Độ cứng lõm: Đo lường tính chất thép chính và kiểm soát chất lượng

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Độ cứng lõm là thước đo khả năng chống biến dạng vĩnh viễn của vật liệu khi chịu tải nén không đổi từ vật liệu cứng hơn có hình dạng cụ thể. Nó định lượng khả năng chịu biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu do lõm cơ học gây ra.

Tính chất này đóng vai trò là thông số cơ bản trong đặc tính vật liệu, cung cấp cho các kỹ sư thông tin quan trọng về khả năng chống mài mòn, khả năng gia công và tính toàn vẹn cơ học tổng thể. Các thử nghiệm độ cứng lõm được sử dụng rộng rãi do bản chất không phá hủy hoặc phá hủy tối thiểu, yêu cầu khối lượng mẫu nhỏ và chuẩn bị tối thiểu.

Trong luyện kim, độ cứng vết lõm chiếm vị trí trung tâm vì nó tương quan mạnh với các tính chất cơ học khác như độ bền kéo, khả năng chống mài mòn và độ dẻo. Nó kết nối các đặc điểm cấu trúc vi mô với hành vi cơ học vĩ mô, khiến nó trở thành công cụ sàng lọc thiết yếu trong quá trình lựa chọn vật liệu, kiểm soát chất lượng và phân tích lỗi.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, độ cứng của vết lõm phản ánh khả năng chống lại chuyển động lệch của vật liệu trong mạng tinh thể của nó. Khi một đầu lõm tác dụng ứng suất, các vị trí lệch phải vượt qua các rào cản như ranh giới hạt, chất kết tủa và các vị trí lệch khác để có thể biến dạng dẻo.

Trong vật liệu thép, khả năng chống lại vết lõm bắt nguồn từ nhiều cơ chế gia cường khác nhau bao gồm gia cường dung dịch rắn, làm cứng kết tủa, làm cứng khi làm việc và gia cường ranh giới hạt. Các cơ chế này cản trở chuyển động sai lệch bằng cách tạo ra các chướng ngại vật bên trong cấu trúc vi mô.

Vùng dẻo bên dưới vết lõm liên quan đến các trường ứng suất phức tạp tạo ra các sai lệch cần thiết về mặt hình học, dẫn đến các gradient biến dạng góp phần vào giá trị độ cứng được đo. Biến dạng cục bộ này tạo ra một ấn tượng đặc trưng có kích thước liên quan trực tiếp đến khả năng chống lại dòng chảy dẻo của vật liệu.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính cho độ cứng vết lõm được Heinrich Hertz thiết lập vào cuối thế kỷ 19, mô tả cơ học tiếp xúc đàn hồi giữa các bề mặt cong. Sau đó, mô hình này được nhiều nhà nghiên cứu khác nhau bao gồm Tabor mở rộng thành hành vi đàn hồi-dẻo, những người đã thiết lập mối quan hệ giữa độ cứng và giới hạn chảy.

Hiểu biết lịch sử phát triển từ các quan sát thực nghiệm của Mohs vào đầu những năm 1800 thành các mô hình tinh vi kết hợp lý thuyết dẻo biến dạng vào cuối thế kỷ 20. Sự tiến triển này phản ánh sự công nhận ngày càng tăng về các hiệu ứng phụ thuộc vào tỷ lệ trong phép đo độ cứng.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm phương pháp Oliver-Pharr để tạo vết lõm bằng dụng cụ, mô hình phần tử hữu hạn của quá trình tạo vết lõm và các lý thuyết nanoindentation tính đến các hiệu ứng kích thước. Mỗi phương pháp tiếp cận đều có những ưu điểm riêng biệt tùy thuộc vào hệ thống vật liệu và quy mô quan tâm.

