कठोरता

भौतिक विज्ञान में, कठोरता (विलोम शब्द: कोमलता) यांत्रिक अभिस्थापन या घर्षण से प्रेरित स्थानीय प्लास्टिक विरूपण के प्रतिरोध का एक उपाय है। सामान्य तौर पर, अलग-अलग सामग्री उनकी कठोरता में भिन्न होती है; उदाहरण के लिए, टाइटेनियम और बेरिलियम जैसी कठोर धातुएँ सोडियम और धात्विक टिन, या लकड़ी और सामान्य प्लास्टिक जैसी नरम धातुओं की तुलना में कठोर होती हैं। मैक्रोस्कोपिक कठोरता को सामान्यतः मजबूत इंटरमॉलिक्युलर बॉन्ड की विशेषता होती है, लेकिन बल के तहत ठोस सामग्री का व्यवहार जटिल होता है; इसलिए, कठोरता को अलग-अलग तरीकों से मापा जा सकता है, जैसे कि खरोंच की कठोरता, विस्थापन कठोरता और प्रतिक्षेप कठोरता। कठोरता लचीलापन, लोचदार कठोरता, प्लास्टिसिटी, तनाव, शक्ति, क्रूरता, चिपचिपाहट और चिपचिपाहट पर निर्भर है। कठोर पदार्थ के सामान्य उदाहरण चीनी मिट्टी की चीज़ें, कंक्रीट, कुछ धातुएँ और अति-कठोर सामग्री हैं, जिन्हें नरम पदार्थ के साथ जोड़ा जा सकता है

कठोरता मापना
तीन मुख्य प्रकार के कठोरता माप हैं: स्क्रैच, इंडेंटेशन और रिबाउंड। माप के इन वर्गों में से प्रत्येक के भीतर, अलग-अलग माप के पैमाने होते हैं। व्यावहारिक कारणों से, रूपांतरण तालिकाओं का उपयोग एक पैमाने से दूसरे पैमाने में बदलने के लिए किया जाता है।

खरोंच कठोरता
खरोंच कठोरता इस बात का माप है कि एक नुकीली वस्तु से घर्षण के कारण नमूना फ्रैक्चर या स्थायी प्लास्टिक विरूपण के लिए कितना प्रतिरोधी है। सिद्धांत यह है कि कठोर पदार्थ से बनी वस्तु नरम सामग्री से बनी वस्तु पर खरोंच लगा देगी।  कोटिंग्स का परीक्षण करते समय, खरोंच की कठोरता फिल्म के माध्यम से सब्सट्रेट में कटौती करने के लिए आवश्यक बल को दर्शाती है। सबसे आम परीक्षण मोह्स स्केल है, जो खनिज विज्ञान में प्रयोग किया जाता है। इस माप को करने के लिए एक उपकरण स्क्लेरोमीटर है।

इन परीक्षणों को करने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक अन्य उपकरण पॉकेट कठोरता परीक्षक है। इस उपकरण में चार-पहिया गाड़ी से जुड़े स्नातक चिह्नों के साथ स्केल आर्म होता है। तेज रिम के साथ एक खरोंच उपकरण परीक्षण सतह पर एक पूर्व निर्धारित कोण पर लगाया जाता है। इसका उपयोग करने के लिए ज्ञात द्रव्यमान का भार स्केल आर्म में स्नातक किए गए चिह्नों में से एक में जोड़ा जाता है, उपकरण को फिर परीक्षण सतह पर खींचा जाता है। वजन और चिह्नों का उपयोग जटिल मशीनरी की आवश्यकता के बिना ज्ञात दबाव को लागू करने की अनुमति देता है।

अभिस्थापन कठोरता
इंडेंटेशन कठोरता (अभिस्थापन कठोरता) तेज वस्तु से निरंतर संपीड़न भार के कारण नमूना के प्रतिरोध को भौतिक विरूपण के प्रतिरोध को मापता है। इंडेंटेशन कठोरता के लिए टेस्ट मुख्यतः इंजीनियरिंग और धातु विज्ञान में उपयोग किए जाते हैं। परीक्षण एक विशेष रूप से आयाम और लोड किए गए इंडेंटर द्वारा छोड़े गए इंडेंटेशन के महत्वपूर्ण आयामों को मापने के मूल आधार पर काम करते हैं। दूसरों के बीच आम इंडेंटेशन कठोरता स्केल रॉकवेल, विकर्स, शोर और ब्रिनेल हैं।

