Nghiên cứu thiết kế tích hợp và thiết lập hệ thống chuẩn dùng để hiệu chuẩn tấm chuẩn độ cứng brinell

Tổng quan về độ cứng và phương pháp đo độ cứng. Tấm chuẩn độ cứng và hệ thống hiệu chuẩn tấm chuẩn. Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống hiệu chuẩn tấm chuẩn độ cứng brienll. Bài toán thực nghiệm Tổng quan về độ cứng và phương pháp đo độ cứng. Tấm chuẩn độ cứng và hệ thống hiệu chuẩn tấm chuẩn. Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống hiệu chuẩn tấm chuẩn độ cứng brienll. Bài toán thực nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VÕ QUỐC ĐANG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TÍCH HỢP VÀ THIẾT LẬP HỆ THỐNG CHUẨN DÙNG ĐỂ HIỆU CHUẨN TẤM CHUẨN ĐỘ CỨNG BRINELL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI - 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VÕ QUỐC ĐANG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TÍCH HỢP VÀ THIẾT LẬP HỆ THỐNG CHUẨN DÙNG ĐỂ HIỆU CHUẨN TẤM CHUẨN ĐỘ CỨNG BRINELL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỂN THỊ LAN HƯƠNG

HÀ NỘI - 2018

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN 8

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘ CỨNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ CỨNG 10

1.1 Tổng quan về độ cứng 10

1.1.1 Khái niệm về độ cứng 10

1.1.2 Quá trình phát triển của kỹ thuật đo độ cứng 11

1.2 Phân loại các phương pháp đo độ cứng 13

1.2.1 Phương pháp đo độ cứng tĩnh học 14

1.2.2 Các phương pháp đo độ cứng động học 34

CHƯƠNG 2 : TẤM CHUẨN ĐỘ CỨNG VÀ HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN TẤM CHUẨN 39

2.1 Tổng quan về tấm chuẩn độ cứng 39

2.1.1 Khái niệm 39

2.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của tấm chuẩn độ cứng 39

2.1.3 Công nghệ chế tạo tấm chuẩn 41

2.1.4 Độ không đồng nhất trên bề mặt tấm chuẩn 43

2.1.5 Sự ổn định tấm chuẩn độ cứng theo thời gian 43

2.2 Hệ thống hiệu chuẩn tấm chuẩn 45

2.2.1 Nguyên lý chung 45

2.2.2 Cấu tạo 46

2.2.3 Yêu cầu về xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống hiệu chuẩn tấm chuẩn độ cứng Brinell 53

CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ĐỘ TINCẬY CỦA HỆ THỐNG HIỆU CHUẨN TẤM CHUẨN ĐỘ CỨNG BRIENLL 55

3.1 Phương pháp đo độ cứng Brinell 55

3.2 Nghiên cứu xây dựng hệ thống chuẩn hiệu chuẩn tấm chuẩn độ cứng Brinell 59

❖ Thiết bị đo đường kính vết nén 65

CHƯƠNG 4 : BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM 68

4.1 Mô hình thực nghiệm 68

Thiết bị đo dùng trong mô hình thực nghiệm 68

4.2 Xây dựng Quy trình hiệu chuẩn và phân tích số liệu trên hệ thống hiệu chuẩn tấm độ cứng Brinell 72

4.2.1 Xây dựng quy trình hiệu chuẩn hệ thống chuẩn 72

4.2.2 Tổng hợp số liệu đánh giá kết quả của hệ thống 78

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 87

1 Về lý thuyết 87

2 Về thực nghiệm 87

3 Hướng phát triển 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, tích hợp

và thiết lập hệ thống chuẩn dùng để hiệu chuẩn tấm chuẩn độ cứng Brinell” là công

trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

Võ Quốc Đang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Ý nghĩa

Brinell VMI Vietnam Metrology Institute

(Viện Đo lường Việt Nam) BIPM

Bureau International des Poids et Mesures

(Viện Đo lường Quốc tế)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Chọn tải trọng theo chiều dày mẫu thử và độ cứng dự tính 20

Bảng 2: Phạm vi sử dụng của phương pháp đo Brinell 20

Bảng 3: Đặc trưng kỹ thuật phương pháp đo Rockwell 23

Bảng 4: Phạm vi áp dụng của các thang đo độ cứng Rockwell 25

Bảng 5: Đặc trưng kỹ thuật của thang đo độ cứng Super – Rockwell 41

Bảng 6: Vật liệu thép dùng để chế tạo tấm chuẩn 42

Bảng 7: Bảng tra để xác định đường kính bi và tải trọng đặt vào 56

Bảng 8: Đánh giá ưu nhược điểm của các máy tải chuẩn 64

Bảng 9: Độ chính xác của kính hiển vi công cụ 66

Bảng 10: Dung sai của đường kính bi chuẩn 67

Bảng 11: Đánh giá độ không đảm bảo đo theo tải trọng 3000 kgf 78

Bảng 12: Đánh giá độ không đảm bảo đo theo tải trọng 750 kgf 79

Bảng 13: Đường kính vết nén ứng với giá trị tấm chuẩn tại D = 10 mm 79

Bảng 14: : Đường kính vết nén ứng với giá trị tấm chuẩn tại D = 5 mm 80

Bảng 15: Đánh giá thời gian tạo tải của hệ thống 82

Bảng 16: Hệ số nhạy ứng với giá trị độ cứng tấm chuẩn 82

Bảng 17: Thời gian giữ tải 83

Bảng 18: Hệ số nhạy ứng với giá trị tấm chuẩn 83

Bảng 19: Tổng hợp độ không đảm bảo đo thành phần tới hệ thống chuẩn 85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ giới hạn phạm vi sử dụng của ba phương pháp đo độ cứng 16

Hình 1.2 Phương pháp Brinell 17

Hình 1.3 Xác định diện tích bề mặt vết nén Brinell 17

Hình 1.4 Độ cứng phụ thuộc vào tải trọng 19

Hình 1.5 Hiện tượng biến dạng vết nén 21

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý quá trình đo độ cứng Rockwell 22

Hình 1.7 Tương quan giữa chiều dày tối thiểu của mẫu thử và độ cứng Rockwell 25 Hình 1.8 Phương pháp Vickers 27

Hình 1.9 Xác định diện tích vết nén Vickers 28

Hình 1.10 Xác định góc 136 29

Hình 1.11 Mối liên quan giữa chiều dày tối thiểu của mẫu thử với tải trọng và độ cứng 31

