Giáo trình Thí nghiệm Vật liệu học: Phần 1

Phần 1 cuốn giáo trình Thí nghiệm Vật liệu học cung cấp cho người đọc các kiến thức: Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của kim loại, đo độ cứng và nghiên cứu quá trình tôi thép, nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim Fe – C, nghiên cứu tổ chức gang graphite. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

MỤC ĐÍCH YÊU CẦU

- Đánh giá được tầm quan trọng của công tác chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi

- Tìm hiểu tổ chức tế vi của kim loại và hợp kim

- Thực hành các bước để chuẩn bị mẫu nghiên cứu: chọn mẫu, cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát

- Chọn dung dịch tẩm thực thích hợp

- Sử dụng thiết bị và vật tư cho việc làm mẫu nghiên cứu.

LÝ THUYẾT

Cấu tạo của kim loại và hợp kim

Hình 1.1 Hạt và biên giới hạt

Vật liệu kim loại thường có cấu tạo gồm nhiều đơn tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau, tạo thành đa tinh thể Đơn tinh thể được coi là tinh thể hoàn chỉnh, trong khi đa tinh thể là tập hợp của nhiều đơn tinh thể Mỗi đơn tinh thể trong đa tinh thể được gọi là hạt tinh thể, vì vậy cấu trúc đa tinh thể còn được hiểu là cấu trúc (tổ chức) hạt (Hình 1.1).

Các nguyên tử trong tinh thể luôn có sự sắp xếp có trật tự, tạo nên cấu trúc tinh thể ổn định ở bên trong Ngược lại, các nguyên tử ở bề mặt của tinh thể thường có sự sắp xếp không trật tự do chịu tác động của các hạt xung quanh.

Hợp kim là hệ chất được cấu thành từ một hoặc nhiều pha, mỗi pha mang đặc tính riêng biệt về cơ tính, lý tính và hoá tính Mục đích của công tác chuẩn bị mẫu là nghiên cứu và phân biệt rõ cấu trúc hạt, biên giới hạt và các pha bên trong hợp kim Khi quan sát dưới kính hiển vi kim loại, người ta xác định tổ chức hạt, sự phân bố các pha và đặc trưng vi cấu trúc để đánh giá tính chất và ứng dụng của vật liệu.

Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi

Nghiên cứu tổ chức tế vi là quá trình quan sát hình ảnh phóng đại của bề mặt mẫu đã được chuẩn bị bằng kính hiển vi, nhằm làm rõ cấu tạo và tổ chức của kim loại và hợp kim; từ đó nhận diện mối liên hệ giữa tổ chức quan sát được với các đặc tính cơ tính và lý tính của vật liệu.

Để có được hình ảnh tổ chức tế vi của mẫu đã tẩm thực, ta thực hiện lần lượt các bước: cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực và quan sát Sau bước đánh bóng, nếu chiếu chùm tia sáng vuông góc vào mặt mẫu đã được đánh bóng, chùm tia sẽ phản xạ toàn phần và mẫu sẽ sáng bóng khi quan sát dưới kính hiển vi Tiếp đó, dùng dung dịch thích hợp để ăn mòn trên mặt mẫu đã đánh bóng (tẩm thực) Do các pha trong kim loại có tính chất hóa học khác nhau nên ở từng pha và giữa hạt tinh thể với biên giới hạt khác nhau sẽ có mức ăn mòn khác nhau, từ đó làm xuất hiện độ mấp mô Sự tương phản sáng tối giữa các pha, hạt và biên giới hạt sẽ làm nổi bật tổ chức tế vi của kim loại – hợp kim (Hình 1.2).

Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi

Hình 1.3 Nguyên lý phản xạ của kính hiển vi kim loại

Nguyên lý quan sát của hệ thống là phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu đã được chuẩn bị và quan sát bằng kính hiển vi, với tín hiệu thu được là ánh sáng phản xạ từ bề mặt mẫu (Hình 1.3) Độ phóng đại của kính hiển vi quang học thông thường nằm ở mức phù hợp để quan sát chi tiết cấu trúc và đặc trưng bề mặt, như nhám, rãnh và các khuyết tật Việc sử dụng ánh sáng phản xạ làm tín hiệu cho phép tăng cường độ tương phản và nhận diện chính xác các đặc điểm trên bề mặt mẫu.

