Độ cứng là gì? Những ký hiệu độ cứng như HRC, HV, HL có ý nghĩa gì, chúng khác nhau như thế nào? Liệu ký hiệu HRB và HB có tương đương nhau? Bạn cần lựa chọn một máy đo độ cứng nhưng chưa rõ những ứng dụng của từng loại máy, làm sao để lựa chọn phù hợp? Làm thế nào để kiểm tra, hiệu chuẩn?
Qua bài viết dưới đây, Techmaster hy vọng sẽ cung cấp những thông tin hữu ích, giúp bạn giải đáp các thắc mắc trên, cũng như tìm được máy đo phù hợp với nhu cầu sử dụng.
1. Độ cứng là gì
Trước khi tìm hiểu về Máy đo độ cứng, chúng ta cần biết được độ cứng là gì. Đây là câu hỏi đơn giản nhưng rất dễ gây nhầm lẫn. Chúng ta cần làm rõ độ cứng ở đây là độ cứng của kim loại/vật liệu rắn, độ cứng của nước (dung dịch), độ cứng cao su (vật liệu đàn hồi), hay độ cứng viên nén (thuốc viên),… Trong bài viết này, chúng tôi chỉ xin đề cập sâu về độ cứng kim loại, hay vật liệu rắn.
Độ cứng kim loại hay vật liệu rắn là khả năng chịu đựng (chống lại sự biến dạng) của vật liệu rắn dưới tác dụng của một lực nào đó, thường là lực xuyên thấu (đâm thủng). Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, trong lĩnh vực gia công tạo hình sản phẩm.
Vì sao?
Vì chỉ có kim cương mới cắt được kim cương. Một vật chỉ có thể cắt được, hay tạo hình lên một vật khác khi nó cứng hơn vật bị tạo hình. Từ đó, khi phay, tiện sản phẩm, bạn sẽ lựa chọn mũi dao gia công phù hợp với sản phẩm cần gia công.
Đối với một số vật liệu, sau khi trải qua quá trình tôi luyện, sẽ trở nên “cứng” hơn so với trước đó. Và để xác định được điều này, người ta đã phát minh ra rất nhiều phương pháp đo, xây dựng thang đo tương ứng.
2. Các thang đo độ cứng, ký hiệu, nguyên lý
2.1. Độ cứng MOHS
Là loại thang đo độ cứng chủ yếu dành cho các loại khoáng vật. Thang đo này đặc trưng cho khả năng làm trầy xước hoặc chống lại trầy xước, dựa trên những loại khoáng vật khác nhau. Khoáng vật nào có độ cứng lớn hơn sẽ làm trầy được khoáng vật có độ cứng bé hơn.
Như hình trên, rất dễ nhận thấy, KIM CƯƠNG là vật liệu cứng nhất. Giả sử bạn có một vật liệu có thể làm trầy tinh thể FLOURITE, và bị làm trầy bởi APATITE, thì vật liệu đó sẽ có độ cứng trong khoảng 4~5MOHS.
Phương pháp này chỉ mang tính chất so sánh tương đối, không đưa ra kết quả chính xác, chỉ có ý nghĩa trong nghiên cứu tính chất của tinh thể, ít được ứng dụng trong sản xuất, đo lường thực tế.
2.2. Độ cứng BRINELL
- Là loại thang đo độ cứng lâu đời nhưng được ứng dụng khá rộng rãi. Đây là phương pháp đo thuộc dạng ấn lõm. Mũi thử có đầu là một viên bi có đường kính D và lực ấn P xác định, tác dụng lực vuông góc lên bề mặt mẫu thử trong một khoảng thời gian xác định, tạo nên vết lõm. Sau đó, xác định đường kính vết lõm, tính được độ cứng, ký hiệu là HB.
- Đường kính đầu bi có thể là 10mm, 5mm hoặc 1mm với lực ấn là 3000kgf, 750kgf hoặc 30kgf. Mối quan hệ P/D2 được chuẩn hóa để kết quả đo được ổn định ứng với nhiều loại vật liệu khác nhau. Ví dụ với thép, tỷ lệ này là 30:1, với nhôm tỷ lệ này là 5:1.
