از ابتدای تاریخ تمام جنگ‌ها بر سر این موضوع بوده که چه کسی قوی‌تر است و چه کسی ضعیف‌تر. گاه این قدرت به معنی زور بازوی شخص بوده و گاه سلاح و توانایی استفاده از آن. بنابراین این مقایسه منحصر به انسان‌ها نبوده و در مواد مختلفی از جمله فلزات هم وجود دارد. در گذشته این مقایسه برای ساخت شمشیر و زره انجام می‌شده و امروزه برای استفاده در صنایع مختلف.
به عنوان مثال یک قاشق و یک لوله تانک را تصور کنید. آیا قدرت یا سختی فلزی که برای آن‌ها استفاده شده یکسان است؟ مشخص است که نه برای قاشق از فلز به کار رفته در لوله‌ی تانک استفاده می‌کنند و نه برای لوله‌ی تانک از فلز به کار رفته در قاشق. روش‌های گوناگونی برای آزمودن سختی میان مواد مختلف وجود دارد که یکی از این روش‌ها روش موس است. در این مقاله پس از شناخت مفهوم سختی و انواع آن به سختی موس و کاربردهای آن خواهیم پرداخت.
فهرست مطالب
سختی چیست؟
هر مادهای با وارد شدن میزان نیرویی خاص، شروع به تغییر شکل کرده و یا در مقابل مادهای دیگر خراشیده می‌شود. اما تا پیش از این اتفاقات، از خود مقاومت نشان داده و از تغییر شکل ممانعت می‌کند. به این مقاومت در برابر فرورفتگی، خراشیدگی و یا تغییر شکل سختی می‌گویند. سختی در واقع یک ویژگی مهم در علم و مهندسی مواد بوده و تاثیر مستقیمی بر دوام و مقاومت آن در برابر سایش می‌گذارد.
سختی هم مثل هر پارامتر دیگری با استفاده از روش‌های مختلف تست و آزمایش می‌شود. برخی از این روش‌ها عبارتند از تست سختی راکول، تست سختی ویکرز، تست سختی برینل و تست سختی موهس که هرکدام از مقیاس‌های گوناگونی برای تعیین سختی مواد استفاده می‌کنند. اما به طور کلی می‌توان از مقادیر عددی برای بیان این سختی استفاده کرد. به عنوان مثال در مقیاس سختی موهس می‌توان از اعداد 1 تا 10 برای بیان سختی استفاده کرد که 10 سخت‌ترین آن می‌باشد. بنابراین سختی یک ماده به روش آزمایش مورد استفاده و شرایط خاص آن بستگی داشته و می‌تواند در هر روش متفاوت باشد.
سختی در فلزات چگونه است؟
همان‌طور که گفتیم به مقاومت مواد در برابر فرورفتگی، تغییر شکل و خراشیدگی، سختی می‌گویند. در مورد فلزات هم همین گونه بوده و به حداکثر توان آن‌ها برای مقاومت در برابر تغییر شکل، سختی فلز گفته می‌شود. اما این میزان مقاومت ثابت نبوده و عواملی مثل ترکیب فلز، ریزساختار ماده و عملیات حرارتی انجام شده می‌توانند بر میزان سختی فلز تاثیرگذار باشند. روش‌های متفاوتی برای اندازه‌گیری و تعیین کمیت سختی فلزات وجود دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به تست سختی برینل، راکول، ویکرز و نوپ اشاره کرد.
این مقیاس‌ها به این صورت هستند که هر کدام از آن‌ها از روشی مجزا برای تست سختی فلز استفاده می‌کنند. به عنوان مثال در تست سختی برینل یک توپ فولادی را با نیرویی ثابت به فلز مورد نظر فشار می‌دهیم. هرچه مواد از سختی کمتری برخوردار باشند توپ به عمق بیشتری نفوذ می‌کند. اما در تست سختی راکول روش کار این گونه نبوده و دو فرورفتگی ایجاد شده در فلز را با هم مقایسه می‌کنند.
با استفاده از روش‌های مختلف تست سختی به این موضوع می‌رسیم که سختی فلزات به ترکیب آن‌ها نیز بستگی دارد. به طور مثال فلزاتی مثل تیتانیوم و تنگستن از سختی بالایی برخوردارند. اما فلزاتی مثل آلومینیوم و سرب که از سختی کمی برخورداند هم می‌توانند سخت‌تر شوند. چرا که انجام عملیات حرارتی مانند کوئنچینگ و تمپرینگ ریزساختار این فلزات را تغییر داده و باعث افزایش سختی آن‌ها می‌شوند.
