Mục Lục
    Thông Tin Ứng Dụng

    Phương Pháp Đo Độ Cứng Brinell, Vickers, SHORE

    Ngày 29-10-2021

    Độ cứng là một thuộc tính cơ bản của vật liệu, thuật ngữ độ cứng phản ánh tính chịu uốn, mài mòn, trầy xước của vật. Cùng với sự phát triển của khoa học vật liệu đã có rất nhiều phương pháp đo độ cứng ra đời. Bài viết này chúng tôi xin giới thiệu một số phương pháp đo độ cứng thường được biết đến, đặc biệt ứng dụng cho lĩnh vực vật liệu kim loại.

    Ngày nay, các phương pháp đo độ cứng thường sử dụng một đầu thử (có hình dạng đặc biệt và có độ cứng hơn mẫu đo) ấn tác động lên bề mặt mẫu thử. Theo đó trị số độ cứng được tính toán trên cơ sở lực tác động và độ sâu hoặc kích cỡ của vết lõm. Có 3 phương pháp đo độ cứng được biết đến nhiều nhất là Brinell, Vicker và Rockwell và để đo vật liệu chất dẻo như cao su, polyme với phương pháp Shore.

    Phương pháp đo độ cứng Brinell (HB)

    Phương pháp đo độ cứng Brinell là phương pháp lâu đời nhất và được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh vực cơ khí cho đến ngày nay.

    Nguyên lý phương pháp:

    Phương pháp đo độ cứng Brinell
    Phương pháp đo độ cứng Brinell

    Độ cứng Brinell được xác định bằng cách nhấn một khối cầu băng thép hoặc carbide với đường kính D xác định với một lực F cho trước trong một khoảng thời gian lên bề mặt vật liệu cần đo, bi thép sẽ lún vào và tạo ra một vết lõm có đường kính Di trên bề mặt vật liệu. Từ đây, ta có thể tính được độ cứng HB của vật liệu theo công thức sau:

    Công thức tình toán độ cứng Brinell (BHN)

    Ứng dụng, cách chọn đầu đo, lực đo cho các vật liệu:

    • Đường kính mũi đo phụ thuộc vào chiều dày mẫu đo. Mẫu đo càng mỏng thì đường kính viên bi càng nhỏ. Đường kính mũi đo được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn quốc tế là 10mm, 5mm, 2.5mm và 1mm.
    • Tải trọng đo trong phương pháp đo độ cứng Brinell cũng phụ thuộc vào vật liệu đo, nó tỷ lệ thuận với tỷ số L/D2
    • Tuy nhiên, muốn kết quả đo được chính xác hơn ta nên chọn tải trọng sao cho tỷ lệ giữa đường kính vết lõm d và đường kính viên bi D nằm trong khoảng (0.2 - 0.6)
    • Thời gian đặt tải: ảnh hưởng đến kết quả đo nên phải được chọn phù hợp
    • Tải phải được đặt chậm và có kiểm soát
    • Thời gian đặt tải thông thường khoảng 10-30 giây cho phép biến dạng đàn hồi

    Dưới đây là bảng hướng dẫn để chọn đầu đo, lực đo trên các ứng dụng khác nhau của phương pháp đo độ cứng Brinell.

    Biểu tượngĐầu đoLực tác dụng NCác ứng dụng
    HBW 2.5/187.5 1839Steel, cast iron
    HBWT 30 C 1839Steel, cast iron (direct reading) above 500 HB, below 400 HB
    HBWT 30 S 1839Steel, cast iron (direct reading) above 500 HB, below 400 HB
    HBW 2.5/62.52.5 Carbide ball612.9Aluminum
    HBT 102.5 Carbide ball612.9Aluminum
    HBW 5/1255 Carbide ball1226Aluminum
    HBWT 55 Carbide ball1226Aluminum (direct reading) above 500 HB, below 400 HB
    HBW 1/101 Carbide ball98.07Cast iron, copper alloys

    Ưu nhược điểm của phương pháp Brinell:

    Ưu điểmNhược điểm
    • Phạm vi đo tương đối rộng
    • Thử đơn giãn, nhanh chóng, quá trình chuẩn bị mẫu không quá phức tạp và giá thành tương đối rẻ.
    • Độ chính xác khá cao
    • Có thể xác định được độ bền kéo của vật liệu thông qua độ cứng (một số nguyên tố).
    • Vết đo làm biến cứng vật liệu
    • Không thích hợp cho vật liệu mỏng, mạ phủ, vật liệu quá cứng, các bề mặt cong và các vật liệu nhỏ.
    • Chỉ đo chính xác với các vật liệu có độ dày trên 4mm
    • Kết quả đo chịu ảnh hưởng bởi người vận hành

    Phương pháp đo độ cứng Vickers (HV)

    Ngày nay với nền khoa học và công nghệ phát triển, hãng AFFRI đã trang bị camera kỹ thuật số có thể phóng đại vết lõm lên nhiều lần, phân mềm để tính giá trị độ cứng mang lại độ chính xác cao nhất cho kết quả đo. Chỉ cần nhấn nút và sau đó kết quả độ cứng sẽ hiển thị trên màn hình

    Phương pháp đo độ cứng Vickers được thực hiện bằng cách ấn 1 mũi thử kim cương  hình chop 4 cạnh dưới tác dụng của 1 lực xác định vào vật liệu cần đo, mũi thử bằng kim cương sẽ tạo ra một vết lõm trên bề mặt vật liệu. Đơn vị của phương pháp: HV

    • Cấu tạo mũi thử kim cương: Mũi hình chop 4 cạnh, có góc ở giữa 2 mặt chop đối diện nhau là 136o
    • Lực tác dụng: 30N, 50N, 100N, 150N, 300N… tùy vào ứng dụng.

