Độ cứng và các loại đơn vị đo độ cứng hiện nay
Độ cứng là một trong những đặc tính quan trọng của vật liệu, đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật và sản xuất. Khả năng chống lại sự biến dạng, nén hay uốn cong của vật liệu khi chịu lực tác động là yếu tố quyết định tính chất này. Đo độ cứng của vật liệu là một bước quan trọng trong quá trình đánh giá chất lượng và tính khả dụng của nó trong các ứng dụng cụ thể. Ngày nay, có nhiều phương pháp đo độ cứng hiện đại được sử dụng rộng rãi, và mỗi phương pháp đều mang lại thông tin quan trọng về tính chất cơ học của vật liệu. Trong bối cảnh này, bài viết sẽ khám phá sâu hơn về các đơn vị đo độ cứng hiện đại, đồng thời tìm hiểu về tính chất cơ bản của độ cứng vật liệu.
Độ cứng là gì? Độ cứng là một thuộc tính cơ học của vật liệu mô tả khả năng của nó chống lại sự biến dạng khi chịu lực tác động. Trong ngữ cảnh cơ bản, độ cứng thường được hiểu là khả năng của một vật liệu chống lại sự biến dạng bằng cách giữ cho hình dạng của nó nguyên vẹn khi chịu tác động từ bên ngoại.
Tính chất cơ bản của độ cứng
Độ cứng biểu thị tính bề mặt
Mặc dù độ cứng là một đặc tính quan trọng, nhưng cần lưu ý rằng nó thường chỉ phản ánh tính chất bề mặt của vật liệu mà không thể đại diện cho toàn bộ sản phẩm. Tính chất cơ học của một vật liệu không chỉ phụ thuộc vào độ cứng, mà còn liên quan đến nhiều yếu tố khác như đàn hồi, dẻo dai, và khả năng chống va đập.
Vật liệu có thể có độ cứng cao trên bề mặt nhưng vẫn có thể linh hoạt và dẻo dai bên trong. Điều này có nghĩa là, trong khi một sản phẩm có bề mặt cứng có thể chống lại trầy xước và mài mòn, chưa chắc nó có khả năng chịu được những tác động va đập lớn. Do đó, để đánh giá một cách chính xác tính chất cơ học của vật liệu, người ta cần xem xét nhiều đặc tính khác nhau, và độ cứng chỉ là một trong số đó.
Đặc biệt, trong quá trình sản xuất, độ cứng có thể ảnh hưởng đến khả năng gia công và hình dạng cuối cùng của sản phẩm. Nếu vật liệu quá cứng, việc gia công có thể trở nên khó khăn và đòi hỏi các phương pháp chế biến đặc biệt. Điều này có thể làm tăng chi phí sản xuất và làm giảm hiệu suất chung của quy trình.
Một khía cạnh khác cần xem xét là mối liên hệ giữa độ cứng và khả năng chịu mài mòn. Mặc dù có thể đúng rằng vật liệu cứng có khả năng chống mài mòn tốt hơn, nhưng không phải lúc nào cũng có sự tương quan tuyến tính giữa chúng. Một số vật liệu có thể có độ cứng cao nhưng lại không hiệu quả trong việc chống mài mòn do các yếu tố khác như cấu trúc tinh thể và tình trạng bề mặt.
Độ cứng cho biết khả năng chống mài mòn của vật liệu
Độ cứng của vật liệu thường được coi là một chỉ số quan trọng đánh giá khả năng chống mài mòn. Nguyên lý này phản ánh sự khá đơn giản: vật liệu càng cứng, khả năng chống mài mòn của nó càng cao. Điều này xuất phát từ việc độ cứng của vật liệu thường liên quan đến sức chịu mài mòn tốt hơn, làm tăng khả năng duy trì hình dạng và bề mặt ban đầu qua thời gian.
Khả năng chống mài mòn là một yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực sản xuất và kỹ thuật. Ví dụ, trong ngành công nghiệp sản xuất, vật liệu được sử dụng trong các công cụ cắt, đục, hoặc các bộ phận chịu mài mòn cần phải có độ cứng cao để chống lại sự mòn đi từ việc tiếp xúc với các vật liệu khác.