Cơ sở khoa học vật liệu

Độ cứng của vết lõm có mối tương quan mạnh với cấu trúc tinh thể, vì vật liệu lập phương tâm mặt (FCC) thường có độ cứng thấp hơn so với cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) hoặc cấu trúc lục giác đóng chặt (HCP) do sự khác biệt về tính di động của vị trí sai lệch. Các ranh giới hạt đóng vai trò là chướng ngại vật đối với chuyển động của vị trí sai lệch, theo mối quan hệ Hall-Petch trong đó độ cứng tăng khi kích thước hạt giảm.

Cấu trúc vi mô của thép ảnh hưởng sâu sắc đến giá trị độ cứng, với martensite cung cấp độ cứng cao hơn ferrite, pearlite hoặc austenite do cấu trúc tetragonal chịu ứng suất cao và mật độ sai lệch cao. Kết tủa và các hạt pha thứ hai làm tăng thêm độ cứng bằng cách ghim các sai lệch.

Tính chất này về cơ bản kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu về cơ chế tăng cường, chứng minh cách các đặc điểm nguyên tử và vi cấu trúc cùng nhau xác định hành vi cơ học vĩ mô. Bản chất đa thang độ cứng của vết lõm khiến nó trở thành một đầu dò mạnh mẽ để hiểu mối quan hệ cấu trúc-tính chất.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Định nghĩa cơ bản về độ cứng vết lõm được thể hiện như sau:

$$H = \frac{F}{A}$$

Trong đó $H$ biểu thị giá trị độ cứng, $F$ là tải trọng được áp dụng và $A$ là diện tích chiếu của vết lõm. Mối quan hệ cơ bản này áp dụng trên nhiều thang độ cứng khác nhau với các sửa đổi để tính đến hình dạng đầu đo cụ thể.

Công thức tính toán liên quan

Đối với độ cứng Brinell (HB), công thức tính toán là:

$$HB = \frac{2F}{\pi D(D-\sqrt{D^2-d^2})}$$

Trong đó $F$ là lực tác dụng (N), $D$ là đường kính của đầu ấn (mm) và $d$ là đường kính của vết ấn (mm).

Đối với độ cứng Vickers (HV), công thức trở thành:

$$HV = \frac{1.8544F}{d^2}$$

Trong đó $F$ là lực $N$ tác dụng và $d$ là chiều dài đường chéo trung bình của vết lõm (mm).

Đối với thử nghiệm ấn lõm bằng dụng cụ, độ cứng có thể được tính như sau:

$$H = \frac{P_{max}} {A(h_c)}$$

Trong đó $P_{max}$ là tải trọng tối đa được áp dụng và $A(h_c)$ là diện tích tiếp xúc được chiếu ở độ sâu tiếp xúc $h_c$.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định biến dạng dẻo phát triển đầy đủ và chỉ có giá trị khi kích thước vết lõm đủ lớn so với các đặc điểm cấu trúc vi mô nhưng đủ nhỏ để kiểm tra vùng quan tâm. Độ sâu vết lõm tối thiểu thường phải vượt quá 20 lần độ nhám bề mặt.

Các mô hình toán học có những hạn chế khi áp dụng cho các vật liệu có độ đàn hồi cao, nơi có sự phục hồi đàn hồi đáng kể sau khi dỡ tải hoặc với các màng rất mỏng nơi các hiệu ứng nền ảnh hưởng đến phép đo. Hầu hết các công thức độ cứng tiêu chuẩn đều giả định tính đẳng hướng và tính đồng nhất của vật liệu.

Các phép tính giả định điều kiện nhiệt độ môi trường và tốc độ tải gần như tĩnh. Phải áp dụng các hiệu chỉnh cho thử nghiệm nhiệt độ cao, điều kiện tải động hoặc khi thử nghiệm vật liệu có tính dị hướng cao trong đó các đặc tính định hướng khác biệt đáng kể.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E10: Phương pháp thử tiêu chuẩn về độ cứng Brinell của vật liệu kim loại - bao gồm thử nghiệm bằng đầu bi có nhiều đường kính và tải trọng khác nhau cho vật liệu rời.

