Một số phương pháp đo độ cứng vật liệu
Độ cứng là một thuộc tính cơ bản của vật liệu, thuật ngữ độ cứng phản ánh tính chịu uốn, mài mòn, trầy xước của vật. Cùng với sự phát triển của khoa học vật liệu đã có rất nhiều phương pháp đo độ cứng ra đời. Bài viết này xin giới thiệu một số phương pháp đo độ cứng thường được biết đến, đặc biệt ứng dụng cho lĩnh vực vật liệu kim loại.
Phương pháp đo độ cứng theo vết xước: Được xác định bằng cách so sánh độ cứng của khoáng vật cần biết với mẫu chuẩn, dựa trên tính chất khoáng vật có độ cứng lớn hơn sẽ làm trầy khoáng vật có độ cứng nhỏ hơn, thông thường theo thang độ cứng của Môxơ (F. Mohs; nhà khoáng vật học Đức).
Thang đo độ cứng Mohs dựa trên mười loại khoáng vật đã có sẵn, ngoại trừ kim cương. Theo đó, vật liệu mền nhất là Tan, vật liệu cứng nhất là kim cương. Thang đo độ cứng tương đối này mang nhiều tính hạn chế trong thực tiễn sử dụng, không cung cấp được kết quả chính xác và không phù hợp với các loại kim loại, vật liệu hiện đại.
Độ cứng thang Mohs Khoáng vật
1 Tan (Mg3Si4O10(OH)2)
2 Thạch cao (CaSO4•2H2O)
3 Đá canxit (CaCO3)
4 Đá fluorit (CaF2)
5 Âptit (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-))
6 Ôctcla felspat (KAlSi3O8)
7 Thạch Anh (SiO2)
8 Topaz (Al2SiO4(OH-,F-)2)
9 Corundum (Al2O3)
10 Kim cương (C)
Ngày nay, các phương pháp đo độ cứng thường sử dụng một đầu thử (có hình dạng đặc biệt và có độ cứng hơn mẫu đo) ấn tác động lên bề mặt mẫu thử. Theo đó trị số độ cứng được tính toán trên cơ sở lực tác động và độ sâu hoặc kích cỡ của vết lõm. Có 3 phương pháp đo độ cứng được biết đến nhiều nhất là là Brinell, Vicker và Rockwell:
Phương pháp đo độ cứng Brinell: là phương pháp đo độ cứng do J.A. Brinell đưa ra vào năm 1900, sử dụng một viên bi thép đk 10mm với lực ấn 3000 kg ấn lõm vào bề mặt kim loại. Đối với các kim loại mềm, lực ấn sẽ được giảm xuống 500kg, và đối với các kim loại cực cứng, sẽ sử dụng đến bi thử cardbide tungsten giám thiếu biến dạng đầu thử. Lực tác động toàn phần sẽ được duy trì trong khoảng 10 – 15 giây đối với thử độ cứng của gang và thép, và tối thiểu 30 giây với các kim loại khác. Đường kính của vết lõm trên bề mặt vật liệu thử được đo bằng kính hiển vi.
Độ cứng Brinell được xác định theo công thức: Thông số độ cứng Brinell thường được viết liền với các điều kiện thử. Ví dụ 75HB 10/500/300 có nghĩa là độ cứng Brinel 75 đo được khi sử dụng bi thử đường kính 10mm, lực thử 500 kg tác động trong vòng 30 giây. So với các phương pháp thử độ cứng khác, bi thử Brinell tạo ra vết lõm sâu và rộng nhất, do đó phép thử sẽ bình quân được độ cứng trên một phạm vi rộng hơn của vật đo. Đây là phương pháp tối ưu để đô độ cứng khối hoặc hoặc độ cứng tổng thể của một loại vật liệu, đặc biệt là vật liệu có cấu trúc không đồng đều. Các vết xước và độ nhám bề mặt hầu như không ảnh hưởng tới phép thử Brinell.