Hình 1.12 Hiện tượng biến dạng vết nén Vickers 33

Hình 1.13 Quá trình đo độ cứng Pôl-đi 35

Hình 1.14 Quá trình đo độ cứng bằng phương pháp Shore 37

Hình 1.15 Thiết bị đo độ cứng động kiểu con lắc 38

Hình 2.1 Hiện tượng uốn của tấm chuẩn độ cứng khi số lượng vết nén tăng 44

Hình 2.2 Hiện tượng uốn của tấm chuẩn độ cứng khi số lượng vết nén tăng 45

Hình 2.4 Thiết bị đo độ cứng với thân hình cổ cong 47

Hình 2.3 Thiết bị đo độ cứng với thân hình khung 47

Hình 2.5 Tải trọng trực tiếp 48

Hình 2.6 Tải trọng gián tiếp 48

Hình 2.7 Phương pháp dùng phanh dầu 49

Hình 2.8 Phương pháp dùng hệ cam lệch tâm 50

Hình 2.9 Phương pháp dùng cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền 50

Hình 2.10 Chuôi và áo giữ bi 51

Hình 2.11 Chuôi gắn mũi đo 52

Hình 2.12 Chuôi có hình dáng kiểu đặc biệt 52

Hình 3.1 Máy tạo lực chuẩn bằng quả cân trực tiếp 60

Hình 3.2 Máy tải chuẩn bằng quả cân truyền qua tỷ lệ cánh tay đòn 61

Hình 3.3 Máy tải chuẩn bằng các quả cân truyền bằng thủy lực 63

Hình 4.1 Máy tạo tải chuẩn 68

Hình 4.2 Thiết bị đo đường kính vết nén 69

Hình 4.3 Đầu đo lực chuẩn 69

Hình 4.4 Nivo 70

Hình 4.5 Tấm chuẩn độ cứng Brinell 70

Hình 4.6 Thiết bị đo thông số môi trường Vaisala BTU301 71

TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN

Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, tích hợp và thiết lập hệ thống chuẩn dùng

để hiệu chuẩn tấm chuẩn độ cứng Brinell”

- Mã luận văn:

- Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

- Cán bộ hướng dẫn:

PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương

- Đơn vị: Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Các máy thử độ cứng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy chết tạo cơ khí, các cơ sở gia công chi tiết và sản phẩm, lắp ráp ô tô và xe máy Chúng có thể có kết cấu, tính năng sử dụng khác nhau nhưng có cùng mục đích là đảm bảo xác định được độ cứng của các sản phẩm Các máy này có độ không đảm bảo đi cỡ ± 2HR đối với phương pháp Rockwell và (3 ÷ 5)% đối với phương pháp đo Brinell và Vickers

Để đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và tính liên kết đo lường, các máy thử độ cứng cần thiết phải được hiệu chuẩn và phương pháp để hiệu chuẩn, đánh giá các máy lại phụ thuộc vào tấm chuẩn độ cứng, trong khi đó việc đánh giá tấm chuẩn độ cứng

do các máy chuẩn độ cứng quốc gia đánh giá

Xuất phát từ nhu cầu đánh giá tấm chuẩn độ cứng Brinell, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và tin học, hiện nay trên thế giới nhiều quốc gia/nền kinh tế đã chế tạo, xây dựng được các hệ thống chuẩn đo lường dùng để đánh giá độ chính xác, độ tin cậy của tấm chuẩn độ cứng thông qua các phép hiệu chuẩn chúng Với tình hình số lượng các tấm chuẩn độ cứng rất lớn đang được sử dụng ở Việt Nam

và có xu hướng ngày càng tăng như hiện nay, việc nghiên cứu xây dựng phương pháp

và thiết lập hệ thống chuẩn đo lường đáp ứng phương pháp đánh giá độ chính xác, độ tin cậy của tấm chuẩn độ cứng Brinell thực sự là cần thiết và cấp bách

Nhận biết tầm quan trọng của vấn đề, với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của

PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, em đã chọn đề tài : “Nghiên cứu, thiết kế, tích hợp

và thiết lập hệ thống chuẩn dùng để hiệu chuẩn tấm chuẩn độ cứng Brinell” làm đề

tài luận văn Thạc sĩ

Ngoài phần giới thiệu tổng quan và phần kết luận, nội dung của đề tài gồm 4 chương :

Chương 1: Tổng quan về độ cứng và phương pháp đo độ cứng

Chương 2: Tấm chuẩn độ cứng và hệ thống hiệu chuẩn tấm chuẩn

Chương 3: Xây dựng phương pháp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của hệ

thống hiệu chuẩn tấm chuẩn độ cứng Brinell Chương 4: Bài toán thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ CỨNG VÀ PHƯƠNG

về bản chất vật lý của tính chất đặc biệt này của vật liệu

Độ cứng có thể nhận biết bằng nhiều cách khác nhau, ví dụ như ấn tay vào miếng cao su xốp hoặc nắm một thỏi đất sét nhão, ta có cảm giác rằng chúng rất mềm Khái niệm mềm làm cho ta liên tưởng tới tính dẻo và khả năng biến dạng của vật liệu Vật thể giữ nguyên trạng thái biến dạng sau khi ngừng ấn (vết lõm do tay ấn) được đánh giá là dẻo và ngược lại, nếu vật thể trở lại trạng thái ban đầu thì được coi là đàn hồi Ta hãy xem xét một ví dụ khác: nếu lần lượt cắm chiếc kim khâu vào một miếng

gỗ và một thỏi đồng thì nhận định chung là đồng cứng hơn gỗ Lúc này, khái niệm

“cứng” của vật thể biểu thị khả năng vật thể đó chống lại vật thể khác ấn vào nó Vật liệu có khả năng chống biến dạng càng lớn thì càng cứng Trong đời sống hàng ngày, khái niệm về tính “cứng” của vật liệu thể hiện khả năng chống hư hỏng hoặc chống mài mòn trong sử dụng

Trong kỹ thuật, độ cứng có liên quan đến khả năng cắt gọt của vật liệu Khi cắt gọt, tùy theo phương pháp gia công, các lực khác nhau sẽ được tác động theo các cách khác nhau vào chi tiết, lúc này “sức chống” lại biểu thị khả năng một chi tiết chống lại sự chia cắt nó và đồng thời biểu thị tính cứng của vật liệu Xuất phát từ các cách tác động lực nói trên, độ cứng được phân thành độ cứng khoan, độ cứng dũa, độ

cứng vạch xước, v.v

Như đã nêu ở trên, khái niệm độ cứng không phải chỉ có một định nghĩa duy nhất Để tiến gần tới bản chất của độ cứng và để loại bỏ tính đa nghĩa của khái niệm này, người ta buộc phải giới hạn việc xác định độ cứng bằng một số phương pháp nhất định trong những điều kiện đo nhất định và thông qua việc xác định các đại lượng vật lý liên quan Trị số độ cứng xác định được không những phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu mà còn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện đo Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu đã phát biểu thuật ngữ độ cứng mà không đi kèm với phương pháp

và điều kiện đo thì cũng vô nghĩa

Các phương pháp đo độ cứng thông dụng hiện nay là phương pháp Brinell, Rockwell và Vickers Nguyên lý chung của các phương pháp trên như sau:

