Phương pháp đo độ cứng Vickers: Nguyên lý, Ứng dụng và Hạn chế
Nguyên Lý Đo Độ Cứng Vickers
Phương pháp đo độ cứng Vickers được thực hiện bằng cách ấn 1 mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh dưới tác dụng của 1 lực xác định vào vật liệu cần đo, mũi thử bằng kim cương sẽ tạo ra một vết lõm trên bề mặt vật liệu. Đơn vị của phương pháp: HV
- Cấu tạo mũi thử kim cương: Mũi hình chop 4 cạnh, có góc ở giữa 2 mặt chop đối diện nhau là 136o
- Lực tác dụng: 30N, 50N, 100N, 150N, 300N… tùy vào ứng dụng.
Thiết kế đầu đo (Indenter):
- Sử dụng kim cương hình chóp tứ giác với góc đỉnh 136°, đảm bảo tính đồng dạng hình học ở mọi tải trọng.
- Góc này giảm thiểu biến dạng đàn hồi và chuẩn hóa kết quả cho vật liệu có độ cứng khác nhau.
Công thức tính toán:
Độ cứng Vickers được tính bằng F/S, tức lực F chia cho diện tích bề mặt vết lõm S. Diện tích bề mặt vết lõm S được tính theo chiều dài trung bình 2 đường chéo d1 và d2 của vết lõm S.
- HV: Giá trị độ cứng Vickers (đơn vị kgf/mm² hoặc N/mm²).
- F: Lực tác dụng (kgf hoặc N).
- d: Chiều dài trung bình hai đường chéo vết lõm (mm).
- Kết quả có thể so sánh ở các tải trọng khác nhau nhờ tính chất không phụ thuộc tỷ lệ.
Độ cứng Vickers tính bằng F/S. Lấy lực thử F chia cho diện tích bề mặt lõm S. Bề mặt lõm S được tính theo độ dài trung bình hai đường chéo d. Bề mặt lõm được tạo thành khi tác dụng một lực vào mẫu thử với mũi đột kim cương, hình chóp.
Phạm vi tải trọng:
- Vi độ cứng (1–1.000 gf): Dùng cho lớp phủ mỏng hoặc chi tiết nhỏ.
- Macro độ cứng (1–120 kgf): Dùng cho vật liệu khối.
Quy Trình Thử Nghiệm
Chuẩn bị mẫu:
- Bề mặt mẫu phải được đánh bóng (Ra ≤ 0,5 µm) để đảm bảo độ chính xác.
- Bề mặt thô hoặc lớp phủ có thể làm sai lệch kết quả.
Tạo vết lõm:
- Lực tác dụng trong 10–15 giây (theo tiêu chuẩn ISO 6507).
- Đầu kim cương tạo biến dạng dẻo vĩnh viễn.
Phân tích quang học:
- Đo đường chéo (d₁ và d₂) bằng kính hiển vi hoặc hệ thống tự động.
- Hệ thống hiện đại đạt độ chính xác ±0,5% nhờ hình ảnh độ phân giải cao.
Ưu Điểm
- Tính phổ dụng:
- Kiểm tra được kim loại, gốm sứ, polymer và vật liệu composite (8–3.000 HV).
- Không cần thay đầu đo cho các vật liệu khác nhau.
- Đo được độ cứng lớp xi mạ
- Đo được độ cứng các chi tiết rất nhỏ mà các phương pháp khác không để làm được
- Độ chính xác cao:
- Kết quả lặp lại ngay cả với vật liệu giòn như thủy tinh.
- Ít nhạy cảm với độ nhám bề mặt so với phương pháp Rockwell.
- Kiểm tra vi độ cứng:
- Đánh giá lớp phủ mỏng (ví dụ: PVD) hoặc vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn.
- Không phá hủy mẫu:
- Vết lõm nhỏ giúp tái sử dụng mẫu.
- Mang lại độ chính xác và độ tin cậy cao cho phép đo, dải đo rộng
Hạn Chế
- Tốn thời gian:
- Một chu kỳ thử nghiệm (chuẩn bị + đo) mất 30–60 giây.
