Chương 2. Các nguyên lý chuyển đổi vμ khuếch đại
3.10. Phương pháp đo độ cứng bề mặt
Độ cứng của kim loại là khả năng chống lại sự thâm nhập của vật thể khác cứng hơn nó.
Độ cứng là một chỉ tiêu chất l−ợng bề mặt rất quan trọng, nó ảnh h−ởng nghiêm trọng tới độ bền chi tiết. Khi độ cứng kém, chi tiết sẽ mau mòn, dễ biến dạng và do đó độ chính xác giảm sút nhanh chóng sau thời gian làm việc.
Thông thường trên bản vẽ sản phẩm chỉ ghi độ cứng bề mặt khi sản phẩm có qua xử lý nhiệt.
Việc kiểm tra chỉ tiêu độ cứng bề mặt được tiến hành theo các phương pháp khác nhau tuỳ theo độ cứng của vật liệu.
Phương pháp xác định độ cứng kim loại bằng tải trọng tĩnh, tức là áp lực 8
1
3
2 K
5 4 7
tăng từ từ cho mũi thử là ph−ơng pháp đo tiêu chuẩn và th−ờng dùng nhất.
Nguyên tắc của phương pháp là dưới áp lực P xác định, một mũi thử bằng vật liệu chọn trước, có hình dáng và kích thước nhất định, có thể thâm nhập vào bề mặt của vật thử một chiều sâu là bao nhiêu tuỳ thuộc vào độ cứng của nó.
Nh− vậy, thực chất của việc đo độ cứng vật liệu là đo chuyển vị thẳng của mũi thử khi ấn nó vào vật liệu thử d−ới áp lực cho tr−ớc.
Để hạn chế chiều sâu vết thử, ng−ời ta thiết kế hình dáng và kích th−ớc khác nhau và các chỉ tiêu tính độ cứng khác nhau.
3.10.1. Phương pháp đo độ cứng Brinell Mũi thử trong ph−ơng pháp đo này là bi thép.
Thực chất của ph−ơng pháp này là d−ới tác dụng của tải trọng cho tr−ớc, trong một khoảng thời gian nhất định, viên bi cầu bằng thép đã đ−ợc nhiệt luyện, có đường kính xác định sẽ lún sâu vào mẫu thử một đoạn t (Hình 3-80).
Trong phương pháp này, trị số độ cứng gọi là HB được xác định bằng áp lực trung bình, biểu thị bằng Newton trên 1mm2 diện tích mặt cầu của vết lõm để lại,
đ−ợc tính theo công thức:
Dt P F HB P
=π
= trong đó:
P- áp lực ấn vuông góc với mặt AB và đ−ợc qui định theo tiêu chuẩn;
F- diện tích mặt lõm cầu;
D- ®−êng kÝnh bi ®o.
Thay t bởi mối quan hệ với D và d, ta có:
) (
2
2
2 d
D D
D HB P
−
= − π
Hình 3-80. Đo độ cứng Brinell.
Nh− vậy, thay vào việc đo t ng−ời ta đo đ−ờng kính vết lõm trên hai ph−ơng vuông góc với nhau bằng những dụng cụ đo chuyên dùng. Trong tiêu chuẩn về độ cứng HB, người ta tính sẵn HB với D cho tr−ớc theo kích th−ớc vết lõm khác nhau.
d
D
t h P
O
A B
Phương pháp này chỉ dùng khi độ cứng vật liệu dưới 450HB, với vật liệu cứng hơn, sai số đo sẽ lớn.
3.10.2. Phương pháp đo độ cứng Rockewll
Để xác định độ cứng của chi tiết sau nhiệt luyện hoặc chi tiết bằng hợp kim cứng, người ta dùng mũi thử dạng côn bằng kim cương có góc ở đỉnh là 1200, ở
đỉnh có bán kính góc l−ợn ρ= 0,2±,005mm.
P=P + P
Hình 3-81. Phương pháp đo độ cứng Rockewll.
Độ cứng xác định bằng cách ấn mũi kim cương vào mẫu thử dưới tác dụng của hai tải trọng nối tiếp: tải trọng ban đầu nén 100N, còn tải trọng tổng cộng P là 600N hoặc 1500N tuỳ theo thang chia.
Hình 3-81 mô tả quá trình thử: ban đầu với tải sơ bộ P0 = 100N, mũi thử lún sâu vào vật liệu đoạn h0 không đáng kể. Tiếp đó tải trọng đ−ợc tăng P = P0 + P1 , mũi thử lún sâu vào vật liệu đoạn h1. Sau đó rút tải P1, còn lại tải trọng P0,, chiều sâu vết lún còn lại là h đặc tr−ng cho độ cứng của vật liệu thử.
