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

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
1


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 TỐN THỰC NGHIỆM ..........................................................68
4.1 Mơ hình thực nghiệm ...................................................................................68
Thiết bị đo dùng trong mơ 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

2


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 cơng
trình nghiên cứu của riêng tơi và chưa được cơng bố trong bất cứ cơng trình nào khác.
Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả luận văn

Võ Quốc Đang

3

năm 2018


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu

HB
VMI
BIPM

KRISS
F
d
D
HR
HV
T
C
R
s

Ý nghĩa
Độ cứng theo phương pháp
Brinell
Vietnam Metrology Institute
(Viện Đo lường Việt Nam)
Bureau International des Poids et
Mesures
(Viện Đo lường Quốc tế)
Korea Research Institute of
Standards and Science
(Viện nghiên cứu chuẩn và khoa
học Hàn Quốc)
Đơn vị độ lực
Đường kính bi
Đường kính vết nén

Đo độ cứng theo phương pháp
Rockwell
Đo độ cứng theo phương pháp
Vickers
Thời gian giữ tải
Hệ số nhạy
Bán kính cong của đầu đo kim
cương hình chóp
Độ lệch chuẩn

4


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 cơng 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

5


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 Q trình đo độ cứng Pơl-đi ....................................................................35
Hình 1.14 Q 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

6


Hình 2.9 Phương pháp dùng cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền................................50
Hình 2.10 Chi và áo giữ bi ...................................................................................51
Hình 2.11 Chi gắn mũi đo ....................................................................................52
Hình 2.12 Chi 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 địn .....................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 thơng số môi trường Vaisala BTU301 ....................................71

7


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 cơng 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 khơng 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

8


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

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ CỨNG VÀ PHƯƠNG
PHÁP ĐO ĐỘ CỨNG
1.1 Tổng quan về độ cứng
1.1.1 Khái niệm về độ cứng
Đã từ lâu, qua những sự tiếp xúc hàng ngày và bằng trực giác, con người đã
cảm nhận được rõ rệt một số cặp khái niệm đối lập như: yếu - mạnh; nóng - lạnh;
mềm - cứng; .v.v. Nhờ có những mơ hình cụ thể, những định luật vật lý và các cơng
thức tốn học chính xác, ngày nay người ta đã nhận thức được về mặt định tính và
xác định được về mặt định lượng hai cặp khái niệm đầu, thông qua các đơn vị lực và
nhiệt độ. Còn về cặp khái niệm thứ ba, mặc dù đã nhiều nhà bác học bỏ nhiều công
sức đầu tư nghiên cứu nhưng cho đến nay vẫn chưa có được một kết luận thống nhất
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

10


cứng vạch xước, .v.v.
Như đã nêu ở trên, khái niệm độ cứng khơng 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 khơng 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 vơ 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 nơng) thì vật
liệu càng cứng.
Với các phương pháp đo thơng 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, cơng
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 mịn hay khơng,
.v.v.
Đến giữa thế kỷ XVII, người ta đã biết dùng dũa khía lên ngọc xem vết khía

11


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 khơng 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 mơ hình và cơng 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.

12


- 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
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 ta xác định được độ cứng tế vi.
Ngoài những phương pháp tĩnh học, vào khoảng đầu thế kỷ XX đã ra đời hàng
loạt các phương pháp xác định độ cứng khác với những nguyên lý khác nhau về cơ
bản: năm 1920 xuất hiện máy đo độ cứng bằng phương pháp động học; năm 1923
máy đo độ cứng theo phương pháp con lắc ra đời, .v.v. Các hiện tượng vật lý khác
nhau như điện kháng, điện áp, siêu âm, .v.v. lần lượt được ứng dụng để 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 tịi những phương pháp đo độ cứng khác nhau nhằm đưa ra
những giá trị độ cứng tin cậy, ít phụ thuộc vào mơi 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