Độ phóng đại của kính hiển vi quang học dao động từ 80x đến 2000x, được tính theo tích số độ phóng đại của vật kính, độ phóng đại của thị kính và hệ số hiệu chỉnh; để quan sát ở độ phóng đại cao hơn, ta phải dùng kính hiển vi điện tử a) Vết nứt tế vi; b) Rỗ khí.

Hình 1.4 Khuyết tật tế vi của vật liệu

Nhờ kính hiển vi, ta có thể quan sát tổ chức của các pha, sự phân bố, hình dáng và kích thước của chúng trong vật liệu Đối với gang graphite, việc quan sát bằng kính hiển vi cho phép dễ dàng xác định hình dáng, kích thước và mức độ phân bố của graphite trên pha nền Bên cạnh đó, hình ảnh từ kính hiển vi còn giúp phát hiện các khuyết tật của vật liệu như vết nứt tế vi, rỗ và các tạp chất (hình 1.4).

THÍ NGHIỆM

Chọn và cắt mẫu

Tùy theo yêu cầu và nhiệm vụ của nghiên cứu và thí nghiệm mà chọn vị trí và phương pháp cắt mẫu cho phù hợp Việc cắt mẫu cần được tiến hành cẩn thận để đảm bảo không làm ảnh hưởng đến tổ chức tế bào của mẫu trong quá trình cắt Đối với các thép và gang đã nhiệt luyện, yêu cầu về nhiệt độ tại vị trí cắt không vượt quá 100°C Kích thước mẫu thường là:

10x10 hoặc 10x10 (mm 2 ), tối thiểu là 3 mm 2 và ít nhất phải có một mặt phẳng để có thể quan sát tổ chức tế vi

Hình 1.5 Máy cắt mẫu Abrasimatic 300 Buehler

Dựa vào mục đích quan sát, mẫu có thể được cắt theo tiết diện ngang hoặc theo dọc trục Cắt theo tiết diện ngang cho phép quan sát sự thay đổi tổ chức từ bề mặt vào lõi, trong khi cắt theo chiều dọc trục phục vụ nghiên cứu tổ chức dạng thớ, sợi (Hình 1.6) a) Cắt theo tiết diện ngang; b) Cắt theo tiết diện dọc.

Hình 1.6 Các kiểu cắt mẫu

Bàn kẹp mẫu Đá cắt

Chi tiết cần cắt Đầu di động của máy

Nếu mẫu quan sát nhỏ cần phải dùng kẹp để giữ mẫu hoặc đổ khuôn cố định mẫu (Hình 1.7).

Mài mẫu

Mẫu được mài trên máy mài hoặc đánh bằng giấy nhám hạt thô sao cho hai mặt trên dưới là mặt A và mặt B song song với nhau, sau đó vát mép Quá trình mài và làm nhám này đảm bảo hai mặt phẳng và song song, giúp đạt được độ chính xác kích thước và chất lượng bề mặt cần thiết Việc vát mép được thực hiện để làm gọn cạnh, tăng tính thẩm mỹ và khả năng lắp ghép trong các bước gia công tiếp theo.

Hình 1.8 Máy mài đá hai đầu Makita

Giấy nhám có các số 180, 240, 320, 400, 600… thể hiện hạt mài trên 1 cm^2 và các con số này cho biết độ mịn của giấy nhám, ảnh hưởng đến tốc độ gia công và chất lượng hoàn thiện bề mặt Khi gia công với mẫu làm từ nhôm hoặc đồng và các hợp kim của chúng, giấy nhám cần mịn hơn để tránh làm xước và đạt bề mặt nhẵn hơn Vì vậy, từ tờ thứ tư trở đi, giấy nhám nên có độ mịn từ 400 trở lên nhằm tối ưu hóa quá trình đánh bóng và chất lượng sản phẩm.