प्रतिक्षेप कठोरता
रिबाउंड कठोरता (प्रतिक्षेप कठोरता), जिसे गतिशील कठोरता के रूप में भी जाना जाता है, सामग्री पर एक निश्चित ऊंचाई से गिराए गए हीरे की इत्तला देने वाले हथौड़े के "उछाल" की ऊंचाई को मापता है। इस प्रकार की कठोरता लोच से संबंधित है। इस माप को लेने के लिए जिस उपकरण का उपयोग किया जाता है उसे स्टीरियोस्कोप के रूप में जाना जाता है। रिबाउंड कठोरता को मापने वाले दो पैमाने हैं लीब रिबाउंड कठोरता परीक्षण और बेनेट कठोरता स्केल। अल्ट्रासोनिक संपर्क प्रतिबाधा (यूसीआई) विधि दोलनशील छड़ की आवृत्ति को मापकर कठोरता का निर्धारण करती है। रॉड में कंपन करने वाले तत्व के साथ धातु का शाफ्ट होता है और एक छोर पर पिरामिड के आकार का हीरा लगा होता है।

हार्डनिंग
पाँच सख्त प्रक्रियाएँ हैं:  हॉल-पेट स्ट्रेंथनिंग, वर्क हार्डनिंग, सॉलिड सॉल्यूशन स्ट्रेंथनिंग, प्रिसिपेशन हार्डनिंग और मार्टेंसिक ट्रांसफॉर्मेशन।

भौतिकी
ठोस यांत्रिकी में, बल की मात्रा और सामग्री के प्रकार के आधार पर, ठोस में सामान्यतः बल के लिए तीन प्रतिक्रियाएँ होती हैं:
 * वे लोच प्रदर्शित करते हैं - अस्थायी रूप से आकार बदलने की क्षमता लेकिन दबाव हटा दिए जाने पर मूल आकार में लौट आते हैं। लोचदार रेंज में "कठोरता" - किसी दिए गए बल के आकार में एक छोटा सा अस्थायी परिवर्तन - किसी दिए गए वस्तु के मामले में कठोरता या सामग्री के मामले में एक उच्च लोचदार मॉड्यूलस के रूप में जाना जाता है।
 * वे प्लास्टिसिटी प्रदर्शित करते हैं - बल के जवाब में आकार को स्थायी रूप से बदलने की क्षमता लेकिन एक टुकड़े में बने रहते हैं। उपज शक्ति वह बिंदु है जिस पर लोचदार विरूपण प्लास्टिक विरूपण के लिए रास्ता देता है। प्लास्टिक रेंज में विरूपण गैर-रेखीय है और तनाव-तनाव वक्र द्वारा वर्णित है। यह प्रतिक्रिया पदार्थ विज्ञान में वर्णित और मापी गई खरोंच और इंडेंटेशन कठोरता के देखे गए गुणों को उत्पन्न करती है। कुछ सामग्री प्लास्टिक विरूपण के दौर से गुजरने पर लोच और श्यानता दोनों प्रदर्शित करती हैं; इसे श्यानता कहते हैं।
 * वे टूट जाते हैं - दो या दो से अधिक टुकड़ों में बंट जाते हैं।

सामग्री की ताकत सामग्री की लोचदार सीमा, या लोचदार और प्लास्टिक की एक साथ सीमा का एक उपाय है। इसमें सम्मिलित बलों की दिशा के आधार पर संपीड़ित शक्ति, कतरनी शक्ति, तन्य शक्ति के रूप में मात्रा निर्धारित की जाती है। परम शक्ति अधिकतम भार का इंजीनियरिंग उपाय है जो एक विशिष्ट सामग्री का ए हिस्सा है और ज्यामिति का सामना कर सकता है।

भंगुरता, तकनीकी उपयोग में, पहले से बहुत कम या कोई पता लगाने योग्य प्लास्टिक विरूपण के साथ फ्रैक्चर की सामग्री की प्रवृत्ति है। इस प्रकार तकनीकी शब्दों में, सामग्री भंगुर और मजबूत दोनों हो सकती है। रोजमर्रा के उपयोग में भंगुरता सामान्यतः बल की एक छोटी मात्रा के तहत फ्रैक्चर की प्रवृत्ति को संदर्भित करती है, जो भंगुरता और शक्ति की कमी (तकनीकी अर्थ में) दोनों को प्रदर्शित करती है। पूरी तरह से भंगुर सामग्री के लिए, उपज शक्ति और परम शक्ति समान होती है, क्योंकि वे पता लगाने योग्य प्लास्टिक विरूपण का अनुभव नहीं करते हैं। भंगुरता के विपरीत लचीलापन है।