    Cách tính giá trị độ cứng vật liệu dựa vào vết lõm trên bề mặt vật liệu:

    Độ cứng Vickers được tính bằng F/S, tức lực F chia cho diện tích bề mặt vết lõm S. Diện tích bề mặt vết lõm S được tính theo chiều dài trung bình 2 đường chéo d1 và d2 của vết lõm S.

    Giá trị độ cứng Vickers được tính theo công thức sau:

    Giá trị độ cứng Vickers

    Trong đó:

    • HV  : độ cứng Vickers
    • F     : lực được sử dụng để kiểm tra (N)
    • S     : diện tích bề mặt vết lõm (mm2)
    • d     : chiều dài trung bình 2 đường chéo của vết lõm (mm)

    Độ cứng Vickers tính bằng F/S. Lấy lực thử F chia cho diện tích bề mặt lõm S. Bề mặt lõm S được tính theo độ dài trung bình hai đường chéo d. Bề mặt lõm được tạo thành khi tác dụng một lực vào mẫu thử với mũi đột kim cương, hình chóp.

    Ứng dụng của phương pháp:

    • Phương pháp đo độ cứng Vicker là Phương pháp đo độ cứng mang lại độ chính xác và độ tin cậy cao nhất. Được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm và trong các nghành công nghiệp.
    • Chúng ta có thể sử dụng thiết bị đo độ cứng Vicker để đo độ cứng với độ chính xác cao cho tất cả các loại kim loại cứng và mềm như: sắt, thép, gang, đồng, nhôm, hợp kim các loại…
    • Phương pháp đo độ cứng vicker rất thích hợp để sử dụng trong các trường hợp sau: đo độ cứng lớp xi mạ trên vật liệu, đo độ cứng các chi tiết cơ khí có kích thước nhỏ, đo độ cứng với độ chính xác cao.

    Ưu điểm của phương pháp đo Vicker:

    • Mang lại độ chính xác và độ tin cậy cao cho phép đo, dải đo rộng
    • Chỉ dùng 1 đầu đo duy nhất để đo độ cứng cho tất cả các loại vật liệu, không cần thay thế đầu đo.
    • Đo được độ cứng lớp xi mạ
    • Đo được độ cứng các chi tiết rất nhỏ mà các phương pháp khác không để làm được

    Nhược điểm:

    • Thời gian chuẩn bị mẫu và đo lâu, mẫu đo cần phải được mài phẳng trước khi đo.
    • Giá thành máy đo độ cứng Vicker cao.
    • Có thể cần trang bị thêm máy cắt mẫu và mài mẫu.

    Các thiết bị tham khảo:

    Hãng AFFRI – Italia là một trong những người đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất máy đo độ cứng với hơn 65 năm kinh nghiệm

    Model Wiki JS – AFFRI –Italia
    Model Wiki JS – AFFRI –Italia
    Model DM2- AFFRI- Italia
    Model DM2- AFFRI- Italia

    Phương pháp đo độ cứng SHORE

    Phương pháp đo độ cứng SHORE được phát triển vào những năm 1920, ông Albert F. Shore đã phát minh ra thiết bị đo lường tên Durometer. Phương pháp đo độ cứng theo Shore đo độ cứng trong điều kiện đàn hồi của vật liệu. Thường dùng để đo những chất dẻo như polime hay cao su.

    Phương Pháp Thử

    Độ cứng shore là đơn vị đo của độ bền vật liệu chống lại lực ấn từ các mũi thử. Trị số càng cao thì độ bền  càng cao.

    Hiện nay, để đo độ cứng cho nhựa và cao su người ta thường dùng phương pháp SHORE A và SHORE D.

    • SHORE A: đo cao su mền, nhựa, các chất đàn hồi…
    • SHORE D: đo cao su cứng, nhựa chịu nhiệt, nhựa cứng, bowling ball

    Máy đo độ cứng phương pháp SHORE dùng tải trọng được áp vào nhờ một lực lò xo. Giá trị độ cứng được xác định bằng sự xuyên qua của đầu đo vào mẫu thử. Nếu xuyên qua độ cứng bằng 0, còn nếu không xuyên qua độ cứng đạt chỉ số tối đa là 100. Trị số này không có thứ nguyên.

    Dưới đây là bảng để chọn các phương pháp đo SHORE cho các loại vật liệu khác nhau, các loại đầu đo và lực tác dụng lên mẫu thử:

    Phương pháp đo SHORE

    Máy đo độ cứng có thể đo được cho tất cả các phương pháp:

    • Shore A for flexible plastic - rubbers - medical parts - O.Rings (Code078.A1.010)
    • Shore B as A scale but for High values (Code 078.A1.020)
    • Shore C as A scale but for low values (Code 078.A1.030)
    • Shore D for very hard materials, Ceramic and composits, Plexiglass. Nylon...
    • over 80 Shore A - (Code 078.A1.040)
    • Shore O for soft and not obogeneous material spoon as B (Code 078.A1.050)
    • Shore OO for very soft material silicon – Spoon (Code 078.A1.060)
    • Shore Micro for thin material mediacal and O.R.small sizes (Code 078.A1.070)
    • Shore E ASTM D 2240 - 02 a (Code 3013)
    • Shore M ASTM D 2240 - 02 a (Code 3014)
    • Shore 000 ASTM D 2240 - 02 a (Code 3015)
    • Shore 000-S ASTM D 2240 - 02 a (Code 3016)

    Độ chính xác cao

    Có đầy đủ các phụ kiện, giá đỡ giúp quá trình đo chính xác và ổn định hơn