- Công thức:
Với,
F: lực tác dụng vuông góc với bề mặt mẫu thử, N
D: đường kính viên bi của mũi thử, mm
d: đường kính vết lõm trên bề mặt mẫu thử, mm
hoặc công thức:
Với,
P: lực tác dụng vuông góc với bề mặt mẫu thử, kgf
D: đường kính viên bi của mũi thử, mm
d: đường kính vết lõm trên bề mặt mẫu thử, mm
* Đặc trưng của phương pháp Brinell:
_ Cần kính lúp có vạch đo, hoặc kính hiển vi, máy đo quang học để xác định vết lõm.
_ Lực ấn lõm chỉ tác dụng 1 lần trên bề mặt mẫu thử.
_ Phương pháp đo nhanh, độ chính xác không quá cao
_ Không áp dụng cho vật liệu quá cứng, tấm mỏng, bề mặt cong.
2.3. Độ cứng ROCKWELL
- Đây cũng là một loại thang đo độ cứng phổ biến hiện nay, dựa trên phương pháp đo thuộc dạng ấn lõm. Điểm khác biệt so với phương pháp Brinell, đó là phương pháp Rockwell sẽ ấn 2 lần lên bề mặt mẫu thử. Chênh lệch độ lún sâu giữa 2 lần ấn lực sẽ được dùng để tính toán độ cứng. Như vậy, phương pháp này không cần hệ thống quang học để đo kích thước vết lõm. Đơn vị chung của thang đo Rockwell là HR (Hardness Rockwell).
- Phương pháp này sử dụng 2 loại mũi đo: đầu bi (Carbide Tungsten) và mũi kim cương dạng chóp, góc đỉnh 120º (kim cương).
- Phương pháp này có rất nhiều thang đo cùng hệ, tùy thuộc vào dạng mũi đo, lực ấn. Do đó, chúng ta sẽ thấy nhiều loại đơn vị đo của Rockwell, như HRA, HRB, HRC,… đều bắt đầu bằng ký hiệu HR, ký hiệu thứ 3 theo bảng bên dưới để phân biệt.
Bảng độ cứng Rockwell:
Như vậy, rõ ràng đơn vị HB (Brinell) và HRB (Rockwell) là hoàn toàn khác nhau.
- Công thức:
Với,
U = 100 khi đo độ cứng bằng mũi kim cương
U = 130 khi đo độ cứng bằng mũi viên bi
T = 0.002mm khi đo độ cứng thông thường (Regular Rockwell Hardness)
U = 0.001mm khi đo độ cứng bề mặt (Superficial Rockwell Hardness)
Δh: chênh lệch chiều cao giữa 2 lực ấn lõm (mm)
Máy đo độ cứng Rockwell điện tử MITUTOYO HR-400/500 series
Máy đo độ cứng Rockwell đồng hồ MITUTOYO HR-200 Series
_ Không cần kính hiển vi, máy đo quang học để xác định vết lõm.Đặc trưng của phương pháp Rockwell:
_ Lực ấn lõm tác dụng 2 lần trên bề mặt mẫu thử, cần thời gian để đạt đúng chiều sâu ở mỗi lần ấn lực.
_ Phương pháp đo nhanh, độ chính xác cao.
_ Chỉ áp dụng với chi tiết có phạm vi nhỏ.
_ Không phù hợp với vật liệu tấm mỏng, xi mạ.
_ Thang đo rộng do có nhiều loại đơn vị đo, có thể chuyển đổi đơn vị đo cùng hệ Rockwell.
2.4. Độ cứng VICKER
- Đây cũng là một loại thang đo độ cứng phổ biến hiện nay, dựa trên phương pháp đo thuộc dạng ấn lõm. Phương pháp gần giống với phương pháp Brinell, nhưng độ chính xác cao hơn.
Đầu tiên, điều chỉnh hệ thống quang học để nhìn thấy rõ bề mặt của mẫu. Sau đó, mũi chóp kim cương sẽ ấn với lực chỉ định một lần . 2 đường chéo của vết lõm và lực ấn sẽ được dùng để tính toán độ cứng, đơn vị đo là HV. Phương pháp này sử dụng mũi kim cương dạng chóp, góc 2 cạnh đối diện 136º.
