Hướng dẫn toàn diện về độ cứng của vật liệu

Do đó, bài viết này sẽ khám phá định nghĩa về độ cứng của vật liệu và các loại độ cứng. Hơn nữa, bài viết sẽ đi sâu vào các phương pháp đo lường khác nhau và cung cấp biểu đồ độ cứng của vật liệu để dễ tham khảo. Cho dù bạn là người mới làm quen với chủ đề này hay muốn đào sâu kiến ​​thức, hướng dẫn này sẽ cung cấp cho bạn những hiểu biết cần thiết để hiểu hiệu quả về độ cứng của vật liệu.
 

Độ cứng của vật liệu là gì?

Độ cứng của vật liệu là khả năng chịu được biến dạng cục bộ vĩnh viễn, thường là do vết lõm. Độ cứng cũng có thể được sử dụng để mô tả khả năng chống biến dạng của vật liệu do các tác động khác như: cắt, sự mài mòn, sự thâm nhập, cào xước.

Độ cứng của vật liệu thường được sử dụng như một chỉ báo về độ bền và tính phù hợp của vật liệu đó đối với các ứng dụng cụ thể. Vật liệu có độ cứng cao có xu hướng chống hư hỏng tốt hơn. Tuy nhiên, vật liệu có độ cứng thấp có thể dễ bị trầy xước hoặc móp hơn.
  

5 ví dụ về độ cứng vật liệu

Các ví dụ về vật liệu có độ cứng cao
 

1. Kim cương

Với độ cứng theo thang Mohs là 10, kim cương là vật liệu tự nhiên cứng nhất. Do đó, khả năng chống trầy xước và mài mòn vô song của nó phù hợp với các công cụ dùng để cắt, mài và khoan.
 

2. Thép

Thép thường nằm trong khoảng từ 6 đến 8 trên thang Mohs, tùy thuộc vào hợp kim và cách xử lý. Do độ bền và khả năng phục hồi, thép thường được sử dụng trong xây dựng và sản xuất. Ngoài ra, độ cứng của thép có thể được điều chỉnh thông qua xử lý nhiệt, mang lại tính linh hoạt trong nhiều ứng dụng khác nhau.
 

3. Kính

Kính, thường có độ cứng từ 5 đến 6 trên thang Mohs, dễ vỡ khi va chạm. Tuy nhiên, khả năng chống trầy xước mạnh của nó phù hợp để sử dụng trong các sản phẩm như cửa sổ, màn hình và hộp đựng.
 

4. Đồng

Với độ cứng khoảng 3 trên thang Mohs, đồng tương đối mềm và dễ uốn, cho phép định hình dễ dàng. Mặc dù được sử dụng rộng rãi trong hệ thống dây điện và hệ thống ống nước, đồng dễ bị trầy xước và theo thời gian có thể bị ăn mòn.
 

5. Bột talc

Talc, được xếp hạng 1 trên thang Mohs, là khoáng chất mềm nhất được biết đến. Độ cứng thấp của nó khiến nó dễ bị trầy xước, vì vậy nó thường được sử dụng trong các sản phẩm như bột talc. Ngoài ra, độ mềm này rất phù hợp cho các lĩnh vực cần ít ma sát.
 

Các loại độ cứng của vật liệu

Độ cứng vật liệu bao gồm một số loại, mỗi loại phản ánh các phương pháp đo lường khác nhau và khả năng chống lại các dạng biến dạng khác nhau của vật liệu. Các loại độ cứng chính bao gồm:
 

1. Độ cứng của vết xước

Độ cứng chống trầy xước đo mức độ vật liệu chống trầy xước bởi vật cứng hơn. Độ cứng này thường được áp dụng để đánh giá độ cứng khi các thử nghiệm độ cứng khác không phù hợp. Trong thử nghiệm này, một chất cứng hơn sẽ làm trầy xước vật liệu và nếu xuất hiện vết xước, điều đó cho biết vật liệu mềm hơn. Phương pháp này thường nhằm mục đích đánh giá khoáng chất, lớp phủ và các thành phần nhỏ. Một ví dụ điển hình là thang độ cứng Mohs, có phạm vi từ 1 đến 10. Ví dụ:
 

• Kim cương (độ cứng Mohs 10) có thể làm trầy xước mọi vật liệu khác.
• Thạch anh (độ cứng Mohs 7) có thể làm trầy xước hầu hết các vật liệu thông thường nhưng không cứng bằng kim cương.
• Talc (độ cứng Mohs 1) là khoáng chất mềm nhất và dễ bị trầy xước bởi các vật liệu khác.

Nhìn chung, Độ cứng chống trầy xước cung cấp một cách trực quan và tiện lợi để so sánh khả năng chống trầy xước của vật liệu, đặc biệt đối với các vật liệu có độ cứng tương đối chênh lệch.
 