13


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
đó suy ra kết luận về độ cứng.
Trên cơ sở hai hướng đó, các phép đo độ cứng được tiến hành theo bốn
nhóm phương pháp chính sau đây:
- Phương pháp đo độ cứng tĩnh học.
- Phương pháp đo độ cứng động học.
- Phương pháp vạch xước.
- Phương pháp đặc biệt.
Nhóm các phương pháp vạch xước dựa trên cơ sở phối hợp của quá trình tác

dụng lực tĩnh và động.
Nhóm các phương pháp đặc biệt khơng chỉ gồm các phương pháp vật lý mà
cịn có cả một số phương pháp liên quan đến các thơng số cơ học của vật liệu được
dùng để tính chuyển đổi sang giá trị độ cứng.
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.
1.2.1 Phương pháp đo độ cứng tĩnh học
Phương pháp đo độ cứng tĩnh dựa trên nguyên lý nén không va đập, không
rung động một vật được chế tạo bằng vật liệu có hình dáng và độ cứng nhất định (gọi
là đầu đo) lên bề mặt vật thử với một lực xác định theo phương thẳng đứng. Dưới tác
dụng của lực, vật liệu bị biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Người ta xác định độ

14


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 hồn tồn mang tính chất quy ước chứ khơng 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 ngun lý thì lại thuộc nhóm một.
Hiện nay trong cơng nghiệp chủ yếu sử dụng các phương pháp đo độ cứng
tĩnh học sau đây:
+ Phương pháp Brinell (1900).
+ Phương pháp Rockwell (1922).
+ Phương pháp Vickers (1925).
Cả ba phương pháp này đều hoạt động thống nhất dựa trên quá trình nén tĩnh
học. Khi xác định độ cứng của kim loại, người ta thường dùng phối hợp cả ba phương
pháp trên vì mỗi phương pháp thích hợp với một giải độ cứng nhất định, và lại mỗi
phương pháp có những ưu nhược điểm riêng.

15


8 60

8

24
0

39
0

Vickers HV

90 100
0 0

39 45
Brinell HB 0 0
25
100 70
HRB

HRA

85

Rockwell
HRC
20

39

67

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 cơng 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
❖ Nguyên lý đo
Năm 1900, Brinell - một kỹ sư Thụy Điển đã đề xuất ra phương pháp đo độ
cứng đầu tiên trong kỹ thuật và ngày nay đã được phổ biến rộng rãi.
Nguyên lý đo của phương pháp là nén không va đập, không rung động một bi
cầu thép hoặc hợp kim cứng có đường kính D (mm) với một lực F (kgf hoặc N) vng
góc với bề mặt vật thử, giữ lực khơng đổi cho đến khi kết thúc quá trình biến dạng
dẻo của vật liệu thử. Thời gian giữ tải ứng với q trình biến dạng đó khoảng 10  15
giây đối với kim loại đen, khoảng 30  60 giây đối với kim loại mầu. Sau đó nhấc tải
trọng ra, đo đường kính vết nén để suy ra độ cứng Brinell. Phương pháp này dùng để
đo các loại vật liệu có độ cứng từ 8 đến 450 HB (thường là gang, kim loại mầu và

16


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:
(a)

(b)

F

D

h

d

Hình 1.2 Phương pháp Brinell
a. Tạo vết nén
b. Bỏ lực ấn, kết thúc việc đo
𝐹

𝐹

𝐻𝐵 = =
𝑆
𝜋⋅𝐷⋅𝑡
Trong đó, t là chiều sâu vết nén;

(1)

D là đường kính bi;
d là đường kính vết nén.
Căn cứ vào hình 1.3 chúng ta xác định được chiều sâu vết nén t như sau:
Xét tam giác OHB, ta có:
D

O

A

H

B
t

d

Hình 1.3 Xác định diện tích bề mặt vết nén Brinell

OH2 = OB2 - HB2,
𝐷

2

𝐷 2

𝑑 2

2

2

tức là: ( − 𝑡) = ( ) − ( )
2

17





𝐷
2

𝐷 2

𝑑 2

2

2

𝐷 2

𝑑 2

− 𝑡 = √( ) − ( )

𝑡=

𝐷

− √( ) − ( )
2
2
2
1
𝑡 = (𝐷 − √𝐷 2 − 𝑑 2 )
2

Thay thế giá trị t vào cơng thức nêu trên, ta có:
2⋅𝐹
𝐻𝐵 =
2
2

𝜋⋅𝐷⋅(𝐷−√𝐷 −𝑑 )

(2)

Để tính tốn 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 khơng 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
khơng 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 khơng 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. Cịn với phép đo khơng tiêu chuẩn hóa thì kết quả phải được
18


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.
600
Thép Cr-Ni (đã tơi)

500
HB; D = 10 mm

Thép Cr-Ni (hóa tốt)
400
d=0,2 D

Thép Cr-Ni (ủ)

