Có các loại độ cứng nào được sử dụng hiện nay

Độ cứng là gì? Có các loại độ cứng nào và cách xác định cho từng loại độ cứng ra sao? Đó là thắc mắc của khá nhiều bạn đọc gửi về cho LabVIETCHEM thời gian qua và đây cũng là những vấn đề mà chúng tôi sẽ giải đáp trong bài viết ngày hôm nay.

Độ cứng của vật liệu là gì

Độ cứng là gì?

Độ cứng là đặc tính của vật liệu chứ không phải là tính chất của vật lý cơ bản của vật liệu đó. Nó là giá trị đặc trưng cho khả năng chống lõm (thụt, lún) và được xác định bằng cách đo chiều sâu cố định của vết lõm.

Có các loại độ cứng nào?

1. Độ cứng MOHS

Là loại thang đo chủ yếu dùng để xác định độ cứng của các loại khoáng vật và nó đặc trưng cho khả năng làm trầy xước hoặc chống lại trầy xước của khoáng vật đó. Khoáng vật có độ cứng lớn hơn sẽ làm xước khoáng vật có độ cứng nhỏ hơn.

Phương pháp này chỉ mang tính chất so sánh tương đối mà không đưa ra kết quả chính xác. Nó cũng chỉ có ý nghĩa trong nghiên cứu tính chất của tinh thể và ít được sử dụng trong sản xuất, đo lường thực tế.

2. Độ cứng BRINELL

Độ cứng BRINELL sử dụng phương pháp đo thuộc dạng ấn lõm. Mũi thử có đầu là một viên bi có đường kính 10mm, 5mm hoặc 1mm. Người ta sẽ tác dụng một lực ấn là 3000kgf, 750kgf hoặc 30kgf theo phương 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 và tính được độ cứng HB theo công thức.

Trong đó:

• F là lực tác dụng vuông góc với bề mặt mẫu thử (N)
• D là đường kính viên bi của mũi thử (mm)
• d là đường kính vết lõm trên bề mặt mẫu thử (mm)

hoặc công thức:

Trong đó

• P là lực tác dụng vuông góc với bề mặt mẫu thử (kgf)
• D là đường kính viên bi của mũi thử (mm)
• d là đường kính vết lõm trên bề mặt mẫu thử (mm)

Đặc trưng của phương pháp đo độ cứng Brinell

- Cần sử dụng kính lúp có vạch đo, kính hiển vi hoặc máy đo quang học để xác định vết lõm.

- Chỉ tác dụng lực ấn 1 lần lên trên bề mặt mẫu thử.

- Là phương pháp đo nhanh nhưng không đảm bao được độ chính xác cao.

- Không thể áp dụng phương pháp đo này cho vật liệu quá cứng, tấm kích thước mỏng hoặc có bề mặt cong.

2. Độ cứng ROCKWELL

Độ cứng ROCKWELL sử dụng phương pháp đo thuộc dạng ấn lõm nhưng sẽ ấn 2 lần lên bề mặt mẫu thử. Khoảng chênh lệch độ lún sâu giữa 2 lần ấn lực sẽ được sử dụng để tính toán độ cứng.

Với phương pháp đo ROCKWELL, chúng ta không cần hệ thống quang học để đo kích thước vết lõm. Phương pháp này sử dụng 2 loại mũi đo là đầu bi có đường kính 1/16, 1/8,1/4,1/2 inchs và mũi kim cương dạng chóp có góc đỉnh 120º.

Nguyên tắc thử là dùng hai lực khác nhau, lần lượt gọi là lực sơ cấp và lực thứ cấp để tác dụng lên mẫu tạo vết lõm. Sau đó, từ vết lõm trên mẫu sau khi thử mà chúng ta tính toán ra được độ cứng của mẫu thông qua công thức:

Trong đó:       

• U = 100 khi loại mũi đo là mũi kim cương
• U = 130 khi loại mũi đo là mũi viên bi
• T = 0.002mm khi đo độ cứng thông thường
• U = 0.001mm khi đo độ cứng bề mặt
• Δh là chênh lệch độ sâu (chiều cao) giữa 2 lực ấn lõm (mm)

Vết lõm càng nông thì độ cứng càng lớn và ngược lại

Độ cứng của mẫu thử có thể được chia như sau:

• Loại thấp: Gồm các loại vật liệu có độ cứng nhỏ hơn HB220, HRC20, HRB100.
• Loại trung bình: Gồm các loại vật liệu có độ cứng nằm trong khoảng HB250÷450 và HRC25÷45.
• Loại cao: Gồm các loại vật liệu có độ cứng từ HRC52 đến cao hơn HRC60
• Loại rất cao: Gồm các loại vật liệu có độ cứng lớn hơn HRC62 hay HRA80

Đơn vị chung của thang đo độ cứng Rockwell là HR (Hardness Rockwell) và tùy thuộc vào dạng mũi đo và lực ấn sử dụng mà chúng ta sẽ có các đo như HRA, HRB, HRC,… Trong đó, A, B, C,…dùng để phân biệt loại mũi đo.

