مواد فراسخت
تعریف و مکانیک سختی

سختی یک ماده با تراکم ناپذیری، الاستیسیته و مقاومت در برابر تغییر شکل رابطه مستقیم دارد. ماده فوق سخت دارای مدول برش و مدول بالک بالا است و تغییر شکل پلاستیم نمی‌دهد. در حالت ایده‌آل، مواد فوق سخت باید دارای شبکه ایزوتروپ بدون نقص باشند که تا حد زیادی مانع از کاهش استحکام در اثر تغییر شکا ساختاری شود. با این حال، نواقص می‌توانند موجب تقویت برخی ساختارهای کوالانسی شوند.
در روش‌های قدیمی سنتز مواد فوق‌سخت از شرایط دما بالا و فشار بالا (HPHT) استفاده می‌کردند، اما روش‌های جدید مدعی کاهش انرژی مصرفی و در نتیجه کاهش هزینه هستند.
از نظر تاریخی، ابتدا سختی به عنوان توانایی یک ماده برای ایجاد خراش روی ماده دیگر تعریف شد و توسط عدد صحیح و گاه نیمه صحیح بین ۰–۱۰ در مقیاس موهس کمی شد. اما خیلی زود به غیرخطی و ناپیوسته بودن این مقیاس پی‌یرده شد و اندازه‌گیری سختی مکانیکی مواد با استفاده از نانوایندنتور (معمولاً از جنس الماس) و مقیاس‌های ویکرز، برینل، راکول و نوپ توسعه یافت.در حالی که مقیاس ویکرز به عنوان متداولترین آزمایش اندازه‌گیری سختی پذیرفته شده‌است، به دلیل وابستگی مقادیر حاصل از این روش به بار اعمالی، در مورد بار وزنی که باید در طول آزمون اعمال شود اختلاف نظرهایی وجود دارد. یک فرورفتگی ایجاد شده در اثر بار ۰٫۵ نیوتونی مقدار سختی بالاتری در مقایسه با فرورفتگی ناشی از ۵۰ نیوتون از خود نشان می‌دهد. این پدیده به عنوان اثر اندازه فرورفتگی (indentation size effect (ISE شناخته می‌شود؛ بنابراین مقادیر سختی با گزارش بار معنادار هستند. برخی معتقدند که مقادیر سختی باید با اعمال بار زیاد گزارش شوند چون در این حالت یک نمایش استانداردتر از سختی ماده به دست می‌آید. سختی ویکرز چند ماده در جدول زیر ذکر شده‌است:
| نام ماده | سختی ویکرز (GPa) |
| --- | --- |
الماس: ۱۱۵
c-BC2N: ۷۶
Boron: ۵۸
c-BN: ۴۸
OsB4: ۳۷
B4C: ۳۵
WB4: ۳۰
AlMgB4: ۲۶/۷
ReB2: ۲۰
مدول بالک، مدول الاستیسیته و مدول برشی فاکتورهای کلیدی در فرایند طبقه‌بندی مواد سخت هستند. انعطاف‌ناپذیری و تراکم‌ناپذیری یک ماده توسط مدول بالک (B)، که مقاومت یک جامد دربرابر فشرده‌سازی حجمی تحت فشار هیدرواستاتیک را به عنوان
B=-VdP/dV اندازه‌گیری می‌کند، کمی می‌شود. در این رابطه V حجم، P فشار و dP/dV مشتق جزئی فشار به حجم است.
آزمون مدول بالک از یک ابزار فرورونده برای ایجاد تغییر شکل دائمی در ماده استفاده می‌کند. اندازه تغییر شکل ایجاد شده به مقاومت ماده در برابر فشار حجمی ایجاد شده توسط ایندنتور بستگی دارد. عناصر با حجم مولار کوچک و نیروهای بین اتمی قوی معمولاً دارای مدول بالک بالایی هستند. مدول بالک، اولین تست اصلی برای اندازه‌گیری سختی، به حجم مولار(V) و انرژی همدوسی وابسته است. (B ~ Ec/Vm).