به طور کلی سختی فلزات از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده و می‌تواند به تعیین مناسب بودن آن در صنایع مختلف کمک کند. به طور مثال اگر بخواهید از فلزی به عنوان ابزار برش یا چرخ دنده استفاده کنید تعیین سختی آن از اهمیت بالایی برخوردار است. چرا که هر قطعه‌ای نیاز به سختی مختص به خود دارد و نمی‌توان از فلزی نرم برای استفاده به عنوان چرخ‌دنده استفاده کرد. بنابراین تست سختی در صنایع و تولیدات مختلف اهمیت بسیار فراوانی دارد و اجرای آن می‌تواند در کیفیت محصول نهایی تاثیر مستقیمی داشته باشد.
انواع سختی و تست‌های آن
سخت بودن مواد می‌تواند از جنبه‌های گوناگونی مورد بررسی قرار بگیرد. به طور مثال اینکه ماده خراش بردارد، خم شود یا در آن فرو رفتگی ایجاد شود انواع مختلفی از سختی بوده و برای هر محصولی نوعی از آن مهم می‌باشد. در ادامه انواع سختی را با هم بررسی کرده و با نوع سنجش آن‌ها آشنا می‌شویم:
- سختی ویکرز: این نوع از سختی مربوط به مقاومت مواد در مقابل فرورفتگی می‌شود. تست این سختی به این صورت است که با فشار دادن الماسی مربع شکل یک فرورفتگی را در ماده ایجاد میکنیم. پس از اینکه فرو رفتگی ایجاد شد با توجه به میزان نیروی وارد شده سختی آن را با یک مقدار عددی تعیین میکنیم.
- سختی راکول: در روش راکول دو یا چند فرورفتگی ایجاد شده را با هم مقایسه میکنیم. در واقع کلیت این آزمایش به این گونه است که عمق یک فرورفتگی توسط یک نیروی زیاد را با نفوذ ایجاد شده توسط یک بار جزئی مقایسه میکنیم. از مقایسه آن دو میزان سختی ماده به دست می‌آید.
- سختی برینل: برینل در واقع به این صورت است که یک بار مشخص را با استفاده از یک گوی فولادی بر سطح ماده وارد میکنیم. قطر فرو رفتگی ایجاد شده را اندازه گرفته و مقدار سختی را بر اساس این قطر و میزان نیروی وارد شده و اندازه سطح ماده تعیین میکنیم.
- سختی شُر: این نوع از سختی مخصوص الاستومرها، لاستیک‌ها و سایر مواد نرم می‌باشد. تست این سختی به این صورت است که با استفاده از طول سنج به ماده فشار وارد کرده و میزان فشار و طول فرو رفتگی را انداره‌گیری میکنیم. حاصل این اندازه‌گیری عددی خواهد بود که به سختی شر شناخته می‌شود.
- سختی نوپ: این سختی مشابه سختی ویکرز می‌باشد. با این تفاوت که برای ایجاد فرورفتگی به جای الماس مربعی از الماسی هرمی شکل استفاده میکنیم. این نوع از تست سختی به طور معمول برای اندازه‌گیری سختی مواد شکننده یا نازک استفاده می‌شود.
- میکروسختی: تست میکروسختی شامل اندازه‌گیری سختی نمونه‌های کوچک یا نازک یا نواحی خاص در یک ماده است. برای انجام این تست از تجهیزات تخصصی‌ای استفاده کرده و با وارد کردن بارهای کم، فرورفتگی‌های کوچکی ایجاد می‌کنند. پس از آن با اندازه‌گیری نیرو و فرورفتگی ایجاد شده، سختی ماده را می‌سنجند.
- سختی موس: این سختی مربوط به مقاومت مواد در برابر سایش و خراش می‌باشد. در این تست مواد بر اساس توانایی‌شان در خراش دادن یکدیگر از 1 تا 10 رتبه‌بندی می‌شوند.
توجه به این نکته از اهمیت بالایی برخوردار است که هر روش برای تست سختی مادهای خاص مناسب می‌باشد. بنابراین انتخاب آزمون سختی مناسب به عواملی چون دقت مطلوب، نوع ماده و تجهیزات موجود بستگی دارد.