- Chi phí cao:
- Đầu kim cương và hệ thống quang học đắt tiền.
- Cần kỹ thuật viên lành nghề cho đo thủ công.
- Giá thành máy đo độ cứng Vickers cao.
- Có thể cần trang bị thêm máy cắt mẫu và mài mẫu.
- Nhạy cảm với bề mặt:
- Vật liệu nhiều lớp cần kiểm soát độ dày để tránh ảnh hưởng từ lớp nền.
Ứng Dụng Theo Ngành
| Ngành | Ví Dụ |
|---|---|
| Hàng không | Kiểm tra hợp kim titan cho cánh tuabin. |
| Ô tô | Độ bền bánh răng tôi bề mặt. |
| Luyện kim | Đánh giá hiệu quả xử lý nhiệt thép dụng cụ. |
| Điện tử | Đo vi độ cứng wafer bán dẫn. |
| Nghiên cứu phát triển (R&D) | Nghiên cứu vật liệu nano (ví dụ: composite graphene). |
So Sánh Với Phương Pháp Khác
| Phương Pháp | Đầu Đo | Tải Trọng | Độ Chính Xác | Vật Liệu Phù Hợp |
|---|---|---|---|---|
| Vickers | Kim cương chóp tứ giác | 1 gf – 120 kgf | ±1% | Mọi vật liệu |
| Rockwell | Kim cương/Thép | 15–150 kgf | ±2% | Kim loại |
| Brinell | Hợp kim tungsten | 1–3.000 kgf | ±3% | Kim loại mềm (Al, Cu) |
| Khác biệt chính: Vickers sử dụng một đầu đo duy nhất, tránh biến dạng đầu đo như phương pháp Brinell. |
Cải Tiến & Xu Hướng
- Tự động hóa:
- Hệ thống AI (ví dụ: thuật toán 3SMRTM) tự động đo đường chéo, giảm sai số và đạt độ chính xác 1,57 pixel.
- Máy đo cầm tay tích hợp màn hình cảm ứng dùng cho kiểm tra tại chỗ.
- Thị trường:
- Tăng trưởng dự kiến 6,6% mỗi năm (2024–2031), chủ yếu ở châu Á-Thái Bình Dương (48% thị phần).
- Ngành ô tô và điện tử chiếm 40% doanh số.
- Bền vững:
- Vật liệu thân thiện môi trường (ví dụ: polymer phân hủy sinh học) cần kiểm tra độ cứng chính xác.
Các dòng máy đo độ cứng Vickers nổi bật
Dòng máy đo độ cứng AFFRI - Ý
Hãng AFFRI – Italia là một trong những người đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất máy đo độ cứng với hơn 65 năm kinh nghiệm
 Thiết bị đo độ cứng Vicker và Knoop cao nhất của hãng với các tính năng và tải lực có thể thay đổi linh hoạt nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng của người dùng. |  Đây là dòng thiết bị đo độ cứng Vickers trung bình, kiểm tra và xuất báo cáo tùy chọn bằng tay hoặc tự động, thích hợp sử dụng cho các nhà máy nhỏ lẻ sản xuất |
Các câu hỏi thường gặp
Đo độ cứng vật liệu từ kim loại, gốm đến polymer, đặc biệt phù hợp cho lớp phủ mỏng và vật liệu giòn.
Góc này tối ưu hóa tính đồng dạng hình học, giảm biến dạng đàn hồi và chuẩn hóa kết quả.
Vickers dùng đầu kim cương duy nhất, đo cả vi độ cứng, trong khi Rockwell dùng đầu thép/kim cương và chỉ phù hợp kim loại.
Bề mặt nhẵn giúp đo đường chéo chính xác, tránh sai số do vết lõm biến dạng.
Vết lõm rất nhỏ, thường không ảnh hưởng đến khả năng sử dụng mẫu sau đó.
Tự động hóa bằng AI, máy cầm tay thông minh và ứng dụng trong vật liệu bền vững.
