Các loại thang đo độ cứng và sự khác nhau của chúng
Trong đo lường, mọi người có xu hướng sử dụng thường xuyên một thang đo độ cứng nào đó. Có thể là do lĩnh vực họ làm việc, hoặc đôi khi cũng có thể do sở thích cá nhân. Tuy nhiên, hiểu biết về nhiều thang đo độ cứng khác nhau sẽ là điều cần thiết đối với bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực đo lường.
Biết thêm về các thang đo độ cứng sẽ giúp bạn dễ dàng chuyển đổi phép đo độ cứng cho khách hàng của mình, đồng thời nó cũng giúp bạn lựa chọn loại thang đo phù hợp đối với loại vật liệu, hoặc hỗ trợ bạn trong quá trình chọn mua máy đo độ cứng đảm bảo các yêu cầu công việc. Trong bài viết này, chúng ta sẽ nói về sáu thang đô độ cứng chính gồm Rockwell, Vickers, Brinell, Mohs, Knoop và Shore.
Giới thiệu về thang đo độ cứng
Độ cứng đề cập đến khả năng chống lại vết lõm hoặc vết xước của một vật liệu nhất định. Mỗi vật liệu bạn sử dụng có một giá trị độ cứng được xác định thông qua thử nghiệm cụ thể. Các quy trình kiểm tra khác nhau dẫn đến giá trị độ cứng đo được nằm trên một thang đo cụ thể. Nói một cách khác thì mỗi thang đo độ cứng lại có những bài kiểm tra đi kèm với cách thức thực hiện riêng biệt. Như đã nói ở trên có 6 thang đo độ cứng chính được dùng phổ biến trong cơ khí. Mỗi thang đo lại có những ưu điểm riêng, và nó cũng phụ thuộc vào vật liệu và thiết bị thực hiện thử nghiệm. Việc thử nghiệm xác định độ cứng vật liệu liên quan đến việc sử dụng một công cụ tác động lên mẫu thử ở một áp lực nhất định trong một khoảng thời gian nhất định.
Thang đo độ cứng Rockwell
Thang đo độ cứng Rockwell là thang đo độ cứng được sử dụng rộng rãi nhất. Phép kiểm tra độ cứng Rockwell được thực hiện một cách nhanh chóng và chính xác trong ba giai đoạn. Trong giai đoạn 1, một lực sơ cấp tác dụng lên bề mặt vật liệu đang được thử nghiệm trong một khoảng thời gian ngắn, thường sử dụng một đầu kim cương hình chóp hoặc đầu bi để tác dụng lực. Trong giai đoạn 2, lực tác dụng được tăng lên theo tỷ lệ đã được cài đặt cho đến khi nó đạt được tổng lực và được giữ ổn định trong một khoảng thời gian đã được xác định trước. Trong giai đoạn 3, tổng lực được giảm xuống tới mức lực sơ cấp. Sau quá trình này, độ cứng Rockwell được tính bằng sự khác biệt giữa độ sâu vết lõm sau khi áp dụng tổng lực với độ sâu vết lõm ban đầu của nó dưới tác dụng của lực sơ cấp.
Tìm hiểu thêm: Máy đo độ cứng Rockwell HR-100/200/300/400 Series 963
Thang đo độ cứng Vickers
Thang đo độ cứng Vickers được phát triển để thay thế cho thang đo Brinell bởi Robert L. Smith và George E. Sandland tại Vickers Ltd. Thường được sử dụng khi đo độ cứng của vật liệu nhỏ hoặc mỏng, đôi khi được gọi là phép thử độ cứng siêu nhỏ. Để kiểm tra độ cứng của vật liệu, người ta sử dụng một mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh có kích thước tiêu chuẩn. Mũi thử được ấn vào vật liệu với một lực thử (N) và sau khi cắt tải trọng, tiến hành đo đường chéo d của vết lõm. Độ cứng Vickers được tính dựa vào tỷ số giữa lực thử (N) và diện tích bề mặt vết lõm. Kết quả độ cứng đo bằng thang đo Vickers được thể hiện dưới định dạng xxxHVyy, trong đó xxx là chỉ số độ cứng và yy là tải trọng lực được tính bằng kgf. Nếu thời gian giữ của áp lực không nằm trong khoảng 10 đến 15 giây thì kết quả được ghi là xxxHVyy/zz, trong đó zz là chỉ thời gian lực tải tính bằng giây.
Tìm hiểu thêm: Máy đo độ cứng Vicker HV-100 series 810
Thang đo độ cứng Brinell
Thang đo Brinell là thang đô độ cứng tiêu chuẩn hóa đầu tiên được áp dụng rộng rãi và được đề xuất bởi Johan August Brinell vào năm 1900. Phép đo độ cứng Brinell được thực hiện bằng cách ép một mũi đo hình bi tròn lên trên bề mặt vật mẫu bằng một giá trị lực chuẩn trong một thời gian nhất định, hình thành lên một vết lõm trên bề mặt. Các giá trị lực tác dụng (N), đường kính viên bi (mm), đường kính vết lõm (mm) sẽ được sử dụng để tính toán giá trị độ cứng cuối cùng. Lực tác dụng có xu hướng nằm trong khoảng từ 500 kgf đối với kim loại màu và 3000 kgf đối với thép. Ưu điểm của thang đo độ cứng Brinell bao gồm khả năng áp dụng cho các vật liệu không đồng nhất và khả năng sử dụng các lực khác nhau với các vết lõm khác nhau. Nhược điểm của thang đo độ cứng Brinell là mất khá nhiều thời gian trong việc kiểm tra độ cứng và những vết lõm kiểm tra có sự phá hủy bề mặt lớn.