- Công thức:
Trong đó,
HV: độ cứng theo thang Vicker,
F: lực tác dụng, N
d: chiều dài trung bình 2 đường chéo (D1,D2) của vết lõm, mm
hoặc:
Trong đó,
HV: độ cứng theo thang Vicker,
F: lực tác dụng, kgf
d: chiều dài trung bình 2 đường chéo (D1,D2) của vết lõm, µm
Máy độ cứng Vicker MITUTOYO HV-200
- Đặc trưng của phương pháp Vicker:
_ Cần kính hiển vi, máy đo quang học để xác định bề mặt mẫu cũng như vết lõm.
_ Lực ấn lõm tác dụng 1 lần trên bề mặt mẫu thử, cần thời gian để hình thành vết lõm rõ ràng.
_ Phương pháp đo được độ cứng các chi tiết nhỏ, đòi hỏi bề mặt được gia công kỹ lưỡng.
_ Đo được độ cứng vật liệu mỏng, lớp phủ.
2.5. Độ cứng LEEB
- Độ cứng Leeb thuộc phương pháp đo theo kiểu bật nẩy của bi đo. Theo nguyên lý động lực Leeb, giá trị độ cứng được tính từ sự mất năng lượng của vật thể va chạm xác định sau khi tác động lên một mẫu kim loại. Chỉ số Leeb (vi, vr) được lấy làm thước đo tổn thất năng lượng do biến dạng dẻo: mẫu thử càng cứng thì tốc độ phản lực của bị đo phục hồi nhanh hơn so với mẫu mềm hơn. Một bộ từ tính bên trong ống đo điện áp thay đổi khi bị đo nẩy lại, di chuyển qua cuộn dây đo.
- Công thức:
Trong đó,
HL: độ cứng theo thang Leeb,
vi: vận tốc ban đầu khi viên bi được bắn ra, chưa va đập với mẫu
vr: vận tốc phản lại của bi đo sau khi va đập với mẫu thử.
Máy đo độ cứng Leeb cầm tay MITUTOYO HH-411
Phương pháp Leeb cũng có khá nhiều đơn vị đo, các bạn có thể xem bảng dưới đây để dễ phân biệt sự khác nhau:
Đặc trưng của phương pháp Leeb
_ Là phương pháp đo cơ động và nhanh chóng.
_ Đo được các mẫu có kích thước lớn và khối lượng >1kg.
_ Có thể chuyển đổi sang nhiều đơn vị đo khác.
_ Độ chính xác và độ lặp lại ở mức tương đối, thấp hơn so với các loại máy bàn của Rockwell, Vicker.
Quy trình hiệu chuẩn máy đo độ cứng
* Lưu ý: Đây là quy trình theo chuẩn chung, quy trình cụ thể trên thực tế sẽ có những điểm khác biệt nhất định, phụ thuộc vào nhu cầu của khách hàng.
3. Phương tiện hiệu chuẩn Máy đo độ cứng
Phải sử dụng phương tiện hiệu chuẩn ghi trong bảng 2. Các phương tiện hiệu chuẩn được sử dụng phải có phạm vi đo phù hợp.
4. Điều kiện hiệu chuẩn
- Khi tiến hành hiệu chuẩn phải đảm bảo những điều kiện sau:
- Nhiệt độ nơi đặt máy phải đảm bảo 27oC + 5oC.
- Vị trí đặt máy phải tránh được ảnh hưởng của ăn mòn hóa chất và chấn động.
- Máy phải được lắp đặt chắc chắn theo thuyết minh hướng dẫn lắp đặt, sử dụng. Việc hiệu chuẩn được thực hiện tại nơi lắp đặt máy.
5. Tiến hành hiệu chuẩn Máy đo độ cứng
5.1 Kiểm tra bên ngoài
Kiểm tra theo các yêu cầu sau đây:
5.1.1 Máy phải có nhãn hiệu ghi số máy, nơi sản xuất.
5.1.2 Máy phải có đầy đủ các bộ phận và phụ kiện theo thuyết minh sử dụng.
5.1.3 Mặt số của bộ phận chỉ thị giá trị độ cứng hoặc mặt số của các thang chỉ lực thử phải rõ ràng.
5.2 Kiểm tra kỹ thuật
- Kiểm tra theo các yêu cầu sau đây:
- Kiểm tra trạng thái cân bằng của máy
- Dùng Nivô kiểm tra độ cân bằng của máy. Độ lệch theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng không quá 1mm/m.
