So sánh các phương pháp kiểm tra độ cứng Rockwell, Vickers, Brinell, Mohs, Knoop và Shore

Khi đo lường, chúng ta thường sử dụng thang đo độ cứng cụ thể. Điều này có thể là tùy thuộc lĩnh vực chuyên môn, nhưng trong một số trường hợp, nó cũng là do sự ưa chuộng cá nhân. Tuy nhiên, hiểu biết về các thang đo độ cứng khác nhau là điều cần thiết đối với người làm lĩnh vực đo lường.

Biết thêm về thang đo độ cứng giúp khách hàng dễ dàng chuyển đổi phép đo độ cứng, giúp chọn thang đo phù hợp cho vật liệu hoặc hỗ trợ quá trình chọn máy đo độ cứng đáp ứng các yêu cầu của ngành. Bài viết này mô tả sáu thang đo độ cứng chính bao gồm Rockwell, Vickers, Brinell, Mohs, Knoop và Shore.

Thang đo độ cứng Rockwell

Thang đo độ cứng Rockwell là thang đo độ cứng được sử dụng rộng rãi nhất. Phép thí nghiệm độ cứng Rockwell được thực hiện nhanh chóng và chính xác trong ba bước. Đầu tiên, một lực chính được áp dụng trong thời gian ngắn lên bề mặt vật liệu được thử nghiệm, thường sử dụng đầu chóp kim cương hoặc đầu bi để tác dụng lực. Sau đó, lực tác dụng tăng với tốc độ đã đặt cho đến khi đạt được tổng lực và ổn định trong một khoảng thời gian xác định trước. Cuối cùng, 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.

Thang đo độ cứng Vickers

Thang đo độ cứng Vickers được phát triển bởi Robert L. Smith và George E. Sandland của Vickers để thay thế cho thang đo Brinell. đã phát triển. Nó thường được sử dụng để đo độ cứng của vật liệu nhỏ hoặc mỏng và đôi khi được gọi là Phép kiểm tra độ cứng vi mô. Một mũi nhọn kim cương hình chóp bốn mặt có kích thước tiêu chuẩn được sử dụng để kiểm tra độ cứng của vật liệu. Dùng lực thử (N) ấn mũi thử vào vật liệu và đo đường chéo d của vết lõm sau khi ngắt tải. Độ cứng Vickers được tính từ tỷ lệ của lực thử (N) với diện tích bề mặt của vết lõm. Kết quả độ cứng Vickers được hiển thị ở định dạng xxxHVyy. xxx là chỉ số độ cứng và yy là trọng lực tính bằng kgf. Nếu thời gian giữ áp suất không nằm trong khoảng từ 10 đến 15 giây, thì kết quả được ghi là xxxHVyy/zz. trong đó zz là thời gian ứng suất tính bằng giây.

Thang đo độ cứng Brinell

Thang đo Brinell là thang đo độ cứng tiêu chuẩn hóa được sử dụng rộng rãi đầu tiên, được Johann August Brinell đề xuất vào năm 1900. Phép thử độ cứng Brinell được thực hiện bằng cách ép một đầu bi vào bề mặt vật mẫu ở giá trị lực chuẩn trong một khoảng thời gian đến khi một vết lõm được hình thành trên bề mặt. Các giá trị lực tác dụng (N), đường kính bi (mm) và đường kính vết lõm (mm) được sử dụng để tính giá trị độ cứng cuối cùng. Các lực tác dụng có xu hướng nằm trong khoảng 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 khác nhau và khả năng tác dụng các lực khác nhau lên các vệt lõm khác nhau. Nhược điểm của thang đo độ cứng Brinell là quá trình kiểm tra độ cứng mất nhiều thời gian và các lõm có sự phá hủy bề mặt lớn.

