Độ Cứng Của Vật Liệu Là Gì?

Độ cứng là thước đo khả năng chống biến dạng dẻo cục bộ gây ra bởi vết lõm cơ học hoặc mài mòn. Nói chung, các vật liệu khác nhau có độ cứng khác nhau; ví dụ, các kim loại cứng như titan và berili cứng hơn các kim loại mềm như natri và thiếc kim loại, hoặc gỗ và nhựa thông thường.

Độ cứng vĩ mô thường được đặc trưng bởi các liên kết liên phân tử mạnh, nhưng hành vi của vật liệu rắn dưới tác dụng của lực rất phức tạp; do đó, có các phép đo độ cứng khác nhau: độ cứng xước, độ cứng vết lõm và độ cứng bật lại.

Độ cứng phụ thuộc vào độ dẻo , độ cứng đàn hồi, độ dẻo, độ căng, độ bền, độ dai, độ nhớt và độ nhớt.

Các ví dụ phổ biến về vật chất cứng là gốm sứ, bê tông, một số kim loại và vật liệu siêu cứng, có thể tương phản với vật chất mềm.

Giới Thiệu Độ Cứng

Độ cứng của vật liệu được định nghĩa là khả năng chịu được biến dạng vĩnh viễn cục bộ, thường là do vết lõm. Độ cứng cũng có thể được sử dụng để mô tả khả năng chống biến dạng của vật liệu do các tác động khác, chẳng hạn như:

• Cắt
• Mài mòn
• Thâm nhập
• Trầy xước

Độ cứng là thước đo khả năng chống biến dạng vĩnh viễn cục bộ của vật liệu. Biến dạng vĩnh viễn còn được gọi là biến dạng dẻo. Mặc dù biến dạng đàn hồi có nghĩa là vật liệu chỉ thay đổi hình dạng khi tác dụng lực, nhưng biến dạng dẻo dẫn đến có nghĩa là vật liệu sẽ không trở lại hình dạng ban đầu.

Một số vật liệu cứng tự nhiên. Ví dụ, vonfram là một kim loại cực kỳ cứng được sử dụng làm nguyên tố hợp kim trong thép công cụ. Điều này đảm bảo rằng nhóm thép này có thể chống mài mòn ngay cả ở nhiệt độ cao trong quá trình cắt.

Cacbua xi măng, được sử dụng nhiều trong dao phay, cũng thường bao gồm vonfram. Các bit dụng cụ cắt có thể thay thế này giúp kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt một cách đáng kể.

Mặt khác, một số vật liệu, kể cả kim loại, mềm đến mức khiến chúng trở nên vô dụng đối với nhiều ứng dụng. Vàng nguyên chất rất mềm nên việc cào xước hoặc uốn cong nó không cần tốn nhiều công sức. Do đó, việc thêm các kim loại khác như bạc, đồng và nhôm là điều cần thiết để cải thiện độ cứng của nó.

Với một số vật liệu, xử lý nhiệt là một khả năng để tạo ra độ cứng bề mặt lớn hơn trong khi vẫn duy trì các chất lượng khác của kim loại trong lõi của nó. Trục máy thường trải qua quá trình này để đảm bảo tuổi thọ lâu hơn.

Một kỹ sư cũng phải xem xét tỷ lệ độ cứng khi tạo ra một ý tưởng thiết kế sản phẩm. Ví dụ, khi lắp ổ trục và trục, ổ trục phải mềm hơn vì chúng dễ thay thế hơn. Với chuyển động liên tục, một bộ phận phải mòn và sự lựa chọn là tùy thuộc vào kỹ sư.

Các Loại Độ Cứng

Độ cứng là khả năng của vật liệu chống biến dạng, được xác định bằng một thử nghiệm tiêu chuẩn trong đó đo khả năng chống vết lõm của bề mặt. Các bài kiểm tra độ cứng được sử dụng phổ biến nhất được xác định bởi hình dạng hoặc loại vết lõm, kích thước và lượng tải được áp dụng.

Có ba loại phép đo độ cứng chính: vết xước, vết lõm và độ nảy. Trong mỗi lớp đo lường này, có các thang đo riêng. Vì những lý do thực tế, các bảng chuyển đổi được sử dụng để chuyển đổi giữa thang đo này sang thang đo khác.

1. Độ Cứng Trầy Xước

Độ cứng xước là thước đo khả năng chống gãy của mẫu hoặc biến dạng dẻo vĩnh viễn do ma sát từ vật sắc nhọn. Nguyên tắc là một vật làm bằng vật liệu cứng hơn sẽ làm trầy xước vật làm bằng vật liệu mềm hơn.

Khi kiểm tra lớp phủ, độ cứng của vết xước đề cập đến lực cần thiết để cắt xuyên qua màng đến chất nền. Thử nghiệm phổ biến nhất là thang Mohs, được sử dụng trong khoáng vật học. Một công cụ để thực hiện phép đo này là máy đo xơ cứng.

Một công cụ khác được sử dụng để thực hiện các thử nghiệm này là máy đo độ cứng bỏ túi. Công cụ này bao gồm một tay cân có vạch chia độ gắn vào một cỗ xe bốn bánh. Một công cụ cào có vành sắc nét được gắn ở một góc xác định trước với bề mặt thử nghiệm.

Để sử dụng nó, một trọng lượng có khối lượng đã biết được thêm vào nhánh cân tại một trong các vạch chia độ, sau đó dụng cụ này được kéo trên bề mặt thử nghiệm. Việc sử dụng trọng lượng và đánh dấu cho phép áp dụng áp suất đã biết mà không cần máy móc phức tạp.

2. Độ Cứng Của Vết Lõm

Độ cứng vết lõm đo khả năng chống biến dạng vật liệu của mẫu do tải trọng nén không đổi từ vật sắc nhọn. Các thử nghiệm về độ cứng của vết lõm chủ yếu được sử dụng trong kỹ thuật và luyện kim. Các thử nghiệm hoạt động dựa trên tiền đề cơ bản là đo các kích thước tới hạn của vết lõm do một mũi nhọn được tải và có kích thước cụ thể để lại.

Các thang đo độ cứng vết lõm phổ biến là Rockwell, Vickers, Shore và Brinell, trong số những thang đo khác.

3. Độ Cứng Phục Hồi

Độ cứng đàn hồi, còn được gọi là độ cứng động, đo chiều cao của “độ nảy” của búa có đầu kim cương rơi từ độ cao cố định xuống vật liệu. Loại độ cứng này có liên quan đến tính đàn hồi. Thiết bị được sử dụng để thực hiện phép đo này được gọi là kính hiển vi.

Hai thang đo độ cứng bật lại là bài kiểm tra độ cứng bật lại Leeb và thang đo độ cứng Bennett.

Phương pháp trở kháng tiếp xúc siêu âm (UCI) xác định độ cứng bằng cách đo tần số của một thanh dao động. Thanh bao gồm một trục kim loại với bộ phận rung và một viên kim cương hình kim tự tháp được gắn ở một đầu.