادهای کربنی و آلیاژهای مختلف بسیار مناسب است. دلیل این امر آن است که این روش سطح بیشتری از نمونه را بررسی می‌کند و اثر ناهمگنی ریزساختاری کمتر بر نتیجه تأثیر می گذارد. از این رو، در بسیاری از منابع علمی و صنعتی، علاوه بر استفاده از جدول سختی فلزات، مراجعه به جدول سختی مواد در مقیاس برینل نیز توصیه می شود تا دید جامع تری از رفتار مواد به دست آید.
مزیت اصلی روش برینل نسبت به مقیاس موس، دقت بالاتر و قابلیت تبدیل نتایج به سایر خواص مکانیکی است. برای مثال، امکان تبدیل سختی به استحکام کششی در این روش فراهم است و همین موضوع آن را برای طراحان و مهندسان بسیار ارزشمند کرده است. در واقع، زمانی که داده های مستقیم از استحکام کششی در دسترس نباشد، می توان با کمک جدول تبدیل سختی فلزات، نتایج آزمون برینل را به صورت تقریبی به مقاومت کششی تبدیل کرد.
به همین دلیل، جدول میزان سختی فولادها در قالب مقیاس برینل در بسیاری از کاتالوگ های صنعتی و مراجع فنی درج می شود. این جدول ها به مهندسان کمک می کنند تا نوع فولاد یا آلیاژ مناسب را بر اساس نیاز مکانیکی و شرایط کاری انتخاب کنند. علاوه بر فولاد، بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم، مس و حتی فلزات غیرآهنی نیز در جدول میزان سختی فولادها بر اساس مقیاس برینل طبقه بندی شده اند که امکان مقایسه مستقیم آن ها با فولادها را فراهم می سازد.
جدول سختی برینل (BHN) – نمونه ای از فولادها و آلیاژها
| ماده/فلز | سختی برینل (BHN) |
| آلومینیوم خالص | 15 – 30 |
| مس | 35 – 80 |
| فولاد کم کربن | 120 – 180 |
| فولاد کربنی متوسط | 200 – 250 |
| فولاد ضد زنگ | 150 – 200 |
| چدن خاکستری | 180 – 260 |
| فولاد ابزار سخت کاری شده | 400 – 600 |
آزمون ویکرز که با نام سختی سنجی میکروسکوپی نیز شناخته می شود، یکی از دقیق ترین روش ها برای بررسی سختی فلزات است. در این آزمون، یک هرم الماسی با زاویه مشخص به سطح فلز نفوذ داده می شود و طول قطر فرو رفتگی به کمک میکروسکوپ اندازه گیری می شود. مزیت اصلی این روش، امکان استفاده بر روی نمونه های کوچک، لایه های نازک و حتی پوشش های سطحی است. جدول سخت کاری فلزات در بسیاری از مقالات و منابع علمی بر اساس مقیاس ویکرز بیان می شود، زیرا این روش دقت بسیار بالایی دارد. همچنین در فرآیندهایی مانند بررسی جدول سخت کاری فلزات پس از عملیات حرارتی یا پوشش دهی، مقیاس ویکرز نتایج قابل اعتمادی ارائه می دهد.
علاوه بر این، با کمک جدول تبدیل واحد سختی فلزات می توان نتایج آزمون ویکرز را به برینل یا راکول تبدیل کرد. آزمون ویکرز علاوه بر کاربردهای آزمایشگاهی، در صنعت نیز اهمیت زیادی دارد، زیرا مهندسان با استفاده از جدول سختی فلزات بر اساس ویکرز می توانند کیفیت عملیات حرارتی، سخت کاری سطحی و حتی فرآیندهای پوشش دهی مانند نیتراسیون و کربن دهی را ارزیابی کنند. این روش به دلیل دقت بالا در سنجش سختی، امکان تحلیل دقیق رفتار فلزات در مقیاس میکروسکوپی را فراهم می سازد. برای نمونه، در تولید آلیاژهایی مانند فولاد ضد زنگ، نتایج آزمون ویکرز کمک می کند تا میزان سختی سطحی و مقاومت در برابر خوردگی به طور همزمان کنترل شود. به همین دلیل، بسیاری از تولیدکنندگان برای کنترل کیفیت محصولات خود از جدول سختی مواد در مقیاس ویکرز استفاده می کنند تا مطمئن شوند که قطعات تولیدی علاوه بر سختی مناسب، از نظر دوام و مقاومت در شرایط کاری نیز عملکرد مطلوبی خواهند داشت.