किसी पदार्थ की कठोरता वह ऊर्जा की अधिकतम मात्रा है जिसे वह फ्रैक्चरिंग से पहले अवशोषित कर सकता है, जो लागू किए जा सकने वाले बल की मात्रा से भिन्न होता है। भंगुर सामग्री के लिए कठोरता कम होती है, क्योंकि लोचदार और प्लास्टिक विरूपण सामग्री को बड़ी मात्रा में ऊर्जा को अवशोषित करने की अनुमति देते हैं।

कण आकार घटने के साथ कठोरता बढ़ती है। इसे हॉल-पेट संबंध के रूप में जाना जाता है। हालांकि, एक महत्वपूर्ण अनाज के आकार के नीचे, अनाज के आकार में कमी के साथ कठोरता कम हो जाती है। इसे व्युत्क्रम हॉल-पेट प्रभाव के रूप में जाना जाता है।

विरूपण के लिए एक सामग्री की कठोरता किसी भी दिशा में इसकी सूक्ष्मता या छोटे पैमाने पर कतरनी मापांक पर निर्भर करती है, न कि किसी कठोरता या कठोरता गुणों जैसे कि इसके बल्क मापांक या यंग के मापांक पर। कठोरता को प्रायः कठोरता समझ लिया जाता है। कुछ सामग्री हीरे (जैसे ऑस्मियम) की तुलना में कठोर होती हैं, लेकिन कठोर नहीं होती हैं, और स्क्वैमोस या एसिकुलर आदतों में स्पैलिंग और फ्लेकिंग के लिए प्रवण होती हैं।

तंत्र और सिद्धांत
कठोरता के पीछे के तंत्र को समझने की कुंजी धात्विक सूक्ष्म संरचना, या परमाणु स्तर पर परमाणुओं की संरचना और व्यवस्था को समझना है। वास्तव में, आज के सामान के निर्माण के लिए सबसे महत्वपूर्ण धात्विक गुण सामग्री के सूक्ष्म संरचना द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। परमाणु स्तर पर, धातु में परमाणुओं को एक व्यवस्थित त्रि-आयामी सरणी में व्यवस्थित किया जाता है जिसे क्रिस्टल जाली कहा जाता है। हकीकत में, हालांकि, धातु के दिए गए नमूने में कभी भी एक सुसंगत एकल क्रिस्टल जाली नहीं होती है। धातु के दिए गए नमूने में कई दाने होंगे, प्रत्येक दाने में काफी सुसंगत सरणी पैटर्न होगा। इससे भी छोटे पैमाने पर, प्रत्येक दाने में अनियमितताएँ होती हैं।

सूक्ष्म संरचना के दाने के स्तर पर दो प्रकार की अनियमितताएँ होती हैं जो सामग्री की कठोरता के लिए जिम्मेदार होती हैं। ये अनियमितताएँ बिंदु दोष और रेखा दोष हैं। एक बिंदु दोष अनाज के समग्र त्रि-आयामी जाली के अंदर एक एकल जाली स्थल पर स्थित एक अनियमितता है। तीन मुख्य बिंदु दोष हैं। यदि सरणी से कोई परमाणु गायब है, तो रिक्ति दोष बनता है। यदि जालक स्थल पर एक अलग प्रकार का परमाणु होता है जिसे सामान्य रूप से धातु परमाणु द्वारा कब्जा कर लिया जाना चाहिए, तो एक प्रतिस्थापन दोष बनता है। यदि किसी स्थान पर एक परमाणु मौजूद है जहाँ सामान्य रूप से नहीं होना चाहिए, तो एक अंतरालीय दोष बनता है। यह संभव है क्योंकि क्रिस्टल जालक में परमाणुओं के बीच स्थान होता है। जबकि बिंदु दोष क्रिस्टल जाली में एक ही स्थान पर अनियमितताएं हैं, रेखा दोष परमाणुओं के एक तल पर अनियमितताएं हैं। विस्थापन एक प्रकार का रेखा दोष है जिसमें इन विमानों का गलत संरेखण सम्मिलित है। किनारे की अव्यवस्था के मामले में, परमाणुओं के दो विमानों के बीच परमाणुओं का एक आधा विमान अंकित होता है। पेंच अव्यवस्था के मामले में परमाणुओं के दो विमान उनके बीच चल रहे एक पेचदार सरणी से ऑफसेट होते हैं।

