Độ cứng là gì? Các loại thang đo độ cứng hiện nay

Trong cơ khí và vật liệu học, độ cứng là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá khả năng làm việc của vật liệu. Thông qua độ cứng, người ta có thể xác định khả năng chống biến dạng, chống mài mòn và chịu tác động cơ học của kim loại trong quá trình gia công và sử dụng thực tế. Để đo lường chính xác độ cứng, nhiều thang đo độ cứng khác nhau, mỗi thang đo phù hợp với từng loại vật liệu và mục đích kiểm tra cụ thể. Việc hiểu rõ độ cứng và các thang đo độ cứng hiện nay sẽ giúp lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công hiệu quả hơn. Qua bài viết này, Thiết bị cơ khí Đức Phong sẽ cùng bạn tìm hiểu về độ cứng cũng như các thang đo độ cứng hiện nay.

Tìm hiểu thông tin về độ cứng

Độ cứng có thể được hiểu theo nhiều khía cạnh khác nhau như độ cứng của kim loại và vật liệu rắn, độ cứng của nước (dung dịch), độ cứng của cao su – vật liệu đàn hồi hay độ cứng của viên nén trong dược phẩm. Tuy nhiên, trong phạm vi bài viết này, chúng tôi tập trung làm rõ độ cứng kim loại và vật liệu rắn – một chỉ tiêu quan trọng trong lĩnh vực cơ khí và sản xuất công nghiệp.

Độ cứng kim loại (độ cứng vật liệu rắn) là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng dưới tác dụng của lực bên ngoài, đặc biệt là lực xuyên thấu hoặc lực đâm thủng. Tính chất này có vai trò then chốt trong gia công tạo hình, cắt gọt kim loại, bởi nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền chi tiết, khả năng chống mài mòn và chất lượng bề mặt sản phẩm sau gia công.

Trên thực tế, nhiều kim loại sau khi trải qua các quá trình nhiệt luyện như tôi, ram sẽ có độ cứng tăng lên rõ rệt so với trạng thái ban đầu. Để đánh giá chính xác sự thay đổi này, các chuyên gia đã nghiên cứu và phát triển nhiều phương pháp đo độ cứng khác nhau, đồng thời xây dựng các thang đo độ cứng tiêu chuẩn nhằm phục vụ công tác kiểm tra, so sánh và lựa chọn vật liệu phù hợp trong sản xuất cơ khí.

6 loại thang đo độ cứng và sự khác nhau của chúng

Hiện nay có 6 loại thang đo độ cứng khác nhau bao gồm Rockwell, Vickers, Brinell, Mohs, Knoop và Leeb. Mỗi loại sẽ phù hợp với từng loại vật liệu và mục đích khác nhau, dưới đây là thông tin chi tiết về 6 loại thang đo này:

1. Thang đo độ cứng Rockwell

Thang đo độ cứng Rockwell là một trong những phương pháp đo độ cứng kim loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay nhờ tính nhanh chóng, chính xác và dễ thực hiện. Phép thử độ cứng Rockwell được tiến hành theo ba giai đoạn tiêu chuẩn, cho phép xác định trực tiếp giá trị reminding trên thang đo mà không cần tính toán phức tạp.

Ở giai đoạn 1, một lực sơ cấp được tác dụng lên bề mặt vật liệu cần kiểm tra trong thời gian ngắn nhằm tạo điểm chuẩn ban đầu. Đầu ấn thường sử dụng đầu kim cương hình chóp hoặc đầu bi thép, tùy theo thang Rockwell áp dụng (HRC, HRB, HRA…).

Sang giai đoạn 2, lực tác dụng được tăng dần theo mức cài đặt sẵn cho đến khi đạt tổng lực thử, sau đó được giữ ổn định trong một khoảng thời gian xác định để tạo vết lõm trên bề mặt vật liệu.