Thang đo độ cứng Mohs
Thang đo độ cứng Mohs là thang đo được đánh thứ tự từ 1 đến 10 với 1 là độ cứng thấp nhất và 10 là cao nhất. Quá trình thử nghiệm độ cứng Mohs bao gồm việc cố gắng làm xước vật liệu đang được thử nghiệm bằng vật liệu khác. Được phát triển bởi Friedrich Mohs vào năm 1812, thang đo Mohs mang tính chất định tính hơn và không phải phương pháp đáng tin cậy nhất để đo độ cứng. Thang đo kỹ thuật cơ bản bao gồm các khoáng chất khác nhau với độ cứng tăng dần gồm tan, thạch cao, canxit, fluorit, apatit, fenspat, thạch anh, topaz, corundum và kim cương. Khó có thể tìm thấy nhiều khoáng chất trong số này để thực hiện các phép thử, nên thường người ta sẽ sử dụng một vật liệu có thể so sánh được như móng tay (độ cứng 2,5), lưỡi dao (độ cứng 5,5), thanh thép (độ cứng 6,5)… để thực hiện các phép đo trong thang đo Mohs.
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 130o và 172o30’ được ấn vào bề mặt vật liệu tạo ra một vết lõm có đường chéo dài. 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.
Thang đo độ cứng Shore
Có hai thang đo độ cứng Shore chính, thang đo độ cứng Shore A và thang đo độ cứng Shore D. Thang đo Shore A thường được sử dụng khi làm việc với polyme mềm và các chất đàn hồi, trong khi thang đo Shore D thường hay được sử dụng hơn khi làm việc với polyme cứng như cao su cứng, nhựa chịu nhiệt, nhựa cứng. Thang đo độ cứng Shore nằm trong khoảng từ độ cứng tối thiểu 0 đến độ cứng tối đa là 100. Khi vật liệu có thang đo độ cứng Shore là 100, điều này có nghĩa là vật liệu không bị xuyên qua trong quá trình thử nghiệm. Quá trình đo độ cứng Shore được thực hiện bởi một đầu đo Durometer dưới tải trọng xác định nhờ vào áp lực của một lò xo. Giá trị độ cứng được xác định bằng sự xuyên qua của đầu đo vào mẫu thử. Do tính đàn hồi của vật liệu, trị số độ cứng có thể chuyển qua thời gian, tức là thời gian ấn vào đôi khi cũng được xem là trị số độ cứng. Có nhiều hình dạng đầu đo khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu được đo và thang đo Shore A hay Shore D.
Tại sao lại có nhiều thang đo độ cứng như vậy?
Có tới sáu thang đo độ cứng chính như bạn đã thấy ở trên, và lý giải hợp lý nhất cho lý do tại sao lại có nhiều thang đo độ cứng là do sự tiến bộ của công nghệ theo thời gian và sự phát triển của những vật liệu mới. Điều đó yêu cầu phải có một thang đo độ cứng mới hơn, phù hợp hơn với yêu cầu của thực tế. Chẳng hạn như thang đo độ cứng Brinell, có thể đáng tin cậy để sử dụng, nhưng đi kèm với nó là một số nhược điểm như mất nhiều thời gian để thực hiện kiểm tra. Một số thang đo khác thì chỉ đơn giản là không phù hợp với một số loại vật liệu nhất định. Nếu bạn đang làm việc với các vật liệu mỏng, nhỏ thì bạn sẽ cần chọn thang đo độ cứng Vickers hoặc Knoop, vì chúng thực hiện kiểm tra với ít lực tác động lên bề mặt vật liệu hơn. Nếu bạn cần thực hiện một lượng lớn các phép đo độ cứng, thang đo độ cứng Rockwell có lẽ sẽ là lựa chọn hợp lý hơn cả do tốc độ thực hiện và độ chính xác của nó. Tùy thuộc vào thực tế công việc mà có thể bạn sẽ cần phải thay đổi loại thang đo độ cứng phù hợp.
Kết luận
Kết quả của những phép đo độ cứng mang tính chất thực nghiệm và đáp ứng yêu cầu so sánh hai vật liệu có độ cứng khác nhau. Các giá trị được biểu thị bằng các thang đo độ cứng khác nhau là rất quan trọng để đánh giá chất lượng sản phẩm vì độ cứng không phải là một giá trị nội tại có trong một vật liệu, mà là một trị số để so sánh vật liệu này với vật liệu khác. Sáu thang đo độ cứng ở trên, mỗi loại đều có những cách thức riêng để đánh giá, kiểm tra độ cứng và nó đáp ứng cho những ứng dụng riêng biệt. Tùy vào những yêu cầu cụ thể trong công việc mà một người có thể sử dụng thường xuyên một thang đo độ cứng, hoặc cũng có thể kiểm tra, so sánh kết quả trên nhiều thang đo độ cứng khác nhau.
Để thực hiện các phép đo độ cứng, hiện có rất nhiều những loại máy đo độ cứng mang đến độ chính xác cao trong kết quả đo, cũng rất dễ thao tác thực hiện, chẳng hạn các máy đo độ cứng Mitutoyo.
Tinh Hà là đại lý ủy quyền của Mitutoyo tại Việt Nam, chúng tôi cung cấp đa dạng các máy đo độ cứng chính hãng Mitutoyo. Ngay bây giờ các bạn có thể bấm tại đây để xem các máy đo độ cứng Mitutoyo. Hoặc quý khách có thể liên hệ với Tinh Hà để được hỗ trợ, tư vấn nhiều hơn!
