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.
Tags: 2d measure machine, Hardness Measurement Solution, máy do 2d, máy do cmm, máy đo 3d, máy đo độ cứng, Sinowon, Tool Microscope, Video measuring instrument, vision measuring machine