تفاوت چقرمگی و سختی

سختی فولاد (Hardness) و چقرمگی (Toughness)، تعیین می‌کنند که یک قطعه فولادی در مواجهه با مشکلات مختلف کاری چقدر می‌تواند دوام بیاورد و خوب عمل کند. شاید فکر کنید هر دوی آن‌ها به معنای محکم بودن هستند، اما تفاوت‌های بسیار مهمی دارند. به‌صورت کلی، سختی نمی‌گذارد سطح آسیب ببیند، چقرمگی نمی‌گذارد کل قطعه از هم بپاشد. در ادامه، با میهن فولاد همراه باشید تا بیشتر تفاوت چقرمگی و سختی را بررسی کنیم.

سختی فولاد (Hardness)

برای بررسی تفاوت چقرمگی و سختی، نیاز است ابتدا با مفهوم هر یک از این دو آشنا شویم. سختی یعنی مقاومت فولاد در برابر خراشیده شدن، ساییده شدن، یا فرو رفتن یک جسم نوک‌تیز در آن. این ویژگی بیشتر مربوط به سطح قطعه است. اگر یک قطعه فولادی خیلی سخت باشد، به راحتی نمی‌توانید با یک سوهان روی آن خط بیندازید یا با یک ابزار دیگر آن را تغییر شکل دهید. فولادهایی که برای ابزار برش یا قطعاتی که مدام در حال برخورد با یکدیگر هستند استفاده می‌شوند، نیاز به سختی بالا دارند تا لبه خود را حفظ کرده و زود فرسوده نشوند.

چقرمگی فولاد (Toughness)

چقرمگی یعنی توانایی فولاد برای جذب کردن انرژی حاصل از یک ضربه یا بار ناگهانی، بدون اینکه بشکند. این یک ویژگی کلی و حجمی برای کل قطعه است. یک فولاد چقرمه نه تنها قوی است، بلکه انعطاف‌پذیری کافی هم دارد تا قبل از اینکه کاملا خرد شود، کمی خم شده یا تغییر شکل دهد و انرژی ضربه را مصرف کند. این ویژگی در تفاوت چقرمگی و سختی، دقیقا همان چیزی است که باعث می‌شود یک میل‌لنگ در موتور ماشین، تحت فشار و ضربات مداوم، ناگهان نشکند.

تفاوت سختی و چقرمگی در مکانیزم شکست

وقتی یک فولاد تحت فشار شدید قرار می‌گیرد، بسته به اینکه سخت است یا چقرمه، به دو شکل متفاوت واکنش نشان می‌دهد. تفاوت چقرمگی و سختی در مکانیزم شکست به شکل زیر است:

1. شکست در فولادهای سخت (شکننده): فولادهایی که برای رسیدن به سختی بسیار بالا، انعطاف‌پذیری خود را از دست داده‌اند، معمولا بسیار شکننده هستند. این فولادها اگر ترک کوچکی در آن‌ها ایجاد شود یا ضربه‌ای ناگهانی بخورند، بدون هیچ مقدمه‌ای و بدون اینکه از خودشان تغییر شکل زیادی نشان دهند، ناگهان می‌شکنند. این شکست شبیه شکستن یک شیشه بوده، چون فرصتی برای جذب انرژی نداشته است.
2. شکست در فولادهای چقرمه (نرم): در تفاوت چقرمگی و سختی می‌توان گفت، فولادهای چقرمه قبل از اینکه تسلیم شوند، خم می‌شوند، کش می‌آیند و تغییر شکل پلاستیک زیادی از خود نشان می‌دهند. این تغییر شکل، مانند یک ضربه‌گیر عمل کرده و انرژی زیادی را مصرف می‌کند. به همین دلیل، شکست آن‌ها به کندی رخ می‌دهد و به اصطلاح شکست نرم است. از طرفی، این مسئله در سازه‌هایی مثل پل‌ها یا تجهیزات معدنی نیاز خواهد شد؛ به‌خاطر اینکه شکست نباید ناگهانی باشد تا فرصت لازم برای واکنش و تعمیر وجود داشته باشد.

عوامل موثر در تفاوت چقرمگی و سختی

تنظیم و میزان تفاوت چقرمگی و سختی را با دستکاری ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی انجام می‌دهند.