ASTM E92/ISO 6507: Phương pháp thử tiêu chuẩn về độ cứng Vickers của vật liệu kim loại - quy trình chi tiết về vết lõm hình kim tự tháp kim cương trên quy mô vi mô và vĩ mô.

ASTM E18/ISO 6508: Phương pháp thử tiêu chuẩn về độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại - chỉ định các phương pháp sử dụng nhiều hình dạng đầu đo và tải trọng khác nhau để thử nghiệm nhanh.

ISO 14577: Thử nghiệm độ cứng và thông số vật liệu bằng dụng cụ - bao gồm các phương pháp thử nghiệm tiên tiến bao gồm thử nghiệm nanoindentation với chức năng ghi lại tải trọng-biến dạng liên tục.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy kiểm tra độ cứng thông thường bao gồm hệ thống tải, đầu đo và hệ thống đo lường. Chúng bao gồm từ các thiết bị gắn trên bàn đơn giản đến các hệ thống hoàn toàn tự động có khả năng đo quang học.

Nguyên lý cơ bản bao gồm việc áp dụng tải trọng được kiểm soát chính xác thông qua một đầu đo được xác định về mặt hình học (hình cầu, hình nón hoặc hình chóp) và đo biến dạng vĩnh viễn kết quả. Các hệ thống đo lường hiện đại liên tục ghi lại dữ liệu tải trọng-biến dạng trong suốt chu kỳ đo.

Thiết bị tiên tiến bao gồm hệ thống nanoindentation có khả năng phân giải dịch chuyển dưới nanomet và kiểm soát lực micro-Newton, thường được tích hợp với kính hiển vi lực nguyên tử hoặc kính hiển vi điện tử quét để định vị chính xác và phân tích sau thử nghiệm.

Yêu cầu mẫu

Mẫu chuẩn yêu cầu bề mặt phẳng, song song với độ hoàn thiện bề mặt thường tốt hơn 0,8 μm Ra đối với độ cứng vi mô và 0,05 μm Ra đối với vết lõm nano. Độ dày tối thiểu phải bằng ít nhất 10 lần độ sâu vết lõm để tránh ảnh hưởng đến chất nền.

Chuẩn bị bề mặt thường bao gồm mài, đánh bóng và đôi khi là khắc để loại bỏ các lớp cứng do làm việc khỏi quá trình chuẩn bị mẫu. Độ sạch là rất quan trọng để ngăn ngừa ô nhiễm có thể ảnh hưởng đến cơ học tiếp xúc.

Các mẫu phải được hỗ trợ chắc chắn để ngăn ngừa chuyển động trong quá trình thử nghiệm, với khối lượng đủ để hấp thụ lực thử nghiệm mà không bị lệch. Đối với các mẫu hoặc lớp phủ mỏng, có thể cần phải gắn trong phương tiện thích hợp.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) với độ ẩm được kiểm soát để ngăn ngừa quá trình oxy hóa hoặc ngưng tụ bề mặt. Thử nghiệm ở nhiệt độ cao đòi hỏi thiết bị chuyên dụng có buồng môi trường.

Tốc độ tải thường được chỉ định trong khoảng 0,1-10 N/giây đối với thử nghiệm thông thường, trong khi thời gian dừng ở tải tối đa nằm trong khoảng 10-15 giây đối với các thử nghiệm tiêu chuẩn để loại bỏ hiệu ứng biến dạng trong phép đo.

Các thông số quan trọng bao gồm xác minh hình dạng đầu đo, hiệu chuẩn độ tuân thủ của máy và đặc tính độ cứng của khung, đặc biệt đối với phép đo bằng dụng cụ khi các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phép đo.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm đo trực tiếp kích thước vết lõm bằng kính hiển vi quang học cho các thử nghiệm thông thường hoặc đường cong tải trọng-biến dạng cho vết lõm có dụng cụ. Nhiều phép đo (thường là 5-7) được thực hiện để đảm bảo tính hợp lệ về mặt thống kê.

Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy. Các thử nghiệm ngoại lệ có thể được áp dụng để xác định và loại trừ các kết quả đọc bất thường do tính không đồng nhất của vật liệu hoặc hiện tượng thử nghiệm.

Giá trị độ cứng cuối cùng được tính toán bằng công thức phù hợp cho phương pháp thử nghiệm, với các hiệu chỉnh được áp dụng cho độ tuân thủ, hình học của đầu đo hoặc độ trôi nhiệt khi cần thiết. Đối với đầu đo có dụng cụ, các đặc tính bổ sung như mô đun đàn hồi có thể được suy ra từ cùng một tập dữ liệu.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1020)	120-150 HB	3000 kgf, bi 10mm	Tiêu chuẩn ASTM E10
Thép Cacbon Trung Bình (1045)	170-210 HB	3000 kgf, bi 10mm	Tiêu chuẩn ASTM E10
Thép công cụ (D2)	58-62 HRC	150 kgf, hình nón kim cương	Tiêu chuẩn ASTM E18
Thép không gỉ (304)	150-200 HV	10 kgf, kim tự tháp kim cương	Tiêu chuẩn ASTM E92
Thép Maraging (18Ni)	280-350 HB	3000 kgf, bi 10mm	Tiêu chuẩn ASTM E10

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt trong xử lý nhiệt, lịch sử chế biến và sự khác biệt nhỏ về thành phần. Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đặc biệt đến độ cứng trong thép cacbon, trong khi các nguyên tố hợp kim và cơ chế làm cứng kết tủa tạo ra sự khác biệt trong thép đặc biệt.

Các giá trị này đóng vai trò là tiêu chuẩn sàng lọc để chấp nhận vật liệu và kiểm soát chất lượng. Độ cứng cao hơn thường biểu thị khả năng chống mài mòn tốt hơn nhưng có khả năng làm giảm độ dẻo dai hoặc khả năng gia công, đòi hỏi các kỹ sư phải cân bằng các đặc tính này.

Một xu hướng đáng chú ý giữa các loại thép là mối tương quan giữa hàm lượng cacbon và độ cứng có thể đạt được, với thép dụng cụ và thép hợp kim tôi có giá trị cao nhất. Xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng, với thép tôi và thép ram cho giá trị cao hơn so với điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường kết hợp các yêu cầu về độ cứng làm tiêu chí sàng lọc để lựa chọn vật liệu, thường chuyển đổi độ cứng thành cường độ kéo ước tính bằng cách sử dụng các mối quan hệ thực nghiệm như $UTS (MPa) ≈ 3,45 × HB$. Điều này cho phép định cỡ sơ bộ các thành phần dựa trên dữ liệu độ cứng có sẵn.

Các hệ số an toàn được áp dụng khi thiết kế dựa trên các đặc tính có được từ độ cứng thường nằm trong khoảng từ 1,5-2,5, với các giá trị cao hơn được sử dụng cho các ứng dụng quan trọng hoặc khi sự thay đổi vật liệu là đáng kể. Các yếu tố này tính đến các biến thể thống kê trong các đặc tính vật liệu và sự không chắc chắn trong các điều kiện tải.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường sử dụng độ cứng làm bộ lọc ban đầu, đặc biệt đối với các ứng dụng liên quan đến khả năng chống mài mòn, hiệu suất mỏi hoặc cơ học tiếp xúc. Sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai thường thúc đẩy việc lựa chọn vật liệu cuối cùng, đặc biệt là trong các thành phần chịu tải va đập.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong sản xuất ô tô, thử nghiệm độ cứng vết lõm rất quan trọng để kiểm soát chất lượng các thành phần truyền động như bánh răng, trục và ổ trục, nơi độ cứng bề mặt có mối tương quan trực tiếp với khả năng chống mài mòn và tuổi thọ mỏi. Các thành phần được tôi cứng bằng vỏ đòi hỏi phải đo độ cứng chính xác để xác minh độ sâu xử lý.