Cuối cùng, ở giai đoạn 3, tổng lực được giảm trở lại mức lực sơ cấp. Độ cứng Rockwell được xác định dựa trên sự chênh lệch độ sâu vết lõm giữa trạng thái chịu tổng lực và trạng thái chịu lực sơ cấp ban đầu. Nhờ nguyên lý này, phương pháp Rockwell cho kết quả đo nhanh, ổn định và phù hợp với nhiều loại kim loại trong gia công cơ khí và kiểm tra chất lượng vật liệu.

2. Thang đo độ cứng Vickers

Thang đo độ cứng Vickers là loại thang đo được phát triển nhằm khắc phục và thay thế những hạn chế của thang đo Brinell, do Robert L. Smith và George E. Sandland nghiên cứu tại Vickers Ltd. Phương pháp này đặc biệt phù hợp để đo độ cứng của vật liệu mỏng, chi tiết nhỏ, và trong nhiều trường hợp còn được gọi là phép thử độ cứng vi mô (microhardness test).

Nguyên lý đo độ cứng Vickers dựa trên việc sử dụng mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh có kích thước và góc tiêu chuẩn. Mũi thử được ấn vuông góc vào bề mặt vật liệu với một lực thử xác định (N). Sau khi loại bỏ tải trọng, tiến hành đo hai đường chéo của vết lõm, từ đó lấy giá trị trung bình d để tính toán.

Độ cứng Vickers (HV) được xác định dựa trên tỷ số giữa lực thử và diện tích bề mặt vết lõm, cho kết quả có độ chính xác cao và khả năng so sánh tốt giữa các loại vật liệu khác nhau. Giá trị đo thường được biểu diễn theo định dạng xxxHVyy, trong đó xxx là chỉ số độ cứng Vickers và yy là tải trọng thử tính bằng kgf. Trường hợp thời gian giữ tải không nằm trong khoảng tiêu chuẩn từ 10 đến 15 giây, kết quả sẽ được ghi dưới dạng xxxHVyy/zz, với zz là thời gian giữ tải tính bằng giây.

3. Thang đo độ cứng Brinell

Thang đo độ cứng Brinell là thang đo độ cứng tiêu chuẩn hóa đầu tiên được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí – vật liệu, do Johan August Brinell đề xuất vào năm 1900. Phương pháp này đặt nền móng cho các phép thử độ cứng hiện đại và vẫn được sử dụng phổ biến cho đến ngày nay.

Nguyên lý đo độ cứng Brinell dựa trên việc ép một mũi đo hình bi tròn (thường bằng thép cứng hoặc hợp kim cứng) lên bề mặt vật mẫu với một lực chuẩn trong khoảng thời gian xác định, tạo thành vết lõm trên bề mặt vật liệu. Các thông số như lực tác dụng (N hoặc kgf), đường kính viên bi (mm) và đường kính vết lõm (mm) sẽ được dùng để tính toán giá trị độ cứng Brinell (HB). Trong thực tế, lực tác dụng thường nằm trong khoảng 500 kgf đối với kim loại màu và có thể lên tới 3000 kgf đối với thép.

Ưu điểm nổi bật của thang đo độ cứng Brinell là khả năng đánh giá chính xác các vật liệu không đồng nhất, chẳng hạn như gang, thép đúc hoặc hợp kim có cấu trúc hạt thô, đồng thời cho phép sử dụng nhiều mức lực khác nhau phù hợp với từng loại vật liệu. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là thời gian kiểm tra tương đối lâu và vết lõm tạo ra có kích thước lớn, gây phá hủy bề mặt đáng kể, nên không phù hợp với các chi tiết nhỏ hoặc yêu cầu cao về thẩm mỹ bề mặt.

4. Thang đo độ cứng Mohs

Thang đo độ cứng Mohs là thang đo định tính, được sắp xếp theo thứ tự từ 1 đến 10, trong đó 1 là vật liệu có độ cứng thấp nhất và 10 là vật liệu cứng nhất. Phương pháp đo độ cứng Mohs dựa trên khả năng làm xước lẫn nhau giữa các vật liệu, tức là nếu vật liệu A có thể làm xước vật liệu B thì A có độ cứng cao hơn B.