Mối liên quan giữa độ cứng và khả năng chống mài mòn thường được hiểu dựa trên sự kiểm soát của cấu trúc tinh thể và đặc tính vật lý của vật liệu. Trong vật liệu có cấu trúc tinh thể chặt chẽ và liên kết mạnh, độ cứng cao, làm tăng khả năng chống mài mòn. Một số phương pháp đo độ cứng như Vickers hay Rockwell thường được áp dụng để đánh giá mức độ cứng của vật liệu trong ngữ cảnh này.
Mối liên hệ giữa độ cứng, giới hạn bền và khả năng gia công cắt
Trong nghiên cứu và ứng dụng vật liệu, mối liên hệ giữa độ cứng, giới hạn bền, và khả năng gia công cắt là một khía cạnh quan trọng, đặc biệt khi chúng ta xem xét vật liệu đồng nhất ở trạng thái ủ. Độ cứng của vật liệu thường được coi là một chỉ số quan trọng, vì nó có thể ảnh hưởng đến khả năng vật liệu chống lại biến dạng và tác động từ môi trường bên ngoài.
Khi độ cứng tăng lên, giới hạn bền của vật liệu cũng thường có xu hướng tăng. Điều này là hiển nhiên trong nhiều trường hợp, vì cấu trúc tinh thể cứng và mạng liên kết tăng cường có thể giúp ngăn chặn sự lan rộng của các động tử biến dạng. Vật liệu có độ cứng cao thường có khả năng chịu tải mạnh và giữ hình dạng ban đầu tốt, giúp nâng cao giới hạn bền của chúng.
Tuy nhiên, mối quan hệ giữa độ cứng và khả năng gia công cắt không phải lúc nào cũng là tuyến tính. Trong một số trường hợp, độ cứng cao có thể làm giảm khả năng gia công cắt của vật liệu. Việc gia công cắt đòi hỏi một lượng năng lượng lớn để đảm bảo cắt rõ ràng và chính xác. Khi vật liệu quá cứng, quá trình gia công có thể trở nên khó khăn và đòi hỏi các điều kiện chế biến đặc biệt, làm tăng chi phí và khó khăn trong quá trình sản xuất.
Khả năng cắt kém của vật liệu độ cứng cao có thể gặp nhiều thách thức trong việc tạo hình sản phẩm. Quá trình gia công có thể tạo ra áp lực và nhiệt độ lớn, làm tăng độ mài mòn của dụng cụ cắt và gây ảnh hưởng đến độ cứng của vật liệu. Trong môi trường sản xuất, điều này có thể dẫn đến việc chọn lựa vật liệu có độ cứng phù hợp để đảm bảo quá trình gia công diễn ra hiệu quả mà không làm giảm chất lượng của sản phẩm.
Các loại đơn vị đo độ cứng hiện nay
Độ cứng Brinell (HB)
Độ cứng Brinell (HB) là một phương pháp đo độ cứng của vật liệu dựa trên việc đánh giá ảnh hưởng của lực tác động lên bề mặt vật liệu. Phương pháp này được xác định bằng cách ấn tải trọng lên bi cứng, gọi là bi Brinell, và sau đó quan sát lõm được tạo ra sau khi ngừng tác dụng lực. Phương pháp này còn được gọi là phương pháp ấn lõm Brinell.
Công thức để xác định độ cứng Brinell là HB = F/S, trong đó F là lực tác động lên bi cứng, và S là diện tích bề mặt của lõm được tạo ra. Công thức chi tiết cho diện tích bề mặt (S) là S = 2F(piD)/(piD – căn bậc 2(D^2 – d^2)), trong đó D là đường kính của bi Brinell, d là đường kính của lõm sau khi tác động.
Chẳng hạn, nếu chúng ta xét mẫu thép bi có đường kính D=10mm và áp dụng lực F=3000KG trong khoảng thời gian 15 giây, ta có thể sử dụng công thức để tính độ cứng Brinell của mẫu.
HB = 2F(piD)/(piD – căn bậc 2(D^2 – d^2)) = 2 * 3000 * pi * 10 / (pi * 10 – căn bậc 2(10^2 – d^2))
Thông thường, phương pháp đo độ cứng Brinell chỉ được áp dụng trên các vật liệu có độ cứng cao, chẳng hạn như kim loại trục. Điều này là do độ chính xác của phép đo giảm khi đối tượng có độ cứng thấp, và cũng có thể dẫn đến việc hình thành các lõm lớn và không đều trên bề mặt mẫu, làm ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả.