काँच में, कठोरता नेटवर्क के परमाणुओं के बीच कार्य करने वाले टोपोलॉजिकल बाधाओं की संख्या पर रैखिक रूप से निर्भर करती है। इसलिए, कठोरता सिद्धांत (भौतिकी) ने रचना के संबंध में कठोरता मूल्यों की भविष्यवाणी करने की अनुमति दी है।

विस्थापन परमाणुओं के विमानों के फिसलने के लिए एक तंत्र प्रदान करता है और इस प्रकार प्लास्टिक या स्थायी विरूपण के लिए एक विधि प्रदान करता है। परमाणुओं के समतल अव्यवस्था के एक तरफ से दूसरी ओर प्रभावी रूप से सामग्री के माध्यम से अव्यवस्था को पार करने और सामग्री को स्थायी रूप से विकृत करने की इजाजत दे सकते हैं। इन अव्यवस्थाओं द्वारा अनुमत आंदोलन सामग्री की कठोरता में कमी का कारण बनता है।

परमाणुओं के विमानों के संचलन को बाधित करने और इस प्रकार उन्हें कठिन बनाने का तरीका, एक दूसरे के साथ अव्यवस्थाओं की बातचीत और अंतरालीय परमाणुओं को सम्मिलित करता है। जब एक अव्यवस्था दूसरी अव्यवस्था के साथ प्रतिच्छेद करती है, तो यह क्रिस्टल जाली के माध्यम से आगे नहीं बढ़ सकती है। अव्यवस्थाओं का प्रतिच्छेदन एक लंगर बिंदु बनाता है और परमाणुओं के विमानों को एक दूसरे पर फिसलने की अनुमति नहीं देता है अंतरालीय परमाणुओं के साथ परस्पर क्रिया द्वारा अव्यवस्था को भी स्थिर किया जा सकता है। यदि कोई अव्यवस्था दो या दो से अधिक अंतरालीय परमाणुओं के संपर्क में आती है, तो विमानों की फिसलन फिर से बाधित हो जाएगी। इंटरस्टिशियल परमाणु एंकर पॉइंट या पिनिंग पॉइंट बनाते हैं, उसी तरह जैसे प्रतिच्छेदन अव्यवस्थाएं।

अंतराकाशी परमाणुओं की उपस्थिति और विस्थापन के घनत्व को बदलकर किसी विशेष धातु की कठोरता को नियंत्रित किया जा सकता है। हालांकि प्रतीत होता है कि प्रति-सहज ज्ञान युक्त, जैसे-जैसे अव्यवस्थाओं का घनत्व बढ़ता है, वहां अधिक चौराहे होते हैं और परिणामस्वरूप अधिक लंगर बिंदु होते हैं। इसी तरह, जैसे-जैसे अधिक अंतरालीय परमाणु जुड़ते जाते हैं, अधिक पिनिंग पॉइंट बनते जाते हैं जो अव्यवस्थाओं की गति को रोकते हैं। नतीजतन, जितने अधिक एंकर बिंदु जोड़े जाते हैं, सामग्री उतनी ही कठोर हो जाती है।

कठोरता संख्या और प्रतिबल-तनाव वक्र के बीच संबंध
सामग्री द्वारा प्रदर्शित कठोरता संख्या और तनाव-तनाव वक्र के बीच संबंध पर सावधानीपूर्वक ध्यान देना चाहिए। उत्तरार्द्ध, जो पारंपरिक रूप से तन्य परीक्षण के माध्यम से प्राप्त किया जाता है, सामग्री की पूर्ण प्लास्टिसिटी प्रतिक्रिया पर कब्जा कर लेता है (जो कि ज्यादातर मामलों में धातु है)। वास्तव में, यह (सच्चे) वॉन मिसेस तनाव पर (सच्चे) वॉन मिसेस प्लास्टिक तनाव की निर्भरता है, लेकिन यह नाममात्र तनाव से आसानी से प्राप्त होता है - नाममात्र तनाव वक्र (प्री-नेकिंग रिजीम में), जो तन्यता परीक्षण का तत्काल परिणाम है। इस संबंध का उपयोग यह बताने के लिए किया जा सकता है कि सामग्री लगभग किसी भी लोडिंग स्थिति पर कैसे प्रतिक्रिया देगी, प्रायः परिमित तत्व विधि (एफईएम) का उपयोग करके। यह एक इंडेंटेशन टेस्ट के परिणाम पर लागू होता है (इंडेंटर के दिए गए आकार और आकार के साथ, और दिए गए लोड पर)।