ترکیب شیمیایی

• کربن: افزایش مقدار کربن و عناصر آلیاژی خاص مثل کروم یا مولیبدن، باعث می‌شود فولاد پتانسیل رسیدن به سختی‌های فوق‌العاده بالا را داشته باشد. اما متاسفانه، هرچه فولاد کربن بیشتری داشته باشد و سخت‌تر شود، معمولا چقرمگی آن پایین‌تر می‌آید و شکننده‌تر می‌شود.
• نیکل و منگنز: این عناصر آلیاژی می‌توانند به فولاد قدرت بدهند بدون اینکه انعطاف‌پذیری آن را به شدت کاهش دهند. به همین دلیل در فولادهایی که نیاز به مقاومت در برابر ضربه و کار در دمای پایین دارند، بسیار مهم هستند.
• ناخالصی‌ها: وجود عناصر ناخواسته مثل گوگرد و فسفر در فولاد، به شدت چقرمگی فولاد را کم می‌کنند، چون به سادگی به نقاط شروع ترک تبدیل می‌شوند.

عملیات حرارتی

• عملیات کوئنچ (سرد کردن سریع): دیگر تفاوت چقرمگی و سختی، این است که فرآیند کوئنچ، فولاد را به یک ساختار بسیار سخت و شکننده به نام مارتنزیت تبدیل می‌کند. اینجا سختی به اوج می‌رسد، اما چقرمگی کم می‌شود.
• عملیات تمپر (بازپخت): عملیات تمپرینگ، در واقع فرآیند کمتر کردن تضاد بین سختی و چقرمگی است. پس از کوئنچ، فولاد را تا دمای مشخصی گرم می‌کنیم. این کار باعث می‌شود مقداری از سختی کم شود، اما در عوض، چقرمگی به شدت بالا می‌رود. 

چگونه چقرمگی فولاد اندازه‌گیری می‌شود؟

برای اندازه‌گیری چقرمگی، ما باید ببینیم چقدر انرژی لازم است تا قطعه را بشکنیم. این کار با یک آزمایش خاص انجام می‌شود:

آزمون ضربه شارپی (Charpy Impact Test)

این آزمون رایج‌ترین روش برای تعیین چقرمگی است. در این آزمون، یک نمونه فولادی را که عمدا در آن یک شیار (برش کوچک) ایجاد کرده‌ایم، زیر یک آونگ سنگین قرار می‌دهیم. آونگ را رها می‌کنیم تا با سرعت و شدت به نمونه ضربه بزند. مقدار انرژی‌ای که آونگ در هنگام شکستن نمونه از دست می‌دهد (بر حسب ژول)، نشان‌دهنده چقرمگی فولاد است.

نکته مهم: چقرمگی فولاد به شدت به دما وابسته است. به همین دلیل ما این تست را در دماهای مختلف انجام می‌دهیم تا بفهمیم فولاد در سرما چقدر زود شکننده می‌شود (به این، دمای انتقال می‌گویند).

چه آزمون‌هایی سختی فولاد را مشخص می‌کنند؟

اندازه‌گیری سختی بسیار ساده‌تر است و معمولا با فشار دادن یک جسم بسیار سخت به سطح فولاد انجام می‌شود:

۱. آزمون سختی راکول (Rockwell Test – HRC)

این روش سریع‌ترین و پرتکرارترین روش در کارخانه‌هاست. با یک سوزن یا مخروط الماسی، با یک نیروی مشخص روی فولاد فشار می‌آوریم و عمق فرورفتگی را اندازه می‌گیریم. هرچه فرورفتگی کمتر باشد، فولاد سخت‌تر است. مقیاس HRC برای فولادهای سخت بسیار رایج است.

۲. آزمون سختی برینل (Brinell Test – HB)

در این روش از یک گلوله فولادی یا کاربیدی بزرگ‌تر استفاده می‌شود. این روش برای موادی که سطح آن‌ها کمی ناهمگن است، بهتر عمل می‌کند و یک عدد سختی کلی‌تر به ما می‌دهد.

۳. آزمون سختی ویکرز (Vickers Test – HV)

این روش از یک هرم نوک‌تیز الماسی استفاده می‌کند و به ما اجازه می‌دهد حتی سختی‌های بسیار موضعی و نقاط کوچک روی سطح فولاد را با دقت بالا اندازه‌گیری کنیم.