Ngành công nghiệp chế tạo dụng cụ phụ thuộc rất nhiều vào thông số kỹ thuật về độ cứng đối với dụng cụ cắt, khuôn và thiết bị tạo hình, trong đó độ cứng cực cao (thường >60 HRC) là cần thiết để duy trì độ ổn định về kích thước và khả năng giữ cạnh trong điều kiện sử dụng khắc nghiệt. Các phép đo độ dốc giúp xác minh quá trình xử lý nhiệt thích hợp.

Các ứng dụng bổ sung bao gồm xác minh kết cấu thép trong xây dựng, đánh giá độ cứng đường ray cho cơ sở hạ tầng giao thông và chất lượng vật liệu đường ống trong các lĩnh vực năng lượng. Mỗi ứng dụng đòi hỏi phạm vi độ cứng cụ thể được tối ưu hóa cho môi trường dịch vụ và điều kiện tải.

Đánh đổi hiệu suất

Độ cứng thường biểu hiện mối quan hệ nghịch đảo với độ dẻo dai, tạo ra sự đánh đổi cơ bản trong việc lựa chọn vật liệu. Khi độ cứng tăng, khả năng chống nứt thường giảm, đòi hỏi các kỹ sư phải cân bằng khả năng chống mài mòn với khả năng chống gãy.

Khả năng gia công thường giảm khi độ cứng tăng, tác động đáng kể đến chi phí sản xuất và tỷ lệ sản xuất. Mối quan hệ này thường đòi hỏi phải lựa chọn vật liệu có độ cứng thấp hơn với quá trình xử lý nhiệt tiếp theo hoặc sử dụng các kỹ thuật gia công tiên tiến cho các thành phần đã tôi.

Các kỹ sư thường cân bằng những yêu cầu cạnh tranh này thông qua kỹ thuật vi cấu trúc, chẳng hạn như phát triển các cấu trúc hạt mịn có cả độ bền và độ dẻo dai, hoặc thông qua các phương pháp kỹ thuật bề mặt tạo ra bề mặt cứng trên lõi cứng hơn.

Phân tích lỗi

Mài mòn quá mức là một chế độ hỏng hóc phổ biến ở các thành phần có độ cứng không đủ, biểu hiện là thay đổi kích thước, tăng khoảng hở và cuối cùng là mất chức năng. Bản chất tiến triển của sự mài mòn khiến việc phát hiện sớm trở nên quan trọng thông qua các chương trình giám sát tình trạng.

Cơ chế hỏng hóc thường liên quan đến các quá trình mài mòn hoặc dính loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt tiếp xúc, với tốc độ mài mòn tăng nhanh khi khoảng hở tăng và hiệu quả bôi trơn giảm. Trong các ứng dụng tiếp xúc lăn, mỏi bề mặt có thể dẫn đến rỗ và bong tróc.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm chỉ định mức độ cứng phù hợp cho ứng dụng, sử dụng các phương pháp xử lý làm cứng bề mặt như thấm cacbon hoặc thấm nitơ và thực hiện chế độ bôi trơn thích hợp. Các phương pháp thiết kế như bề mặt chịu mài mòn hy sinh hoặc các thành phần có độ cứng phù hợp cũng có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon đóng vai trò là yếu tố quyết định độ cứng chính trong thép, với mỗi lần tăng 0,1% thường làm tăng độ cứng thêm 15-20 HB trong điều kiện chuẩn hóa. Hiệu ứng này trở nên rõ rệt hơn sau khi tôi do hình thành martensit.

Các nguyên tố vi lượng như bo (30-50 ppm) làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện mà không ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất khác, trong khi phốt pho và lưu huỳnh thường làm giảm độ cứng có thể đạt được và nên được giảm thiểu đối với các ứng dụng có độ cứng cao.

