Lý thuyết môn cơ sở khoa học và công nghệ vật liệu về đo độ cứng của kim loại | Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI
1. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU
1. Nắm vững nguyên lý đo độ cứn t g h o
e các phương pháp Brinell, Rockwell và Vicker.
2. Làm quen và biết cách sử dụng các máy đo độ cứng thôn g dụng.
2. LÝ THUYẾT
1. Đặc điểm và các phương pháp đo độ cứng
Độ cứng là khả năng chống lại biến dạn
g dẻo cục bộ của kim loại, dưới tác dụng của tải trọng thông qua mũi đâm.
Độ cứng là một đặc trưng cơ tính quan trọng của vật liệu. Nó có thể dễ dàng đo được thôn qu g a các thiết bị đo mà khôn
g cần phải phá hủy mẫu.
Phương pháp đo độ cứn c g ó ưu điểm:
a) Từ giá trị độ cứng đo được, có thể suy ra độ bền của kim loại dẻo. Vì độ cứn l
g à sự chống lại biến dạng
dẻo cục bộ, còn độ bền là sự chống diến dạng dẻo toàn bộ. Từ giá trị độ cứng Brinell, ta có thể gián tiếp tính được độ bền. Ví dụ:
- Thép có độ cứng HB (MN/m2) 1200 – 1750 → σ ≈ b 0,3448 HB
1750 – 4500 → σb ≈ 0,35 HB
- Đồng và hợp kim đồng ở trạn g thái Ủ σb = 0,55 HB Biến dạng σb = 0,40 HB - Nhô v m à hợp kim n ô h m có độ cứng 20 0 - 45 H 0 B σb = (0,33÷ 0,36)HB
b) Đo độ cứng đơn giản, thời gian ngắn (từ vài giây đến vài phút). Mẫu thử không phải chuẩn bị đặc biệt.
Không phá hủy mẫu khi thử.
c) Có thể đo được chi tiết rất lớn hoặc rất nhỏ, rất dày hoặc rất mỏng (các lớp mạ, thấm…)
Tùy theo tác dụng của mũi đâm lên bề mặt mẫu, mà người ta chia ra làm nhiều phương pháp đo đ ộ cứng khác nhau: - Phương pháp đâm: dùn
g 1 tải trọng xác định đặt lên mũi đâm (hình côn, hình tháp, hình cầu..) có độ
cứng rất cao (kim cương, hợp kim cứng, thép tôi..) để mũi đâm tác dụng lên bề mặt mẫu, gây ra biến
dạng tại vị trí đâm. Sau đó
, căn cứ cào diện tích hoặc chiều sâu vết lõm ứng với tải trọng tác dụng mà tính ra số đo của c
độ ứng. Phương pháp này được dùng phổ biến nhất. 3
- Phương pháp nảy lại: dùng để đo độ biến dạng đàn hồi bằng cách thả viên bi từ độ cao xác định lên bề mặt vật liệu. Sau đó c
, ăn cứ vào chiều cao trước và sau khi thả bi mà tính ra số đo độ cứng. -
Phương pháp đo độ xước: là phương pháp đo khả ă
n ng chống lại phá hoại bề mặt của vật liệu. Nội dung của phươn
g pháp này là vừa ấn mũi kim cươn
g lên bề mặt mẫu, vừa kéo cho mũi kim cương
chuyển động với tốc độ xác định, để tạo thành vết xước. Căn cứ vào lực ấn, chiều sâu c , hiều rộng vết
xước mà tính ra số đo độ cứng.
Dưới đây giới thiệu các phương pháp đo độ cứn t g h n
ô g dụng theo phương pháp đâm.
2. Phương pháp đo độ cứng Brinell
Nguyên lý của phương pháp này là ấn một viên bi bằng thép đã được tôi cứng, lên bề mặt mẫu, dưới tác dụng
của tải trọng, trên bề mặt mẫu có vết lõm hình chỏm cầu
. Nếu gọi tải trọng tác động là P(N), diện tích vết lõm là
S(mm2), thì số đo Brinell được tính bằn b g iểu thức P HB 
 0,1( N / mm2 ) S
Hình 1 Sơ đồ đo độ cứn B g rinell
Nếu gọi đường kính viên bi là D, chiều sâu vết lõm là h, ta có S = πDh. Tuy nhiên, việc đ đ o ường kính d c a
ủ vết lõm, lại thuận lợi hơn việc đo chiều sâu của nó , nên diện tích hình chỏm cầu có thể tính
 D(D  D2  d 2 ) S  2 P 0,1P Do đó HB   ( N / mm2 )  Dh
D (D  D2  d 2 ) 2
Ghi chú: nếu P đo bằng kG thì khôn g cần nhân thêm 0,1.