Nén đầu đo có hình dạng và kích thước xác định lên bề mặt vật thử dưới một lực xác định để tạo ra trên bề mặt đó một vết nén (in hình đầu đo) Căn cứ vào diện tích (hoặc chiều sâu) vết nén sẽ suy ra độ cứng của vật liệu cần thử Bằng định tính

có thể thấy ngay rằng nếu dưới cùng một tải trọng và đầu đo, vết nén càng to (hoặc càng sâu) thì vật liệu càng mềm, ngược lại, vết nén càng nhỏ (hoặc càng nông) thì vật liệu càng cứng

Với các phương pháp đo thông dụng như trên, độ cứng của vật liệu có thể được định nghĩa như sau: Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng đặt vào đầu đo, được xác định bằng áp lực tiếp xúc trung bình trên bề mặt vết nén (phương pháp Brinell, Vickers) hoặc bằng đơn vị quy ước căn cứ theo chiều sâu vết nén (phương pháp Rockwell)

1.1.2 Quá trình phát triển của kỹ thuật đo độ cứng

Vào những thế kỷ trước, khi sản xuất còn bằng thủ công, hầu như người ta chưa biết kiểm tra một cách hệ thống những sản phẩm được làm ra như đồ dùng, công

cụ lao động, vũ khí, v.v Sản phẩm tốt hay xấu chỉ có thể nhận biết được thông qua thời gian sử dụng, xem chúng dùng được lâu hay chóng, có dễ gãy, dễ mòn hay không, v.v

Đến giữa thế kỷ XVII, người ta đã biết dùng dũa khía lên ngọc xem vết khía

nông hay sâu để xác định độ cứng của ngọc Năm 1802, Hauy, nhà khoáng vật học người Pháp đã xây dựng được một thang đo độ cứng định tính, phân vật thể thành 4 nhóm từ cứng đến mềm như sau:

- Các vật thể tạo nên vết xước khi vạch lên thạch anh;

- Các vật thể tạo nên vết xước khi vạch lên thủy tinh;

- Các vật thể tạo nên vết xước khi vạch lên can-xít;

- Các vật không thể tạo nên vết xước khi vạch lên can-xít

Năm 1882, trường cao đẳng kỹ thuật Praha đã lập một thang đo độ cứng vạch xước gồm 18 bậc dùng để xác định độ cứng kim loại trong phạm vi từ chì đến các loại thép cứng

Năm 1884, tiến thêm một bước, người ta đã biết căn cứ vào khối lượng của phoi (xác định trong những điều kiện sản xuất thông thường) khi gia gia công các kim loại khác nhau để kết luận về độ cứng khoan hoặc độ cứng dũa, v.v

Năm 1881, nhà vật lý học người Đức Hertz đã đưa ra mô hình và công thức tính độ cứng tuyệt đối (độ cứng đơn vị đặc trưng cho tính chất cơ học của vật liệu) Mặc dù phương pháp này ít được ứng dụng trong thực tế, song nó đã đặt nền móng cho lý thuyết đo độ cứng

Năm 1900, Brinell, kỹ sư trưởng của một công ty luyện kim Thụy Điển đã thành công trong phương pháp đo độ cứng tĩnh học đầu tiên mang tên ông với thí nghiệm nén bi cầu lên bề mặt vật thử kim loại

Đến năm 1907, Ludwik lại đưa ra phương pháp đo độ cứng bằng cách nén đầu

đo hình chóp dưới tác dụng của lực động học và tĩnh học Cùng thời gian đó đã xuất hiện phương pháp đàn hồi bật lùi của Shore

Trong những năm tiếp sau đó, kỹ thuật đo độ cứng đã có được những bước tiến rõ rệt:

- Meyer đã áp dụng định luật về lực khi nén bi cầu và từ đó rút ra được những kết luận quan trọng về vật liệu

- Ludwik đưa ra phương pháp dùng tải trọng sơ bộ, và sau đó vào năm 1923, Rockwell đã bổ sung, hoàn thiện phương pháp này và làm cho kỹ thuật đo độ cứng

và đã đạt được những kết quả nhất định

Lịch sử phát triển của kỹ thuật đo độ cứng cho thấy rằng không những người

ta chỉ nghiên cứu tìm tòi những phương pháp đo độ cứng khác nhau nhằm đưa ra những giá trị độ cứng tin cậy, ít phụ thuộc vào môi trường đo mà còn chú ý cải tiến thiết bị đo để đảm bảo tính ổn định của giá trị đo

Từ bước đi ban đầu, khi độ cứng mới chỉ được xác định bằng những dụng cụ thô sơ như dũa, ngày nay, ngành đo lường độ cứng đã có trong tay những thiết bị đo hiện đại và hoàn chỉnh

Hơn nữa, trong 50 năm trở lại đây, thiết bị đo lại thường xuyên được cải tiến,

từ thiết bị đo với cơ cấu cơ khí đơn thuần đến cơ điện, cơ quang điện và rồi kết hợp với điện tử để ra đời các máy đo độ cứng hiện số Cùng với hệ thống chuẩn độ cứng, các thiết bị đo độ cứng ngày càng được hoàn thiện trên cơ sở những tiến bộ khoa học

kỹ thuật vượt bậc đã cung cấp cho ta các số liệu đo độ cứng ổn định, chính xác với

độ tin cậy cao

1.2 Phân loại các phương pháp đo độ cứng

Giá trị độ cứng của vật liệu có thể được xác định theo hai hướng khác nhau: Hướng thứ nhất gồm nhóm các phương pháp đo có liên quan đến lực tác động

cơ học Những phương pháp đó dựa trên cơ sở nén đầu đo cứng với hình dạng nhất định (đầu đo có dạng hình cầu, hình chóp, hình tháp, hình lưỡi dao, v.v.) lên bề mặt

vật thử Theo vận tốc hạ tải, nhóm phương pháp này lại được phân thành phương pháp tĩnh học (lực tác dụng từ từ, không gây nên va đập, rung động) và phương pháp động học (lực tác dụng là lực xung) Từ vết lõm được tạo thành do lực tác động sẽ suy ra giá trị độ cứng

