Độ cứng tế vi là một trong những thông số quan trọng của chất lượng bề mặt và được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng đến khả năng hoạt động (làm việc) của chi tiết và có ảnh hưởng đến tuổi thọ chi tiết. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng bề mặt biến cứng sẽ tăng độ bền mỏi của chi tiết lên khoảng 20%, tăng độ chống mòn lên từ 2 đến 3 lần (hạn chế khả năng gây ra các vết nứt phá hỏng chi tiết). Tuy nhiên bề mặt quá cứng làm giảm độ bền mỏi của chi tiết [11], [13].
2.2.1. Đo độ cứng tế vi
30
chống ăn mòn, chống mài mòn và bắt đầu các vết nứt do mỏi [64]. Khả năng gia công thấp của hợp kim titan và độ cứng tế vi cao của những vật liệu này dẫn đến sự mài mòn dụng cụ cắt nhanh và nghiêm trọng trong q trình gia cơng khơng tưới nguội [40]. Phép đo độ cứng tế vi được sử dụng để xác định các thay đổi tổ chức trong các lớp và lớp trắng dưới bề mặt gia công. Độ bền mỏi của chi tiết sau khi gia công bị ảnh hưởng nhiều bởi ứng suất dư, thay đổi tổ chức của vật liệu (cấu trúc tế vi và độ cứng tế vi) và sự xuất hiện của các bất thường trên bề mặt [48].
Nguyên tắc của phương pháp kiểm tra độ cứng là tác dụng lực tập trung vào mũi đâm lên bề mặt của mẫu vật liệu sau đó đo các kích thước của vết lõm (độ sâu của lõm hoặc diện tích bề mặt thực tế của vết lõm).
Dựa vào giá trị lực tác dụng và các kích thước của vết lõm, độ cứng được chia thành các cấp như độ cứng vĩ mô, độ cứng vi mô và độ cứng nano.
Các phương pháp kiểm tra độ cứng vĩ mô (Rockwell, Brinell, Vickers) là những phương pháp được sử dụng nhiều nhất để đo độ cứng nhanh thông thường. Lực tác dụng của phương pháp này dao động từ 50N tới 30.000N.
Các phương pháp đo độ cứng vi mô (micro-Vickers, Knoop) được sử dụng khi đo độ cứng bề mặt, hay đo độ cứng của lớp phủ bề mặt vật liệu hoặc độ cứng của các pha khác nhau đối với vật liệu đa pha. Đầu chóp tập trung lực tác dụng làm bằng kim cương và lực tác dụng thường nhỏ, dao động từ 10 tới 1000gf.
Các phương pháp kiểm tra độ cứng cấp Nano có lực tác dụng nhỏ, khoảng 1nN, đồng thời độ sâu của vết lõm cũng được đo một cách chính xác.
Đối với phương pháp đo độ cứng Vickers, mũi đâm Vickers là viên kim cương hình tháp 136o và có đáy hình vng. Vết tác động lên bề mặt ở phương pháp Vickers thì rõ ràng hơn so với phương pháp Brinell, do đó
31
phương pháp Vickers có tính chính xác cao hơn. Lực tác dụng từ 1kgf tới 120kgf, thời gian tác dụng thường trong 30s.
Giá trị chỉ số độ cứng HV được xác định thao công thức:
2 1.854 F HV D 2 (kgf /mm ) (2.4) với: F: lực tác dụng
D: chiều dài đường chéo của vết lõm. Hay ta có: 2 0.1891 F HV D (N/mm2) (2.5)
Chiều dài đường chéo vết lõm được xác định bằng kính hiển vi, nó thường là bộ phận tích hợp với máy đo độ cứng. Sơ đồ 2.3 thể hiện cách đo độ cứng Vickers.
2.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi
Trong quá trình gia công tiện, các thông số cơng nghệ có ảnh hưởng a) b)
Hình 2.3. Nguyên lý đo độ cứng Vickers: (a) Giản đồ lực phép thử độ
32
khác nhau đến độ cứng tế vi bề mặt. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra sự khác biệt về ảnh hưởng của vận tốc cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt trong từng kết quả cụ thể.
Schwach và đồng nghiệp trong tài liệu [92] đã nghiên cứu tác động của tính tồn vẹn bề mặt khi tiện thép chịu lực SUS5210 bằng ứng suất dư và đo lớp trắng. Lớp trắng có độ cứng tế vi tăng lên khi so sánh với vật liệu nền và liên quan đến ứng suất dư kéo. Pawade và đồng nghiệp [79] tối ưu hóa các thơng số gia cơng để phân tích tính tồn vẹn bề mặt khi tiện Inconel 718. Các thông số đầu vào được sử dụng như vận tốc cắt, lượng tiến dao, chiều sâu cắt, hình dạng lưỡi cắt và thơng số đầu ra là ứng suất dư, độ cứng tế vi và mức độ biến cứng. Kết quả cho thấy rằng tính tồn vẹn bề mặt tốt có được nhờ vận tốc cắt cao hơn, lượng tiến dao thấp hơn và chiều sâu cắt vừa phải với hình dạng lưỡi cắt được mài. G. H. Senussi và đồng nghiệp [93] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ cứng tế vi của phoi trong quá trình tiện thép SUS304. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu để xây dựng mối quan hệ giữa các tham số đầu vào và đầu ra. Kết quả cho thấy giá trị độ cứng tế vi phoi được tăng lên ở vận tốc cắt thấp hơn. Tương tự như vậy, Thakur và các tác giả trong tài liệu [36] đã phân tích độ cứng tế vi của phoi khi tiện Inconel 718. Kết quả cho thấy rằng phân tích phoi được sử dụng để nghiên cứu khả năng gia công của vật liệu. Ebrahimi và đồng nghiệp [43] đã tiến hành gia công hợp kim titan bằng dụng cụ phủ cacbua và kết quả cho thấy khi vận tốc cắt tăng từ 55m/phút lên 75m/phút và cao hơn là 95 m/phút thì độ biến cứng tăng lên.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của lượng tiến dao đến độ cứng tế vi, nhiều nhà nghiên cứu đánh giá lượng tiến dao có ảnh hưởng khơng đáng kể đến độ cứng tế vi khi gia công tiện các loại thép SUS316 [78], SUS4340 [87], SUS1045 [90], ngược lại nhiều tác giả lại nhận định khi tăng lượng tiến dao
33
sẽ dẫn đến độ cứng bề mặt tăng lên khi tiện thép SUS304 [93], hợp kim Ti-64 [28], nghiên cứu trong tài liệu số [25] cho biết độ cứng tăng khi lượng tiến dao thấp khi tiện thép Austenit 12-Mn.
Chiều sâu cắt ảnh hưởng nhiều đến độ cứng, chiều sâu cắt tăng dẫn đến độ cứng tăng khi tiện thép SUS316 [78], SUS304 [93].
Vận tốc cắt là thông số quan trọng ảnh hưởng đến độ cứng khi tiện thép hợp kim Ti-64 [28].
Do vậy cần nghiên cứu cụ thể để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng tế vi bề mặt khi tiện thép SUS304 và xây dựng mơ hình tốn học để dự đốn giá trị trị độ cứng tế vi tiến tới tối ưu hóa q trình gia công.