تفاوت چقرمگی و سختی در کاربرد

در انتخاب مواد، همیشه باید بپرسیم: آیا این قطعه بیشتر در معرض سایش است یا ضربه؟ در جدول زیر می‌توانید تفاوت چقرمگی و سختی در کاربردهای مختلف را ببینید:

برای درک بهتر تفاوت چقرمگی و سختی، اینطور در نظر بگیرید که برای ساخت یک تیغه اره برش سنگ، به حداکثر سختی ممکن نیاز داریم تا لبه آن در مواجهه با سنگ سایش پیدا نکند. اما برای ساخت شاسی یک خودروی سنگین، به چقرمگی بسیار بالا نیاز داریم تا در تصادفات و جاده‌های ناهموار، شاسی خم شود و انرژی را جذب کند، اما ناگهان از وسط نشکند.

کدام مهم‌تر است؟

شما نمی‌توانید یک قطعه فولادی فوق‌العاده سخت را در یک سازه بزرگ که تحت بارهای ناگهانی است، استفاده کنید، چرا که با اولین ضربه می‌شکند. همچنین، نمی‌توانید از یک فولاد بسیار چقرمه و نرم برای ساخت یک چاقوی جراحی استفاده کنید، چون لبه آن به سرعت کُند می‌شود. اینکه در بحث تفاوت چقرمگی و سختی، بگوییم کدام مهمتر است، کاملا به کاربرد محصول بستگی دارد. درواقع می‌توان گفت، هدف سازگاری و تعادل در محصول است. برای همین، در بسیاری از قطعات، عملیات سخت‌کاری سطحی انجام داده می‌شود. 

جدول مقایسه تفاوت چقرمگی و سختی

مقایسه کلی تفاوت چقرمگی و سختی:

در این مقاله، سعی کردیم به‌صورت کامل تفاوت چقرمگی و سختی را بررسی کنیم. علاوه‌بر نکات گفته شده تا اینجا، شما می‌توانید برای مشاوره تخصصی یا استعلام یا خرید فولاد آلیاژی با کارشناسان ما تماس بگیرید.

سوالات متداول

1. آیا ممکن است یک فولاد هم سخت و هم چقرمه باشد؟
   بله، دقیقا هدف عملیات حرارتی در صنعت فولاد همین است. در طبیعت، سختی و چقرمگی کمی با هم تضاد دارند؛ افزایش یکی باعث کاهش دیگری می‌شود. اما فرآیند کوئنچ و تمپر (Quench and Temper) این مشکل را حل می‌کند. فولاد را ابتدا خیلی سخت (و شکننده) کرده (کوئنچ)، سپس آن را در دمای کنترل شده‌ای دوباره گرم می‌کنند (تمپر). این گرمایش باعث می‌شود مقداری از سختی کم شود، اما در عوض، چقرمگی به میزان قابل قبولی افزایش یابد.
2. دمای انتقال نرم به شکننده چه اهمیتی در چقرمگی دارد؟
   دمای انتقال نرم به شکننده (DBTT)، نقطه‌ای است که در آن، فولاد عوض می‌شود. این دما مرزی است که اگر دمای محیط کار قطعه از آن پایین‌تر بیاید، فولاد از حالت چقرمه و مقاوم به ضربه خارج شده و به یکباره بسیار شکننده می‌شود. این موضوع برای قطعاتی که در محیط‌های سرد کار می‌کنند، مثلا در خطوط لوله گاز در مناطق سردسیر یا سازه‌های کشتی‌ها، بسیار مهم است. مهندسان همیشه باید مطمئن شوند که پایین‌ترین دمای محیطی که قطعه در آن کار می‌کند، بالاتر از این دمای انتقال بحرانی باشد تا فاجعه شکست ناگهانی رخ ندهد.
3. چرا سختی فولادهای سطحی سخت‌کاری شده و فولاد ابزار متفاوت است؟
   فولاد ابزار (مثل مته‌ها یا تیغه‌ها) باید در تمام حجم خود بسیار سخت باشد (مثلا بالای 60 HRC) چون کار اصلی آن‌ها برش دادن و سایش است و باید یکپارچه سخت و مقاوم باشند. اما قطعاتی که تحت سخت‌کاری سطحی (مانند کربن‌دهی) قرار می‌گیرند (مثل چرخ‌دنده‌ها)، برای مقاومت در برابر دو نوع تنش مختلف طراحی شده‌اند. سطح آن‌ها فوق‌العاده سخت می‌شود تا در برابر سایش دندانه‌ها مقاومت کند، اما هسته داخلی قطعه عمدا نرم و چقرمه نگه داشته می‌شود تا بتواند فشار و ضربات سنگین هنگام درگیری دنده‌ها را جذب کند و قطعه از داخل نشکند.