Căn mẫu thép giãn nở theo nhiệt gần với chi tiết thép trong xưởng, đổi lại gỉ khi ẩm và phải bôi dầu bảo quản. Căn mẫu gốm zirconia cứng hơn và không gỉ, nhưng hệ số giãn nở thấp hơn thép, nên chênh với chi tiết thép lớn hơn khi nhiệt độ phòng rời mức chuẩn.
Kết luận trên đúng khi dùng căn mẫu làm chuẩn chiều dài để chỉnh dụng cụ hoặc so sánh kích thước chi tiết thép, trong phòng đo của xưởng chứ không phải phòng chuẩn quốc gia. Phạm vi nguồn: bảng hệ số giãn nở và các dữ kiện về lớp vặn dính lấy ở sổ tay căn mẫu của NIST [1]; yêu cầu vật liệu và định nghĩa chiều dài căn mẫu lấy ở tài liệu lịch sử căn mẫu của Mitutoyo [2]; lời của nhà sản xuất về căn mẫu gốm lấy ở trang Starrett [3]. Nguồn đã kiểm không cho trị số độ cứng của gốm zirconia, không so lực vặn dính giữa hai vật liệu, và không cho tuổi thọ theo số lần dùng.
Bảng đối chiếu căn mẫu thép và căn mẫu gốm
| Tiêu chí | Căn mẫu thép | Căn mẫu gốm |
|---|---|---|
| Hệ số giãn nở ở 20 °C, bảng 3.2 của NIST | 11,5 cho căn mẫu dưới 25 mm và 10,6 cho loại 500 mm, đơn vị 10⁻⁶/°C [1] | 9,2 cho gốm zirconia, cùng đơn vị; NIST ghi thấp hơn thép khoảng 20 % [1] |
| So với chi tiết thép trong xưởng | Cùng họ vật liệu nên chênh nhỏ | Chênh hệ số lớn hơn; Mitutoyo xếp "hệ số giãn nở gần với vật liệu chi tiết thông dụng" vào nhóm yêu cầu của căn mẫu [2] |
| Gỉ và ăn mòn | NIST khuyên phủ chất bảo quản khi độ ẩm khu làm việc vượt 50 %; a-xít và muối ăn mòn mặt đo bằng thép [1] | Mitutoyo ghi gốm có bản chất không gỉ so với thép [2]; Starrett quảng cáo căn mẫu gốm loại bỏ rủi ro ăn mòn [3] |
| Độ cứng và chịu mài mòn | NIST dùng đá mài granit đen và đá Arkansas để gạt ba via trên căn mẫu thép [1] | Mitutoyo nêu gốm cứng hơn và chịu mài mòn tốt hơn thép, và chọn zirconia sau khi thử nhiều loại [2] |
| Giòn hay dẻo | Rơi thì có thể phải mài lại hoặc hiệu chuẩn lại [1] | NIST ghi với gốm thuỷ tinh Cervit đời trước: mềm hơn thép, dễ xước, giòn, hay nứt hoặc mẻ [1]; với gốm zirconia đời sau, NIST ghi rất cứng [1] |
| Vặn dính | Lực dính đo được tới 300 N; có tiếp xúc kim loại với kim loại nhưng quá nhỏ để tạo liên kết kim loại [1] | Nguồn đã kiểm không nêu số cho căn mẫu gốm; Mitutoyo chỉ xếp khả năng vặn dính vào nhóm yêu cầu chung của căn mẫu [2] |
| Chiều dài định nghĩa thế nào | Theo Mitutoyo: chiều dài tính từ mặt đo trên của viên vặn dính lên một tấm chuẩn cùng vật liệu, gồm cả bề dày một lớp vặn dính [2] | Cùng định nghĩa; nghĩa là trộn hai vật liệu trong một chồng là ra ngoài điều kiện của định nghĩa [2] |
| Điều kiện phòng đo | Độ ẩm giữ dưới 50 % để chống ăn mòn cả căn mẫu lẫn dụng cụ [1] | Cùng yêu cầu độ ẩm, vì câu của NIST nói về cả dụng cụ trong phòng [1] |
Trị số trong bảng lấy từ sổ tay căn mẫu của NIST và tài liệu Mitutoyo, tra ngày 12/09/2026. Dung sai theo cấp chính xác nằm trong tiêu chuẩn trả phí, bài không trích.