Thang đo độ cứng Mohs

Thang đo độ cứng Mohs là thang từ 1 đến 10, với 1 là độ cứng thấp nhất và 10 là cao nhất. Phép thử độ cứng Mohs làm xước vật liệu đang được kiểm tra bằng một vật liệu khác. Được Friedrich Mohs đề xuất vào năm 1812, thang đo Mohs khá định tính và không phải là cách 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. Nhiều khoáng chất trong số này rất khó tìm để thử nghiệm, vì vậy các vật liệu tương đương như đinh (độ cứng 2,5), dao (độ cứng 5) và thanh thép (độ cứng 6,5) thường được sử dụng.

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 là khá nhỏ, chỉ khoảng 1kgf hoặc nhỏ hơn, do vậy nó chỉ gây ra một vết lõm nhỏ. Phương pháp thử nghiệm độ cứng Knoop gần giống với thí nghiệm Vickers. Trong phương pháp này, một mũi đo hình chóp bằng kim cương có góc ở đỉnh là 130o và 172o30’ được ấn vào bề mặt vật liệu, tạo 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 thang đo độ cứng Knoop là chỉ yêu cầu một mẫu rất nhỏ của vật liệu thử nghiệm để đo.

Thang đo độ cứng Shore

Có hai thang Shore chính, thang độ cứng Shore A và thang độ cứng Shore D. Thang đo Shore A thường được sử dụng khi làm việc với polyme mềm và chất đàn hồi, trong khi thang đo Shore D, phổ biến hơn, thường được sử dụng với polyme cứng như cao su cứng, nhựa chịu nhiệt, nhựa cứng. Thang đo độ cứng Shore tính độ cứng tối thiểu là 0 và độ cứng tối đa là 100. Nếu vật liệu có thang độ cứng Shore là 100, điều này có nghĩa là vật liệu không bị xuyên thủng 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 đo bằng sự xuyên qua của đầu đo vào mẫu thử. Độ đàn hồi của vật liệu có thể thay đổi độ cứng theo thời gian, tức là thời gian ấn đôi khi cũng được coi là số độ cứng. Có sẵn nhiều dạng hình học đầu dò khác nhau tùy thuộc vào vật liệu được đo thang Shore A hay Shore D.

Vì sao tồn tại nhiều thang đo độ cứng?

Như chúng ta đã thấy, có sáu thang đo độ cứng chính, nhưng lời giải thích hợp lý nhất cho lý do tại sao lại có nhiều thang đo độ cứng như vậy là theo thời gian, những tiến bộ trong công nghệ và sự phát triển của các vật liệu mới. Điều này đòi hỏi một thang đo độ cứng mới phản ánh tốt hơn nhu cầu trong thế giới thực. Ví dụ, thang đo độ cứng Brinell chắc chắn có thể được sử dụng, nhưng nó có một số nhược điểm như mất nhiều thời gian để thí nghiệm. Các thang đo khác thì không phù hợp với một số vật liệu. Khi làm việc với các vật liệu mỏng và nhỏ, nên chọn thang đo độ cứng Vickers hoặc Knoop vì phép thử được thực hiện với ít lực hơn trên bề mặt vật liệu. Nếu bạn cần thực hiện một số lượng lớn phép đo độ cứng, máy đo độ cứng Rockwell có lẽ là lựa chọn kinh tế hơn cho tốc độ và độ chính xác. Tùy theo thực tế công việc có thể thay đổi loại thang đo độ cứng cho phù hợp.

Các kết quả đo độ cứng mang tính thực nghiệm và đáp ứng nhu cầu so sánh hai vật liệu có độ cứng khác nhau. Vì độ cứng không phải là giá trị cụ thể của vật liệu mà là giá trị so sánh giữa các vật liệu nên các giá trị được biểu thị bằng các thang đo độ cứng khác nhau rất quan trọng trong việc đánh giá chất lượng sản phẩm. Mỗi thang đo độ cứng trong số sáu thang đo độ cứng được đề cập ở trên đều có phương pháp đánh giá và kiểm tra độ cứng riêng và được thiết kế cho ứng dụng cụ thể. Tùy theo yêu cầu cụ thể, có thể sử dụng thường xuyên một thang đo độ cứng, hoặc so sánh kết quả trên nhiều thang đo độ cứng khác nhau.