Độ cứng Brinell không chỉ cung cấp thông tin về độ cứng của vật liệu mà còn là một công cụ quan trọng để đánh giá độ bền của nó, đặc biệt đối với các vật liệu có độ cứng cao. Phương pháp này đã và đang được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp để kiểm tra chất lượng vật liệu và đảm bảo rằng chúng đáp ứng các tiêu chuẩn độ cứng và độ bền mong muốn.
Độ cứng Rocvel HR (HRA, HRB, HRC)
Độ cứng Rocvel HR (HRA, HRB, HRC) là một phương pháp đo độ cứng rộng, có khả năng đo từ vật liệu mềm đến vật liệu cứng, đặc biệt là trong các trường hợp không có thứ nguyên, khác biệt với phương pháp đo độ cứng Brinell (HB).
Thang đo A và C của Rocvel HR, được biểu diễn bởi HRA và HRC, sử dụng mũi đo hình nón bằng kim cương với các tải 50KG (thang A) và 140KG (thang C) tương ứng. Trong đó, độ cứng HRC (Hardness Rockwell C) là phổ biến nhất và được sử dụng để đo lượng độ cứng của các vật liệu như thép SKD11, SKD61, SCM440, DC11, vv.
Máy đo độ cứng Rockwell sử dụng thang đo C, có mũi đo hình nón kim cương và lực ấn là 150kg. Thang C được ưu tiên sử dụng để đo các vật liệu có độ cứng trung bình và cao, như các loại thép sau khi nhiệt luyện như thép chân không và thép dầu.
Thang đo HRB, có mũi bằng bi thép tôi song với đường kính nhỏ hơn so với thang Brinell (HB), nên thường được sử dụng cho vật liệu mềm như thép ủ và gang, với tải F=90kg.
Đối với thang đo B, được mô tả bằng chữ màu đỏ, thường được dùng để đo độ cứng của thép chưa tôi, đồng, với lực ấn 100kg. Thang đo A sử dụng lực ấn là 60kg.
Tùy thuộc vào loại vật liệu, chúng ta có thể lựa chọn thang đo phù hợp nhất. Các loại vật liệu có độ cứng thấp, trung bình, cao, và rất cao có thể được phân loại dựa trên giá trị độ cứng, giúp xác định phương pháp đo phù hợp nhất với từng trường hợp cụ thể.
Độ cứng Vickers (HV)
Độ cứng Vickers (HV) là một phương pháp đo độ cứng được xác định dựa trên tỉ số của lực tác động lên diện tích của vết đâm. Tương tự như độ cứng Brinell (HB), độ cứng Vickers được biểu diễn thông qua công thức HV = 1,854F/d², trong đó F là lực tác động lên mũi đâm bằng kim cương, và d là đường chéo của vết đâm trên bề mặt vật liệu.
Phương pháp đo độ cứng Vickers sử dụng mũi đâm có hình dạng kim cương và áp dụng tải trọng từ 1 đến 100KG, thường với thời gian giữ trong khoảng 10 đến 15 giây. Các giá trị khác nhau của lực và thời gian giữ được sử dụng để đo độ cứng của vật liệu trong phạm vi rộng từ mềm đến cứng.
Công thức HV = 1,854F/d² thể hiện mối liên hệ giữa độ cứng Vickers và các yếu tố quan trọng khác. Lực tác động và kích thước của vết đâm được tính toán để đưa ra giá trị độ cứng của vật liệu trong đơn vị KG/mm².
Phương pháp đo độ cứng Vickers thường được ưa chuộng trong các ứng dụng cần độ chính xác cao và đo trên các vật liệu có độ cứng khác nhau. Với khả năng đo trên cả vật liệu mềm và cứng, độ cứng Vickers là một công cụ linh hoạt và đáng tin cậy trong lĩnh vực kiểm tra và đánh giá vật liệu.
