Thí nghiệm đo độ cứng Rockwell cho thép

Độ cứng Rockwell là gì?

Thí nghiệm đo độ cứng Rockwell hardness tester cho giá trị độ cứng trực tiếp. Tải trọng nhỏ 10kgf đầu tiên được ứng dụng sau đó đến tại trọng lớn 60 100, 150 kg được sử dụng tùy theo độ cứng của vật liệu. Thời gian giữ tải trên bề mặt thép khoảng 5-10 giây, trước khi bỏ tải. Đầu kim cương hình nón hoặc dạng bi với bốn kích thước được sử dụng như đầu đo trong máy kiểm tra với 30 dải khác nhau. Một tấm đồng hoặc thép cacbon (AISI 1040) cho phép cho giá trị độ cứng một cách trực tiếp.

Thí nghiệm đo độ cứng Rockwell là thí nghiệm không phá hủy sử dụng cho vật liệu mền cũng như vật liệu cứng. Để xác định độ cứng của các pha, độ cứng Vicker được sử dụng. Ngoài độ cứng Rockwell thì, độ cứng Brinell đồng thời được sử dụng trong công nghiệp. Nhưng cần cân nhắc sử dụng độ cứng Brinell vì đây là dạng đo độ cứng phá hủy. Có thể chuyển đổi độ cứng tương đương, nhưng về cơ bản đây là các giá trị chỉ có ý nghĩa tham khảo. Nói độ cứng Rocwell là thí nghiệm đo không phá hủy, nhưng tất nhiên sau khi đo độ cứng Rockwell vẫn để lại vết đâm.

Thí nghiệm đo độ cứng Rockwell

Một trong những phương pháp phổ biến đo độ cứng trong công nghiệp là phương pháp đo độ cứng Rockwell. Bởi vì phương pháp này hiển thị trực tiếp giá trị độ cứng cần đo. Đặc điểm của phương pháp đo này làm nên những hiệu quả như:

• Tốc độ đo nhanh
• Kích thước ít bị biến dạng đàn hồi hơn.

Tiêu chuẩn đo độ cứng Rockwell 

Dưới đây là những tiêu chuẩn để đo độ cứng Rockwell, tiêu chuẩn mô tả quá trình thực hiện và đặc điểm của phép đo.

• ASTM E 18
• ISO 6508

So sánh với các phương pháp khác, độ cứng Rockwell có thể mang lại thông tin về vật liệu như độ bền kéo, độ cứng mài mòn và khả năng kéo.

Nguyên lý máy đo độ cứng Rockwell

Đối với máy đo độ cứng Rockwell, độ cứng được xác định là hàm chiều sâu của biến dạng dẻo tạo vùng vật liệu đặt tải. Độ cứng được mô tả trong một khoảng độ cứng nhất định. Không giống như độ cứng Brinell, độ cứng đạt được bằng cách xác định chiều sâu của hai vết đâm với tải nhỏ và tải lớn.

Thí nghiệm đo độ cứng Rockwell được thực hiện khi đặt tải nhỏ 10 kg và giữ trên bề mặt mẫu. Sau đo đo độ sâu vết đâm được xác định. Sau đó chuyển tải về vị trí số 0, và đặt tải lớn một thời gian gọi là thời gian chờ (dwell time). Kết quả hình thành mũi đâm có hình dạng đặc trưng.

Tải lớn được bỏ đi sau khi giữ thời gian giống tải nhỏ, chiều sâu của vết đâm được đo. Sau khi đo độ sâu lần thứ hai, tải trọng nhỏ cũng được loại bỏ và số đo độ cứng Rockwell trừ đi hai độ sâu quan sát được. Bằng cách đo độ sâu thực sự quay số cho phép đọc độ cứng trực tiếp.

Thang đo độ cứng Rockwell

Do sự đa dạng của kim loại và vật liệu thông thường (dựa trên độ cứng), ASTM chia thành 30 dải đo với sự phát triển phù hợp cho các vật liệu với các độ cứng khác nhau. Thang đo bao gồm kiểu mũi đâm,  đặc điểm đặc thù, tải và thời gian thí nghiệm.

Với 30 thang đo này được chia làm các thang đo thông thường. Những thang đo cơ bản được sử dụng như Thang đo – A, Thang đo -B, thang đo -C như bảng dưới đây.

Hạn chế thử nghiệm độ cứng Rocwell

• Đầu kim cương không hiệu chỉnh dưới giá trị 20. Với ít hơn 20 chuyển sang thang B.
• Từ 100 đến 130 có thể sử dụng thang B nhưng có thể nguy hiểm cho đầu đo. Bởi vì thiết bị đo Rockwell nhạy cảm.
• Không sử dụng thang C cho cacbit W, vật liệu có thể bị hư hỏng. Thang A có thể được sử dụng.