- Kiểm tra trạng thái làm việc của máy
- Kiểm tra bộ phận tạo lực
- Điều khiển các bộ phận truyền động để tạo lực thử ở các mức lực. Bộ phận tạo lực (bao gồm cả bộ phận tăng giảm tốc độ lực thử, nếu có) phải đảm bảo sao cho lực được tạo ra một cách đều đặn, liên tục, không biến động đột ngột.
5.2.1. Kiểm tra mặt bàn đặt mẫu thử và bộ phận nâng hạ bàn
Kiểm tra bộ phận đo độ cứng Kiểm tra độ không phẳng của mặt bàn đặt mẫu bằng thước tóc và bộ căn lá. Độ không phẳng không vượt quá 0,1 mm/100 mm. Điều khiển để bàn đặt mẫu dịch chuyển, bàn phải lên xuống nhẹ nhàng, không bị giật cục, trục vít me đỡ bàn không được rơ.
5.2.2 Kiểm tra bộ phận đo độ cứng Kiểm tra độ không phẳng của mặt bàn đặt mẫu bằng thước tóc và bộ căn lá.
a – Kiểm tra bộ phận đo độ cứng của máy thử độ cứng Rockwell
Thanh đo của đồng hồ đo chiều sâu vết nén phải chuyển động nhẹ nhàng trên toàn bộ phạm vi đo. Trong quá trình chuyển động, kim không được nhẩy bước. Sau khi tác dụng một lực nhỏ lên đầu đo, kim phải trở lại vị trí ban đầu. Đồng hồ đo phải phù hợp với TCVN 257-2 : 2000 (Kiểm tra xác nhận và hiệu chuẩn máy thử độ cứng Rocwell).
b – Kiểm tra bộ phận đo của máy thử độ cứng Brinell và Vickers
- Với máy có bộ phận đo là quang học, phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:
+ Vùng quan sát phải được chiếu sáng đều;
+ Tâm vết nén phải nằm giữa trường quan sát;
+ Vết nén và các vạch số của thước vạch phải rõ nét.
- Kiểm tra độ chính xác của thước vạch bằng thước vạch chuẩn.
+ Với máy thử độ cứng Brinell, sai số không được vượt quá 1%;
+ Với máy thử độ cứng Vickers, sai số không được vượt quá 0,1%.
Kiểm tra bộ phận gá kẹp mẫu thử
Bộ phận gá kẹp mẫu thử phải giữ chặt được mẫu thử trên bàn đặt mẫu trong suốt quá trình thử.
Kiểm tra mũi đo
Sử dụng ống kính phóng đại để quan sát mũi đo. Bề mặt mũi đo không được có vết nứt hoặc khuyết tật.
Mũi đo phải phù hợp với TCVN 256 – 2 : 2000 (Kiểm tra xác nhận và hiệu chuẩn máy thử độ cứng Brinell) hoặc TCVN 257 – 2: 2000 hoặc TCVN 258 – 2 : 2000 (Kiểm ta xác nhận và hiệu chuẩn máy thử độ cứng Vickers).
Kiểm tra đo lường
Quy định chung
Quy định đối với kiểm tra lực thử
– Với máy thử độ cứng Rockwell, phải kiểm tra lực ban đầu và các mức lực tổng;
– Với máy thử độ cứng Brinell và Vickers phải kiểm tra tất cả các mức lực;
– Các mức lực được kiểm tra theo chiều lực tăng, mỗi mức được kiểm tra ít nhất 3 lần.
Quy định đối với sai số và tản mạn của giá trị cứng
– Với máy thử độ cứng Rockwell, phải kiểm tra sai số tuyệt đối và độ tản mạn giá trị độ cứng đối với tất cả các thang đo. Trường hợp chỉ dùng 1 thang đo thì tiến hành kiểm tra sai số đối với thang đo được sử dụng.