Thông thường ta biết trước P, D nên dễ dàng tính giá trị độ cứn
g khi đo, người ta lập ra các bảng tra đ ộ cứn g khi đo được d. 4
Để có thể dùng một bảng ch c
o ác tải trọng và đường kính D của các viên bi khác nhau, người ta phải đảm bảo giá trị P/D = const.
Các bi thường dùng có D =10
; 5; 2,5 mm và tải trọng tương ứng là 30000; 750 0 và 187 N
5 . Lúc này tỉ số P/D2 = 300 (tỉ s n
ố ày bằng 30 khi đơn vị đo là kG).
Điều kiện để đo độ cứn Br g inell:
- Chiều dày mẫu thí nghiệm không được nhỏ hơn 10 lần chiều sâu vết lõm, xác định theo công thức 10.P t  (mm)  .D.HB
Trong đó: t là chiều dày của mẫu thử (mm), P là tải trọng tác dụng (kG), D là đườn g kính viên bi (mm), HB là độ cứn d g ự đoán. -
Bề mặt mẫu thử phải sạch, phẳng, không có khuyết tật. Nếu bề mặt cong phải gia công cho vị trí cần đo thành mặt p ẳ h ng. Chiều rộng, dài c a
ủ vùng cần đo phải lớn hơn 2D. Khoản c g ách giữa hai vết đo cũng phải lớn hơn 2D.
- Chỉ cho phép đo các vật liệu có độ cứng nh ỏ hơn 4 0
5 HB để tránh biến dạn c g ho viên bi. Lúc này đ ộ
cứng viên bi theo thang Vicker không được bé hơn 850HV. -
Thời gian tác động tải tr n
ọ g cũng có ảnh hưởng đáng kể đến kết q ả u đo. Thôn t g hường thời gian này có thể tra tron c g ác bảng (xem bảng 1.).
Bảng 1. Điều kiện đo độ cứng Vật liệu Độ cứng Chiều dày bé P/D2 D P Thời gian tác HB nhất (mm) (mm) (kG) dụng (giây) > 6 30 10 3000 10 140 – 450 3 – 6 30 5 750 10 Kim loại < 3 30 2,5 187,5 10 đen > 6 30 10 3000 30 < 140 3 – 6 30 5 750 30 < 3 30 2,5 187,5 30 > 6 10 10 1000 30 Hợp kim 31,8 – 130 3 – 6 10 5 250 30 đồng < 3 10 2,5 62,5 30 > 6 2,5 10 250 60 Hợp kim 8 – 35 3 – 6 2,5 5 62,5 60 nhôm < 3 2,5 2,5 15,6 60 Giá trị của độ cứn
g Brinell được ghi như sau HB10/3000/30 210, nghĩa là Vật liệu có độ cứn
g là 210HB, đo trong điều kiện D = 1 m
0 m tải trọng 3000kG, thời gian tác dụng là 30 giây.
3. Phương pháp đo độ cứng Rockwell
Phương pháp này tiến hành bằng cách ấn mũi đâm kim cươn ho g ặc hợp kim cứn hì
g nh côn, có góc ở đỉnh là
1200, hoặc viên bi thép có đườn k
g ính 1/16”, 1/8”, 1/4”, 1/2” lên bề mặt vật liệu. Số đo độ cứn R g ockwell được
xác định bằng hiệu số chiều sâu, khi tác dụng tải trọng sơ bộ P = ọ
0 100N và tải tr ng chính P1 x em hình 2. 5 1200 P P 0 P 0 0+P 1 h H o a) b) c) d) h = H - h0
Hình 2. Sơ đồ đo độ cứn g Ro kw c el
a) Khi chưa tác dụng tải trọng; b ) khi có tác dụng c a ủ tải trọng P ả ọ 0 (100N); c) Khi tác độn t g hêm t i tr ng P1 (P = P ả ọ
0 + P1); d) Khi bỏ t i tr n P g 1
Người ta qui ước khi mũi đâm đi xuống 0,002mm thì số đo độ cứn
g giảm đi một đơn vị. Vì giá trị h này có
thể đo trực tiếp, nên người ta dùng đồng hồ so, chia vạch theo các thang qui ước, ta dễ dàng đọc đư c ợ ng y a sau khi bỏ tải trọng.