Vì sao hệ số giãn nở thấp hơn chưa chắc là tốt hơn
Bảng 3.2 trong sổ tay căn mẫu của NIST xếp hệ số giãn nở ở 20 °C của các vật liệu trong đo lường kích thước: căn mẫu thép 11,5 với cỡ dưới 25 mm và 10,6 với loại 500 mm, gốm zirconia 9,2, các-bua crôm 8,4, đơn vị 10⁻⁶/°C [1]. NIST cũng viết loại gốm zirconia đang bán có hệ số khoảng 9 × 10⁻⁶/°C, tức thấp hơn thép chừng 20 % [1].
Con số thấp hơn nghe như một ưu điểm. Nhưng Mitutoyo liệt kê yêu cầu của căn mẫu và đặt ở đó một mệnh đề khác hẳn: hệ số giãn nở phải gần với hệ số của vật liệu chi tiết thông dụng [2]. Cách hiểu của bài: khi căn mẫu và chi tiết cùng nở theo một nhịp, phần nở của hai bên triệt tiêu nhau trong phép so sánh; khi hai hệ số lệch nhau, mỗi độ trôi khỏi nhiệt độ chuẩn lại mở thêm một khoảng chênh. Xưởng cơ khí Việt Nam đo chi tiết thép trong phòng không điều hoà chặt, nên đây là điều kiện đáng cân nhắc trước khi đổi vật liệu căn mẫu. Bài toán nhiệt độ chuẩn khi đo nằm ở nhiệt độ chuẩn khi đo và giãn nở nhiệt.
Ngược lại, ở phòng có nhiệt độ ổn định thì khoảng chênh này nhỏ đi. NIST nhận xét về căn mẫu các-bua, loại có hệ số còn thấp hơn gốm, rằng trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát thì chênh lệch giãn nở giữa các-bua và thép dễ xử lý [1]. Bài không mở rộng nhận xét đó sang gốm vì NIST không viết như vậy.
Gỉ: chỗ thép thua rõ
Sổ tay NIST đặt điều kiện bảo quản rất cụ thể cho căn mẫu thép: phủ chất bảo quản để chống gỉ khi độ ẩm tương đối của khu làm việc vượt 50 %; cấm đồ ăn trong khu hiệu chuẩn vì a-xít và muối ăn mòn mặt đo bằng thép; rửa tay để giảm ăn mòn khi không dùng được găng hay kẹp [1]. NIST còn nêu một chi tiết đáng nhớ: căn mẫu không bao giờ được đo ở đúng điều kiện tiêu chuẩn quang phổ, vì áp suất hơi nước tiêu chuẩn tương ứng gần 60 % độ ẩm tương đối, mức đủ để thép gỉ [1].
Mitutoyo ghi chính đặc tính không gỉ, cùng độ cứng và khả năng chịu mài mòn cao hơn thép, là lý do ngành gốm kỹ thuật những năm 1980 được nhắm cho căn mẫu, và zirconia là loại được chọn sau khi thử nhiều vật liệu [2]. Starrett quảng cáo căn mẫu gốm bền hơn căn mẫu thép và loại bỏ rủi ro ăn mòn [3] — đây là lời của nhà sản xuất, bài dẫn nguyên trạng chứ không kiểm chứng được.
Một điểm hay bị bỏ qua: yêu cầu độ ẩm dưới 50 % của NIST viết là để chống ăn mòn căn mẫu và dụng cụ [1]. Đổi căn mẫu sang gốm không gỡ được yêu cầu đó, vì bàn máp, đế gá và dụng cụ so trong phòng vẫn bằng thép. Cách quản chu kỳ và liên kết chuẩn nằm ở hiệu chuẩn thiết bị đo: chu kỳ và liên kết chuẩn.
Vặn dính: cái giữ hai viên căn mẫu không phải chân không
Mitutoyo mô tả tính năng chính của căn mẫu: ghép nhiều viên bằng cách vặn dính để được một chiều dài chính xác, tạo thành một chồng liền khối [2]. Chính vì mỗi mối ghép có một lớp vặn dính, chiều dài của viên căn mẫu được định nghĩa là khoảng cách từ mặt đo trên của viên đã vặn dính lên tấm chuẩn cùng vật liệu đến mặt tấm chuẩn đó, tức đã gộp sẵn bề dày một lớp vặn dính [2]. Cụm từ "cùng vật liệu" trong định nghĩa là chỗ người dùng hai bộ căn mẫu khác vật liệu nên đọc kỹ.
