Các phương pháp đo độ cứng vật liệu
Ngày nay, các phương pháp đo độ cứng thường sử dụng một đầu thử (có hình dạng đặc biệt và có độ cứng lớn hơn mẫu đo) tác động lực lên bề mặt mẫu thử. Theo đó trị số độ cứng được tính toán trên cơ sở lực tác động, độ sâu và kích cỡ của vết lõm. Có 3 phương pháp đo độ cứng được biết đến và ứng dụng nhiều nhất là phương pháp Brinell, Vicker và Rockwell.
Phương pháp đo độ cứng là gì? Phương pháp đo độ cứng là quy trình sử dụng các công cụ đo lường để đánh giá khả năng của một vật liệu chống lại sự tác động của lực. Độ cứng của vật liệu là một đặc tính quan trọng trong lĩnh vực vật liệu và kỹ thuật vật liệu, vì nó liên quan chặt chẽ đến khả năng chịu lực và độ bền của vật liệu đó.
Phương pháp đo độ cứng Brinell
Phương pháp đo độ cứng Brinell, một công cụ quan trọng trong lĩnh vực kiểm tra vật liệu, được đề xuất bởi J.A. Brinell vào năm 1900, đã trở thành một tiêu chuẩn quan trọng trong việc đánh giá độ cứng của các kim loại và vật liệu khác. Phương pháp này sử dụng một viên bi thép có đường kính 10 mm và áp dụng lực ấn lên mẫu thử với giá trị 3000 kg.
Ở những trường hợp mà vật liệu thử là kim loại mềm, lực ấn có thể giảm xuống 500 kg để tránh làm biến dạng mẫu. Ngược lại, đối với kim loại cực cứng, bi thử được làm từ vật liệu carbide tungsten để giảm thiểu sự biến dạng của đầu thử. Thời gian tác động lực được duy trì khoảng 10 – 15 giây cho thử độ cứng của gang và thép, trong khi với các kim loại khác, thời gian này tăng lên ít nhất 30 giây. Kết quả đo được bằng cách đo đường kính của vết lõm trên bề mặt vật liệu thử sử dụng kính hiển vi.
Thông số độ cứng Brinell thường được biểu diễn kèm với các thông số điều kiện thử. Ví dụ, “75HB 10/500/300” có nghĩa là độ cứng Brinell là 75, đo được với bi thử đường kính 10 mm, lực thử 500 kg được áp dụng trong vòng 30 giây. So với các phương pháp thử độ cứng khác, bi thử Brinell tạo ra các vết lõm sâu và rộng, giúp phép thử bao quát độ cứng trên một phạm vi rộng hơn, đặc biệt là đối với vật liệu có cấu trúc không đồng đều.
Phương pháp Brinell cung cấp một cái nhìn tổng thể về độ cứng của vật liệu, đặc biệt là đối với các loại vật liệu có cấu trúc phức tạp. Sự sâu rộng của vết lõm tạo ra thông tin độ cứng không bị ảnh hưởng bởi các vết xước và độ nhám bề mặt. Điều này giúp nó trở thành phương pháp thử lý tưởng để đánh giá độ cứng tổng thể của một loại vật liệu, đặc biệt là trong trường hợp các vật liệu có cấu trúc không đồng đều. Các giá trị BHN tiêu biểu của một số vật liệu là nhôm với 35 MPa, thép gió với 120 MPa và thép không gỉ với 1250 MPa. Tuy nhiên, phương pháp thử này không phù hợp để đo lường các vật thể nhỏ, nơi sự chính xác và chi tiết cần được đảm bảo. Sự linh hoạt và khả năng đo trên nhiều loại vật liệu là điểm mạnh của phương pháp đo độ cứng Brinell, tạo ra cơ hội để ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chế tạo và nghiên cứu vật liệu.
Phương pháp đo độ cứng Vicker
Phương pháp đo độ cứng Vickers, một phương tiện quan trọng trong lĩnh vực kiểm tra vật liệu, đã trải qua quá trình phát triển vào những năm 1920 và đặt ra tiêu chuẩn quan trọng trong việc đánh giá độ cứng của nhiều loại vật liệu khác nhau. Phương pháp này không giới hạn theo kích cỡ của đầu thử, tăng tính linh hoạt trong quá trình đo lường. Đầu thử của phương pháp Vickers có thể sử dụng cho mọi loại vật liệu, làm tăng tính tiện dụng và đa dạng của phép thử. Một mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh được sử dụng, với góc giữa các mặt phẳng đối diện là 136 độ. Góc này xấp xỉ tỷ lệ lý thuyết của đường kính vết lõm với đường kính bi thử trong phương pháp thử Brinell.
Các tính toán trong phương pháp Vickers không liên quan đến kích cỡ của đầu thử, điều này làm cho nó trở nên linh hoạt và tiện lợi hơn trong việc đo lường độ cứng của các vật liệu đa dạng. Giá trị độ cứng (thường phiên âm DPH, VHN hoặc VPH) được xác định bằng cách chia lực tác động cho diện tích mặt lõm. Phương pháp này có thể áp dụng cho tất cả các loại kim loại, làm nổi bật tính chất đa dạng và toàn diện của nó trong lĩnh vực kiểm tra vật liệu.