Tùy theo dạng mũi đâm và tải trọng ta chia ra các thang sau đây: - Độ cứn R
g ockwell C – mũi kim cương, t ải trọng 1500N – HRC. - Độ cứn R
g ockwell A – mũi kim cương, tải trọng 600N – HRA. - Độ cứn R
g ockwell B – mũi bi ∅1,588mm, tải trọn g 1000N – HRB Giá trị độ cứn
g được tính theo công thức: h HR  k  0, 002
k là hằng số, khi dùng mũi bi k = 130; mũi kim cươn g k = 100.
h là chiều sâu vết lõm do tải trọng chính tác dụng (m ) m .
Khoảng cách giữa hai vết đo, hoặc giữa vết đo với cạnh mẫu không nhỏ hơn 1,5mm khi dùng mũi kim cương
và 4mm khi dùng mũi bi. Mỗi mẫu đo ba lần, không kể lần đầu, rồi lấy giá trị trung bình. Phương pháp đo Ro kw c
ell cho phép đo các mẫu có độ cứng cao hơn 450HB, hoặc các mẫu mỏng, nh ỏ hơn
1,2mm. Nó cho phép thay đổi tải trọng t o
r ng một pham vi rộng mà vẫn không làm thay đổi giá trị đo được của độ
cứng, vì nó bảo đảm qui luật đồng dạng của mũi đâm. Ngoài ra thời gian đo rất nhanh (từ 6 – 10 giây).
Bảng 2. Nêu giới hạn đo của các than g đo Rockwell Bảng 2. Giới hạn đo c a ủ các thang Rockwell Thang đo Loại mũi đâm Tải trọng (N) Giới hạn đo cho phép HRB Bi thép 1000 25 – 100 HRC Kim cươn g hình côn 1500 20 – 67 HRA Kim cươn g hình côn 600 70 – 85 Độ cứng Ro kw c
ell có thể đo được trên các máy chuyên dụng, hoặc máy đo vạn năng.
Trong phương pháp đo Rockwell, cần chú ý các yếu tố gây kết quả đo sai như: 6
- Giá trị của các vạch chia không tương ứng với sự dịch chuyển của mũi đâm.
- Do người sử dụng chưa thành thạo.
- Bề mặt mẫu đo quá cong, mẫu được đặt không đúng và không được kẹp cứng, b ề mặt mẫu bẩn .
4. Phương pháp đo độ cứng Vicker
Phương pháp Vicker về nguyên lý đo giống như phương pháp Brinell, nhưng thay mũi bi bằng mũi kim
cương hình tháp, có góc giữa hai mặt bên là 1360. Tải trọng sử dụng P = 50 ÷ 1500N, phụ thuộc vào chiều dày
mẫu đo. Đo theo phương pháp Vicker có thể áp dụng cho các chi tiết rất cứng hoặc mềm, và số đo độ cứng không
phụ thuộc vào tải trọn ( g xem sơ đồ hình 4). P 1360 Hình 4. Sơ đồ đo Vicker P Gọi tải trọn
g là P, diện tích bề mặt vết lõm là S, ta có: HV  S
P: Có thể đo bằng N hay kG. S: mm2
Để thuận tiện, người ta có thể tính S thôn
g qua đường chéo d và α = 1360  2P sin P P HV   2  1,854 S d 2 d 2
Đường chéo d được đo băng kính hiển bi gắn ngay trên máy, người ta cũn l
g ập sẵn các bảng giá trị Vicker với P và d tương ứng.
Phương pháp đo Vicker thường dùng đo độ cứng các vật mỏng, các lớp thấm… 7
3. THIẾT BỊ VẬT TƯ - Máy cắt mẫu - Máy mài mẫu - Giấy nhám - Máy đo độ cứn B g rinell - Máy đo độ cứn R g ockwell
- Máy đo độ cứng Vicker
- Các mẫu thép đã qua nhiệt luyện ủ, tôi, và ram, thấm cacbon
4. PHẦN THỰC NGHIỆM
1. Thực hành đo độ cứn g Brinell cho các mẫu ủ.
2. Thực hành đo độ cứn
g Rockwell trên các mẫu thép đã qua nhiệt luyện với các than g A, B, C.
3. Thực hành đo độ cứn
g Vicker trên các mẫu mỏng.
5. NỘI DUNG BÁ O CÁO 1. Tó t
m ắt nguyên lý đo độ cứng Brinel , Rockwell, và Vicker. Nêu phạm vi sử dụng của mỗi loại.
2. Kết quả đo độ cứn t
g heo các phương pháp trên. 3. Nhận xét kết quả. 8