Hướng dẫn về độ cứng vật liệu

Trong các ứng dụng kỹ thuật và sản xuất hiện đại, độ cứng vật liệu đóng vai trò trọng yếu quyết định tính ổn định và tuổi thọ của chi tiết. Việc lựa chọn vật liệu không phù hợp có thể dẫn đến hỏng hóc sớm, giảm hiệu quả hoặc thậm chí nguy cơ an toàn. Bài viết dưới đây sẽ cung cấp cái nhìn tổng quát và chuyên sâu về độ cứng, những phương pháp thử nghiệm phổ biến và tầm quan trọng của nó trong nhiều ngành công nghiệp.

Định nghĩa và bản chất của độ cứng

Độ cứng vật liệu được hiểu là khả năng chống lại sự biến dạng vĩnh viễn khi vật liệu chịu tác động của lực từ bên ngoài. Nói cách khác, khi bạn cố gắng tác động lên một bề mặt vật liệu (như ép, đâm, trầy xước), độ cứng phản ánh mức độ vật liệu “chịu đựng” mà không bị hỏng vĩnh viễn. Độ cứng không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học mà còn phụ thuộc nhiều vào cấu trúc vi mô, cách xử lý nhiệt, xử lý bề mặt và trạng thái ứng suất nội tại của vật liệu.

Các phương pháp đo độ cứng phổ biến

Vật liệu khác nhau (kim loại, hợp kim, gốm, nhựa, composite) sẽ cho độ cứng rất khác nhau vì cách nguyên tử, phân tử và mạng tinh thể của chúng phản ứng dưới lực ép cũng khác nhau. Chính vì vậy, trong thiết kế và sản xuất, việc xác định độ cứng phù hợp là bước thiết yếu để đảm bảo rằng chi tiết không bị biến dạng, mài mòn hoặc hư hỏng theo thời gian.

Các loại độ cứng và ý nghĩa ứng dụng

Trong kỹ thuật vật liệu, người ta thường phân biệt ba loại độ cứng chính: độ cứng trầy xước, độ cứng vết lõm (hay độ cứng ép) và độ cứng bật lại (động). Mỗi loại có đặc điểm, phương pháp đo và ứng dụng riêng biệt.

Độ cứng trầy xước

Độ cứng trầy xước đánh giá khả năng chống chịu các vết xước khi hai bề mặt tiếp xúc ma sát với nhau. Nếu một vật liệu bị trầy xước khi tiếp xúc với vật liệu khác cứng hơn, ta nói nó có độ cứng thấp hơn. Phương pháp này rất thích hợp cho các vật liệu giòn, chẳng hạn như gốm, kính hoặc lớp phủ bề mặt: những vật liệu không trải qua biến dạng dẻo nên dễ bị trầy xước. Trong thực tế, thang độ cứng Mohs là một ví dụ nổi tiếng: từ 1 đến 10 (kim cương là bậc 10), vật liệu có cấp cao hơn có thể làm xước vật liệu cấp thấp hơn. Tuy nhiên, thang Mohs mang tính định tính và không đủ chính xác để dùng trong thiết kế chi tiết kỹ thuật.

Điểm nổi bật của Máy đo IMS CV542 là độ chính xác tuyến tính X/Y

Độ cứng vết lõm (ép)

Đây là loại độ cứng được sử dụng phổ biến nhất trong kỹ thuật vì nó cho kết quả định lượng và ổn định. Trong phương pháp này, một đầu dò (bi thép, viên bi cacbua, mũi kim cương) được ép xuống bề mặt vật liệu theo một tải trọng xác định trong thời gian nhất định. Sau khi lực được loại bỏ, kích thước của vết lõm cho biết độ cứng: vết lõm càng nhỏ tức vật liệu càng “cứng”. Các thử nghiệm tiêu biểu:

Thử nghiệm Brinell: sử dụng bi cacbua hoặc thép để ép vào bề mặt dưới lực lớn, đo đường kính vết lõm và tính số độ cứng Brinell (HB). Phương pháp này phù hợp cho vật liệu có bề mặt thô, kim loại đúc, rèn.

Thử nghiệm Rockwell: bao gồm hai bước: tải nhỏ (preload) rồi tải lớn, sau đó đo độ sâu đầu dò lún. Kết quả đưa ra số độ cứng Rockwell (HR), với các thang HRB, HRC phổ biến. Phương pháp này nhanh, dễ thực hiện và thường dùng trong sản xuất.

Thử nghiệm Vickers: dùng đầu mũi kim cương hình chóp, áp lực được xác định, sau đó đo mép vết lõm để tính số độ cứng Vickers (HV). Ưu điểm là áp dụng được cho nhiều loại vật liệu (kim loại cứng, vật liệu mỏng, hợp kim).

Các giá trị độ cứng này không thể so sánh trực tiếp nếu dùng thang đo độ cứng khác nhau, nhưng người ta có bảng chuyển đổi tương quan để tham khảo khi thiết kế.