– Với máy có 2 phương pháp thử độ cứng Rockwell Brinell, hoặc Vickers – Brinell, phải kiểm tra sai số độ cứng và độ tản mạn tương đối với cả 2 phương pháp. Trường hợp chỉ dùng 1 phương pháp thì tiến hành kiểm tra sai số đối với phương pháp được sử dụng.
– Sai số tương đối cho phép lớn nhất của lực thử cho trong bảng 3.
– Sai số tuyệt đối và độ tản mạn cho phép lớn nhất của giá trị độ cứng đối với máy thử độ cứng Rockwell cho trong bảng 4.
– Sai số tương đối của giá trị độ cứng và độ tản mạn tương đối cho phép lớn nhất của đường kính hoặc đường chéo vết lõm với máy thử độ cứng Brinell hoặc Vickers cho bảng 5.
7. Tiến hành kiểm tra
7.1. Kiểm tra sai số tương đối của lực thử
Sai số tương đối của lực thử tại các mức được kiểm tra theo chiều lực tăng, mỗi mức được kiểm tra 3 lần.
Sai số tương đối của lực thử biểu thị bằng % được xác định theo công thức:
Kiểm tra sai số tuyệt đối và độ tản mạn của giá trị độ cứng với máy thử độ cứng Rockwell.
Với mỗi thang đo độ cứng, phải sử dụng ít nhất là 3 tấm chuẩn độ cứng để kiểm tra máy. Giá trị độ cứng của các tấm chuẩn phải nằm trong giới hạn sau:
Phải tiến hành 5 phép đo trên mỗi tấm chuẩn sau khi đã loại bỏ 2 phép đo đầu tiên. Vị trí các vết thử phải phân bố tương đối đều trên bề mặt tấm chuẩn.
a – Kiểm tra sai số tuyệt đối của giá trị độ cứng Rockwell
Sai số tuyệt đối của giá trị độ cứng Rockwell được xác định theo công thức:
Ä = ⎯H – H (HR)
Trong đó:
Ä : sai số tuyệt đối của giá trị độ cứng Rockwell;
H : giá trị độ cứng danh nghĩa của tấm chuẩn độ cứng;
H : giá trị trung bình của 5 giá trị độ cứng đo được trên một tấm chuẩn độ cứng. b – Kiểm tra độ tản mạn của giá trị độ cứng Rocwell
Độ tản mạn của giá trị độ cứng được xác định theo công thức:
RH = Hmax – Hmin (HR)
Trong đó:
R: độ tản mạn
Hmax, Hmin : giá trị độ cứng lớn nhất và nhỏ nhất trong 5 giá trị đo được trên 1 tấm chuẩn độ cứng.
7.2. Kiểm tra sai số tương đối của giá trị độ cứng:
Brinell hoặc Vickers và độ tản mạn tương đối của đường kính vết lõm hoặc đường chéo vết nứt.
– Với máy thử độ cứng Brinell, phải sử dụng ít nhất là 2 tấm chuẩn độ cứng Brinell với cùng một mức lực thử để kiểm tra máy. Giá trị độ cứng của 2 tấm chuẩn độ cứng phải nằm trong giới hạn sau:
Với máy thử độ cứng Vickers, phải sử dụng ít nhất 3 tấm chuẩn độ cứng Vickers với cùng một mức lực thử để kiểm tra máy. Giá trị độ cứng của 3 tấm chuẩn phải nằm trong giới hạn sau:
– Vị trí các vết đo phải phân bố tương đối đều trên bề mặt tấm chuẩn. Phải tiến hành 5 phép đo trên mỗi tấm chuẩn độ cứng.
– Kiểm tra sai số tương đối của giá trị độ cứng Brinell và Vickers.
Sai số tương đối của giá trị độ cứng biểu thị bằng % được xác định theo công thức sau:
Chú thích (*): Đường kính trung bình của vết hoặc đường chéo trung bình của vết nén là giá trị trung bình của đường kính hoặc đường chéo của một vết lõm hoặc một vết nén đo theo hai phương vuông góc với nhau.