سختی موس چیست؟
Mohs مقیاسی برای اندازه‌گیری مقاومت مواد در برابر خراش می‌باشد. این مقیاس که توسط فردریش موهس (friedrich mohs)، کانی شناس آلمانی و در سال 1812 ساخته شد کانی‌ها را از 1 تا 10 بر اساس سختی نسبی آن‌ها مرتب می‌کند. این اعداد به این گونه هستند که به هر ماده عددی اختصاص داده می‌شود و هر مادهای که عدد بالاتری داشته باشد ماده‌ی سخت‌تری است. این مقیاس در اصل برای سنگ‌ها و کانی‌ها بوده اما برای فلزات هم کاربرد دارد. ابتدا سختی سنگ‌ها و کانی‌های مختلف را در جدول زیر بررسی کرده و در ادامه مقاله به کاربرد آن در فلزات خواهیم پرداخت.
| تالک | سنگ گچ | کلسیت | فلوریت | آپاتیت | فلدسپات ارتوکلاز | کوارتز | توپاز | کوروندوم | الماس | |
| میزان سختی | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| توضیحات | با ناخن خراشیده می‌شود | با ناخن خراشیده می‌شود | با میخ فولادی خراشیده می‌شود | با چاقو خراشیده می‌شود | به سختی با چاقو خراشیده می‌شود | با سوهان فولادی خراشیده می‌شود | به سختی با سوهان فولادی خراشیده می‌شود | با سنگ کوروندوم یا الماس خراشیده می‌شود | همه سنگ‌ها به جز الماس را خراش می‌دهد | همه سنگ‌ها را خراش می‌دهد |
سختی موس در فلزات
فردریش موهس این مقیاس را برای سنگ‌ها و کانی‌ها ابداع کرده و به طور عمده برای همین مواد استفاده می‌شد. اما امروزه می‌توان از این معیار برای فلزات هم استفاده کرده و آن‌ها را بر این اساس مرتب کرد. به همین منظور با توجه به جدول زیر که به جدول سختی موس در فلزات معروف است به این موضوع که کدام فلز در مقابل ساییدگی مقاوم‌تر است پی خواهیم برد.
| سدیم | سرب | قلع | آلومینیوم | مس | برنز | برنج | نقره | طلا | آهن | فولاد | پلاتین | کبالت | تیتانیوم | تنگستن | کاربید تنگستن |
| 0.5 | 1.5 | 1.5 | 2.75 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4.5 | 5 | 6 | 7.5 | 9 |
همان‌طور که مشخص است بر اساس مقیاس موهس، کاربید تنگستن نسبت به دیگر فلزات ذکر شده سخت‌تر بوده و مقاومت بیشتری را در مقابل ساییدگی از خود نشان می‌دهد. اما به هر حال روش موهس مخصوص کانی‌ها بوده و کمتر در فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
چگونه سختی موس یک ماده را مشخص کنیم؟
برای ارزیابی سختی یک ماده به روش موهس باید با استفاده از سنگ‌ها یا فلزاتی که در جداول بالا مشاهده می‌کنید بر روی آن خراش ایجاد کنیم. اگر ماده انتخاب شده سنگ است از سنگ‌ها و اگر فلز است از فلزات استفاده میکنیم. روش انجام این کار این گونه است که ابتدا نمونه را محکم در دست گرفته و سپس یکی از سنگ‌ها یا فلزات اصلی را انتخاب میکنیم. در مرحله بعد با فشار دادن آن بر ماده انتخاب شده سعی بر خراش انداختن روی آن میکنیم. در مرحله آخر هم وضعیت خراش ایجاد شده را بررسی می‌نماییم.
اما این موضوع را فراموش نکنید که حتما باید خراشی روی ماده ایجاد شده باشد. چرا که گاهی اثری قابل پاک شدن بر روی ماده به جا می‌ماند که به اشتباه تصور می‌شود خراش ایجاد شده است. این کار را آن قدر ادامه دهید تا یکی از سنگ‌ها یا فلزات اصلی توان خراش انداختن را نداشته باشد. زمانی که به این مرحله رسیدید مشخص می‌شود عدد سختی ماده‌ی مورد نظر عددی بین عدد آخرین ماده خراش‌دهنده و اولین مادهای که توان خراش انداختن را نداشته است، می‌باشد.
تاریخچه سختی موس
همان‌طور که در بخش‌های قبلی گفتیم در سال 1812 میلادی شخصی به نام فردریش موهس که کانی شناسی آلمانی بود مقیاسی را برای تعیین سختی کانی‌ها و مقایسه و رتبه‌بندی آن‌ها معرفی کرد. این روش که با هدف رسیدن به ارزیابی نسبی سختی مواد معدنی معرفی شده بود نیازی به تجهیزات تخصصی نداشت. چرا که در مرحله اول سختی مواد بر اساس مشاهدات ذهنی ارزیابی می‌شد. مثل پاسخ به این سوال که آیا یک کانی می‌تواند کانی دیگری را خراش دهد یا خیر. به همین دلیل این روش فاقد دقت لازم بوده و مقایسه دقیق سختی در کانی‌های مختلف را دشوار می‌کند.