Quy trình mài được thực hiện ở vận tốc từ 600 đến 1500 vòng/phút Đầu tiên dùng giấy nhám 180, đặt giấy nhám trên mặt bàn phẳng (tấm kính) Dùng tay nắm chắc mẫu, tì nhẹ mặt mẫu lên giấy nhám tại vị trí 1, đẩy mẫu đến vị trí 2, sau đó nhấc mẫu khỏi bề mặt giấy nhám, đưa về vị trí 1 và lặp lại động tác cho đến khi hoàn tất.

Hình 1.9 Mài mẫu trên giấy nhám

Vát mép Đường song song

Quá trình mài bắt đầu với khoảng 50 đến 70 lần để bề mặt mẫu chỉ còn lại các đường mài song song Tiếp theo, xoay mẫu 90 độ và tiếp tục mài trên giấy nhám nhằm loại bỏ các vết xước cũ và hình thành các vết xước mới Quá trình này được lặp lại bằng cách thực hiện bước mài và xoay mẫu từ ba đến năm lần để đạt được bề mặt nhám đều và sạch các vết xước.

Quan sát bằng mắt thường và kiểm tra các vết xước Nếu nhận thấy các vết xước đều và sâu như nhau, hãy xoay bề mặt 90 độ để đánh giá ở góc khác Tiếp tục với giấy nhám ở các cỡ lần lượt 240, 320 và cuối cùng 400 để mài mịn và làm nhẵn bề mặt.

Chú ý: Khi chuyển từ giấy mài thô sang giấy mịn hơn phải lau sạch mẫu để tránh hạt mài thô bám trên mẫu chuyển sang giấy nhám mịn hơn.

Đánh bóng

Sau khi hoàn tất mài thô và đạt được bề mặt phẳng nhưng vẫn còn vết xước mịn, cần rửa sạch mẫu và tiến hành đánh bóng để xóa các vết xước trên bề mặt Đánh bóng mẫu được thực hiện trên miếng dạ hoặc vải nỉ được gắn trên máy đánh bóng, như minh họa tại Hình 1.10 Một số hỗn hợp đánh bóng mẫu thông dụng được thể hiện trong Bảng 1.1.

Hình 1.10 Máy mài và đánh bóng mẫu EcoMet 30 Buehler Bảng 1.1 Thành phần hỗn hợp đánh bóng thông dụng

Sau khi đánh bóng xong, cần rửa mẫu thật sạch và sấy khô trước khi quan sát bằng kính hiển vi Nếu sau khi đánh bóng mà trên kính hiển vi vẫn còn vết xước, hãy tiến hành đánh bóng lại để loại bỏ vết xước và đạt được bề mặt nhẵn mịn.

Tẩm thực

Bề mặt mẫu trước khi tẩm thực phải sạch vết xước, rỉ sét và tạp chất để bảo đảm kết quả nghiên cứu tổ chức tế vi Muốn nghiên cứu tổ chức tế vi, cần thực hiện tẩm thực cho mẫu, tức quá trình ăn mòn bề mặt kim loại bằng các dung dịch hóa học thích hợp Dung dịch này được gọi là dung dịch tẩm thực, và một số dung dịch tẩm thực thông dụng được trình bày ở Bảng 1.2.

Bảng 1.2 Một số dung dịch tẩm thực thông dụng

TT Thành phần dung dịch Công dụng Ghi chú

1 4% acid HNO 3 trong cồn (Nital) Gang, thép carbon

Dùng ngay sau khi pha

2 4% acid picric trong cồn (Picral) Gang, thép carbon

Phân biệt giữa ferrite và cementite trong Pearlite tấm

4 20 cm 3 HCl đậm đặc + 5g CuSO4+

5 3 phần HCl + 1 phần HNO3 Thép không gỉ

6 3% FeCl 2 trong dung dịch 10% HCl Hợp kim đồng

7 Dung dịch 0.5% HF trong nước Hợp kim nhôm

Đối với thép carbon, sử dụng dung dịch Nital 4% để ăn màu mẫu Thời gian ngâm mẫu vào dung dịch từ vài giây đến vài chục giây, tùy thuộc vào trạng thái và thành phần của kim loại và hợp kim.

