Độ cứng là một thuộc tính cơ bản của vật liệu. Nó phản ánh tính chịu uốn, mài mòn và trầy xước của vật liệu đó. Cùng với sự phát triển của nền khoa học đã cho ra đời nhiều phương pháp đo độ cứng khác nhau. Phương pháp đo độ cứng Rockwell, Brinell và Vickers là những phương pháp đo độ cứng phổ biến nhất hiện nay.
Các phương pháp đo độ cứng phổ biến
1. Tổng quan phương pháp đo độ cứng Rockwell, Brinell và Vickers
1.1 Phương pháp đo độ cứng Rockwell là gì?
Rockwell (HR) là một phương pháp đo nhanh được phát triển để ứng dụng trong việc kiểm soát sản xuất và đọc kết quả trực tiếp. Độ cứng Rockwell (HR) được tính toán bằng cách đo chiều sâu của vết lõm. Sau khi mũi đo tác động vào vật liệu mẫu ở một tải nhất định.
Phần mũi đo đầu vào là một viên kim cương hình nón hoặc đầu bi Carbide. Nó tùy thuộc vào cấu trúc kim loại và điều kiện bề mặt.
Phương pháp thử đo độ cứng Rockwell
Trong đó:
A = Độ sâu đạt được bởi đầu đo sau khi tải trọng đặt trước (tải nhỏ)
B = Vị trí của đầu đo tại thời điểm Tổng tải (Tải nhỏ cộng với Tải chính)
C = Vị trí cuối cùng đạt được bởi đầu đo sau khi vết lõm thu hồi lại do lực đàn hồi của vật liệu mẫu
D = Chiều sâu đo được đại diện cho sự khác biệt giữa tải trước và vị trí tải chính, được sử dụng để tính độ cứng Rockwell.
Phương pháp Rockwell theo tiêu chuẩn EN ISO 6508 là đo độ sâu vết lõm cố định được tạo ra bởi một lực trên đầu đo. Đầu tiên, một lực thử nghiệm sơ bộ (tải trước/tải phụ) sẽ xuyên qua bề mặt kim loại để giảm tác động của lớp vỏ bề mặt. Sau khi giữ lực thử sơ bộ cho một khoảng thời gian dừng xác định. Độ sâu đường cơ sở của vết lõm đã được đo.
Độ cứng Rockwell được xác định theo một đại lượng quy ước chứ không có thứ nguyên. Nó phụ thuộc vào chiều sâu vết lõm. Nếu chiều sâu càng lớn thì đồng nghĩa độ cứng càng nhỏ là ngược lại.
1.2. Đặc điểm của phương pháp đo độ cứng Rockwell
Tùy vào lực tác dụng mà người ta chia độ cứng Rockwell thành 3 thang tương ứng là A, B, C. Ngoài ra, có nhiều thang đo độ cứng Rockwell được ký hiệu là HRA, HRB, HRC… tùy thuộc vào kích thước và loại đầu đo cũng như giá trị lực tác dụng được sử dụng.
Tải thử nghiệm sơ bộ (tải trước) dao động từ 3 kgf (được sử dụng đo độ cứng Rockwell trên bề mặt) đến 10 kgf (được sử dụng đo độ cứng Rockwell thông thường). Lực thử nghiệm dao động từ 15kgf đến 150 kgf đo độ cứng Rockwell thường xuyên) đến 500 đến 3000 kgf đo độ cứng lớn.
1.3. Phương pháp đo độ cứng Brinell (HB) là gì?
Đây là phương pháp lâu đời nhất được xác định bằng cách nhất một khối cầu bằng thép/thép cacbon cứng với đường kính D xác định với một lực F cho trước trong một khoảng thời gian lên về mặt vật liệu cần đo. Bi thép sẽ lún vào và tạo ra một vết lõm có đường kính d trên bề mặt vật liệu. Qua đó, ta có thể tính được độ cứng Brinell của vật liệu. Chỉ số độ cứng HB được xác định bằng áp lực trung bình, biểu thị bằng Newton (N) trên 1mm² diện tích mặt cầu do vết lõm để lại.
Công thức thực hiện phép đo độ cứng Brinell
1.4. Đặc điểm của phương pháp đo độ cứng Brinell
Đường kính mũi đo phụ thuộc vào chiều dày mẫu đo. Mẫu đo càng mỏng thì đường kính viên bi càng nhỏ. Đường kính mũi đo được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn quốc tế là 10mm, 5mm, 2.5mm và 1mm.