Hướng thứ hai gồm những phương pháp dựa trên các hiệu ứng vật lý xác định (ví dụ như từ trường, điện trường, v.v.) để đo những tính chất khác của vật liệu, từ

Trong bốn nhóm phương pháp đo độ cứng nêu trên, hai nhóm phương pháp chính có tầm quan trọng đặc biệt và được ứng dụng rộng rãi là phương pháp đo độ cứng tĩnh học và động học Do đó, chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu hai nhóm phương pháp này Đối với hai nhóm phương pháp còn lại, yêu cầu của chúng ta chỉ là nắm vững nguyên lý và phạm vi ứng dụng của chúng

cứng bằng cách đo chiều sâu hoặc diện tích bề mặt vết lõm do biến dạng gây nên, từ

đó suy ra giá trị độ cứng

Hiện tồn tại hai nhóm phương pháp đo độ cứng tĩnh khác nhau về nguyên lý:

- Nhóm các phương pháp đo mà chỉ số độ cứng là tải trọng riêng phần (ví dụ kgf/mm2) trong đó diện tích bề mặt vết lõm được đo bằng dụng cụ quang học

- Nhóm các phương pháp đo mà chỉ số độ cứng thu được thông qua phép đo chiều sâu vết lõm (phương pháp này hoàn toàn mang tính chất quy ước chứ không có

ý nghĩa vật lý)

Thuộc nhóm thứ nhất gồm:

+ Phương pháp nén bi của Brinell

+ Phương pháp nén đầu đo hình chóp của Ludwik

+ Phương pháp nén đầu đo hình tháp của Vickers

Thuộc nhóm thứ hai gồm:

+ Phương pháp tải trọng đầu của Rockwell

+ Phương pháp Anpha - Duromet

+ Phương pháp đo độ cứng Monotron

Trong phương pháp đo độ cứng Brinell, đôi khi người ta đo trực tiếp chiều sâu vết lõm thay cho việc xác định diện tích bề mặt vết lõm, lúc này về mặt thiết bị thì phương pháp đó thuộc về nhóm hai nhưng về mặt nguyên lý thì lại thuộc nhóm một

Hiện nay trong công nghiệp chủ yếu sử dụng các phương pháp đo độ cứng tĩnh học sau đây:

Hình 1.1 Sơ đồ giới hạn phạm vi sử dụng của ba phương pháp đo độ cứng

Trên hình 1.1 trình bày phạm vi sử dụng của ba phương pháp Theo sơ đồ trên

ta thấy phương pháp Vickers là phương pháp vạn năng hơn cả, nó cho phép đo độ cứng từ thấp nhất đến cao nhất Tuy vậy, phương pháp Rockwell cũng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì năng suất đo nhanh gấp 3  4 lần so với hai phương pháp còn lại Dưới đây chủ yếu ta đi sâu vào ba phương pháp đo độ cứng tĩnh phổ biến này

+ Phương pháp đo độ cứng Brinell

đo các loại vật liệu có độ cứng từ 8 đến 450 HB (thường là gang, kim loại mầu và

thép chưa qua nhiệt luyện) Nếu dùng bi đo được chế tạo từ hợp kim cứng ta có thể tăng phạm vi đo lên tới 650 HB

Độ cứng Brinell (HB = kgf/mm2 hoặc N/mm2) là áp lực quy ước trung bình trên một đơn vị diện tích bề mặt chỏm cầu của vết nén, nó chính là tỷ số giữa lực tác dụng F và diện tích bề mặt vết nén S:

Để tính toán được đơn giản, người ta đã lập sẵn các bảng tra giá trị độ cứng theo đường kính vết nén d ứng với các giá trị tải trọng F và đường kính bi đo D cho trước

Độ không đảm bảo đo theo phương pháp Brinell là 3%

❖ Điều kiện thử

Để tránh vùng biến dạng xung quanh vết nén, giữa các vết nén phải có một khoảng cách nhất định Theo quy định, khoảng cách từ tâm vết nén đến mép vật thử không được nhỏ hơn 2,5 lần đường kính vết nén và khoảng cách giữa tâm hai vết nén không được nhỏ hơn 4 lần đường kính vết nén

Sau khi thử, nếu mặt dưới của vật thử có hiện tượng biến dạng thì kết quả đó coi như không có giá trị, khi đó phải thay bi đo có đường kính nhỏ hơn và thử lại với tải trọng tương ứng Chiều dày mẫu thử không được nhỏ hơn 10 lần chiều sâu vết nén

Đường kính vết nén sau khi thử phải nằm trong phạm vi cho phép

0,25 D < d < 0,6 D Phương pháp Brinell quy định các điều kiện sau đây cho một phép đo chuẩn:

Đường kính bi: D = 10 mm;

Tải trọng thử: F = 29,42 kN (3000 kgf);

Thời gian giữ tải: 10  15 giây

Với điều kiện đo chuẩn như trên, độ cứng của vật thử sẽ được ký hiệu bằng chữ HB, ví dụ 364 HB Còn với phép đo không tiêu chuẩn hóa thì kết quả phải được

ghi kèm với giá trị của đường kính bi thử D (mm), lực thử F (kgf) và thời gian giữ tải (giây) nếu có sai lệch với thời gian quy định, ví dụ 400 HB 1/30/20 - độ cứng Brinell

400 được xác định bằng viên bi đường kính 1 mm và lực thử 294,2 N (30 kgf) tác dụng trong 20 giây

❖ Mức tải trọng trong phép thử độ cứng Brinell

Theo nghiên cứu của Meyer, trong phép thử độ cứng Brinell, với đường kính

bi đo D = const, nếu ta tăng tải trọng tác dụng F, giá trị độ cứng HB cũng sẽ tăng, nhưng riêng đối với một số ít vật liệu có khả năng hóa mềm đặc biệt thì sau đó độ cứng sẽ giảm trở lại Trên hình 1.4 ta thấy rõ sự phụ thuộc của độ cứng vào tải trọng tác dụng khi D không đổi

Như vậy, nếu ta chọn đường kính bi hoặc tải trọng F bất kỳ thì các kết quả đo thu được sẽ không thể so sánh được với nhau

Thực tế cho thấy là đối với cùng một vật thử, ta chỉ nhận được cùng một giá trị độ cứng nếu tải trọng F biến đổi tương đối theo D2, tức là:

Sắt Nhôm Đồng

d=0,2 D

d=0,375 D d=0,5 D

Quan hệ giữa

F và D D (mm) F (kgf)