بنا به تعریف گفته شده روش کار مقیاس موس بر اساس توانایی یک ماده معدنی در خراشیدن مادهای دیگر است. روش او به این صورت بود که 10 کانی را انتخاب کرده و آن‌ها را از نرم‌ترین تا سخت‌ترین کانی مرتب کرد. بر اساس مقیاس موهس تالک، سنگ گچ، کلسیت، فلوریت، آپاتیت، فلدسپات ارتوکلاز، کوارتز، توپاز، کوروندوم، الماس به ترتیب نرم‌ترین تا سخت‌ترین مواد معدنی میباشند. این مقیاس به دلیل سادگی و کاربردی بودن در بین کانی شناسان و زمین شناسان محبوب شد. کم کم و با گذر زمان این مقیاس به رسمیت شناخته شده و کاربردهایی فراتر از کانی شناسی پیدا کرد. به عنوان مثال صنایعی مثل گوهرشناسی، باستان شناسی، علم مواد و مهندسی برای مقایسه سختی مواد از این روش استفاده می‌کنند.
معایب تست سختی موس
به نوعی می‌توان گفت آسان‌ترین روش برای اندازه‌گیری سختی مواد، روش موس است. اما این روش هم بی عیب نبوده و محدودیت‌هایی را نیز به همراه دارد. برخی از محدودیت‌های تست سختی موس عبارتند از:
نسبی بودن اعداد سختی
در روش موهس اعدادی که به سختی ماده نسبت داده می‌شوند نسبی بوده و هیچ‌گاه نمی‌توان با این روش مقادیر سختی را با دقت بالایی به دست آورد. به همین دلیل است که از این روش برای کاربردهای علمی دقیق استفاده نمی‌شود.
نداشتن رابطه خطی با روش‌های دیگر
در روش موس اعداد به صورت تقریبی بوده و با روش‌های دیگر رابطه خطی ندارند. به طور مثال عدد سختی کانی‌های فلوئوریت و کلسیت در روش موس برابر با اعداد 3 و 4 می‌باشد که یک واحد اختلاف دارند اما در روش ویکرز این اختلاف 25 درصد می‌باشد. یا سختی کانی‌های کوروندوم و الماس در روش موس 9 و 10 می‌باشد و اختلاف آن یک واحد است. اما این اختلاف در روش ویکرز 300 درصد است. همان‌طور که مشخص است اختلاف سختی مواد در روش موهس به درستی لحاظ نشده و تنها به ترتیب آن‌ها اکتفا شده است.
شکستن برخی مواد حین انجام تست
برخی از موادی که روی آن‌ها تست موس انجام می‌شود ترد بوده و به راحتی می‌شکنند. بنابراین حین انجام آزمایش روی این مواد باید احتیاط زیادی را به خرج داد تا این مواد دچار شکستن نشوند.
سخت بودن آزمایش برای مواد کوچک
به طور مشخص ایجاد خراش روی یک ماده کوچک، کار راحتی نبوده و در صورت ریز بودن غیر ممکن است. بنابراین این روش در سایز نمونه محدودیت داشته و امکان انجام آن برای هر اندازه‌ای وجود ندارد.
پاسخ اشتباه در صورت وجود ناخالصی در ماده
برخی مواد شامل مقادیری از ناخالصی بوده و این امکان وجود دارد که در صورت انجام تست پاسخی با احتمال خطای زیاد به دست بیاید. بنابراین اگر مقدار سختی دور از انتظار به دست آمد باید آزمون را مجددا تکرار کرد.
کاربردهای تست سختی موهس
از تست سختی موهس در زمینه‌های مختلفی استفاده می‌شود. به طور مشخص تمام این زمینه‌ها از این تست استفاده می‌کنند تا موادی که در مقابل ساییدگی مقاومت‌ترند را پیدا کنند. در ادامه با برخی از کاربردهای این تست آشنا خواهیم شد:
شناسایی مواد معدنی
یکی از مهمترین کاربردهای آزمون سختی موس شناسایی مواد معدنی است. زمین شناسان و کانی شناسان از این آزمایش برای تعیین سختی نسبی کانی‌ها استفاده کرده و آن‌ها را طبقه‌بندی می‌کنند. آن‌ها می‌توانند با مقایسه مقاومت یک کانی ناشناخته با مواد معدنی، گونه‌های معدنی احتمالی را مشخص کنند.