300

Gang xám
200

d=0,375 D

100

Gang xám
Sắt

d=0,5 D

1000

2000

Nhơm
3000

Đồng
4000
5000

Tải trọng, kgf
Hình 1.4 Độ cứng phụ thuộc vào tải trọng
❖ 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 khơng 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:

19


𝐹
𝐷2

= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 = 𝐶

C được gọi là mức tải trọng và được chọn theo chiều dày và độ cứng mẫu thử
(bảng 1).
Bảng 1: Chọn tải trọng theo chiều dày mẫu thử và độ cứng dự tính
Vật
liệu

Kim
loại
đen

Phạm vi
độ cứng
140  450

< 140

> 130
Kim
loại
mầu

36  130
8  35

Chiều
dày mẫu
thử
<2
24
36

<3
36
>6
<2
24
36
<3
36
69
<3
36
>6

Quan hệ giữa
F và D
F = 30 D

D (mm)
2,5
5
10
2,5
5
10
2,5
5
10
2,5
5
10

2,5
5
10

2

F = 10 D2

F = 30 D2

F = 10 D2

F = 2,5 D2

F (kgf)
187,5
750
3000
62,5
250
1000
187,5
750
3000
62,5
250
1000
15,6
62,5
250

Thời gian
giữ tải
(giây)
10

10

30

30

60

Các giá trị độ cứng Brinell đo được bằng những bi có đường kính khác nhau
chỉ có thể so sánh với nhau nếu chúng được xác định với cùng mức tải trọng C. Mỗi
mức tải trọng chỉ áp dụng được cho một phạm vi đo độ cứng nhất định. Do đó các
kim loại có độ cứng khác nhau phải được kiểm tra bằng những mức tải trọng khác
nhau (xem bảng 2).
Bảng 2: Phạm vi sử dụng của phương pháp đo Brinell
F = C.D2
Độ cứng HB
có thể đạt,
(kgf/mm2)

30 D2

10 D2

5 D2

2,5 D2

1,25 D2

0,5 D2

67  450

22 
315

11  158

6  78

3  39

1  15

- Sắt mềm

Các kim loại mầu

20


- Thép đúc
- Gang
chịu nhiệt

- Gang
xám

Đối tượng
đo

- Kim
loại nhẹ
- Hợp
kim
đúc
- Đồng
- Đồng
thanh
- Đồng
thau
- Kền

- Nhôm
nguyên
chất
- Ma-nhê
- Kẽm
- Đồng
thanh

- Kim loại - Chì
vịng bi
- Thiếc
- Các

kim
loại
mềm

- Các kim
loại
mềm ở
nhiệt độ
cao

- Ngun nhân gây ra sai số độ cứng Brinell
d
(a)

d
dp

(b)

Hình 1.5 Hiện tượng biến dạng vết nén
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 khơng rõ rệt (hình 1.5b). Cả hai hiện
tượng trên đều dẫn đến sai số trong phép đo.
Sự thiên tích (khơng đồng nhất) trong cấu tạo tinh thể kim loại làm cho vết nén
khơng trịn, 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 vng góc
với nhau rồi lấy giá trị trung bình.

+ Phương pháp đo độ cứng Roclwell
21


❖ Nguyên lý đo

t3

t2

F0

t1

F1

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý quá trình đo độ cứng
Rockwell
Phương pháp đo độ cứng Rockwell được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp
vì năng suất thử nhanh và bao trùm phạm vi độ cứng rộng. Theo phương pháp này,
chiều sâu cịn 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 khơng được tính đến.
Q 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 khơng va đập, khơng
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 khơng đổi cho đến khi q 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

22


chiều sâu vết nén dưới tác dụng của tải trọng tồn 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
hồn tồn mang tính chất quy ước chứ khơng 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 cơng thức:
𝐻𝑅 = 𝑁 −

𝑡𝑏

(3)

𝑆

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 thơng 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
Thang

Ký hiệu
độ cứng

Tải trọng

Đầu đo

F0 (kgf)

F1 (kgf)

Phạm vi
F (kgf)

đo

A

HRA

Kim cương hình chóp

10

50

60

20  88

B

HRB

Bi 1,5875 mm

10

90

100

20  100

C

HRC

Kim cương hình chóp

10

140

150

20  70

D

HRD

Kim cương hình chóp

10

90

100

40  77

E

HRE

Bi 3,175 mm

10

90

100

70  100

F

HRF

Bi 1,5875 mm

10

50

60

60  100

23