Thử nghiệm độ cứng là gì? Các phương pháp đo độ cứng

Nói một cách đơn giản hơn khi sử dụng một lực cố định (load),và một đầu vào vật liệu đã cho, vết lõm càng nhỏ vật liệu càng cứng. Giá trị độ cứng của vết lõm thu được bằng cách đo độ sâu hoặc diện tích của vết lõm và được sử dụng một trong 12 phương pháp thử khác nhau.

1.1. Kiểm tra độ cứng được sử dụng với hai đặc tính chung:

Đặc tính vật liệu

       + Test để kiểm tra vật liệu

       + Test để kiểm tra độ cứng

       + Test để xác nhận quá trình như tôi, ram, ủ, thấm...

      + Có thể sử dụng để dự đoán độ bền kéo

Chức năng

      + Test để xác nhận khả năng hoạt động như được thiết kế

      + Test để xác nhận khả năng hao mòn điện trở

      + Test để xác nhận khả năng khó khăn khi gia công cơ khí

      + Test để xác nhận khả năng chống va đập

1.2. Cân nhắc trước khi kiểm tra độ cứng

Các đặc điểm mẫu sau đây cần được xem xét trước khi lựa chọn phương pháp thử độ cứng để sử dụng

      + Vật liệu

      + Kích thước mẫu

      + Độ dày

      + Tỉ lệ

      + Hình dạng mẫu tròn, trụ, phẳng, không đều

Vật liệu

Loại vật liệu và độ cứng mong đợi sẽ xác định phương pháp thử. Các vật liệu như thép chịu lực, thép dụng cụ có kích thước hạt nhỏ và có thể được đo bằng thang Rockwell do sử dụng mũi bi kim cương  và tải PSI cao. Vật liệu như gang và kim loại bột sẽ cần một bộ cảm biến lớn hơn nhiều như được sử dụng với thang đo Brinell. Các chi tiết rất nhỏ hoặc các phần nhỏ có thể cần phải được đo trên máy đo độ cứng bằng cách sử dụng Vickers hoặc thang đo Knoop.

Khi chọn thang đo độ cứng, hướng dẫn chung là chọn thang đo xác định tải trọng lớn nhất và đầu dò lớn nhất có thể mà không vượt quá các điều kiện hoạt động được xác định và tính toán các điều kiện có thể ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm.

Kích thước mẫu

Chi tiết nhỏ hơn, tải trọng nhẹ hơn cần thiết để tạo ra vết lõm cần thiết. Trên các bộ phận nhỏ, nó đặc biệt quan trọng để đảm bảo đáp ứng yêu cầu độ dày tối thiểu và khoảng cách vết lõm đúng cách tính từ bên trong và bên ngoài cạnh. Các chi tiết lớn hơn cần phải được kẹp chặt đúng cách để đảm bảo vị trí an toàn trong quá trình thử nghiệm mà không bị di chuyển hoặc trượt.


Mẫu hình trụ

Việc hiệu chỉnh kết quả thử nghiệm là cần thiết khi thử nghiệm trên các hình trụ có đường kính nhỏ do sự khác biệt giữa dòng vật liệu hướng trục và hướng tâm. Các yếu tố hiệu chỉnh vòng tròn được thêm vào kết quả thử nghiệm của bạn dựa trên đường kính của các bề mặt hình trụ lồi. Ngoài ra, điều quan trọng là duy trì khoảng cách tối thiểu bằng 2 ~ 1/2 lần đường kính vết lõmtừ cạnh hoặc một vết lõm tương tự.

Chiều dày mẫu

Mẫu kiểm tra phải có độ dày tối thiểu ít nhất bằng 10 lần độ sâu vết lõm đạt được. Độ dày cho phép được khuyến nghị cho phương pháp đo Rockwell.