Với một lực thử đã được xác định, phương pháp Vickers tạo ra kết quả trên một thang đo liên tục. Từ kim loại mềm với giá trị 5 DPH, phương pháp này đưa ra thông tin về độ cứng của các kim loại cứng với giá trị lên đến 1500 DPH. Điều này làm cho nó trở thành một phương pháp đo độ cứng linh hoạt, cho phép đánh giá và so sánh chính xác trên nhiều loại vật liệu khác nhau.
Một ưu điểm nổi bật của phương pháp Vickers là khả năng áp dụng cho mọi loại vật liệu, từ kim loại đến các vật liệu phi kim loại. Điều này mở ra khả năng đo lường độ cứng của các vật liệu đa dạng, bao gồm cả các vật liệu có cấu trúc phức tạp và không đồng đều. Phương pháp này cũng khắc phục hạn chế của phương pháp Brinell đối với các vật thể nhỏ, làm cho nó trở thành một công cụ đo lường độ cứng hiệu quả và linh hoạt trong nghiên cứu và sản xuất.
Phương pháp đo độ cứng Rockwell
Phương pháp đo độ cứng Rockwell, một kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực kiểm tra vật liệu, dựa trên việc tác động để làm lõm mẫu thử bằng một đầu thử có hình nón hoặc bi thép cứng. Quá trình đo đơn giản nhưng chính xác, bắt đầu bằng việc tác động một lực tối thiểu, thường là 10kgf, từ đầu thử vào mẫu thử. Khi đạt được sự cân bằng, thiết bị đo ghi lại giá trị xác định thông qua theo dõi dịch chuyển của đầu đo và phản hồi về sự thay đổi chiều sâu của vết lõm.
Tiếp theo, vẫn duy trì lực tác động tối thiểu, một lực tối đa được tác động thêm vào. Khi đạt được độ cân bằng, ngưng tác động lực tối đa nhưng vẫn giữ nguyên lực tác động tối thiểu ban đầu. Khi lực tối đa được giảm, độ sâu của vết lõm trên bề mặt vật thử được phục hồi một phần. Độ sâu của vết lõm còn lại, kết quả của việc tác động và thu lực tối đa, được sử dụng để tính toán độ cứng Rockwell. Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, được ký hiệu là RA, RB, RC, … tùy thuộc vào loại và kích thước đầu đo cũng như giá trị lực tác động được sử dụng.
Các ký hiệu thang đo độ cứng Rockwell bao gồm:
- HRA: Dành cho carbides, thép tôi cứng bề mặt.
- HRB: Phù hợp với phôi đồng đỏ, thép mềm, phôi nhôm, gang mềm, và các vật liệu có độ cứng tương đối thấp (dưới 100 HRB).
- HRC: Dành cho các loại thép, gang cứng, thép tôi, hoặc các vật liệu có độ cứng lớn hơn 100 HRB.
- HRD: Thích hợp cho thép mỏng và gang mềm.
- HRE: Được sử dụng cho gang, nhôm, và kim loại ổ bi.
- HRF: Dành cho kim loại tấm có chiều dày mỏng.
- HRG: Phù hợp với đồng phốtpho, beryllium copper, thiếc, chì, và các vật liệu có độ cứng tương đối cao.
- HRM: Sử dụng cho kim loại ổ bi mềm, nhựa, và các vật liệu cực kỳ mỏng.
Phương pháp đo độ cứng Rockwell mang lại thông tin chi tiết và đa dạng về độ cứng của các vật liệu, từ các kim loại truyền thống đến các vật liệu phi kim loại và nhựa. Đây là một công cụ hiệu quả trong nghiên cứu và công nghiệp, đặc biệt là khi đánh giá độ cứng của vật liệu có độ dày và tính chất khác nhau.
Ví dụ:
Như thép tôi được thử ở thang đo C với đầu thử kim cương và lực tác động tối đa 150kg sẽ nẵm trong khoảng RC 20 tới RC 70. Với các vật liệu mềm hơn được thử ở thang đo B bi thử đường kính 1/16 inch và lực thử tối đa 100kg, kết quả đo trong phạm vi RB 0 tới RB100. Thang đo A (với đầu thử kim cương và lực thử tối đa 60kg) thường dùng dải phạm vi vật liệu đồng nhiệt luyện tới carbide.
Kiểm tra độ cứng theo phương pháp Rockwell cho kết quả nhanh và chính xác. Vết lõm bằng phương pháp thử này thương nhỏ, do đó chi tiết sau nhiệt luyện có thể thử độ cứng bằng phương pháp này mà không bị hư hại. Các thiết bị đo độ cứng Rockwell có công suất phát lực thử tới 103N (100kg) có khả năng tạo một điểm lõm trên các vật liệu thử.