हालांकि, जबकि एक कठोरता संख्या तनाव-तनाव संबंध पर निर्भर करती है, बाद वाले को पूर्व से संदर्भित करना सरल से बहुत दूर है और पारंपरिक कठोरता परीक्षण के दौरान किसी भी कठोर तरीके से प्रयास नहीं किया जाता है। (वास्तव में, इंडेंटेशन प्लास्टोमेट्री तकनीक, जिसमें इंडेंटेशन टेस्ट के पुनरावृत्त एफईएम मॉडलिंग सम्मिलित है, इंडेंटेशन के माध्यम से तनाव-तनाव वक्र प्राप्त करने की अनुमति देता है, लेकिन यह पारंपरिक कठोरता परीक्षण के दायरे से बाहर है।) कठोरता संख्या प्लास्टिक विरूपण के प्रतिरोध का सिर्फ एक अर्ध-मात्रात्मक संकेतक है। यद्यपि कठोरता को अधिकांश प्रकार के परीक्षणों के लिए समान तरीके से परिभाषित किया जाता है - सामान्यतः संपर्क क्षेत्र द्वारा विभाजित भार के रूप में - किसी विशेष सामग्री के लिए प्राप्त संख्याएं विभिन्न प्रकार के परीक्षणों के लिए भिन्न होती हैं, और यहां तक ​​कि अलग-अलग लागू भारों के साथ समान परीक्षण के लिए भी। कभी-कभी प्रयास किए जाते हैं    सरल विश्लेषणात्मक अभिव्यक्तियों की पहचान करने के लिए जो तनाव-तनाव वक्र की विशेषताओं की अनुमति देते हैं, विशेष रूप से उपज तनाव और परम तन्यता तनाव (यूटीएस), से प्राप्त किया जा सकता है। कठोरता संख्या का एक विशेष प्रकार। हालांकि, ये सभी अनुभवजन्य सहसंबंधों पर आधारित होते हैं, जो प्रायः विशेष प्रकार के मिश्र धातु के लिए विशिष्ट होते हैं: यहां तक कि इस तरह की सीमा के साथ, प्राप्त मूल्य प्रायः काफी अविश्वसनीय होते हैं। अंतर्निहित समस्या यह है कि उपज तनाव और कड़ी मेहनत की विशेषताओं के संयोजन की एक श्रृंखला के साथ धातु समान कठोरता संख्या प्रदर्शित कर सकते हैं। किसी भी मात्रात्मक उद्देश्य के लिए कठोरता संख्याओं का उपयोग, सबसे अच्छा, काफी सावधानी के साथ किया जाना चाहिए।

यह भी देखें
अन्य सुदृढ़ीकरण तंत्र
 * संबंधित गुण
 * गर्म कठोरता
 * कठोरता तुलना
 * सेरामोग्राफी माइक्रोइंडेंशन कठोरता और क्रूरता
 * कठोरता
 * कण सीमा सुदृढ़ीकरण
 * तेजी से सख्त होना
 * ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण
 * काम सख्त

कठोरता पैमाने, उपकरण और परीक्षण
 * लीब रिबाउंड कठोरता परीक्षण
 * गोली कठोरता परीक्षण
 * पर्सोज़ पेंडुलम
 * रोल कठोरता परीक्षक
 * श्मिट हैमर
 * जंका कठोरता परीक्षण
 * नैनो इंडेंटेशन
 * बारकोल कठोरता परीक्षण

अग्रिम पठन

 * Davis, J. R. (Ed.). (2002). Surface hardening of steels: Understanding the basics. Materials Park, OH: ASM International.
 * Dieter, George E. (1989). Mechanical Metallurgy. SI Metric Adaptation. Maidenhead, UK: McGraw-Hill Education. ISBN 0-07-100406-8
 * Revankar, G. (2003). "Introduction to hardness testing." Mechanical testing and evaluation, ASM Online Vol. 8.
 * Revankar, G. (2003). "Introduction to hardness testing." Mechanical testing and evaluation, ASM Online Vol. 8.
 * Revankar, G. (2003). "Introduction to hardness testing." Mechanical testing and evaluation, ASM Online Vol. 8.

बाहरी संबंध

 * An introduction to materials hardness
 * Guidelines to hardness testing
 * Testing the Hardness of Metals