Bảng độ cứng Rockwell:

Đặc trưng của phương pháp đo độ cứng Rockwell

- Không cần dùng kính kính hiển vi hay máy đo quang học để xác định vết lõm.

- Lực ấn lõm tác dụng 2 lần trên bề mặt mẫu thử và vết lõm cần thời gian để đạt đúng chiều sâu ở mỗi lần ấn lực.

- Là phương pháp đo nhanh và có độ chính xác cao.

- Chỉ phù hợp để đo các chi tiết có phạm vi nhỏ và không thích hợp để đo các vật liệu tấm mỏng hay xi mạ.

- Thang đo rộng do có nhiều loại đơn vị đo và có thể chuyển đổi đơn vị đo trong cùng hệ Rockwell.

3. Độ cứng VICKER

Độ cứng VICKER sử dụng phương pháp đo thuộc dạng ấn lõm, gần giống với phương pháp Brinell nhưng có độ chính xác cao hơn.

Đầu tiên, bạn điều chỉnh hệ thống quang học để nhìn thấy rõ bề mặt của mẫu đo, sau đó, ấn một lực chỉ định một lần bằng mũi chóp kim cương. Hai đường chéo của vết lõm và lực ấn sẽ được sử dụng để tính toán độ cứng. Phương pháp này sử dụng mũi kim cương dạng chóp với góc 2 cạnh đối diện là 136º.

Công thức:

Trong đó:

• HV là độ cứng theo thang Vicker
• F là lực tác dụng (N)
• d là chiều dài trung bình 2 đường chéo (D1,D2) của vết lõm (mm)

hoặc:

Trong đó: 

• HV là độ cứng theo thang Vicker
• F là lực tác dụng (kgf)
• d là chiều dài trung bình 2 đường chéo (D1,D2) của vết lõm (µm)

Đặc trưng của phương pháp đo độ cứng Vicker:

- Cần sử dụng kính hiển vi, máy đo quang học để xác định bề mặt mẫu và vết lõm.

- Lực ấn lõm tác dụng một lần trên bề mặt mẫu thử và cần một khoảng thời gian nhất định để hình thành vết lõm rõ ràng.

- Là phương pháp dùng để đo độ cứng của các chi tiết nhỏ và đòi hỏi bề mặt phải được gia công cẩn thẩn, phù hợp với vật liệu mỏng và có lớp phủ.

4. Độ cứng LEEB

Độ cứng Leeb sử dụng phương pháp đo theo kiểu bật nảy của bi đo. Theo nguyên lý động lực Leeb, giá trị độ cứng được tính từ sự mất năng lượng của một vật thể va chạm xác định sau khi tác động lực lên một mẫu kim loại. Chỉ số Leeb (vi, vr) được lựa chọn làm thước đo tổn thất năng lượng do biến dạng dẻo. Mẫu thử càng mềm thì tốc độ phản lực của bi đo phục hồi càng chậm hơn so với mẫu thử mềm. Một bộ từ tính bên trong ống đo sẽ có điện áp thay đổi khi bi đo nảy lại và di chuyển qua cuộn dây đo.

Đặc trưng của phương pháp đo độ cứng Leeb: 

- Là phương pháp đo độ cứng cơ động và nhanh chóng.

- Đo được những mẫu thử có kích thước lớn và khối lượng lớn hơn 1kg.

- Có thể chuyển đổi sang nhiều đơn vị đo khác nhau.

- Độ chính xác cũng như độ lặp lại chỉ ở mức tương đối và thấp hơn so với thang đo độ cứng Rockwell, Vicker.

5. Độ cứng SHORE

Độ cứng SHORE sử dụng phương pháp đo độ cứng SHORE được phát triển bởi ông Albert F. Shore vào những năm 1920.  Dụng cụ đo độ cứng là máy đo độ cứng Durometer. Máy này sử dụng tải trọng được áp vào nhờ một lực lò xo. Giá trị độ cứng sẽ được xác định bằng sự xuyên qua của đầu đo Durometer vào mẫu thử. Vì cao su và nhựa có tính đàn hồi nên giá trị độ cứng có thể chuyển qua thời gian, tức là thời gian tác dụng lực ấn vào bề mặt mẫu thử đôi khi cũng được coi là giá trị của độ cứng.

Phương pháp đo độ cứng Shore được dùng để đo những chất dẻo như polime, cao su, polyolefins, fluoropolymers và vinyls. Thang đo được sử dụng là thang đo Shore A (dùng với vật liệu bằng cao su mềm) và thang đo Shore D (dùng cho vật liệu cứng hơn).

Đó là một số thông tin về các loại độ cứng mà chúng tôi muốn chia sẻ đến bạn đọc. Hy vọng đây sẽ là những kiến thức hữu ích dành cho bạn.