Phương pháp đo độ cứng Brinell
Tải trọng đo trong phương pháp đo độ cứng Brinell cũng phụ thuộc vào vật liệu đo, nó tỷ lệ thuận với tỷ số L/D2. Muốn kết quả đo được chính xác hơn ta nên chọn tải trọng sao cho tỷ lệ giữa đường kính vết lõm d và đường kính viên bi D nằm trong khoảng (0.2 – 0.6).
1.5. Phương pháp đo độ cứng Vickers là gì?
Phương pháp kiểm tra độ cứng Vicker là phương pháp đo độ cứng tế vi. Chủ yếu được dùng để đo các chi tiết nhỏ và mỏng, với độ sâu vết lõm nhỏ. Phương pháp Vicker dựa trên một hệ thống quang học. Nó kiểm tra độ cứng tế vi bằng cách sử dụng một đầu kim cương hình chóp 4 cạnh (góc giữa các mặt là 136 độ) để tạo ra một vết lõm. Sau đó đo kích thước hai đường cheo rồi lấy giá trị trung bình hai đường chéo và chuyển đổi thành giá trị độ cứng.
Công thức tính độ độ cứng Vicker
1.6. Đặc điểm của phương pháp đo độ cứng Vickers
Phương pháp đo độ cứng Vicker rất hữu ích để thử nghiệm trên các loại vật liệu có độ cứng cao. Nhưng trước đó, các mẫu thử phải được đánh bóng cao để cho phép đo kích thước của từng lần được hiển thị chính xác nhất.
Đầu thử độ cứng Vicker có thể sử dụng cho mọi loại vật liệu
Lưu ý: Trước khi đo, cần chuẩn bị mẫu đo có kích thước vừa đủ để vừa khớp vào máy. Bề mặt mẫu phải được mài mịn bề mặt giúp cho vết lõm được đều và hiển thị rõ ràng. Phải đảm bảo mẫu được giữ cố định và bề mặt vuông góc với đầu đo.
Hình dạng đầu đo độ cứng Vickers
2. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp đo độ cứng Rockwell, Brinell và Vickers
Độ cứng | Ưu điểm | Nhược điểm | Phạm vị ứng dụng |
Phương pháp Rockwell | – Không cần sử dụng hệ thống quang học vẫn thực hiện dễ dàng và nhanh chóng. – Không phụ thuộc vào người vận hành và ít bị ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặt. | – Có nhiều thang đo khác nhau với các loại mũi đo và tải trọng khác nhau nên khó phân biệt và sử dụng cho đúng.
| – Ứng dụng rộng rãi nhất cho nhiều chi tiết của các vật liệu có kích thước và hình dạng khác nhau. Nó chiếm khoảng 80% trong 3 phương pháp đo độ cứng này. Bởi phương pháp đo Rockwell có độ chính xác khá cao nên có thể đáp ứng được hầu hết các yêu cầu đo độ cứng thông thường. |
Phương pháp Brinell | – Phạm vi đo tương đối rộng – Thử đơn giản, nhanh chóng, quá trình chuẩn bị mẫu không quá phức tạp và giá thành tương đối rẻ. – Độ chính xác khá cao – Có thể xác định được độ bền kéo của vật liệu thông qua độ cứng (một số vật liệu). | – Vết đo làm biến cứng vật liệu – Không thích hợp cho vật liệu mỏng, mạ phủ, vật liệu quá cứng, các bề mặt cong và các vật liệu nhỏ. – Chỉ đo chính xác với các vật liệu có độ dày trên 4mm – Kết quả đo chịu ảnh hưởng bởi người vận hành | – Ứng dụng phổ biến trong việc đo các chi tiết lớn như khuôn, vật đúc, rèn… Không bị ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặt của vật cần đo. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này không cao bằng 2 phương pháp trên. Do vậy, cần chú ý không dùng phương pháp này để đo độ cứng cho các chi tiết nhỏ, mỏng. |
Phương pháp Vicker | – Mang lại độ chính xác và độ tin cậy cao cho phép đo, dải đo rộng – Chỉ dùng 1 đầu đo duy nhất để đo độ cứng cho tất cả các loại vật liệu, không cần thay thế đầu đo. – Đo được độ cứng lớp xi mạ – Đo được độ cứng các chi tiết rất nhỏ mà các phương pháp khác không để làm được | – Thời gian chuẩn bị mẫu và thực hiện phép đo hơi lâu. Các mẫu đo cần phải được mài phẳng trước khi đo. – Giá thành máy đo độ cứng Vicker cao. – Có thể cần trang bị thêm máy cắt mẫu và mài mẫu. | – Ứng dụng rộng rãi cho việc đo các bề mặt vật liệu mạ phủ. Đây là phương pháp đo độ cứng có độ chính xác cao nhất. |