در گذشته اعتقاد بر این بود که اندازه‌گیری مدول بالک، اندازه‌گیری مستقیم سختی یک ماده است اما امروزه اثری از این تفکر باقی نمانده‌است؛ زیرا مشاهده کردند که برخی از فلزات قلیایی و نجیب (Pd, Ag) دارای مدول بالک غیر معمول زیادی نسبت به سختی ویکرز و برینل هستند. در اوایل ۲۰۰۰، رابطه مستقیمی بین مدول بالک و دانسیته الکترون‌های ظرفیت یافت شد، به این صورت که هرچه تعداد الکترون‌ها بیشتر باشد، دافعه درون ساختاری نیز بیشتر است. هنوز هم از مدول بالک برای اندازه‌گیری اولیه سختی مواد فوق سخت استفاده می‌شود، اما متوجه شده‌اند که باید سایر خصوصیات را نیز در نظر گرفت.
برخلاف مدول بالک، مدول برشی با در نظر گرفتن صفحه بلوری و جهت برش، مقاومت در برابر تغییر شکل را در یک حجم ثابت اندازه‌گیری می‌کند. مدول برشی G به صورت نسبت تنش برشی به کرنش برشی تعریف می‌شود:
G=F.L/A.dX=stress/strain که F نیرواعمالی، A سطحی که نیرو به آن اعمال می‌شود، dx جابجایی و L طول اولیه هستند. هرچه مدول برشی بزرگتر باشد، توانایی ماده برای مقاومت در برابر نیروهای برشی بیشتر است؛ بنابراین، مدول برشی یک معیار از سختی است. مدول برشی براساس رابطه زیر به مدول بالک وابسته است:
2B(1-2V)(1+V)=3/G
که V نسبت پواسون (برای مواد کوالانت تقریباً برابر ۰/۱ است) است. اگر ماده‌ای شامل پیوندهای جهت دار زیادی باشد، مدول برشی افزایش می‌یابد و نسبت پواسون کم می‌شود.
اگر ماده‌ای در برابر تغییر فرم پلاستیک مقاومت کند سخت در نظر گرفته می‌شود. یک ماده با پیوندهای کوالانت کوتاه در مقایسه با ماده‌ای با پیوندهای کوالانت بلند و غیرموضعی (جدا)، تعداد کمتری نابجایی‌های اتمی منجر به تغییر فرم پلاستیک دارد. اگر ماده‌ای حاوی تعداد زیادی پیوندهای جدا و غیرموضعی باشد، نرم است. چقرمگی شکست، خاصیت مکانیکی دیگری است که تا حدودی به سختی مربوط است و نشان دهنده توانایی مقاومت ماده در برابر شکستن در اثر ضربه شدید است. یک ماده فوق سخت الزاماً یک ماده فوق چقرمه نیست. به عنوان مثال، چقرمگی شکست الماس حدود 7–10 MPa·m1/2 است،که در مقایسه با سنگ‌های قیمتی دیگر و مواد سرامیکی زیاد است، اما در مقایسه با بسیاری از فلزات و آلیاژها و فولادهای معمولی و آلیاژهای آلومینیوم که چقرمگی آن‌ها حداقل ۵ مرتبه بزرگتر است، ضعیف است.
هنگام ارزیابی ماده به عنوان ماده فوق سخت باید چندین ویژگی در نظر گرفته شود. در حالی که مواد سخت دارای مدول بالک بالا هستند، اما داشتن مدول بالک بالا به معنای سخت بودن ماده نیست و خصوصیات غیرالاستیک نیز باید در نظر گرفته شود و حتی ممکن است که مدول برشی ارتباط بهتری با سختی در مقایسه با مدول بالک داشته باشد. مواد کوالانسی عموماً پیوند خمشی و مدول برشی بالایی دارند که موجب ساختار فوق سخت آن‌ها در مقایسه با جامدات یونی می‌شود.