کنترل کیفیت در تولید مواد
تست سختی موس در صنایعی که موادی با سختی خاص تولید می‌کنند استفاده می‌شود. به عنوان مثال برای ساخت سرامیک و فلزات و آلیاژهای آن می‌توان از تست سختی موس استفاده کرد تا اطمینان حاصل کرد که مواد تولید شده دارای سختی مورد نیاز میباشند. این موضوع به حفظ کنترل کیفیت مواد کمک کرده و ثبات در تولید را تضمین می‌کند.
بررسی و اکتشافات زمین شناسان
تست سختی می‌تواند در طول بررسی‌های زمین شناسی و فعالیت‌های اکتشافی ابزار مفیدی برای زمین شناسان باشد. این تست به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به سرعت، سختی سنگ‌ها و کانی‌هایی که با آن‌ها مواجه می‌شوند را ارزیابی کرده و اطلاعاتی را در مورد ترکیب عناصر و ارزش اقتصادی آن‌ها به دست آورند.
شناسایی سنگ‌های قیمتی
صنایع مربوط به سنگ‌های قیمتی می‌توانند از روش تست سختی موهس برای تشخیص سنگ‌های قیمتی اصل از مواد مصنوعی استفاده کنند. چرا که سختی سنگ‌های قیمتی مشخص بوده و با انتخاب سنگ‌های درست می‌توان اصل بودن سنگ را تشخیص داد. به طور مثال اگر الماس و کوروندوم را به هم بکشیم این کوروندوم است که خراش برمی‌دارد. بنابراین اگر کوروندوم را به سنگی که که فکر میکنیم الماس است بکشیم و آن سنگ خراش بردارد مشخص می‌شود سنگ مورد نظر اصل نبوده و تقلبی می‌باشد.
باستان شناسی و تجزیه و تحلیل مصنوعات
از این تست می‌توان برای ارزیابی دوام و مقاومت اشیا تاریخی در برابر سایش استفاده کرد. همچنین محققان با ارزیابی سختی برخی از مواد مورد استفاده در مصنوعات می‌توانند بینشی درمورد تکنیک‌ها، ابزارها و مواد به کار رفته در تمدن‌های باستانی به دست آورند.
اهداف آموزشی
آزمون سختی موهس در برخی مراکز آموزشی و موزه‌ها برای نشان دادن مفهوم سختی معدنی و آشنایی دانش‌آموزان با رشته کانی شناسی استفاده می‌شود.
جمع‌بندی
مقیاس موس برای پیدا کردن میزان مقاومت مواد در مقابل خراش و ساییدگی انجام می‌گیرد. در این روش با استفاده از 10 سنگ اصلی که عدد سختی آن‌ها مشخص است سعی میکنیم تا روی ماده مورد آزمایش خراش بیندازیم. با این کار محدوده ماده مورد نظر را پیدا کرده و مقدار نسبی سختی آن را مشخص میکنیم.
اما این کار برای سنگ‌ها و کانی‌ها مناسب بوده و برای مواد دیگر باید از روش‌های جایگزینی استفاده کرد. به طور مثال در فلزات این روش خیلی مناسب نبوده و می‌توان برای آن‌ها از روش‌هایی مثل برینل و راکول استفاده کرد. اما با این همه با توجه به توضیح روش موهس می‌توان دو فلز را به همین شکل هم سختی‌سنجی کرد. یعنی دو فلز را بر هم کشیده و فلزی را که خراش ایجاد کند سخت‌تر از فلز دیگر در نظر می‌گیریم. به همین صورت تمام فلزات را بر اساس روش موهس رتبه‌بندی میکنیم.
پرسش و پاسخ
با اینکه در مقیاس سختی موهس بیشترین عدد برای الماس در نظر گرفته شده است اما الماس سخت‌ترین ماده جهان نیست. محققان پس از آزمایشات فراوان گزارش داده‌اند که موادی مثل نیترید بور و لونسدالیت از الماس سخت‌تر بوده و می‌توانند روی آن خراش ایجاد کنند.
شاید ماده معدنیای وجود نداشته باشد که از تالک نرمتر باشد اما فلزاتی مثل سزیم، روبیدیم، لیتیوم، سدیم و پتاسیم از این ماده نرمتر میباشند. آیا مادهای وجود دارد که روی الماس خراش ایجاد کند؟
آیا مادهای نرمتر از تالک وجود دارد؟
مقالات در گروه صبا | نویسنده : امین شاکری | بروزرسانی : 4 تیر 1402