جدول سختی فلزات ویکرز (Vickers)
| ماده / فلز | سختی ویکرز (VHN) |
| آلومینیوم خالص | 15 – 30 |
| مس | 50 – 120 |
| فولاد کم‌کربن | 120 – 160 |
| فولاد کربنی متوسط | 170 – 250 |
| فولاد ضد زنگ | 150 – 200 |
| چدن خاکستری | 180 – 260 |
| فولاد ابزار سخت کاری شده | 600 – 800 |
| تیتانیوم خالص | 70 – 150 |
| آلیاژهای تیتانیوم | 200 – 400 |
| کاربید تنگستن | 1700 – 2400 |
جمع بندی
شناخت سختی فلزات یکی از پایه های اصلی در مهندسی مواد و طراحی صنعتی است. همان طور که در این مقاله مرکزآهن دیدیم، مقیاس های مختلفی برای سنجش سختی وجود دارد که هر کدام مزایا و محدودیت های خاص خود را دارند. از مقیاس ساده موس گرفته تا روش های دقیق تر مانند راکول، برینل و ویکرز، همگی ابزاری هستند برای مقایسه و تحلیل خواص مکانیکی فلزات. وجود جداول سختی فلزات و همچنین جدول تبدیل سختی فلزات به مهندسان و صنعتگران کمک می کند تا بین نتایج مختلف هماهنگی ایجاد کنند و بهترین تصمیم را در انتخاب مواد بگیرند. برای مثال، با مراجعه به جدول میزان سختی فولادها یا جدول سختی انواع فولاد می توان نوع فولاد مناسب برای ابزار برش یا قطعات سازه ای را انتخاب کرد.
از سوی دیگر، استفاده از جدول تبدیل سختی به استحکام کششی می تواند دید خوبی از مقاومت واقعی قطعه در شرایط کاری بدهد. در نهایت، چه در طراحی ابزارهای صنعتی، چه در انتخاب آلیاژهای مقاوم به سایش و چه در فرآیندهای سخت کاری فلزات، استفاده از جدول سختی فولاد و دیگر منابع مرجع ضروری است. این جداول، زبان مشترک مهندسان و تولید کنندگان هستند که با کمک آن ها می توان نیازهای صنعتی را به بهترین شکل پاسخ داد.
سوالات متداول
این جداول امکان مقایسه مقاومت فلزات در برابر سایش و خراش را فراهم می کنند و انتخاب بهینه برای کاربردهای مختلف را ساده تر می سازند. مهندسان با آن ها می توانند مواد مناسب برای ابزار، سازه یا قطعات صنعتی را تعیین کنند.
مقیاس موس فلزات نرم مانند سرب و آلومینیوم تا فلزات سخت تر مثل فولاد سخت کاری شده را شامل می شود. حتی مواد غیر فلزی مانند الماس نیز در این مقیاس قرار می گیرند.
با مشاهده جایگاه هر فلز در مقیاس ۱ تا ۱۰ موس می توان فلزات نرم مثل مس را از فلزات سخت تر مانند فولاد ابزار متمایز کرد. این مقایسه دید کلی برای انتخاب اولیه مواد فراهم می کند.
مقیاس موس سختی فلزات را به صورت مقایسه ای و بر اساس خراش پذیری نشان می دهد، در حالی که مقیاس راکول عددی و کمی است و بر اساس میزان نفوذ جسم سخت در فلز اندازه گیری می شود. به همین دلیل، راکول برای کاربردهای صنعتی و کنترل کیفیت بسیار دقیق تر و کاربردی تر از موس است.
فولادهای آلیاژی سخت کاری شده و کاربیدها در مقیاس برینل بالاترین اعداد سختی را دارند. این مواد معمولاً برای ابزارهای برش و قطعات مقاوم به سایش استفاده می شوند.
این جدول برای سنجش سختی پوشش های نازک، لایه‌های سطحی و نمونه های کوچک به کار می رود. به دلیل دقت بالا، در صنایع هوافضا و متالورژی پیشرفته رایج است.
هر مقیاس، روش اندازه گیری متفاوتی دارد؛ موس بر اساس خراش است، برینل و ویکرز بر اساس فرو رفتگی و راکول بر اساس عمق نفوذ. همین تفاوت باعث اختلاف مقادیر می شود.
مهندسان با این جداول، سختی مناسب برای ابزار برش، تیغه ها یا قطعات سازه ای را انتخاب می کنند. این کار مانع از شکست زودرس یا سایش سریع در تجهیزات می شود.
این جداول تنها سختی سطحی یا مقاومت در برابر نفوذ را نشان می دهند. کیفیت کلی فلز به عوامل دیگری مثل چقرمگی، شکل پذیری و ترکیب شیمیایی نیز بستگی دارد.
ترکیب شیمیایی، نوع آلیاژ، عملیات حرارتی و ساختار بلوری عوامل اصلی هستند. فلزاتی با پیوندهای قوی تر و ساختار متراکم معمولاً سختی بالاتری دارند.
مرکزآهن، مرجعی تخصصی و به روز برای کسب دانش و اطلاع از آخرین تحولات بازار آهن و فولاد است. با وبلاگ جامع ما، همیشه از آخرین اخبار و اطلاعات این صنعت آگاه باشید.