2. Độ cứng của vết lõm

Độ cứng vết lõm khác với độ cứng vết xước ở chỗ nó đo khả năng chống biến dạng của vật liệu, chứ không chỉ là khả năng chống trầy xước. Trong khi độ cứng vết xước kiểm tra mức độ vật liệu chống trầy xước tốt như thế nào bởi một chất cứng hơn, thì độ cứng vết lõm, mặt khác, cung cấp thông tin chi tiết hơn về phản ứng của vật liệu đối với tải. Cụ thể, nó tập trung vào cách vật liệu biến dạng dưới áp suất. Hơn nữa, độ sâu hoặc kích thước của vết lõm cung cấp phép đo độ cứng chính xác hơn, đặc biệt là khi khả năng chống tải là một yếu tố quan trọng.

Các loại thử nghiệm độ cứng bao gồm:
 

• Độ cứng Brinell: Nhấn một viên bi thép hoặc cacbua vonfram vào bề mặt vật liệu. Đo kích thước vết lõm để xác định độ cứng của vật liệu.
• Độ cứng Rockwell: Sử dụng hình nón kim cương hoặc bi thép để tạo vết lõm. Chuyển đổi độ sâu của vết lõm thành số độ cứng, sử dụng nhiều thang đo khác nhau cho các vật liệu khác nhau.
• Độ cứng Vickers: Áp dụng lực cố định bằng đầu kim cương để đo kích thước vết lõm. Sử dụng thử nghiệm này cho vật liệu mỏng hoặc mẫu nhỏ.
• Độ cứng Knoop: Sử dụng đầu kim cương dài, tương tự như Vickers. Phương pháp này lý tưởng để kiểm tra lớp phủ mỏng hoặc các khu vực nhỏ.

 

3. Độ cứng phục hồi

Độ cứng bật nảy đo khả năng chống biến dạng của vật liệu bằng cách đánh giá độ cao mà một quả bóng bật nảy sau khi đập vào bề mặt của nó. Không giống như độ cứng lõm, đo độ sâu của biến dạng, độ cứng bật nảy tập trung vào độ đàn hồi của vật liệu. Trong thử nghiệm này, một quả bóng được thả xuống vật liệu và độ cao bật nảy được sử dụng để xác định độ cứng của nó.

Các phương pháp phổ biến bao gồm Thử nghiệm bật nảy Leeb, trong đó vận tốc bật nảy của quả bóng được đo và Độ cứng Shore, thường được sử dụng cho các vật liệu mềm hơn như cao su. Hơn nữa, các thử nghiệm độ cứng bật nảy nhanh, không phá hủy và lý tưởng để thử nghiệm các vật liệu có độ dày khác nhau
 

4. Độ cứng nén

Độ cứng nén đánh giá khả năng chống biến dạng của vật liệu dưới tác động của lực nén. Trong thử nghiệm này, một mẫu vật liệu được đặt giữa hai tấm song song và một lực nén được áp dụng. Khả năng chống biến dạng hoặc dịch chuyển của vật liệu được xác định bằng mức độ vật liệu bị biến dạng hoặc dịch chuyển.

Phương pháp này thường được sử dụng cho các vật liệu như cao su, bọt và nhựa, chịu ứng suất nén trong các ứng dụng thực tế. Bằng cách đánh giá khả năng chống biến dạng vĩnh viễn của vật liệu, thử nghiệm cung cấp những hiểu biết có giá trị về độ bền của vật liệu. Nhìn chung, độ cứng nén rất quan trọng để đánh giá hiệu suất của vật liệu dưới tải trọng nặng trong nhiều bối cảnh công nghiệp khác nhau.
 

Các loại đơn vị độ cứng

Sau đây là một số đơn vị độ cứng thông dụng được sử dụng để đo độ cứng của vật liệu:
 