Thang đo này được Friedrich Mohs phát triển vào năm 1812, chủ yếu dùng để phân loại và so sánh độ cứng của khoáng vật. Do chỉ dựa trên khả năng gây xước, thang đo Mohs mang tính tương đối và định tính, không phản ánh chính xác giá trị độ cứng tuyệt đối, vì vậy không phải là phương pháp đo độ cứng đáng tin cậy trong kỹ thuật cơ khí chính xác.

Thang Mohs tiêu chuẩn bao gồm 10 khoáng chất có độ cứng tăng dần, lần lượt là: tan, thạch cao, canxit, fluorit, apatit, fenspat, thạch anh, topaz, corundum và kim cương. Tuy nhiên, trên thực tế, việc tìm đủ các khoáng vật này để thử nghiệm là khá khó khăn. Do đó, người ta thường sử dụng các vật liệu thay thế có độ cứng tương đương như móng tay (≈ 2,5 Mohs), lưỡi dao (≈ 5,5 Mohs) hoặc thanh thép (≈ 6,5 Mohs) để tiến hành kiểm tra và so sánh độ cứng theo thang đo Mohs một cách nhanh chóng và thuận tiện.

5. Thang đo độ cứng Knoop

Phép đo độ đứng Knoop được thiết kế để sử dụng với các vật liệu dễ vỡ hoặc mỏng vì lực tác dụng để xác định độ cứng là khá nhỏ khoảng 1kgf hoặc nhỏ hơn, do đó nó chỉ gây ra một vết lõm nhỏ. Phương pháp kiểm tra độ cứng Knoop gần giống với kiểm tra độ cứng Vickers. Trong phương pháp này, một mũi đo hình kim tự tháp bằng kim cương có góc ở đỉnh là 130 độ và 172 độ 30’ được ấn vào bề mặt vật liệu tạo ra một vết lõm có đường chéo dài.

Khi đó độ cứng được xác định bằng độ sâu mà mũi đo xuyên qua và độ dài đường chéo dài nhất. Đơn vị giá trị trên thang đo độ cứng Knoop là HK hoặc KHN và hầu hết thường rơi vào khoảng từ 100 đến 1000. Ưu điểm chính của việc sử dụng thang đo độ cứng Knoop là chỉ cần một mẫu rất nhỏ của vật liệu thử nghiệm để đo.

6. Thang đo độ cứng Leeb

Độ cứng Leeb là phương pháp đo độ cứng dựa trên nguyên lý bật nẩy của bi đo, còn gọi là phương pháp đo động lực học. Theo nguyên lý động lực Leeb, giá trị độ cứng được xác định thông qua mức độ mất năng lượng của vật thể va chạm sau khi tác động lên bề mặt mẫu kim loại. Chỉ số độ cứng Leeb được biểu diễn bằng tỷ lệ giữa vận tốc va đập (vi) và vận tốc bật lại (vr), phản ánh tổn thất năng lượng do biến dạng dẻo của vật liệu. Mẫu thử càng cứng thì vận tốc bật lại càng lớn, trong khi vật liệu mềm hơn sẽ hấp thụ nhiều năng lượng hơn, làm giảm vận tốc phản lực của bi đo.

Trong quá trình đo, đầu va chạm di chuyển bên trong ống đo, khi bật nẩy trở lại sẽ tạo ra sự thay đổi từ thông trong cuộn dây cảm ứng, từ đó thiết bị tính toán và hiển thị giá trị độ cứng Leeb. Nhờ cơ chế này, phép đo Leeb không cần tạo vết lõm lớn trên bề mặt vật liệu, hạn chế phá hủy mẫu.

Đặc trưng của phương pháp đo độ cứng Leeb:

• Là phương pháp đo cơ động, thao tác nhanh chóng, phù hợp đo trực tiếp tại hiện trường
• Đo hiệu quả các mẫu kim loại có kích thước lớn, khối lượng lớn hơn 1 kg
• Dễ dàng chuyển đổi sang các thang đo độ cứng khác như Rockwell, Vickers, Brinell
• Độ chính xác và độ lặp lại ở mức tương đối, thấp hơn so với các máy đo bàn cố định như Rockwell hoặc Vickers, nhưng vẫn đáp ứng tốt cho kiểm tra nhanh và đánh giá hiện trạng vật liệu

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Vì sao lại tồn tại nhiều thang đo độ cứng khác nhau?