Thời gian giữ tải (giây)

Bảng 2: Phạm vi sử dụng của phương pháp đo Brinell

Đối tượng

đo

- Thép đúc

- Gang chịu nhiệt

- Gang xám

- Kim loại nhẹ

- Hợp kim đúc

- Đồng

- Đồng thanh

- Đồng thau

- Kền

- Nhôm nguyên chất

- Ma-nhê

- Kẽm

- Đồng thanh

- Kim loại vòng bi

- Chì

- Thiếc

- Các kim loại mềm

- Các kim loại mềm ở nhiệt độ cao

- Nguyên nhân gây ra sai số độ cứng Brinell

Khi đo độ cứng Brinel có thể gặp các hiện tượng sau:

Ở vật liệu đã qua gia công nguội (ở trạng thái biến cứng) khi thử thường có hiện tượng phồng lên xung quanh vết nén (hình 1.5a) ở các vật liệu được nung nóng (cấu trúc mạng tinh thể thay đổi và trở nên kém bền vững hơn) khi thử có hiện tượng lõm xuống xung quanh vết nén, đường biên không rõ rệt (hình 1.5b) Cả hai hiện tượng trên đều dẫn đến sai số trong phép đo

Sự thiên tích (không đồng nhất) trong cấu tạo tinh thể kim loại làm cho vết nén không tròn, theo phương này thì biến dạng nhiều, theo phương khác thì biến dạng ít

Do đó để giảm sai số, ta phải đo đường kính của vết nén theo hai phương vuông góc với nhau rồi lấy giá trị trung bình

+ Phương pháp đo độ cứng Roclwell

d

dp

d (a)

(b)

Hình 1.5 Hiện tượng biến dạng vết nén

❖ Nguyên lý đo

Phương pháp đo độ cứng Rockwell được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

vì năng suất thử nhanh và bao trùm phạm vi độ cứng rộng Theo phương pháp này, chiều sâu còn lại của vết nén chính là thước đo độ cứng

Để loại trừ sai số trong phép đo chiều sâu do bề mặt nhấp nhô của vật thử gây nên, người ta sử dụng hai mức tải trọng: tải trọng đầu và tải trọng chính Chiều sâu lún xuống dưới tải trọng đầu không được tính đến

Quá trình thực hiện phép đo được tiến hành như sau:

Ấn đầu đo dưới tải trọng đầu F0, lúc đó vật thử bị lún xuống với chiều sâu t1 Kim đồng hồ đo chiều sâu được đặt tại vị trí “0” Tiếp tục nén không va đập, không rung động một tải trọng chính F1 lên bề mặt vật thử Lúc đó vật thử chịu tải trọng toàn bộ là F = F0 + F1 Giữ lực không đổi cho đến khi quá trình biến dạng dẻo kết thúc (kim đồng hồ thôi dao động) Chiều sâu lún xuống của vật thử lúc này là t2 Giá trị trên đồng hồ đo là t2 - t1 Chiều sâu này do biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi của vật liệu gây nên

Nhấc tải trọng chính F1 lên, lúc này vật thử đàn hồi trở lại một khoảng, chiều sâu còn lại lúc này là t3 nhỏ hơn chiều sâu t2 và đó chính là chiều sâu biến dạng dẻo của vật liệu thử Giá trị trên đồng hồ lúc này là t3 - t1 = tb (m), tb là hiệu số giữa

chiều sâu vết nén dưới tác dụng của tải trọng toàn bộ F sau khi bỏ tải trọng chính F1 nhưng vẫn giữ nguyên tải trọng đầu F0 và chiều sâu của vết nén sau khi tác dụng tải trọng đầu F0 Như vậy vật liệu càng cứng thì hiệu số chiều sâu tb sẽ càng nhỏ và ngược lại, vật liệu có độ cứng thấp, tb sẽ lớn Dựa vào mối quan hệ giữa chiều sâu và

độ cứng như vậy mà người ta lập ra thang đo độ cứng Rockwell với đơn vị độ cứng hoàn toàn mang tính chất quy ước chứ không có ý nghĩa vật lý như đơn vị độ cứng của phương pháp Brinell và Vickers

Theo phương pháp này, cứ một đơn vị độ cứng Rockwell sẽ tương đương với một chiều sâu lún xuống là S m Trên cơ sở đó, độ cứng Rockwell được xác định theo công thức:

𝐻𝑅 = 𝑁 −𝑡𝑏

𝑆 (3) Trong đó, N là số đặc trưng cho thang;

S là đơn vị thang

- Thang đo

Phương pháp Rockwell có 9 thang đo (A, B, C, D, E, F, G, H, K), trong đó 3 thang đo thông dụng nhất là Rockwell A (HRA), Rockwell B (HRB) và Rockwell C (HRC)

Đặc trưng kỹ thuật của các thang cho trong bảng 3

Bảng 3: Đặc trưng kỹ thuật phương pháp đo Rockwell

G HRG Bi 1,5875 mm 10 140 150 30  94

Đầu đo kim cương hình chóp có góc ở đỉnh là 120 và bán kính cong ở đỉnh

là 0,2 mm Đầu đo bi làm bằng hợp kim cứng hoặc thép nhiệt luyện

Đối với các thang dùng đầu đo kim cương hình chóp (thang A, C và D) thì số đặc trưng của thang N = 100 và đơn vị thang S = 2 m, lúc này độ cứng Rockwell được xác định theo công thức:

𝐻𝑅 = 100 −𝑡𝑏

Đối với các thang dùng đầu đo bi (thang B, E, F, G, H và K) thì số đặc trưng của thang N = 130 và đơn vị thang S = 2 m, lúc này độ cứng Rockwell được xác định theo công thức:

𝐻𝑅 = 130 −𝑡𝑏

❖ Điều kiện thử và phạm vi áp dụng của các thang

Phương pháp đo độ cứng Rockwell có thể tiến hành trên mẫu có bề mặt phẳng hoặc cong Khi thử trên bề mặt cong, bán kính cong của mẫu không được nhỏ hơn 1,5 mm và phải tính đến số hiệu chỉnh nêu trong TCVN 257

Trước khi thử, bề mặt mẫu phải được mài sơ bộ Khoảng cách giữa tâm hai vết nén gần nhau không nhỏ hơn 4 lần đường kính vết nén (nhưng không nhỏ hơn 2 mm) Khoảng cách từ tâm vết nén đến mép vật thử không nhỏ hơn 2,5 lần đường kính vết nén (nhưng không nhỏ hơn 1 mm)