• Số độ cứng Brinell (BHN): Số Brinell được tính bằng cách đo đường kính vết lõm do một viên bi ấn vào bề mặt vật liệu để lại. Giá trị phụ thuộc vào tải trọng tác dụng và kích thước của vết lõm.
• Số độ cứng Rockwell (HR) : Thang độ cứng Rockwell xác định độ cứng bằng cách đo độ sâu của vết lõm được tạo ra sau khi áp dụng một tải trọng cụ thể. Các thang độ cứng Rockwell khác nhau được lựa chọn dựa trên độ cứng của vật liệu.
• Độ cứng Vickers (HV): Bạn tính độ cứng Vickers bằng cách đo chiều dài đường chéo của vết lõm do đầu kim cương kim tự tháp tạo ra. Giá trị được tính bằng cách chia lực tác dụng cho diện tích bề mặt của vết lõm.
• Độ cứng Knoop (HK): Độ cứng Knoop được đo bằng cách sử dụng một đầu kim cương dài. Bạn tính toán bằng cách đo chiều dài đường chéo dài của vết lõm, thường được sử dụng cho các vật liệu nhỏ hoặc mỏng.
• Độ cứng Mohs: Thang định tính này, từ 1 (mềm nhất) đến 10 (cứng nhất), đánh giá độ cứng dựa trên khả năng của một vật liệu làm trầy xước vật liệu khác. Nó chủ yếu được sử dụng cho khoáng chất.
• Độ cứng Shore: Thang Shore đo độ sâu của vết lõm được tạo ra bằng cách tác dụng một lực xác định, thường là trên chất đàn hồi và vật liệu mềm. Thang Shore A đo vật liệu mềm hơn, trong khi thang Shore D đo vật liệu cứng hơn.

 

Phương pháp đo độ cứng vật liệu chính xác

Một số phương pháp đo độ cứng chính xác được sử dụng hiện nay:
 

1. Kiểm tra độ cứng Brinell (BHN)

Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi để đo độ cứng của vật liệu, đặc biệt là kim loại. Bài kiểm tra này đánh giá khả năng chống lại vết lõm của vật liệu và sau đây là giải thích chi tiết về cách thức hoạt động của nó:

Quy trình này bao gồm việc ấn một viên bi thép, thường có đường kính 10 mm, vào vật liệu dưới tải trọng từ 500 đến 3000 kgf trong 10 đến 30 giây. Sau đó, đường kính của vết lõm được đo bằng kính hiển vi và BHN được tính toán dựa trên kích thước của vết lõm.

Công thức:
P = Tải trọng áp dụng (kgf)

D = Đường kính của quả bóng (mm)

d = Đường kính của vết lõm (mm)

Ưu điểm:

• Một trong những ưu điểm chính của Thử độ cứng Brinell là tính phù hợp để thử nghiệm các vật liệu có cấu trúc hạt thô hoặc không đồng đều.
• Hơn nữa, phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với những vật liệu có độ dày lớn hơn 10 mm.
• Ngoài ra, xét nghiệm này tương đối đơn giản và thực hiện nhanh chóng, thuận tiện cho việc kiểm soát chất lượng thường quy.

Nhược điểm:

• Phương pháp này không lý tưởng để thử nghiệm các vật liệu rất mỏng hoặc có độ cứng đặc biệt cao vì vết lõm có thể không chính xác.
• Hơn nữa, độ chính xác của thử nghiệm có thể bị ảnh hưởng bởi bề mặt hoàn thiện của mẫu vật, do đó cần phải chuẩn bị bề mặt cẩn thận.
• Cuối cùng, so với các thử nghiệm độ cứng khác, nó đòi hỏi thiết bị lớn hơn và đắt tiền hơn.

 

2. Kiểm tra độ cứng Rockwell

Đây là một phương pháp được sử dụng rộng rãi khác để xác định độ cứng của vật liệu. Bài kiểm tra này đánh giá khả năng chống lại vết lõm của vật liệu bằng cách đo độ sâu của vết lõm do vật cứng tạo ra dưới một tải trọng cụ thể. Sau đây là cách bài kiểm tra hoạt động chi tiết:

Quy trình bắt đầu bằng cách chọn đầu đo thích hợp, một quả bóng thép hoặc một hình nón kim cương, và áp dụng tải trước vào vật liệu để đảm bảo tiếp xúc đồng đều. Sau đó, tải thử nghiệm chính được áp dụng, thường trong 1-2 giây. Sau khi tải được gỡ bỏ, độ sâu của vết lõm được đo và Số độ cứng Rockwell (HR) được tính toán dựa trên độ sâu của vết lõm.

Công thức:


N = Hằng số tỷ lệ (130 cho Rockwell B, 100 cho Rockwell C, v.v.)

h = Độ sâu của vết lõm (tính bằng milimét)

Độ sâu của vết lõm h là sự chênh lệch giữa vị trí của đầu ấn khi chịu tải trước và vị trí sau khi chịu toàn bộ tải.

Ưu điểm:

• Tốc độ: Thử nghiệm độ cứng Rockwell diễn ra nhanh chóng và có thể hoàn thành trong vài giây, lý tưởng cho các thử nghiệm năng suất cao.
• Tính linh hoạt: Cung cấp nhiều thang đo (ví dụ: Rockwell B, Rockwell C) phù hợp với nhiều loại vật liệu khác nhau, từ vật liệu mềm đến vật liệu cứng.
• Chuẩn bị mẫu tối thiểu: Thử nghiệm này chỉ cần chuẩn bị bề mặt tối thiểu, phù hợp với các vật liệu có hình dạng không đều hoặc nhỏ.
• Không phá hủy: Thử nghiệm này không phá hủy, do đó vật liệu hầu như không bị ảnh hưởng sau khi thử nghiệm.