Các phương pháp đo độ cứng
Phương pháp đo Rockwell
Phương pháp đo Rockwell là một trong những kỹ thuật đo độ cứng phổ biến và độ chính xác cao nhất được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Đặc biệt, nó chiếm khoảng 80% trong tổng số 3 phương pháp đo độ cứng nổi tiếng nhất, chứng tỏ độ phổ biến và đáng tin cậy của nó trong cộng đồng sản xuất và kiểm tra chất lượng.
Một trong những lợi ích quan trọng của phương pháp đo Rockwell là tính linh hoạt của nó khi áp dụng cho nhiều loại chi tiết có kích thước và hình dạng khác nhau, cũng như trên đa dạng vật liệu, từ kim loại đến nhựa và gỗ. Sự đa dạng này giúp nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc kiểm tra chất lượng và đảm bảo độ cứng của các sản phẩm.
Với độ chính xác khá cao, phương pháp đo Rockwell thường được ưa chuộng cho các yêu cầu đo độ cứng thông thường trong quá trình sản xuất. Các dải đo cứng khác nhau trên thang Rockwell, như HRA, HRB, và HRC, cung cấp linh kiện cụ thể về độ cứng, từ vật liệu mềm đến vật liệu cứng.
Phương pháp đo Vickers
- Đo độ ccứng của các chi tiết nhỏ và vật liệu mỏng: Phương pháp đo Vickers được thiết kế đặc biệt để đo độ cứng của các chi tiết nhỏ và vật liệu mỏng. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho những ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao trên các chi tiết có kích thước giảm và cấu trúc mỏng.
- Đo độ cứng trên các bề mặt có lớp mạ phủ: Phương pháp đo Vickers thường được ưa chuộng để đo độ cứng trên các bề mặt có lớp mạ phủ. Khả năng này làm cho nó trở thành công cụ quan trọng trong việc kiểm tra chất lượng và đánh giá độ cứng của các lớp mạ hay các lớp bảo vệ khác.
- Độ chính xác cao nhất: Phương pháp đo Vickers thường được biết đến với độ chính xác cao nhất trong các phương pháp đo độ cứng. Điều này làm cho nó trở thành sự lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng yêu cầu đo độ cứng với độ chính xác tối đa.
- Máy đo Vickers thường có giá cao: Do độ chính xác cao và khả năng đo trên nhiều loại vật liệu và chi tiết khác nhau, máy đo Vickers thường có giá cao. Chi phí đầu tư vào máy đo Vickers thường đáng kể, nhưng được coi là đầu tư có giá trị cho những ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và đồng đều cao.
Phương pháp đo Brinell
Phương pháp đo Brinell mặc dù không có độ chính xác cao như phương pháp Vickers, vẫn là một trong những kỹ thuật quan trọng trong đo độ cứng vật liệu. Thường được ứng dụng để đo các chi tiết lớn như khuôn, vật đúc, rèn, nơi mà yêu cầu đặt ra không chỉ là độ chính xác mà còn là khả năng đo trên các bề mặt lớn.
Với phương pháp này, mũi đo hình cầu được áp dụng lực đối với bề mặt của vật liệu, tạo ra vết động vật hình tròn. Lực áp dụng và đường kính của vết động cùng nhau tạo ra giá trị độ cứng theo thang đo Brinell (HB).
Tính độ chính xác không cao hơn so với Vickers và Rockwell làm cho phương pháp Brinell phù hợp trong những trường hợp không yêu cầu sự chi tiết cao về độ cứng. Nó thường được ưa chuộng trong các ngành công nghiệp sản xuất lớn, nơi mà đối tượng đo thường có kích thước lớn hơn và cần đến sự đơn giản và nhanh chóng của quá trình đo.
Lời kết
Độ cứng và các đơn vị đo độ cứng hiện nay cho thấy sự đa dạng và quan trọng của các phương pháp đo độ cứng trong lĩnh vực kiểm tra vật liệu và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Độ cứng của vật liệu không chỉ là một chỉ số quan trọng về tính chất vật lý mà còn là yếu tố quyết định về khả năng chịu tải, độ bền và ứng xử trong môi trường làm việc.Sự kết hợp của các phương pháp đo độ cứng tạo nên một cơ sở hạ tầng mạnh mẽ cho việc kiểm tra vật liệu, cung cấp thông tin quan trọng để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Nếu bạn quan tâm hãy truy cập vào Website COMIT hoặc Fanpage để biết thêm chi tiết.
