Các phương pháp đo độ cứng
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)
6 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