Các phương pháp tối ưu hóa thành phần bao gồm hợp kim vi mô với vanadi, niobi hoặc titan để tạo thành các cacbua mịn góp phần làm cứng kết tủa trong khi vẫn duy trì độ tinh khiết của hạt trong quá trình xử lý nhiệt.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Sự tinh chỉnh kích thước hạt làm tăng độ cứng theo mối quan hệ Hall-Petch, trong đó độ cứng tăng theo tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của đường kính hạt. Hiệu ứng này đặc biệt quan trọng trong thép ferritic, nơi ranh giới hạt là những trở ngại chính đối với chuyển động trật khớp.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng, với martensite cung cấp độ cứng cao nhất (lên đến 65 HRC), tiếp theo là bainite, pearlite và ferrite theo thứ tự giảm dần. Phân số thể tích và hình thái của các pha này quyết định phản ứng độ cứng tổng thể.

Các tạp chất phi kim loại thường làm giảm độ cứng cục bộ và có thể đóng vai trò là chất tập trung ứng suất dẫn đến hỏng sớm. Các phương pháp sản xuất thép hiện đại tập trung vào việc kiểm soát tạp chất thông qua xử lý canxi, khử khí chân không và đông đặc có kiểm soát.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt cung cấp cơ chế kiểm soát độ cứng quan trọng nhất, với quá trình làm nguội và ram cho phép điều chỉnh độ cứng chính xác thông qua kiểm soát biến đổi và lựa chọn nhiệt độ ram sau đó. Làm nguội nhanh thúc đẩy hình thành martensite để có độ cứng tối đa.

Các quy trình gia công cơ học như cán nguội có thể tăng độ cứng thông qua quá trình tôi luyện, với độ cứng có thể tăng từ 30-50% tùy thuộc vào mức độ biến dạng. Hiệu ứng này là kết quả của mật độ sai lệch tăng lên và sự hình thành cấu trúc phụ.

Tốc độ làm nguội trong quá trình xử lý nhiệt ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ cứng có thể đạt được, với tốc độ vượt quá tốc độ làm nguội quan trọng cần thiết để chuyển đổi martensitic hoàn toàn. Hiệu ứng kích thước mặt cắt phải được xem xét vì các mặt cắt dày hơn nguội chậm hơn, có khả năng dẫn đến độ dốc độ cứng.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng của vết lõm, với hầu hết các loại thép đều có độ cứng giảm ở nhiệt độ cao do tính di động của sự sai lệch được tăng cường. Hiệu ứng này trở nên đặc biệt rõ rệt ở nhiệt độ trên 300°C đối với thép cacbon.

Môi trường ăn mòn có thể làm thay đổi độ cứng bề mặt thông qua quá trình hòa tan chọn lọc, giòn do hydro hoặc hình thành các lớp oxit thể hiện các tính chất cơ học khác với vật liệu cơ bản. Những tác động này có thể làm giảm hiệu suất của linh kiện ngay cả khi độ cứng khối vẫn ở mức chấp nhận được.

Các tác động phụ thuộc vào thời gian bao gồm lão hóa do biến dạng trong thép cacbon thấp, có thể làm tăng độ cứng theo thời gian sau khi biến dạng, và các tác động ram trong thép martensitic, có thể làm giảm độ cứng trong quá trình sử dụng ở nhiệt độ cao thông qua quá trình làm thô cacbua.

Phương pháp cải tiến

Các phương pháp luyện kim để tăng độ cứng bao gồm hợp kim hóa vi mô với các nguyên tố tạo thành cacbua (V, Nb, Ti) để tạo ra các chất kết tủa mịn cản trở chuyển động sai lệch và hình thái tạp chất được kiểm soát để giảm thiểu tác động có hại của chúng đến các tính chất cơ học.