Độ cứng bật lại (động)

Khác với độ cứng vết lõm, độ cứng bật lại (còn gọi là độ cứng động) phản ánh khả năng vật liệu hồi phục sau tác động va đập. Thông thường, một quả bi chuẩn hoặc đầu đo chuẩn được thả hoặc đập lên bề mặt vật liệu, sau đó đo chiều cao hoặc tốc độ bật nảy của vật liệu. Bề mặt bật nảy càng cao cho thấy vật liệu có khả năng đàn hồi tốt và độ cứng cao hơn. Phương pháp này thích hợp cho kim loại chịu tải động, dao cắt, bộ phận máy móc tiếp xúc rung động.

Một thiết bị phổ biến là máy Leeb, có khả năng thực hiện nhanh, không cần xử lý mẫu phức tạp, phù hợp cho kiểm tra hiện trường.

Máy đo IMS chính hãng

Tầm quan trọng của đo độ cứng và ứng dụng thực tế

Việc xác định độ cứng vật liệu không đơn thuần chỉ là bước kiểm tra – nó ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế, sản xuất và độ tin cậy của sản phẩm.

Ảnh hưởng đến thiết kế và lựa chọn vật liệu

Trước khi thiết kế một chi tiết, kỹ sư cần biết ứng dụng mà chi tiết đó sẽ chịu: tải trọng tĩnh hay động, ma sát, mài mòn, va chạm, môi trường ăn mòn… Dựa vào đó, họ chọn vật liệu có độ cứng phù hợp để đảm bảo chi tiết không biến dạng hoặc phá hủy trong điều kiện làm việc. Việc này còn ảnh hưởng đến dung sai, khả năng ghép nối với các chi tiết khác và chi phí sản xuất.

Chống mài mòn và tuổi thọ

Với các chi tiết tiếp xúc ma sát (ổ trượt, bánh răng, trục, dao cắt), độ cứng càng cao thì khả năng chịu mài mòn càng tốt. Nếu độ cứng chọn thấp, lớp bề mặt có thể bị mài mòn nhanh, gây tăng khe hở, giảm hiệu suất hoặc thậm chí phá hoại. Độ cứng cũng ảnh hưởng đến khả năng chống va đập, trầy xước, biến dạng khi vận hành trong điều kiện khắc nghiệt.

Tầm quan trọng của đo độ cứng và ứng dụng thực tế

Dự báo hiệu suất và kiểm soát chất lượng

Khi bạn biết độ cứng của vật liệu, bạn có thể mô phỏng và dự đoán hành vi của chi tiết theo thời gian, chịu mỏi, chịu va đập, rung động. Trong sản xuất hàng loạt, độ cứng là thông số kiểm tra chất lượng để đảm bảo mỗi linh kiện không bị lệch so với thông số thiết kế. Nếu một lô sản phẩm có độ cứng thấp hơn quy định, dễ xảy ra sai hỏng, giảm độ tin cậy.

Tương hợp với gia công & chi phí

Vật liệu càng cứng thì càng khó gia công: khoan, tiện, phay, cắt sẽ đòi hỏi dụng cụ cứng hơn, phương pháp tiên tiến hơn và chi phí cao. Do đó, thiết kế phải cân bằng giữa độ cứng yêu cầu và khả năng gia công để đạt hiệu quả kinh tế. Việc đo độ cứng trước khi sản xuất giúp lựa chọn công cụ, thông số cắt chính xác, hạn chế mài mòn dụng cụ, giảm lỗi và phế phẩm.

Máy kiểm tra độ cứng Rockwell Micro-Vickey IMS IHV-1000TS

Một số lưu ý và kiến thức mở rộng

Độ cứng và khả năng làm cứng (tôi cứng) là hai khái niệm khác nhau. Độ cứng đo khả năng chống biến dạng vĩnh viễn; khả năng làm cứng đo khả năng của vật liệu (thường là thép) thay đổi độ cứng thông qua xử lý nhiệt hoặc làm nguội. Ví dụ, bài thử Jominy dùng để xác định độ làm cứng của thép. Khi thiết kế hợp kim, kiến trúc tinh thể, nhiệt xử lý và trạng thái ứng suất nội tại ảnh hưởng cả độ cứng và khả năng làm cứng.

Ngoài ra, khi sử dụng các thang đo độ cứng khác nhau như HRC, HRB, HB, HV, Leeb (HL), cần dùng bảng chuyển đổi tương quan để so sánh. Mỗi thang đo phản ánh cách khác nhau vật liệu chịu lực ép, vì vậy việc đánh giá chỉ nên dùng các giá trị từ cùng thang đo hoặc quy đổi sang thang tương đương trước khi so sánh.

Cần lưu ý rằng độ cứng cao không đồng nghĩa với “mạnh hơn” trong mọi điều kiện: vật liệu cực kỳ cứng có thể giòn, dễ gãy khi chịu va đập hoặc ứng suất tập trung. Do đó, trong thiết kế kỹ thuật, người ta luôn phải cân bằng giữa độ cứng, độ dẻo, độ bền kéo, độ dai, khả năng hao mòn…