Không có một thang đo nào phù hợp cho tất cả vật liệu và mọi điều kiện đo. Sự khác nhau về độ dày, kích thước mẫu, tính chất cơ học và yêu cầu ứng dụng khiến người ta phải phát triển nhiều thang đo độ cứng như Brinell, Rockwell, Vickers, Mohs, Shore, Leeb… để đáp ứng nhu cầu thực tế.

2. Thang đo độ cứng nào được sử dụng phổ biến nhất trong gia công cơ khí?

Trong lĩnh vực gia công cơ khí, thang đo độ cứng Rockwell là phổ biến nhất nhờ tốc độ đo nhanh, độ chính xác cao và thao tác đơn giản. Ngoài ra, Brinell và Vickers cũng được sử dụng rộng rãi tùy vào loại vật liệu và yêu cầu đo.

3. Nên chọn thang đo độ cứng nào cho vật liệu mỏng hoặc chi tiết nhỏ?

Đối với vật liệu mỏng, chi tiết nhỏ hoặc lớp phủ bề mặt, thang đo độ cứng Vickers hoặc Knoop là lựa chọn phù hợp nhất. Các thang đo này sử dụng lực thử nhỏ, giúp hạn chế phá hủy bề mặt mẫu và cho kết quả chính xác.

4. Thang đo độ cứng Shore dùng để đo loại vật liệu nào?

Thang đo độ cứng Shore chủ yếu được sử dụng để đo vật liệu đàn hồi và polyme như cao su, nhựa, silicon.

Shore A: Dùng cho vật liệu mềm

Shore D: Dùng cho vật liệu cứng hơn

5. Có thể quy đổi giữa các thang đo độ cứng với nhau không?

Có thể quy đổi tương đối giữa một số thang đo độ cứng (ví dụ từ Rockwell sang Brinell hoặc Vickers), nhưng không hoàn toàn chính xác tuyệt đối. Việc quy đổi chỉ mang tính tham khảo và phụ thuộc vào loại vật liệu cụ thể.

6. Độ cứng cao có đồng nghĩa với vật liệu bền hơn không?

Không hoàn toàn. Độ cứng cao chỉ phản ánh khả năng chống biến dạng, không nói lên đầy đủ độ bền hay độ dai va đập. Một vật liệu rất cứng có thể giòn và dễ nứt vỡ nếu chịu tải va đập lớn.

7. Thang đo độ cứng Mohs có phù hợp cho kim loại không?

Thang đo Mohs chủ yếu dùng cho khoáng vật, mang tính định tính và không phù hợp để đánh giá chính xác độ cứng kim loại trong gia công cơ khí. Với kim loại, các thang đo như Rockwell, Brinell hoặc Vickers sẽ cho kết quả đáng tin cậy hơn.

8. Đo độ cứng có làm hỏng vật liệu không?

Hầu hết các phương pháp đo độ cứng đều tạo ra vết lõm nhỏ trên bề mặt. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào thang đo sử dụng.

Brinell: Vết lõm lớn

Vickers, Knoop: Vết lõm rất nhỏ

Leeb: Ít ảnh hưởng bề mặt

9. Khi nào nên sử dụng thang đo độ cứng Leeb?

Thang đo độ cứng Leeb phù hợp để đo chi tiết lớn, nặng, khó di chuyển, hoặc đo trực tiếp tại hiện trường. Phương pháp này nhanh, linh hoạt, nhưng độ chính xác thường thấp hơn so với các máy đo để bàn.

Trên đây chúng ta đã cùng tìm hiểu chi tiết thông tin về độ cứng và 6 phương pháp đo độ cứng kim loại khác nhau phù hợp với gia công cơ khí. Hy vọng rằng những thông tin trên sẽ giúp bạn hiểu hơn về độ cứng kim loại, vận dụng và lựa chọn chính xác vật liệu gia công với độ cứng phù hợp.