Cải tiến dựa trên quá trình xử lý bao gồm xử lý nhiệt cơ kết hợp biến dạng và xử lý nhiệt để tinh chỉnh cấu trúc hạt trong khi kiểm soát các sản phẩm biến đổi. Các kỹ thuật làm cứng bề mặt như làm cứng cảm ứng, làm cứng bằng laser hoặc thấm cacbon tạo ra các bề mặt cứng trên lõi cứng.

Những cân nhắc về thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất độ cứng bao gồm việc chỉ định độ sâu vỏ thích hợp cho các thành phần được làm cứng bề mặt, kết hợp các mức độ cứng để cân bằng khả năng chống mài mòn với khả năng chống va đập và lựa chọn vật liệu ghép nối thích hợp để giảm thiểu hao mòn chất kết dính.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Khả năng chống mài mòn mô tả khả năng của vật liệu chịu được sự mất dần vật liệu khỏi bề mặt của nó, có mối tương quan chặt chẽ với độ cứng thông qua các cơ chế chống mài mòn và chống bám dính trong hầu hết các ứng dụng kỹ thuật.

Độ cứng đề cập đến khả năng tạo thành martensit của thép ở độ sâu cụ thể khi tôi, khác với độ cứng nhưng ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố độ cứng đạt được thông qua xử lý nhiệt.

Độ cứng vi mô đặc biệt đề cập đến các phép đo độ cứng ở quy mô rất nhỏ (thường dưới tải trọng 1 kgf) để đánh giá từng thành phần vi cấu trúc hoặc lớp bề mặt mỏng, trong khi độ cứng nano mở rộng khái niệm này sang quy mô thậm chí còn nhỏ hơn đối với màng mỏng hoặc từng hạt.

Các tính chất này tạo thành một khuôn khổ liên kết để hiểu hiệu suất vật liệu, trong đó độ cứng đóng vai trò là chỉ số dễ đo lường, có mối tương quan với các hành vi cơ học phức tạp hơn.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A370: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn và định nghĩa về thử nghiệm cơ học của sản phẩm thép cung cấp hướng dẫn toàn diện về thử nghiệm độ cứng trong bối cảnh rộng hơn về đánh giá tính chất cơ học của các sản phẩm thép.

JIS G 0559 (Nhật Bản) và GB/T 230 (Trung Quốc) là những tiêu chuẩn khu vực quan trọng với các yêu cầu cụ thể về thử nghiệm độ cứng của thép, có thể khác đôi chút so với các tiêu chuẩn quốc tế về thông số thử nghiệm hoặc tiêu chí chấp nhận.

Các tiêu chuẩn chính khác nhau chủ yếu ở các điều kiện thử nghiệm cụ thể, yêu cầu hiệu chuẩn và mối quan hệ chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng. Các tiêu chuẩn ISO thường nhấn mạnh vào khả năng truy xuất nguồn gốc đo lường, trong khi các tiêu chuẩn ASTM thường cung cấp hướng dẫn chi tiết hơn cho từng ứng dụng cụ thể.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật lập bản đồ độ cứng tự động thông lượng cao để mô tả các biến thể không gian giữa các thành phần, đặc biệt đối với các bộ phận được sản xuất theo phương pháp bồi đắp có độ dốc tính chất vốn có.

Các công nghệ mới nổi bao gồm hệ thống đo lường bằng dụng cụ có độ nhạy tốc độ biến dạng được cải thiện để đánh giá độ cứng động và khả năng thử nghiệm nhiệt độ cao tại chỗ giúp mô phỏng tốt hơn các điều kiện dịch vụ cho các ứng dụng nhiệt độ cao.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp trí tuệ nhân tạo để phân tích vết lõm tự động, tương quan dữ liệu vết lõm với các đặc điểm vi cấu trúc thông qua máy học và các phương pháp đánh giá độ cứng không tiếp xúc sử dụng nguyên lý điện từ hoặc siêu âm để theo dõi quy trình trực tuyến.