Đầu đo Rockwell

Hai loại đầu đo thường được sử dụng để đo độ cứng Rocwel

• Brale

Nó là đầu có dạng hình thoi với góc giữa các mặt đối diện là 120^o và đỉnh nhọn với đường kính 0,4 mm

• Bi thép tôi

Bi thép với kích thước khác nhau được sử dụng. Ví dụ 1/16, 1/8, 1/4 và 1/2 inch

Kiểm tra độ cứng Rockwell có phá hủy không?

Trong thí nghiệm đo độ cứng Brinell, một đầu đâm trên mẫu là quá lớn nên không chỉ làm mất đi tính thẩm mỹ của chi tiết mà còn làm mất đi ứng sử ma sát. Trong khi đó trong thí nghiệm đo độ cứng Rocwell, đầu đo là nhỏ và không nhìn rõ dưới mắt thường, do đó phương pháp đo độ cứng Rockwell được xem xét là phương pháp không phá hủy.

Hoạt động của đồng hồ đo độ cứng

Chiều sâu của vết đâm được ghi nhận bởi đồng hồ đo của số chỉ độ cứng. Một mặt số có 100 vạch chia. Mỗi mặt của máy cung cấp hai thang màu đen và đỏ. Thang màu đỏ sử dụng cho mũi đâm bi và thang màu đen sử dụng cho mũi đâm kim cương. Việc đọc số trên đồng hồ đo tỷ lệ nghịch với chiều sâu của vết đâm. Trong trường hợp vật liệu mền, chiều sâu của vết đâm nhiều hơn. Trong khi đo, đối với trường hợp vật liệu cứng, chiều sâu vết đâm ít hơn và giá trị hơn được biểu diễn trên đồng hồ đo.

Dưới đây là video phương pháp đo độ cứng Rocwell:

Quy trình đo độ cứng Rockwell

1. Lựa chọn vật liệu sắt hoặc đồng phù hợp
2. Mẫu được mài để loại bỏ rỉ hoặc những vật liệu khác bám trên bề mặt
3. Mẫu được đặt trên bàn đo dưới đầu đo của máy
4. Sau đó, mẫu vật tiếp xúc với đầu đo  bằng cách quay bánh xe của máy cho đến khi kim nhỏ trên mặt đồng hồ dừng lại ở dấu gạch ngang màu đỏ
5. Một tải nhỏ 10 kgf được đâm để đo
6. Tải lớn được đo bằng cách đẩy tay quay trở lại
7. Do đó, kim di chuyển theo hướng ngược chiều kim đồng hồ và khi nó ở vị trí nghỉ, tải được loại bỏ bằng cách kéo tay quay một lần nữa theo hướng về phía trước
8. Đọc giá trị đo độ cứng Rockwell

Quan sát và tính toán

Với thép (AISI 1040)

Đầu đo: Đầu kim cương với dải đo sử dụng:

C – Tải nhỏ với dải đo màu đen = 10 kgf

Tải lớn = 140 kgf

Giá trị độ cứng = 29 HRC

Chiều sâu vết đâm:

h = (100-HRC) × 0.002

h = 0.142mm

Đối với thép (AISI 1045)

Đầu đo: Đầu kim cương với thang sử dụng:

C – Tải nhỏ thang màu đen = 10kgf

Tải lớn= 140 kgf

Độ cứng vết đo. = 30.5 HRC

Chiều sâu của mũi đâm:

h = (100-HRC) × 0.002

h = 0.139mm

Đối với đồng

Mũi đâm: Bi thép 1/16 inches với thang sử dụng:

B – Tải nhỏ thang màu đỏ = 10 kgf

Tải lớn = 90 kgf

Giá trị độ cứng = 64.5 HRB

Chiều sâu của mũi đâm:

h = (130 – HRB) × 0.002

h = 0.131mm

Cảnh báo

• Tránh kiểm tra những mẫu quá mỏng vì có thể làm hỏng đầu đo
• Để kiểm tra độ cứng của một tính năng bề mặt, chẳng hạn như bề mặt cứng, nên chọn thang đo theo độ dày của đặc điểm bề mặt này

Ưu điểm của phương pháp đo độ cứng Rockwell

• Độ cứng thu được tốn ít thời gian hơn so với các phương pháp đo khác
• Kết quả đo độ cứng được đọc trực tiết trên máy
• Máy đo độ cứng phù hợp cho các công việc đo độ cứng thường ngày

• Giá trị độ cứng được cân nhắc theo chiều sâu vết đâm
• Có thể sử dụng để kiểm tra vật hình trụ
• Khoảng đo rộng có thể chỉnh theo máy
• Ít phá hủy mẫu hơn so với phương pháp Brinell

Giới hạn (hạn chế) của phương pháp đo độ cứng Rockwell

• Do dải đo rộng, do đó cẩn thận để lựa chọn dải đo phù hợp với độ cứng của vật liệu
• Độ nhạy của thí nghiệm trong trường hợp đầu đo là bi thấp
• Khi đo độ cứng cao, tuổi thọ đầu kim cương có thể bị giảm

Tài liệu tham khảo: Độ cứng Rockwell