ทำความเข้าใจความแข็ง (Hardness) คืออะไร? และวิธีการทดสอบ

ความแข็ง (Hardness) คือการวัดความต้านทานของวัสดุต่อการเสียรูปถาวรเฉพาะจุด วัสดุบางชนิดมีความแข็งตามธรรมชาติตัวอย่างเช่นทังสเตนเป็นโลหะที่มีความแข็งอย่างเหลือเชื่อซึ่งใช้เป็นองค์ประกอบโลหะผสมในเหล็กกล้าเครื่องมือ ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่ากลุ่มเหล็กนี้สามารถต้านทานการสึกหรอได้แม้ในอุณหภูมิสูงระหว่างการตัด

คาร์ไบด์ซีเมนต์ซึ่งใช้กันมากในเครื่องตัดกัด มักมีทังสเตนรวมอยู่ด้วย หัวกัดเครื่องมือตัดที่เปลี่ยนได้เหล่านี้ช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือตัดได้อย่างมาก

ในทางกลับกันวัสดุบางชนิด รวมทั้งโลหะมีความอ่อนจนถึงจุดที่ทำให้ไม่สามารถใช้งานได้ในหลายๆ การใช้งาน เช่นทองคำบริสุทธิ์มีความอ่อนมากจนไม่ต้องใช้ความพยายามมากนักในการขูดหรือดัด ดังนั้นการเติมโลหะอื่นๆ เช่นเงิน ทองแดง และอลูมิเนียม จึงมีความจำเป็นในการเพิ่มความแข็งของทอง

สำหรับวัสดุบางชนิดการอบชุบด้วยความร้อนช่วยให้พื้นผิวมีความแข็งมากขึ้นในขณะที่ยังคงคุณสมบัติอื่นๆ ของโลหะในแกนกลางเอาไว้ เพลาเครื่องจักรมักจะผ่านกระบวนการนี้เพื่อรับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น

ประเภทของความแข็ง

วัสดุแต่ละชนิดมีพฤติกรรมแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นโลหะที่รับแรงกระแทกได้แรงเพียงครั้งเดียวก็อาจไม่สามารถทนต่อการรับน้ำหนักต่อเนื่องได้ ต้องทำการทดสอบความแข็งในแต่ละกรณีเพื่อให้สามารถเลือกใช้วัสดุได้อย่างชาญฉลาด

ความแข็งของวัสดุแบ่งได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ความแข็งจากการขีดข่วน (Scratch Hardness) จากการคืนตัว (Rebound Hardness) และจากการกด (Indentation Hardness)

ดังนั้นการวัดความแข็งแต่ละประเภทต้องใช้ชุดเครื่องมือที่แตกต่างกัน นอกจากนี้วัสดุชนิดเดียวกันจะมีค่าที่แตกต่างกันสำหรับแต่ละประเภทที่กล่าวถึงข้างต้น

ความแข็งต่อรอยขีดข่วน (Scratch Hardness)

ความแข็งประเภทนี้หมายถึงความสามารถของวัสดุในการต้านทานรอยขีดข่วนบนพื้นผิว รอยขีดข่วนคือรอยบุ๋มเล็กๆ ต่อเนื่องบนชั้นบนสุดอันเนื่องมาจากการสัมผัสกับวัสดุที่คมและแข็งกว่า

การทดสอบรอยขีดข่วนมักใช้กับวัสดุเปราะบางเช่นเซรามิก เนื่องจากวัสดุเหล่านี้ไม่เกิดการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญ การพิจารณาความแข็งต่อรอยขีดข่วนเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากการใช้งานวัสดุบางอย่างมีความอ่อนไหวต่อรอยขีดข่วนสูง

อีกตัวอย่างคือกรณีของปลอกสูบเครื่องยนต์ รอยขีดข่วนอาจเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ พื้นผิวของปลอกสูบสัมผัสกับโลหะหลายชนิดเช่น แหวนลูกสูบ และวัสดุแปลกปลอมในน้ำมันเชื้อเพลิงหรือน้ำมันหล่อลื่นอาจทำให้เกิดรอยขีดข่วนได้

ความแข็งจากการสะท้อนกลับ (Rebound Hardness)

ความแข็งจากการสะท้อนกลับ (Rebound Hardness) หรือที่เรียกอีกอย่างว่าความแข็งแบบไดนามิก เป็นการวัดความสูงของ “การดีดกลับ” ของค้อนปลายเพชรที่ตกลงมาจากความสูงคงที่ลงบนวัสดุ ความแข็งประเภทนี้เกี่ยวข้องกับความยืดหยุ่น

หน่วยที่ใช้วัดความแข็งจากการดีดกลับได้แก่การทดสอบความแข็งของลีบ (Leeb)

ความแข็งจากการกด (Indentation Hardness)

ความแข็งประเภทนี้หมายถึงความต้านทานต่อการเสียรูปถาวรเมื่อต้องรับน้ำหนักวัสดุอย่างต่อเนื่อง เป็นสิ่งที่วิศวกรและนักโลหะวิทยามักพูดถึงเมื่อพูดถึง

การทดสอบความแข็งจากการกดจะใช้ในวิศวกรรมเครื่องกลเพื่อกำหนดความแข็งของวัสดุต่อการเสียรูป มีการทดสอบดังกล่าวอยู่หลายวิธี โดยที่วัสดุที่ตรวจสอบจะถูกกดจนเกิดรอยกด

เมื่อทำการทดสอบโลหะ ความแข็งจากการกดจะสัมพันธ์เชิงเส้นกับความแข็งแรงในการดึงโดยประมาณ โดยใช้เครื่องทดสอบความแข็งแบบ Rockwell

หน่วยวัดความแข็งของวัสดุ

หน่วย SI ของความแข็งคือ N/mm² แต่ละประเภทที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้มีหน่วยการวัดที่แตกต่างกัน หน่วยต่างๆ มาจากวิธีการวัดแต่ละวิธี

ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับการเปรียบเทียบโดยตรง อย่างไรก็ตาม มีตารางการแปลงที่คุณสามารถใช้เพื่อเปรียบเทียบได้ เพราะการเปรียบเทียบอาจไม่แม่นยำ 100% แต่จะให้ค่าบ่งชี้ที่เหมาะสม

หน่วยทั่วไปสำหรับการวัดความแข็ง ได้แก่ ค่าความแข็ง Brinell (HB), ค่าความแข็ง Rockwell (HRA, HRB, HRC เป็นต้น), ค่าความแข็ง Leeb (HLD, HLS, HLE เป็นต้น) และค่าความแข็ง Vickers (HV) เราได้เปรียบเทียบวิธีการวัดในตารางด้านล่าง