מושג הקשיות
קשיות (hardness) היא העמידות של חומר בפני עיוות פלסטי מקומי — בדרך כלל בפני חדירה, שריטה או שחיקה של פני השטח. ככל שקשה יותר ל”שרוט” או “לשקע” חומר, כך הוא קשה יותר.
חשוב להבחין מיד בין קשיות לבין מושגים קרובים שכבר פגשנו:
- קשיות אינה קשיחות (stiffness). קשיחות היא ההתנגדות לעיוות אלסטי (מודול יאנג); קשיות היא ההתנגדות לעיוות פלסטי מקומי. יהלום קשה מאוד, אך זכוכית וגומי יכולים להיות בעלי קשיחות דומה ובכל זאת קשיות שונה לחלוטין.
- קשיות אינה חוזק, אם כי השתיים קשורות (כפי שנראה בסוף הפרק).
הקשיות פופולרית מאוד בתעשייה משום שמדידתה מהירה, זולה וכמעט בלתי-הרסנית: די לשקע חודרן קטן בפני השטח, מבלי להרוס את הרכיב כולו (בניגוד לניסוי מתיחה, ההורס את המדגם). מסיבה זו הקשיות משמשת לעיתים קרובות כבדיקת איכות שגרתית בקו הייצור.
עיקרון המדידה המודרני אחיד: לוחצים גוף קשה מאוד (חודרן, indenter) בעל צורה ידועה אל פני השטח, בכוח נתון, ומודדים את גודל השקע שנותר. שקע גדול → חומר רך; שקע קטן → חומר קשה.
שיטות מדידה
קיימות כמה שיטות, הנבדלות בצורת החודרן, בחומר שממנו הוא עשוי, ובאופן שבו מחושב מספר הקשיות. אין “המרה” מדויקת אחת בין הסולמות, ולכן תמיד יש לציין באיזו שיטה נמדדה הקשיות.
סולם מוס (Mohs) — השיטה העתיקה והפשוטה ביותר, מתחום המינרלוגיה. זהו סולם השוואתי (לא כמותי) מ-1 עד 10, המבוסס על שאלה אחת: מי שורט את מי? טלק = 1 (הרך ביותר), יהלום = 10 (הקשה ביותר). מינרל שורט כל מינרל בעל מספר נמוך משלו. הסולם נוח לזיהוי מינרלים בשדה, אך אינו ליניארי ואינו מדויק דיו לצרכים הנדסיים.
ברינל (Brinell, HB) — לוחצים כדור קשיח (פלדה מוקשית או קרביד) אל פני השטח בכוח נתון, ומודדים את קוטר השקע העגול שנותר. מספר הקשיות הוא הכוח חלקי שטח השקע. מתאים לחומרים רכים עד בינוניים ולמבנה גס (כגון יצקות), משום שהשקע גדול וממצע על פני שטח רחב. חסרונו: לא מתאים לחומרים קשים מאוד או לרכיבים דקים.
ויקרס (Vickers, HV) — החודרן הוא פירמידה מיהלום בעלת בסיס מרובע. מודדים את אלכסוני השקע המרובע. יתרונו הגדול: סולם אחד רציף המשמש לכל החומרים, מן הרכים ועד הקשים ביותר, וכן מתאים למדידות מיקרו (על גרגר בודד). זו השיטה המדויקת והגמישה ביותר, ולכן נפוצה מאוד במחקר.
רוקוול (Rockwell, HR) — השיטה הנפוצה ביותר בתעשייה בזכות מהירותה ונוחותה. כאן לא מודדים שטח אלא עומק חדירה, והמכשיר מציג את התוצאה ישירות, ללא צורך במיקרוסקופ או חישוב. קיימים כמה סולמות (HRC, HRB וכו’) לפי סוג החודרן והעומס, המתאימים לטווחי קשיות שונים — למשל HRC לפלדות מוקשות.
קנופ (Knoop, HK) — וריאציה של ויקרס, עם חודרן פירמידלי מאורך (כמעין יהלום צר). השקע הרדוד והארוך מתאים במיוחד למדידת חומרים פריכים מאוד (כגון קרמיקה וזכוכית) ולשכבות דקות, שבהן חודרן ויקרס היה גורם סדיקה.
קשר בין קשיות לחוזק
הקשיות והחוזק אינם אותו דבר, אך הם קשורים זה לזה בקשר הדוק — ומסיבה פיזיקלית טובה: שניהם נשלטים על ידי אותו מנגנון, ההתנגדות לעיוות פלסטי (כלומר, ההתנגדות לתנועת דיסלוקציות). חומר שקשה להשקיע בו שקע הוא בדרך כלל גם חומר שקשה למתוח עד כניעה.
עבור פלדות, למשל, קיים קשר אמפירי שימושי ופשוט בין חוזק המתיחה לבין קשיות ברינל:
קשר זה הוא כלי מעשי רב-ערך: הוא מאפשר לאמוד את חוזק המתיחה של רכיב בעזרת מדידת קשיות מהירה ובלתי-הרסנית, בלי להקריב את הרכיב בניסוי מתיחה. יש לזכור שזהו קשר מקורב ואמפירי, התקף לכל משפחת חומרים בנפרד ולא כחוק אוניברסלי — אך עבור פלדות הוא מדויק דיו לרוב הצרכים המעשיים.