NIST tổng kết những gì đã biết chắc về lớp vặn dính, và đặt trước tiên một mệnh đề bác bỏ cách giải thích phổ biến: lực dính giữa hai viên đo được tới 300 N, trong khi lực khí quyển 101 kPa yếu hơn nhiều so với một lần vặn dính trung bình, và các nghiên cứu cho thấy không có chân không đáng kể giữa hai viên [1]. Có tiếp xúc kim loại với kim loại, nhưng diện tích quá nhỏ để tạo liên kết kim loại [1]. Bề dày lớp vặn dính, theo NIST, thường khoảng 10 nm, có mối dày hơn 25 nm và có mối nhỏ hơn không [1]. Khi hai mặt đã mòn và xước, việc vặn dính trở nên thất thường tới mức không vặn dính được nữa, và NIST khuyên loại viên đó ra [1].
Cách sửa ba via cũng phân theo vật liệu. NIST ghi đá granit đen dùng cho căn mẫu thép để đẩy phần kim loại bị xô trở lại chỗ cũ, còn đá ô-xít nhôm thiêu kết dùng được cho căn mẫu thép hoặc căn mẫu các-bua [1]. Nền chung về căn mẫu và tiêu chuẩn của nó nằm ở căn mẫu gauge block theo ISO 3650.
Ba mẹo sai hay gặp về căn mẫu
Mẹo sai 1: "Hệ số giãn nở càng thấp thì căn mẫu càng chuẩn." Mitutoyo xếp yêu cầu là hệ số giãn nở gần với vật liệu chi tiết thông dụng, không phải càng thấp càng tốt [2]. Bảng của NIST cho thấy khoảng cách cụ thể: thép 11,5 và gốm zirconia 9,2, đơn vị 10⁻⁶/°C [1].
Mẹo sai 2: "Hai viên căn mẫu dính vào nhau nhờ hút chân không." NIST viết lực khí quyển 101 kPa yếu hơn nhiều so với một lần vặn dính trung bình, và các nghiên cứu cho thấy không có chân không đáng kể giữa hai viên; lực dính đo được tới 300 N [1].
Mẹo sai 3: "Dùng căn mẫu gốm thì khỏi lo độ ẩm phòng đo." Câu của NIST về ngưỡng 50 % viết cho việc chống ăn mòn cả căn mẫu lẫn dụng cụ trong phòng [1]. Bàn máp và dụng cụ so vẫn bằng thép; xem bàn máp và thước đo cao.
Bảng quyết định: thấy gì tại xưởng thì chọn loại nào
| Thấy hoặc đo được tại xưởng | Nghiêng về | Căn cứ |
|---|---|---|
| Chi tiết cần so là thép, phòng đo không giữ được nhiệt độ ổn định | Căn mẫu thép | Yêu cầu hệ số giãn nở gần vật liệu chi tiết [2]; khoảng cách hệ số giữa hai vật liệu [1] |
| Nhiệt kế trong phòng đo dao động ít, có thời gian cân bằng nhiệt trước khi đo | Chênh giãn nở bớt quan trọng; cân nhắc theo tiêu chí mòn và gỉ | Nhận xét của NIST về môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát [1] |
| Ẩm kế trong khu làm việc đọc trên 50 % | Phủ chất bảo quản cho căn mẫu thép, và xử lý độ ẩm cho cả phòng | Khuyến nghị phủ chống gỉ và ngưỡng độ ẩm của NIST [1] |
| Mặt đo của căn mẫu thép đã có vết gỉ chấm | Ngừng dùng viên đó cho việc chuẩn; kiểm khả năng vặn dính trước khi quyết | Mặt mòn và xước làm vặn dính thất thường, NIST khuyên loại [1] |
| Bộ căn mẫu dùng nhiều lần mỗi ngày, hay bị va chạm | Cân nhắc gốm vì độ cứng và chịu mài mòn | Lý do ngành gốm kỹ thuật được nhắm cho căn mẫu, theo Mitutoyo [2] |
| Trong tay có cả bộ thép lẫn bộ gốm, định ghép chung một chồng | Không trộn; ghép trong cùng một bộ vật liệu | Định nghĩa chiều dài căn mẫu gắn với tấm chuẩn cùng vật liệu [2] |
| Cần biết viên căn mẫu đang sai bao nhiêu | Gửi hiệu chuẩn; không suy từ vật liệu | Vật liệu không nói gì về sai lệch của một viên cụ thể |
Nguồn và giới hạn
Tra ngày 12/09/2026. Mọi câu dẫn đã đối chiếu nguyên văn trên bản tải trực tiếp từ trang nguồn.
