ความแข็งคืออะไร และหมายถึงอะไร การสำรวจความทนทานของวัสดุ

ในด้านวัสดุศาสตร์ ความแข็ง (Hardness) (คำตรงข้าม: ความนุ่มนวล) คือการวัดความต้านทานต่อการเสียรูปของวัสดุต่างๆ ได้แก่ โลหะ อโลหะ หรือ พลาสติกเฉพาะบริเวณนั้นๆ เช่นความต้านทานต่อรอยขีดข่วน การตัด การเฉือน หรือการดัดงอ

โดยทั่วไปวัสดุที่แตกต่างกันจะมีความแข็งต่างกัน ตัวอย่างเช่น โลหะแข็งเช่นไทเทเนียมและเบริลเลียมจะแข็งกว่าโลหะอ่อนเช่นโซเดียมและดีบุกหรือไม้และพลาสติกทั่วไป

ความแข็งมาจากลักษณะเฉพาะด้วยพันธะระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่ง แต่พฤติกรรมของวัสดุที่เป็นของแข็งภายใต้แรงนั้นมีความซับซ้อน ดังนั้นจึงสามารถวัดความแข็งได้หลายวิธีเช่นความแข็งจากการขีดข่วน ความแข็งของการเยื้อง และความแข็งของการเด้งกลับ ความแข็งขึ้นอยู่กับความเหนียว ตัวอย่างทั่วไปของวัตถุแข็ง ได้แก่ เซรามิก คอนกรีต โลหะบางชนิด และวัสดุที่มีความแข็งยิ่งยวด

การวัดความแข็ง (Hardness Measurement)

การวัดความแข็งถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการควบคุมคุณภาพของวัสดุ เนื่องจากเป็นการวัดที่รวดเร็วและถือเป็นการทดสอบแบบไม่ทำลาย มีวิธีการต่างๆ มากมายที่ใช้ในการกำหนดความแข็งของสาร มีการแนะนำวิธีการทั่วไปบางประการด้านล่างนี้

ความแข็งของรอยขีดข่วน (Scratch hardness)

ความแข็งจากการขีดข่วนเป็นการวัดว่าตัวอย่างทนทานต่อการแตกหักหรือการเปลี่ยนรูปถาวรของพลาสติกอย่างถาวรเนื่องจากการเสียดสีจากวัตถุมีคมได้มากเพียงใด

หลักการก็คือวัตถุที่ทำจากวัสดุที่แข็งกว่าจะเกิดรอยขีดข่วนบนวัตถุที่ทำจากวัสดุที่อ่อนกว่า เมื่อทดสอบการเคลือบ ความแข็งของรอยขีดข่วนหมายถึงแรงที่จำเป็นในการตัดฟิล์มไปยังพื้นผิว การทดสอบที่พบบ่อยที่สุดคือมาตราส่วน Mohs ซึ่งใช้ในวิทยาแร่ เครื่องมืออย่างหนึ่งในการวัดนี้คือสเคลอโรมิเตอร์

ความแข็งของการเยื้อง (Indentation hardness)

ความแข็งของการเยื้องจะวัดความต้านทานของตัวอย่างต่อการเสียรูปของวัสดุเนื่องจากแรงอัดคงที่จากวัตถุมีคม การทดสอบความแข็งของการเยื้องจะใช้ในด้านวิศวกรรมและโลหะวิทยาเป็นหลัก

การทดสอบทำงานบนพื้นฐานการวัดขนาดวิกฤตของการเยื้องที่เหลือจากหัวกดที่มีขนาดเฉพาะและโหลด มาตราส่วนความแข็งของการเยื้องทั่วไปได้แก่ Rockwell, Vickers, Shore และ Brinell และอื่นๆ อีกมากมาย

ความแข็งเด้งกลับ (Rebound hardness)

ความแข็งของการสะท้อนกลับหรือที่เรียกว่าความแข็งแบบไดนามิก วัดความสูงของ “การกระดอน” ของค้อนปลายเพชรที่ตกลงจากความสูงคงที่ลงบนวัสดุ

ความแข็งประเภทนี้เกี่ยวข้องกับความยืดหยุ่น อุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดนี้เรียกว่าสเคลอสโคป และการทดสอบความแข็งของการสะท้อนกลับของ Leeb และระดับความแข็งของ Bennett วิธีอัลตราโซนิคคอนแทคอิมพีแดนซ์ (UCI) กำหนดความแข็งโดยการวัดความถี่ของแท่งสั่น ก้านประกอบด้วยเพลาโลหะที่มีส่วนประกอบแบบสั่นและมีเพชรรูปปิรามิดติดอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง

หน่วยความแข็งที่แตกต่างกัน

ความแข็งมีหน่วย SI คือ N/mm² หน่วยปาสคาลจึงใช้สำหรับความแข็งเช่นกัน แต่ความแข็งต้องไม่สับสนกับความดัน

ความแข็งประเภทต่างๆ ที่กล่าวถึงข้างต้นมีระดับการวัดที่แตกต่างกัน สำหรับความแข็งของรอยขีดข่วน การเยื้อง และการดีดกลับ วิธีการวัดจะแตกต่างกันไป (เช่น Brinell, Rockwell, Knoop, Leeb และ Meyer) เนื่องจากหน่วยได้มาจากวิธีการวัดเหล่านี้ จึงไม่เหมาะสำหรับการเปรียบเทียบโดยตรง

อย่างไรก็ตาม คุณสามารถใช้ตารางการแปลงเพื่อเปรียบเทียบค่า Rockwell (B & C), Vickers และ Brinell ได้ตลอดเวลา ตารางเช่นนี้ไม่ได้แม่นยำ 100% แต่เป็นข้อบ่งชี้ที่ดี

Brinell Hardness	Rockwell	Rockwell	Vickers	N/mm²
HB	HRC	HRB	HV
469	50	117	505
468	49	117	497
456	48	116	490	1569
445	47	115	474	1520
430	46	115	458	1471
419	45	114	448	1447
415	44	114	438	1422
402	43	114	424	1390
388	42	113	406	1363
375	41	112	393	1314
373	40	111	388	1265
360	39	111	376	1236
348	38	110	361	1187
341	37	109	351	1157
331	36	109	342	1118
322	35	108	332	1089
314	34	108	320	1049
308	33	107	311	1035
300	32	107	303	1020
290	31	106	292	990
277	30	105	285	971
271	29	104	277	941
264	28	103	271	892
262	27	103	262	880
255	26	102	258	870
250	25	101	255	853
245	24	100	252	838
240	23	100	247	824
233	22	99	241	794
229	21	98	235	775
223	20	97	227	755
216	19	96	222	716
212	18	95	218	706
208	17	95	210	696
203	16	94	201	680
199	15	93	199	667
191	14	92	197	657
190	13	92	186	648
186	12	91	184	637
183	11	90	183	617
180	10	89	180	608
175	9	88	178	685
170	7	87	175	559
167	6	86	172	555
166	5	86	168	549
163	4	85	162	539
160	3	84	160	535
156	2	83	158	530
154	1	82	152	515
149		81	149	500