Nhược điểm: 

• Chất lượng bề mặt: Độ chính xác của thử nghiệm có thể bị ảnh hưởng bởi độ nhám hoặc không đồng đều của bề mặt, đòi hỏi bề mặt phải nhẵn, đồng đều để có kết quả đáng tin cậy.
• Loại vật liệu: Có thể không phù hợp với các vật liệu rất cứng vì hình nón kim cương có thể gây ra quá nhiều thiệt hại. Các thử nghiệm khác như Vickers hoặc Knoop có thể phù hợp hơn trong những trường hợp này.
• Vật liệu mỏng hoặc có lớp phủ: Đối với vật liệu mỏng hoặc có lớp phủ, độ sâu vết lõm có thể không phản ánh hiệu quả độ cứng tổng thể của vật liệu.

 

3. Kiểm tra độ cứng Vickers (HV)

Quy trình này bao gồm việc ấn một đầu đo kim cương hình kim tự tháp có đáy vuông và góc đỉnh 136° vào bề mặt vật liệu dưới một tải trọng đã biết. Tải trọng thường dao động từ 1 đến 100 kgf (kilôgam-lực). Đầu đo được áp dụng trong một khoảng thời gian xác định (thường là 10-15 giây). Sau khi tải trọng được gỡ bỏ, các đường chéo của vết lõm còn lại trong vật liệu được đo bằng kính hiển vi. Các phép đo đường chéo này được sử dụng để tính Số độ cứng Vickers (HV).

Công thức:

F = Tải trọng tác dụng (kgf hoặc N)

θ = Góc của kim tự tháp kim cương (136°)

d = Chiều dài trung bình của các đường chéo của vết lõm (tính bằng milimét)

Ưu điểm:

• Độ chính xác cao: Thử nghiệm Vickers cung cấp giá trị độ cứng rất chính xác, đặc biệt đối với các mẫu nhỏ hoặc mỏng.
• Phổ biến: Thử nghiệm độ cứng Vickers có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu, từ rất mềm đến rất cứng.
• Các vết lõm nhỏ: Do kích thước nhỏ của các vết lõm nên bài kiểm tra này lý tưởng cho việc kiểm tra độ cứng vi mô, lớp phủ mỏng hoặc các thành phần nhỏ.
• Tính đồng nhất: Thử nghiệm Vickers cung cấp kết quả nhất quán trên nhiều vật liệu khác nhau vì nó sử dụng một hình dạng đầu ấn và tải trọng duy nhất.

Nhược điểm:

• Hoàn thiện bề mặt: Giống như nhiều bài kiểm tra độ cứng khác, độ hoàn thiện bề mặt của vật liệu có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Nên sử dụng bề mặt nhẵn, được đánh bóng.
• Kích thước vết lõm: Đối với vật liệu rất mềm, vết lõm có thể tương đối lớn, điều này có thể không mang lại kết quả có ý nghĩa đối với mẫu vật rất mỏng hoặc nhỏ.
• Tốn thời gian: Quá trình đo có thể chậm hơn các loại Rockwell khác vì nó đòi hỏi phải đo chính xác đường chéo vết lõm dưới kính hiển vi.

 

Biểu đồ độ cứng vật liệu

Biểu đồ độ cứng vật liệu là tài liệu tham khảo nhanh để xác định độ cứng của nhiều loại vật liệu khác nhau. Biểu đồ bên dưới liệt kê các loại vật liệu, hợp kim và độ cứng khác nhau, cùng với giá trị độ cứng Rockwell của chúng, giúp bạn dễ dàng đánh giá tính phù hợp của chúng đối với các ứng dụng cụ thể.
  

Kết luận

Việc đo độ cứng của vật liệu là rất quan trọng để lựa chọn vật liệu phù hợp cho các nhiệm vụ cụ thể. Các phương pháp khác nhau, như Brinell, Rockwell và Vickers, giúp đánh giá khả năng chống trầy xước, lõm và mài mòn của vật liệu. Mỗi phương pháp phù hợp với các vật liệu và ứng dụng khác nhau. Bằng cách hiểu độ cứng, các nhà sản xuất có thể đảm bảo sử dụng đúng vật liệu để có hiệu suất và độ bền tốt hơn cho sản phẩm của họ.

Bài viết liên quan:

• Gia công Mài là gì? Quy trình, Kỹ thuật và Ứng dụng
• Bản vẽ kỹ thuật cho gia công CNC
• Viết tắt và ký hiệu cho bản vẽ kỹ thuật và gia công CNC