Chiều dày mẫu thử phụ thuộc nhiều vào độ cứng mẫu thử và ít nhất phải gấp

10 lần chiều sâu vết nén đối với đầu đo hình chóp hoặc 15 lần chiều sâu vết nén đối với đầu đo bi Chiều dày tối thiểu của mẫu thử trong tương quan với độ cứng được trình bày trên hình 1.7

Phương pháp đo độ cứng Rockwell được dùng để thử các vật liệu kim loại ở

các mức độ cứng từ thấp đến cao tùy theo các thang khác nhau Độ không đảm bảo

đo của phương pháp này là 4% Giới hạn đo trên của các thang đo được trình bày trong bảng 3 và hình 1.1

Phạm vi áp dụng của các thang đo độ cứng Rockwell được trình bày trong bảng 4

Bảng 4: Phạm vi áp dụng của các thang đo độ cứng Rockwell

HRA Thép thấm các-bon, thép mỏng, thép tôi mỏng

HRB Hợp kim đồng, thép mềm, hợp kim nhôm, gang rèn được

Hình 1.7 Tương quan giữa chiều dày tối thiểu của mẫu thử và độ cứng Rockwell

a Các phương pháp thử bằng đầu đo kim cương hình chóp (thang A, C và D)

b Các phương pháp thử bằng đầu đo bi (thang B, E, F, G, H và K)

3,3 3,0 2,7

2,1 1,8 1,5 1,2

(a)

HRC Thép, gang, gang luyện péc-lít, ti-tan, thép tôi sâu và các vật liệu

cứng hơn 100 HRB HRD Thép mỏng, thép tôi trung bình, gang luyện péc-lít

HRE Gang, hợp kim nhôm và ma-giê, gang rèn được, vật liệu vòng bi HRF Hợp kim đồng, vật liệu tấm mỏng mềm

HRG Hợp kim đồng-thiếc, đồng-berili

HRH Nhôm, kẽm, chì

HRK Vật liệu vòng bi, vật liệu mềm, mẫu mỏng và chất dẻo

+ Phương pháp đo Vickers

❖ Nguyên lý đo (TCVN 258, ISO 6507)

Phương pháp Vickers là phương pháp đo độ cứng vạn năng vì nó được dùng

để thử vật liệu kim loại ở tất cả các phạm vi đo độ cứng, từ mềm nhất đến cứng nhất,

kể cả vật liệu mỏng Độ không đảm bảo đo của phương pháp này là 2%, thấp hơn so với phương pháp Brinell và Rockwell Nguyên lý đo giống như ở phương pháp Brinell: trị số độ cứng được xác định bằng tỷ số giữa tải trọng và diện tích bề mặt vết nén, chỉ khác là ở phương pháp Brinell, đầu đo được sử dụng là bi cầu, còn trong phương pháp Vickers, đầu đo bằng kim cương hình tháp đáy vuông, vì vậy có thể áp dụng phương pháp này để thử các vật liệu có độ cứng rất cao mà đầu đo vẫn không

bị biến dạng

Quá trình đo được tiến hành như sau:

- ấn đầu đo kim cương hình tháp (hình 1.8) lên mẫu thử dưới một tải trọng xác định vuông góc với bề mặt vật thử

- Giữ tải trọng không đổi cho đến khi kết thúc quá trình biến dạng dẻo của vật liệu thử Thời gian giữ tải đối với kim loại mầu khoảng 30 giây và từ 10 đến 15 giây đối với kim loại đen

Nhấc tải trọng ra và đo đường chéo vết nén Tra bảng để tìm trị số độ cứng Giá trị độ cứng Vickers được xác định theo công thức sau:

Diện tích bề mặt vết nén S được xác định theo hình 1.9 như sau:

𝑑2√2 ⋅ 𝑠𝑖𝑛 (𝛼2)

𝑆𝛥𝐴𝐻𝐷 =𝐴𝐷 ⋅ 𝐻𝐼

𝑑2√2⋅

𝑑2√2 ⋅ 𝑠𝑖𝑛 (𝛼2)

𝑆𝛥𝐴𝐻𝐷 = 𝑑

2

8 ⋅ 𝑠𝑖𝑛 (𝛼2)Vậy diện tích vết nén:

bi đo và bề mặt mẫu thử (hình 1.10) thì chúng sẽ cắt nhau và tạo thành góc 136

Phép thử với đầu đo hình tháp có góc ở đỉnh như trên sẽ cho trị số độ cứng HV gần trùng với trị số HB ở phạm vi độ cứng dưới 350 đơn vị Ngoài đặc điểm là có dải

đo độ cứng rộng, phương pháp Vickers còn có ưu điểm hơn hẳn phương pháp Brinell

ở chỗ nó đảm bảo được sự đồng dạng cơ học và hình học của vết nén theo chiều sâu lún xuống của đầu đo Với độ cứng lớn hơn 350 đơn vị, do ảnh hưởng biến dạng của

bi thép nên trị số độ cứng HB và HV ngày càng lệch nhau Nếu như bi kim cương được dùng ở phương pháp đo độ cứng Brinell thì giá trị độ cứng của hai phương pháp trên còn trùng nhau kéo dài ở mức độ cứng cao hơn nữa Vì các vết nén Vickers rất

0,375D

=136

D

Hình 1.10 Xác định góc 136

đồng dạng, nếu tăng tải, diện tích vết nén cũng tăng theo nên ta có hệ số F/d2 = const

Do đó, trị số độ cứng HV không phụ thuộc vào tải trọng đứng về mặt nguyên lý của phương pháp đo Tuy nhiên trong thực tế, ở phạm vi tải trọng thấp cũng có những sai

số nhất định do vết nén nhỏ, sai số đọc lớn sẽ dẫn đến sự tăng sai số của phép đo Ngoài ra, nếu vật liệu có cấu trúc kim loại thô với tải trọng tác dụng F quá nhỏ thì độ cứng đo được có thể không đại diện được cho độ cứng chung của vật liệu do những nguyên tố với các tổ chức riêng biệt có độ cứng rất chênh lệch với nhau

So với phương pháp Rockwell, phương pháp đo độ cứng Vickers có ưu điểm

là đo được chính xác hơn vì đường chéo vết nén lớn gấp 7 lần chiều sâu vết nén nên sai số đọc phạm phải cũng ít hơn Hơn nữa, phương pháp đo độ cứng Vickers cho phép đọc trên kính hiển vi với giá trị độ chia đến 1 m, còn đồng hồ đo chiều sâu trong phương pháp Rockwell có sai số lớn hơn nhiều, riêng bản thân đồng hồ có thể sai đến 1 vạch, tức 2 m, tương ứng với một đơn vị độ cứng HR