Tuỳ theo tải trọng tổng chọn là 600N, 1000N hay 1500N mà ng−ời ta phân
độ cứng Rocwell ra 3 thang A, B, C tương ứng.
D−ới tác dụng của tải trọng sơ bộ P0, mũi thử lún vào vật liệu l−ợng h0. Sau
đó tăng thêm tải trọng cơ bản P1 (là 600N đối với thang A, 1000N đối với thang B và 1500N đối với thang C), mũi thử lún vào vật liệu với chiều sâu h1, tiếp sau bỏ bớt tải trọng cơ bản, chiều sâu vết lún chỉ còn là h. Độ sâu vết lún h đặc tr−ng cho
độ cứng của vật liệu thử. Độ cứng Rocwell khi đo theo thanh A và C đ−ợc tính theo công thức: HR = 100 – e.
Đối với vật liệu mềm khi đo theo Rocwell ng−ời ta thay mũi kim c−ơng bằng viên bi thép tôi có đ−ờng kính φ1,538mm(1/16"). Viên bi đ−ợc ấn với áp lực hai tải tiếp: tải ban đầu 100N và tải tổng cộng là 1000N. Đo theo thang B, khi đó:
HB = 130 – e.
P 0
0
0 1
P
h h
h
0
1
002 , 0
h0
e h−
= Với trị số:
Trong đó 0,002 là trị số tính theo mm đ−ợc coi là đơn vị dịch chuyển theo chiều trục của mũi thử và là đơn vị độ cứng qui −ớc (mũi thử ấn xuống 0,002mm thì kim đồng hồ dịch đi 1 vạch).
Thông thường các chi tiết máy được cho chỉ tiêu theo độ cứng HRC.
3.10.3. Phương pháp đo độ cứng Wikker
Mũi thử trong phương pháp này là mũi hình tháp, có 4 cạnh đều, có kích thước tiêu chuẩn, đáy vuông và góc ở đỉnh là 1360±30', bằng kim cương.
Mũi thử đ−ợc ấn vào vật liệu d−ới tác dụng của các tải trọng 50N, 100N, 200N, 300N, 500N, 1000N.
Vết lõm của mũi thử để lại trên vật liệu được đo theo chiều dài đường chéo
đáy hình vuông trên vật liệu thử. Trị số độ cứng đ−ợc tính nh− sau:
2
2 2 1,8544
sin 2
d P d
P
HV = =
α
Trong đó:
P- tải trọng mũi thử, N;
d- trị số trung bình hai đ−ờng chéo vết lõm, mm;
α- góc hợp bởi hai cạnh đối diện cắt nhau tại đỉnh tháp, bằng 1360. Trị số độ cứng HV đ−ợc ghi cùng với tải trọng thử và thời gian thử.
Ví dụ: HV 100/30 - 500 có nghĩa là trị số độ cứng Wikker là 500 đo với tải trọng thử là 100N và trong khoảng thời gian 30 giây.
Phương pháp đo này được dùng để đo độ cứng kim loại cứng cũng như mềm với chiều dày >0,2mm.
Trong tiêu chuẩn qui định chiều dày mẫu thử không đ−ợc nhỏ hơn 1,5 chiều dài đ−ờng chéo vết lõm với kim loại màu và 1,2 lần chiều dài đ−ờng chéo vết lõm với chi tiết bằng thép. Sau khi đo độ cứng không cho phép có vết biến dạng ở mặt sau của mẫu. Khoảng cách giữa tâm hai vết phải lớn hơn 2,5 chiều dài đ−ờng chÐo vÕt lâm.
Nên đo với các tải sao cho chiều dài đ−ờng chéo vết lõm ≥0,1mm, bởi vì
nếu nhỏ hơn kết quả đo sẽ kém chính xác.
Khi xác định độ cứng của các chi tiết nhỏ, bằng kim loại mỏng, sợi hợp kim có thành phần cấu tạo đặc biệt, các lớp màng mỏng thấm nitơ hoặc xinua, các lớp mạ phủ... người ta quy định độ cứng của của các vùng nhỏ gọi là độ cứng tế vi.
Để đo độ cứng của các vùng vật liệu nhỏ này, người ta dùng mũi thử kim cương có đáy vuông gá dưới kính hiển vi (có độ khuếch đại 500x) ấn vào mẫu với tải trọng trong khoảng 0,05N tới 5N. Chiều dài vết lõm đ−ợc đo nhờ thị kính đo l−ờng của kính hiển vi.
Tải trọng thử cần chọn sao cho đ−ờng chéo của vết lõm không đ−ợc lớn hơn hai phần ba chiều dày lớp phủ.