- [1] NIST, Gauge Block Handbook (Monograph 180, PDF): https://www.nist.gov/system/files/documents/calibrations/mono180.pdf — bảng hệ số giãn nở ở 20 °C; nhận xét về gốm Cervit và gốm zirconia; bảo quản chống gỉ và ngưỡng độ ẩm; các dữ kiện về lớp vặn dính; đá mài ba via theo vật liệu.
- [2] Mitutoyo, The History of the Gage Block (PDF E12016): https://www.mitutoyo.com/webfoo/wp-content/uploads/E12016-History-of-The-Gage-Block.pdf — định nghĩa chiều dài căn mẫu gắn với tấm chuẩn cùng vật liệu; danh sách yêu cầu vật liệu căn mẫu; lý do chọn gốm zirconia.
- [3] Starrett, Ceramic Gage Blocks (trang sản phẩm): https://www.starrett.com/products/gage-blocks-and-calibration-solutions/gage-blocks-and-sets/ceramic — lời của nhà sản xuất về độ bền và ăn mòn của căn mẫu gốm.
- Tiêu chuẩn, chỉ dẫn tên và số hiệu: ISO 3650 Geometrical Product Specifications (GPS) — Length standards — Gauge blocks. Tài liệu trả phí; bài không trích dung sai theo cấp chính xác.
Bảng này không dùng cho:
- Dung sai chiều dài và độ phẳng theo từng cấp căn mẫu: bài không nêu.
- Trị số độ cứng của gốm zirconia hay của thép căn mẫu: bài không nêu.
- So sánh theo mã hàng, theo hãng hay theo giá: bài không làm.
- Căn mẫu các-bua vonfram và các-bua crôm: chỉ được nhắc tên trong bảng hệ số giãn nở, không đối chiếu.
Không xác định được từ bài này: lực vặn dính và bề dày lớp vặn dính của căn mẫu gốm — số 300 N và 10 nm dẫn ở trên là số NIST nêu trong phần về căn mẫu nói chung, mà mục đó mô tả tiếp xúc kim loại với kim loại; và tuổi thọ thực của hai loại, vì chỉ có lời quảng cáo của nhà sản xuất, không có số đo.
Cần chính xác hơn: đọc phần tiêu chuẩn và cách dùng ở căn mẫu gauge block theo ISO 3650; phân biệt mức chia đọc được với mức tin được ở độ phân giải và độ chính xác của dụng cụ đo.
Câu hỏi thường gặp
Hệ số giãn nở của căn mẫu thép và căn mẫu gốm là bao nhiêu? Bảng 3.2 trong sổ tay căn mẫu của NIST ghi ở 20 °C: căn mẫu thép 11,5 với cỡ dưới 25 mm và 10,6 với loại 500 mm, căn mẫu gốm zirconia 9,2, đơn vị 10⁻⁶/°C [1].
Vặn dính căn mẫu là gì và vì sao hai viên dính chặt? Là cách ghép nhiều viên thành một chồng liền khối để được chiều dài cần thiết [2]. NIST viết lực dính đo được tới 300 N, không có chân không đáng kể giữa hai viên, và phần lớn lực đến từ lớp chất lỏng rất mỏng nằm giữa hai mặt [1].
Căn mẫu gốm có cần bảo quản chống gỉ không? Mitutoyo ghi gốm có bản chất không gỉ so với thép [2]. Nhưng yêu cầu giữ độ ẩm dưới 50 % của NIST viết cho việc chống ăn mòn cả căn mẫu lẫn dụng cụ trong phòng đo [1], nên phòng vẫn phải kiểm soát độ ẩm.
Ghép chung căn mẫu thép với căn mẫu gốm trong một chồng được không? Định nghĩa chiều dài căn mẫu mà Mitutoyo dẫn gắn với tấm chuẩn cùng vật liệu và đã gộp sẵn bề dày một lớp vặn dính [2]. Trộn hai vật liệu là ra ngoài điều kiện của định nghĩa đó; bài không có số về sai lệch kéo theo.
Căn mẫu gốm có giòn không? Nguồn nói theo từng loại gốm. NIST ghi gốm thuỷ tinh Cervit đời trước mềm hơn thép, dễ xước, giòn, hay nứt hoặc mẻ, và nay không còn sản xuất; còn về gốm zirconia đang bán, NIST ghi các viên này rất cứng [1].
Khi nào nên loại một viên căn mẫu? NIST viết khi các viên đã mòn và xước, việc vặn dính trở nên thất thường tới mức không vặn dính được nữa, và khuyên loại viên đó ra [1]. Trước đó, hư nhẹ có thể sửa bằng đá mài ba via đúng loại theo vật liệu [1].