❖ Điều kiện thử và phạm vi áp dụng

Phương pháp Vickers cho phép sử dụng một dải giá trị tải trọng từ 200 gf đến

100 kgf Vì vậy khi thử các chi tiết mỏng phải chọn tải trọng thích hợp để cho sau phép thử mặt dưới của vật thử không bị biến dạng Hai yếu tố quyết định khi chọn tải trọng là độ cứng và chiều dày vật thử Qua thực nghiệm ta thấy, để đảm bảo độ chính xác của phép đo, chiều dày của vật thử cần thỏa mãn điều kiện:

h  1,5 d đối với kim loại mầu,

và h  1,2 d đối với kim loại đen,

trong đó, h là chiều dày vật thử hoặc chiều dày lớp cứng bề mặt mẫu;

d là đường chéo vết nén

Từ công thức trên ta có thể tính được tải trọng tối ưu cho một phép thử độ cứng, có nghĩa là xác định tải trọng tối đa mà không làm cho mặt dưới của vật thử bị biến dạng nếu biết trước độ cứng gần đúng của vật thử

Đối với kim loại màu:

Chiều dày vật thử có thể chọn theo hình 1.11

Để tránh vùng biến dạng dẻo xung quanh vết nén, khoảng cách giữa tâm hai vết nén kề nhau không nhỏ hơn 3 lần chiều dài đường chéo vết nén đối với thép, đồng, hợp kim đồng và không nhỏ hơn 6 lần chiều dài đường chéo vết nén đối với kim loại nhẹ, chì, thiếc và hợp kim của chúng Khoảng cách từ tâm vết nén đến mép vật thử không được nhỏ hơn 2,5 lần chiều dài đường chéo vết nén đối với théo, đồng, hợp kim đồng và không nhỏ hơn 3 lần chiều dài đường chéo vết nén đối với kim loại nhẹ, chì, thiếc và hợp kim của chúng

Khi thử độ cứng trên các mặt cầu, mặt trụ cần phải sử dụng số hiệu chỉnh theo TCVN 258

Đường chéo d của vết nén được tính bằng trị số trung bình số học của hai đường chéo d1 và d2 Chênh lệch giữa hai số đo không được vượt quá 5% so với số

đo nhỏ Để đảm bảo độ chính xác, bề mặt vật thử phải được gia công tốt trước khi tiến hành đo

Do cấu trúc của vật liệu, phép đo độ cứng Vickers có thể phạm những sai số nhất định Một số vật liệu không cho ta các vết nén có ranh giới rõ nét vì các đường mép bị sứt mẻ Những vết nén trên lớp thấm ni-tơ cũng biểu thị dạng tương tự như thế qua các vết gẫy kiểu thớ ở những vị trí góc ở các vật liệu có khả năng biến dạng dẻo lớn thì khi tạo vết nén, thể tích bị biến dạng sẽ lớn và mặt phẳng ban đầu (mặt phẳng trước khi tạo vết) sẽ được nâng lên một chiều cao h dưới dạng sóng, chiều cao và vị trí sóng này được xác định bằng đại lượng biến dạng dẻo tương đối của thể tích Với vết nén hình tháp, biến dạng sẽ khác nhau theo hướng bán kính: biến dạng lớn nhất ở giữa vết, ở góc biến dạng nhỏ hơn Do đó hình chiếu vết nén không cùng nằm trong một mặt phẳng và có hình dạng khác hình vuông Đặc trưng và độ lớn của

sự sai lệch hình dạng này phụ thuộc vào đường cắt giữa hình tháp và sóng biến dạng dẻo Đối với vật liệu có độ biến dạng dẻo lớn, sóng biến dạng hầu như phẳng và ngọn sóng sẽ ở cách xa vết nén, hình chiếu vết nén sẽ có dạng hình vuông với các cạnh lõm vào (hình 1.12a) Đối với các loại vật liệu hóa bền, biến dạng dẻo chiếm một thể tích nhỏ, chiều cao của sóng h sẽ lớn và ngọn sóng nằm gần sát vết nén, hình chiếu vết nén trong trường hợp này sẽ là hình vuông với các cạnh lồi ra (hình 1.12b)

Dù phương pháp Vickers cho phép dùng nhiều mức tải trọng khác nhau nhưng tốt nhất vẫn nên dùng các tải trọng đã quy định trong tiêu chuẩn là 10, 30 và 60 kgf Trong trường hợp cần thiết có thể dùng các lực nhỏ 1, 3 và 5 kgf

Độ cứng Vickers được chia thành hai phạm vi áp dụng tùy theo mức tải trọng thử như sau:

- ở mức tải trọng thông dụng, lực đo từ 5 đến 100 kgf, đường chéo vết nén lớn hơn 300 m Trong phạm vi này, lực đo thay đổi không ảnh hưởng đến trị số độ cứng

- ở mức tải trọng nhỏ, lực đo từ 200 gf đến 5 kgf, đường chéo vết nén sẽ nằm trong khoảng 50  300 m Trong phạm vi này, lực đo thay đổi ít nhiều sẽ ảnh hưởng

Hình 1.12 Hiện tượng biến dạng vết nén Vickers

a Giá trị độ cứng đo được sẽ thấp hơn thực tế

b Giá trị độ cứng đo được sẽ cao hơn thực tế

đến kết quả đo Do đó, không nên so sánh giá trị độ cứng của các vật thử khi đo với các lực khác nhau trong phạm vi tải trọng này

1.2.2 Các phương pháp đo độ cứng động học

❖ Nguyên lý đo và phân loại

Khác với phương pháp tĩnh, trong phương pháp động, tác dụng của lực là do động năng của vật rơi từ một chiều cao xác định gây nên hoặc do lực va đập đột nhiên tác động vào đầu đo được đặt sẵn trên bề mặt vật thử Độ cứng được tính theo độ lớn vết nén do đầu đo gây ra hoặc chiều cao bật lùi của đầu đo sau khi rơi chạm bề mặt vật thử

Căn cứ trên cách đánh giá độ cứng của mẫu thử, phương pháp động được phân thành:

- Phương pháp động học - dẻo (đo kích thước vết nén)

- Phương pháp động đàn hồi (đo chiều cao bật lùi)

Năng lượng tiêu hao trong quá trình động học gồm:

- Năng lượng để thắng độ bền vật liệu và tạo ra vết nén

- Năng lượng để bật lùi tải trọng trở lại tới một chiều cao nhất định

- Năng lượng tổn hao trong việc nung nóng mẫu thử, chống ma sát, gây dao động, v.v

