Các kỹ thuật đo độ cứng kim loại - lịch sử, nguyên lý và ứng dụng

Giới thiệu về độ cứng kim loại

Trong lĩnh vực cơ khí và vật liệu, độ cứng kim loại là một thông số quan trọng dùng để đánh giá khả năng chống lại biến dạng của một vật liệu khi chịu tác động từ bên ngoài. Thông số này không chỉ phản ánh tính chất cơ học của kim loại mà còn quyết định đến độ bền, khả năng gia công và hiệu suất sử dụng trong thực tế. Một sản phẩm có độ cứng cao sẽ có khả năng chịu tải lớn hơn, ít bị biến dạng hơn và có độ bền kéo cao hơn so với các vật liệu mềm hơn.

Kỹ thuật đo độ cứng kim loại đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất ô tô, hàng không, xây dựng cho đến chế tạo máy móc và công cụ cắt gọt. Độ cứng không chỉ liên quan đến thành phần vật liệu mà còn phản ánh các quá trình xử lý nhiệt và gia công. Chính vì vậy, việc đo lường độ cứng chính xác là yêu cầu bắt buộc trong quá trình kiểm soát chất lượng.

Việc sử dụng máy đo độ cứng đúng cách là rất quan trọng

Lịch sử phát triển của kỹ thuật đo độ cứng
Thời kỳ thủ công

Trước khi khoa học đo lường phát triển, con người chủ yếu đánh giá độ bền của kim loại dựa vào trải nghiệm thực tế. Các vật dụng như vũ khí, công cụ lao động hay đồ trang sức được kiểm tra bằng cách quan sát độ bền sau một thời gian sử dụng. Chúng có dễ gãy, dễ bị ăn mòn hay không chính là cách để xác định chất lượng vật liệu.

Vào thế kỷ 17, con người bắt đầu có những cách thức đo độ cứng sơ khai. Một trong những phương pháp đơn giản đầu tiên là dùng dũa kim loại để thử trên bề mặt ngọc hoặc các vật liệu cứng khác. Dựa vào độ sâu của vết trầy xước, người ta có thể phân loại độ cứng tương đối giữa các vật liệu.

Máy đo độ cứng cao su điện tử Shore A Phase II PHT-950

Những phát minh quan trọng trong lịch sử
Đến đầu thế kỷ 19, khoa học vật liệu bắt đầu phát triển mạnh mẽ và nhu cầu đo lường độ cứng kim loại một cách có hệ thống trở nên cần thiết. Một số cột mốc quan trọng có thể kể đến:

Đến giữa thế kỷ 17, người ta đã biết dùng dũa để 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 có thể tạo nên vết xước khi vạch lên thủy tinh.

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

- Các vật thể 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 1881 - 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) như gia công các kim loại khác nhau để kết luận về độ cứng khoan hoặc độ cứng dũa…

Năm 1881, nhà vật lý học người Đức Heiz 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, Johan August Brinell một kỹ sư trưởng của một công ty luyện kim tại Thụy Điển đã thành công trong phương pháp đo tĩnh 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 hai đầu đo hình chóp dưới tác dụng của động học và tĩnh học. Cùng thời gian đó đã xuất hiện phương pháp đàn hồi bật lùi Shore. 

Hướng dẫn chọn đầu đo và lực đo theo ứng dụng

Trong những năm tiếp sau đó, kỹ thuật độ cứng đã có những bước tiến nhảy vọt rõ rệt.

- Mayer đã áp dụng định luật về lực 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, sau đó năm 1923 Rockwell đã bổ sung, hoàn thiện phương pháp này và làm cho kỹ thuật đo độ cứng có một hình thái khá lý tưởng.

- Sự kết hợp phương pháp Vickers với kính hiển vi đã góp phần mở rộng thêm những hiểu biết về kim tương giúp chúng ta đo được độ cứng tế vi. 

Ngoài các phương pháp tĩnh học, vào đầu thế kỷ 20 đã ra đời hàng loạt các phương pháp xác định độ cứng khác nhau về cơ bản. Năm 1920 xuất hiện máy thử độ cứng bằng phương pháp động học, năm 1923 máy đo độ cứng theo phương pháp con lắc…Các hiện tượng vật lý khác nhau như điện kháng, điện áp, siêu âm…lần lượt được ứng dụng để đo độ cứng và đã đạt được những kết quả nhất định. 

Tầm quan trọng của việc đo độ cứng chính xác

Việc đo độ cứng không chỉ giúp đánh giá chất lượng vật liệu mà còn ảnh hưởng đến an toàn và hiệu suất của sản phẩm. Ví dụ, ứng dụng máy đo độ cứng ngành hàng không, nếu kim loại không đạt chuẩn độ cứng, cánh máy bay có thể bị cong vênh hoặc gãy trong quá trình bay. Trong ngành cơ khí chế tạo, một lưỡi dao hoặc mũi khoan quá mềm sẽ nhanh chóng bị mòn, làm giảm năng suất sản xuất.

Ngoài ra, các phương pháp đo độ cứng còn giúp kiểm tra hiệu quả quá trình xử lý nhiệt, giúp đảm bảo vật liệu đạt được độ bền và độ dẻo mong muốn. Đây là một trong những yếu tố quan trọng để tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu lỗi kỹ thuật.

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, mỗi phương pháp đo độ cứng phải đi kèm với điều kiện đo là lực tác dụng, mũi đo và chu trình đo. Các phương pháp đo độ cứng kim loại thông dụng hiện nay là phương pháp Brinell, Rockwell và Vickers.

Đo độ cứng Vickers là một trong những phương pháp phổ biến nhất

Việc sử dụng các thiết bị đo độ cứng không qua kiểm soát về mặt đo lường (liên kết chuẩn, độ chính xác, kỹ năng của người đo…) sẽ cho ra kết quả đo thiếu chính xác và độ tin cậy ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Vì vậy, rất cần thiết phải có việc nghiên cứu xây dựng tài liệu kỹ thuật chuyên sâu trong lĩnh vực đo lường độ cứng để giúp nâng cao hiệu quả công tác hiệu chuẩn máy đo độ cứng, đào tạo cho các đơn vị hiệu chuẩn, tổ chức nghiên cứu, đào tạo cũng như các ngành cơ khí, chế tạo, láp ráp… 

Kết Luận

Từ những phương pháp đo thủ công đơn giản đến các thiết bị hiện đại ngày nay, kỹ thuật đo độ cứng kim loại đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các loại vật liệu và yêu cầu đo khác nhau.

Việc áp dụng đúng phương pháp đo sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong kiểm soát chất lượng, từ đó đảm bảo hiệu suất và độ bền của sản phẩm. Để đạt hiệu quả tối ưu, doanh nghiệp nên sử dụng các thiết bị đo độ cứng chất lượng cao và tuân thủ quy trình kiểm tra nghiêm ngặt để đảm bảo độ tin cậy của kết quả đo.