Các giá trị BHN tiêu biểu là Nhôm 35MPa, thép gió 120Mpa, thép không gỉ 1250Mpa. Tuy nhiên phương pháp thử này không phù hợp với đo các vật thể nhỏ.
Phương pháp đo Độ cứng Vicker: được phát triển vào những năm 1920. Các tính toán của phương pháp thử Vicker không thuộc với kích cỡ của đầu thử.
Đầu thử có thể sử dụng cho mọi loại vật liệu. Phép thử sử dụng một mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh có góc giữa các mặt phẳng đối diện là 136o. Góc này xấp xỉ tỷ lệ lý thuyết của đường kính vết lõm với đường kính bi thử trong phương pháp thử Brinell.
Giá trị độ cứng (thường phiên âm DPH, VHN hoặc VPH) xác định bằng lực tác động chia cho diện tích mặt lõm theo công thức : Phương pháp thử này có thể sử dụng cho tất cả các loại kim loại. Với một lực thử cho trước, nó cho kết quả một thang đo liên tục, từ kim loại mềm là 5DPH tới các kim loại cứng là 1500 DPH.
Phương pháp đo độ cứng Rockwell: là phương pháp đo độ cứng bằng cách tác động làm lõm vật thử với một đầu thử kim cương hình nón hoặc bi thép cứng. Quy trình đo cơ bản như sau : tác động đầu thử vào vật mẫu với một lực tối thiểu, thường là 10kgf. Khi đạt độ cân bằng, thiết bị đo (theo dõi dịch chuyển đầu đo và các phản hồi về thay đổi chiều sâu tác động của đầu đo) ghi lại giá trị xác định. Tiếp đến, trong khi vẫn duy trì lực tác động tối thiểu, người ta tác động thêm một lực tối đa. Khi đạt được độ cân bằng, thôi tác động lực tối đa nhưng vẫn duy trì lực tác động tối thiểu ban đầu. Khi lực tối đa được thu về, độ sâu vết lõm trên bề mặt vật thử sẽ được phục hồi một phần.
Độ sâu vết lõm còn lại (kết quả của phát và thu lực tối đa) được sử dụng để tính toán độ cứng Rockwell.
Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, ký hiệu là RA, RB, RC, … tuỳ thuộc vào loại và kích thước đầu đo cũng như giá trị lực tác dụng được sử dụng.
* HRA . . . . carbides, thép tôi cứng bề mặt
* HRB . . . . Phôi đồng đỏ, thép mềm, phôi nhôm, gang mềm…
* HRC . . . . Thép, gang cứng , thép tôi hoặc các vật liệu cứng hơn 100 HRB
* HRD . . . . Thép mỏng, gang mềm
* HRE . . . . Gang, nhôm , kim loại ổ bi
* HRF . . . . Kim loại tấm có chiều dầy mỏng
* HRG . . . . Đồng phốtpho, beryllium copper,Thiếc, chì …
* HRK . . . . }
* HRL . . . . }
* HRM . . . .} . . . . Kim loại ổ bi mềm, nhựa, các vật liệu cực mỏng
* HRP . . . . }
* HRR . . . . }
* HRS . . . . }
* HRV . . . . }
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 đk 1/16 inch và lực thử tối đa 100 kg, 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.
Phương pháp đo độ cứng Shore: sử dụng khi độ cứng của các vật liệu cao su, nhựa;
2 dải đo độ cứngShore
| Shore A | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 | 75 | 80 | 85 | 90 | 95 | 100 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Shore D | 6 | 7 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 19 | 22 | 25 | 29 | 33 | 39 | 46 | 58 | |
Xem thêm Dụng cụ đo độ cứng cao su Asker
Các thiết bị đo hiện đại có thể sử dụng các công nghệ điện tự và tự động để tối ưu tính năng. Người sử dụng cũng có thể sử dụng kính hiển vi để định vị đầu đo kim cương cực nhỏ để xung lực chỉ vài N để đo độ cứng của một hạt kim loại. Đây còn được biết đến như các phép thử độ cứng tế vi (micro harness).