2. Phương pháp đo độ cứng Brinell

      Phương pháp đo độ cứng Brinell được sử dụng để xác định độ cứng Brinell. Thông thường, nó được sử dụng để kiểm tra các vật liệu có cấu trúc thô (hạt to) hoặc có bề mặt thô ráp, ví dụ: đúc và rèn. Thử nghiệm Brinell thường sử dụng một lực thử nghiệm rất cao 3000 kgf và một bi thép đường kính 10mm lên bề mặt kim loại.

      Độ cứng Brinell được xác định bằng cách nhấn một khối cầu bằng thép cứng hoặc cacbit có đường kính D xác định dưới một tải trọng F cho trước, trong khoảng thời gian nhất định, bi thép sẽ lún sâu vào mẫu thử (Mũi thử trong phương pháp đo này là bi thép có đường kính 10 mm với lực ấn 3000 kg ấn lõm vào bề mặt kim loại. Đối với các kim loại mềm, lực ấn sẽ được giảm xuống 500 kg, và đối với các kim loại rất cứng, sẽ sử dụng đến bi thử Carbide Tungsten để giảm thiểu biến dạng đầu thử).

      Trong phương pháp này, trị số độ cứng gọi là HB được xác định bằng áp lực trung bình, biểu thị bằng Newton trên 1 mm² diện tích mặt cầu do vết lõm để lại, độ cứng Brinell được tính theo công thức:

                            HB = số độ cứng Brinell

                            F = tải trọng được tính bằng kgf

                            D = đường kính của đầu đo hình cầu tính bằng mm

                            d = đường kính trung bình của hai đường chéo vuông góc d1 và d2 của vết lõm trên vật liệu tính bằng mm

       Tại Mỹ, thử nghiệm Brinell thường được thực hiện trên sắt và thép đúc bằng cách sử dụng một lực lượng thử nghiệm 3000 Kgf và một mũi thử hình cầu bằng Carbide đánh bóng đường kính 10mm ấn lõm vào bề mặt vật liệu. Nhôm và các hợp kim mềm hơn khác thường được kiểm tra bằng cách sử dụng lực thử 500 Kgf và một mũi thử hình cầu bằng Carbide đường kính 10 hoặc 5mm.

       Ở châu Âu, thử nghiệm Brinell được thực hiện bằng cách sử dụng một phạm vi rộng hơn với nhiều lực tải và kích thước mũi cầu . Nó phổ biến ở châu Âu để thực hiện kiểm tra Brinell trên các bộ phận nhỏ bằng cách sử dụng một mũi cầu Carbide đường kính 1 mm và lực thử nghiệm 1kgf.

       Phương pháp Brinell được xác định theo các tiêu chuẩn ASTM E10; ISO 6506 

       Phương pháp đo độ cứng Brinell sử dụng một mũi cầu Carbide được đánh bóng. Cách kiểm tra như sau:

      + Máy đo độ cứng Brinell tác động đầu thử hình cầu vào mẫu bằng một lực kiểm tra được thiết lập chính xác.

      + Lực được duy trì trong một thời gian cụ thể, thường là 10 - 15 giây.

      + Sau khi thời gian dừng hoàn tất, đầu thử được lấy ra để lại vết lõm tròn trong mẫu.

      + Kích thước vết lõm được xác định bằng phương pháp quang học và đo hai đường chéo của vòng lõm bằng cách sử dụng hoặc kính hiển vi cầm tay hoặc kính hiển vi được tích hợp trên máy đo.

      + Số độ cứng Brinell là hàm của lực thử chia cho diện tích bề mặt cong của thụt lề. Sự thụt đầu dòng được coi là hình cầu với bán kính bằng một nửa đường kính của trái bóng. Trung bình của hai đường chéo được sử dụng trong công thức sau để tính toán Brinell độ cứng (HB).                                                       

Số Brinell, thường từ HB 50 đến HB 750 cho kim loại, sẽ tăng lên khi mẫu trở nên cứng hơn. 

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về phương pháp đo độ cứng Rockwell, Vicker và Knoop.