Phương pháp đo độ cứng Brinell: Nguyên Lý, Ứng Dụng và Hạn Chế

Phương pháp đo độ cứng Brinell là kỹ thuật phổ biến để xác định độ cứng vật liệu thông qua tạo vết lõm có kiểm soát, đặc biệt hiệu quả cho vật liệu khối lớn hoặc hạt thô. 

Được phát triển năm 1900 bởi Johan August Brinell, phương pháp này vẫn giữ vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp cần đánh giá tính chất vật liệu hàng loạt.

Nguyên Lý và Phương pháp đo độ cứng Brinell (HB)

Phương pháp sử dụng mũi đột hình cầu bằng carbide vonfram hoặc thép tôi (đường kính 1–10 mm) ép vào vật liệu dưới tải trọng xác định (62.5–3000 kgf). Sau thời gian giữ tải (10–30 giây), đường kính vết lõm được đo bằng kính hiển vi. Chỉ số độ cứng Brinell (HBW) được tính theo công thức:

Trong đó:

• F: Lực tác dụng (N)
• D: Đường kính mũi đột (mm)
• d: Đường kính vết lõm (mm)

Lưu ý: Với đơn vị kgf, công thức không cần hệ số 0.102.

Quy Trình Đo

1. Chuẩn bị mẫu:
   • Bề mặt mẫu phải phẳng, nhẵn và sạch (thường cần mài/đánh bóng).
2. Áp tải trọng:
   • Tải phụ xác định vị trí tham chiếu.
   • Tải chính (ví dụ: 3000 kgf cho thép) được áp dụng trong 10–15 giây.
3. Đo vết lõm:
   • Đường kính vết lõm đo theo hai trục vuông góc bằng kính hiển vi.
   • Giá trị trung bình được dùng để tính HBW thông qua bảng tra hoặc phần mềm.

Tiêu chuẩn: ASTM E10 và ISO 6506 quy định tỷ lệ F/D2 để đảm bảo kết quả đồng nhất.

Tiêu chuẩn ASTM E10 quy định gì?

ASTM E10 là tiêu chuẩn Mỹ quy định chi tiết phương pháp đo độ cứng Brinell cho vật liệu kim loại, bao gồm:

• Phạm vi tải trọng: 62.5–3000 kgf.
• Loại mũi đột: Cầu carbide vonfram (kí hiệu HBW) hoặc thép tôi (HBS, ít dùng).
• Thời gian giữ tải: 10–15 giây (có thể tăng lên 30 giây cho vật liệu đàn hồi như nhôm).
• Đo vết lõm: Đường kính vết lõm phải nằm trong 24–60% đường kính mũi đột để đảm bảo độ chính xác.
• Tỷ lệ F/D2: Duy trì 30, 10, 5 hoặc 1 (ví dụ: 3000 kgf với mũi 10 mm → F/D2=30).

Ứng dụng: Phổ biến ở Bắc Mỹ, dùng cho gang đúc, thép không gỉ và hợp kim nhôm trong ngành ô tô, đóng tàu.

Tiêu chuẩn ISO quy định gì?

ISO 6506 là tiêu chuẩn quốc tế tương đương, gồm 3 phần:

• ISO 6506-1: Quy trình thử nghiệm chính, tương tự ASTM E10 nhưng có khác biệt nhỏ:
  • Tải trọng tối đa: 29420 N (~3000 kgf).
  • Yêu cầu bề mặt: Độ nhám Ra​≤1.6μm (cao hơn ASTM E10).
  • Dung sai đường kính mũi đột: ±0.005 mm (chặt chẽ hơn ASTM E10).
• ISO 6506-2: Hiệu chuẩn máy đo.
• ISO 6506-3: Hiệu chuẩn khối chuẩn độ cứng.

Ứng dụng: Được ưa chuộng ở EU và châu Á, đặc biệt trong sản xuất ống thép dầu khí và thiết bị y tế.

So sánh giữa hai tiêu chuẩn:

Khi nào chọn ASTM E10 hoặc ISO 6506?

• Chọn ASTM E10: Khi làm việc với đối tác Mỹ/Canada hoặc trong ngành hàng không (theo yêu cầu của FAA).
• Chọn ISO 6506: Khi xuất khẩu sang châu Âu hoặc sản xuất theo tiêu chuẩn IEC/IATF.
• Lưu ý: Cả hai tiêu chuẩn đều yêu cầu hiệu chuẩn thiết bị 6 tháng/lần bằng khối chuẩn được chứng nhận.

Ứng Dụng

• Ô tô: Khối động cơ, trục khuỷu, bánh răng.
• Gia công: Gang đúc, thép rèn, van công nghiệp.
• Năng lượng: Vật liệu ống dẫn, thiết bị khoan.
• Hàng không: Bộ phận hạ cánh, kết cấu chịu lực.

Phù hợp với: Kim loại mềm (nhôm, đồng) đến thép cứng vừa. Không dùng cho vật liệu siêu cứng do nguy cơ biến dạng mũi đột.

Ưu Điểm và Hạn Chế

Cải Tiến Hiện Đại

• Máy đo tự động: Affri LD3000A tích hợp tải trọng động cơ, kính hiển vi điện tử và tính toán HBW thời gian thực.
• Phần mềm hỗ trợ: Giao diện cảm ứng và xuất dữ liệu (PDF, CSV) phục vụ kiểm soát chất lượng.
• Chẩn đoán từ xa: Kết nối internet cho phép kỹ sư sửa lỗi từ xa.

Các Lưu Ý Quan Trọng

• Độ dày mẫu: Tối thiểu 8–10 lần độ sâu vết lõm (theo ISO/ASTM).
• Tỷ lệ tải-trọng cầu (F/D2): Duy trì nhất quán để so sánh kết quả.
• Chất lượng bề mặt: Bề mặt thô cần đánh bóng để tránh sai số.

Dưới đây là bảng hướng dẫn để chọn đầu đo, lực đo trên các ứng dụng khác nhau của phương pháp đo độ cứng Brinell.

Các dòng máy đo độ cứng Brinell nổi bật

Dòng máy đo độ cứng AFFRI - Ý

Ngày nay với nền khoa học và công nghệ phát triển, hãng AFFRI đã trang bị camera kỹ thuật số có thể phóng đại vết lõm lên nhiều lần, phần mềm để tính giá trị độ cứng mang lại độ chính xác cao nhất cho kết quả đo.

Máy đo độ cứng tự động, có thể lắp đặt trên dây truyền sản xuất với tốc độ kiểm tra nhanh bằng phương pháp Brinell HBWT, tuân thủ theo tiêu chuẩn ASTM, ISO và JIS.

Dòng thiết bị kiểm tra độ cứng theo phương pháp đo Brinell cao cấp, đáp ứng tất cả các tiêu chuẩn về đo đọ cứng theo phương pháp Brinell.

Phương pháp Brinell vẫn là lựa chọn hàng đầu trong công nghiệp nặng nhờ độ tin cậy và khả năng đánh giá vật liệu khối lớn. Cải tiến tự động hóa đang khắc phục các hạn chế truyền thống, mở rộng phạm vi ứng dụng.