Để tránh mất mát năng lượng kích thích dao động, vật thử phải có khối lượng rất lớn so với đầu đo hoặc phải được gá chặt vào bàn thử

+ Phương pháp đo độ cứng động học - dẻo Pôl-đi (ấn bị động)

- Nguyên lý đo

Theo phương pháp này, độ cứng của vật thử được xác định bằng cách so sánh vết nén (kết quả biến dạng dẻo) trên vật thử với vết nén trên mẫu chuẩn dưới tác dụng của cùng một lực động học Cụ thể là một viên bi có đường kính 10 mm, dưới tác động của một lực va đập (mỗi nhát búa có cường độ từ 300 đến 500 gf), đã đồng thời tạo vết lõm trên mặt vật thử và mẫu chuẩn Mẫu chuẩn này là một thanh thép dài 150

mm có tiết diện hình vuông 12  12 mm với độ cứng HB cho trước Vết nén có thể tạo ra trên bề mặt của mẫu cách nhau khoảng 10mm

Số đo độ cứng Pôl-đi được xác định theo Brinell trên cơ sở biết trước giá trị

độ cứng của mẫu chuẩn

HBmc là độ cứng mẫu chuẩn đã biết trước;

❖ Ưu nhược điểm của phương pháp Pôlđi – Phạm vi áp dụng

Độ chính xác của phép đo khoảng  10% Theo phương pháp Brinell, với một phạm vi độ cứng nhất định, người ta có thể chọn mức tải trọng C hợp lý (với lực đo

và đường kính bi đo khác nhau) chứ không bị giới hạn như phương pháp động học

Do đó, với sai số đo đường kính vết nén như nhau, giá trị độ cứng theo phương pháp động sẽ phân tán hơn so với kết quả đo theo phương pháp Brinell Ví dụ, theo Mailander thì với sai số đường kính là 0,01 mm khi đo độ cứng động học sẽ làm lệch giá trị độ cứng tăng gấp 2 lần so với phương pháp Brinell Theo phương pháp Pôl-đi kết quả đo sẽ càng chính xác nếu độ cứng của mẫu chuẩn và vật thử càng gần nhau

Phương pháp Pôl-đi thuận tiện cho việc xác định giá trị độ cứng gần đúng của các chi tiết và vật thử có kích thước lớn, đặt tĩnh, tại vì dụng cụ Pôl-di nhẹ, song độ cứng của vật thử phải nằm trong phạm vi đo độ cứng Brinell

- Phương pháp đo độ cứng động, đàn hồi

Phương pháp này đặc biệt thích hợp cho vật liệu cứng và giòn Khác với phương pháp động học - dẻo, ở đây không đo diện tích vết nén mà đo chiều cao bật lùi của búa máy Chiều cao này chính là thước đo độ cứng kiểu xung Có hai phương pháp đo chính thuộc về nguyên lý đo này là phương pháp đo độ cứng Shore D và phương pháp đo độ cứng kiểu con lắc

- Phương pháp Shore D

ở một độ cao H nhất định, búa máy có thế năng W0 = mgH Khi búa rơi, động năng của búa sản ra công gây biến dạng dẻo trên bề mặt vật thử và nâng búa lên tới

độ cao h với năng lượng đàn hồi bật lùi là W1 = mgh

Công sinh ra biến dạng dẻo W còn gọi là độ cứng động học được xác định theo công thức:

trong đó, H là chiều cao ban đầu của búa máy;

h là chiều cao bật lùi của búa máy;

mg là trọng lượng của búa máy (còn gọi là tải trọng động)

Trong công thức trên, để tính được độ cứng động học W, ta cần phải đo chiều cao bật lùi h Vật liệu có độ cứng càng lớn thì công sinh ra biến dạng dẻo càng nhỏ nên chiều cao bật lùi h của búa máy càng lớn Do đó, độ cao bật lùi h chính là thước

đo độ cứng Shore D Biết rằng độ cứng Shore D được xác định bằng sự chống lại biến dạng dẻo của vật liệu chứ không phải biến dạng đàn hồi, cho nên chiều cao ban đầu H của búa máy cần được tính toán sao cho khi búa rơi xuống mẫu phải tạo nên

sự biến dạng dẻo nhất định

Dụng cụ Shore có cấu tạo như sau: Đầu đo kim cương hình chóp có bán kính cong ở đỉnh R = 1,25 mm gắn trên một búa máy và rơi xuống vật thử từ một độ cao xác định H = 19 mm

Độ cứng HS được đo bằng chiều cao bật lùi của búa máy (sau khi đầu đo chạm mẫu) theo đơn vị quy ước: 100 đơn vị HS ứng với độ cứng của thép dụng cụ tôi đến mác-ten-xít khoảng 62-66 HRC

Phương pháp này chỉ được dùng để đo độ cứng của vật thử có chiều dày không nhỏ hơn 2 mm Để có được một giá trị độ cứng trung bình, ta cần đo 5 lần và hiệu giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất trong 5 lần đo đó không được vượt quá 5 đơn vị

Để tăng độ chính xác khi đo độ cứng Shore, người ta sử dụng một thiết bị gồm

4 búa máy lần lượt rơi trên bề mặt vật thử, đồng hồ thiết bị sẽ số đo trung bình của 4 lần đo, sai số là  1,5 HS

Hình 1.14 Quá trình đo độ cứng bằng phương pháp Shore

- Phương pháp đo độ cứng kiểu con lắc

Máy đo độ cứng kiểu con lắc được chế tạo theo nguyên lý búa con lắc, có khối lượng nhất định và có lỗ gắn bi cầu bằng thép đường kính 2 mm Búa này lúc ban đầu được nhấc lệch một góc 70 so với phương thẳng đứng Sau khi buông ra, búa sẽ dao động và đập vào bề mặt vật thử được đặt theo phương thẳng đứng Góc do búa con lắc nẩy trở lại chính là thước đo độ cứng

So với phương pháp Shore, phương pháp này có ưu điểm là loại trừ được ảnh hưởng của ma sát xảy ra trên quỹ đạo rơi của búa mà người ta không thể kiểm tra được

- Ưu nhược điểm của phương pháp động

Ưu điểm là năng suất cao, máy móc đơn giản, rẻ tiền, có thể xách tay được Nhược điểm là sai số lớn hơn phương pháp tĩnh Đối với phương pháp động - đàn hồi, các kết quả đo chỉ có thể so sánh được với nhau nếu phép đo tiến hành trên các vật liệu có mô-đun đàn hồi gần bằng nhau

h

H

Hình 1.15 Thiết bị đo độ cứng động kiểu con lắc