Hình 1.11 Tẩm thực và rửa mẫu

Bông tẩm dung dịch tẩm thực

Để đảm bảo dung dịch ăn mòn được phân bố đều trên bề mặt mẫu, hãy dùng bông tẩm và xoay nhanh, đều trên toàn diện tích bề mặt Tiếp theo rửa sạch bề mặt mẫu dưới vòi nước chảy để tránh ăn mòn hóa học sâu vào bề mặt kim loại Cuối cùng rửa lại bằng cồn, lau khô và sấy nhẹ mẫu với thời gian sấy ngắn để hạn chế hiện tượng oxy hóa.

Nếu quan sát trên kính hiển vi, các đường biên giới hạt đứt đoạn là tẩm thực chưa đủ thời gian, phải đem tẩm thực thêm Ngược lại, bề mặt mẫu có màu đen đậm, độ tương phản kém thì mẫu đã tẩm thực quá lâu, phải đem đánh bóng và tẩm thực lại.

Quan sát trên kính hiển vi

Cấu tạo kính hiển vi kim loại gồm: vật kính, thị kính, bàn mẫu, nguồn sáng, núm điều chỉnh thô, tinh,…

Hình 1.12 Kính hiển vi kim loại

- Bước 1: Cắm điện, bật công tắc đèn, điều chỉnh ánh sáng phù hợp (không nên để đèn sáng quá dễ đứt tim bóng đèn)

- Bước 2: Chọn vật kính, thị kính; điều chỉnh dãn cách mắt

- Bước 3: Đặt mẫu lên bàn mẫu, dùng núm điều chỉnh để mẫu ở vị trí trực diện với vật kính

Ở bước 4, phối hợp điều chỉnh núm thô với quan sát qua thị kính Khi ánh sáng trong thị kính đã đủ sáng để nhìn thấy tổ chức tế bào, tiến hành điều chỉnh nhẹ nhàng từng chút một để hình ảnh trở nên sắc nét ở mức vi mô và vẫn ở trạng thái hơi mờ, nhằm cho phép quan sát chi tiết tế bào một cách chính xác.

- Bước 5: Điều chỉnh núm tinh để nhìn rõ tổ chức tế vi

Núm điều chỉnh cường độ ánh sáng

QUY TRÌNH CHUẨN BỊ MẨU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI

- Máy mài đá hai đầu

- Hỗn hợp Cr 2 O 3 + H 2 O trên vải nỉ

- Dung dịch 4% Nital (thép carbon)

- Rửa sạch → lau khô → sấy

- Xước → mài nhám/ đánh bóng

- Tẩm thực đậm → đánh bóng lại

- Tẩm thực mờ → tẩm thực thêm

NỘI DUNG BÁO CÁO

Sinh viên nộp mẫu và hình chụp tổ chức tế vi cho giảng viên hướng dẫn, trình bày đầy đủ độ phóng đại của kính hiển vi, các pha quan sát và các tổ chức trong mẫu quan sát.

NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM

- Phân tích được giản đồ trạng thái Fe-C

- Quan sát tổ chức tế vi của mẫu thép và gang trắng ở trạng thái cân bằng

- Phân biệt được sự khác nhau giữa tổ chức tế vi của thép và gang trắng.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.1 Các dạng thù hình của sắt

Hình 2.1 Các dạng thù hình của sắt

Sắt có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau, tùy thuộc vào nhiệt độ:

- Nhiệt độ dưới 911 0 C: Sắt có kiểu mạng lập phương thể tâm Kí hiệu: Feα

- Từ 911 0 C đến 1392 0 C: Sắt có kiểu mạng lập phương diện tâm Kí hiệu: Feγ

- Từ 1392 0 C đến 1539 0 C: Sắt có kiểu mạng lập phương thể tâm Kí hiệu: Feδ

Cơ tính của sắt ở nhiệt độ thường:

- Nhiệt độ nóng chảy là 1539 0 C; Độ cứng = 80 HB;  = 50%

2.2.2 Các dạng thù hình của C a) Graphite (Lục giác xếp lớp) b) Mạng kim cương

Hình 2.2 Các kiểu mạng tinh thể của carbon

Carbon cũng có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau:

- Vô định hình: than khoáng sản, than gỗ

- Graphite: có kiểu mạng lục giác xếp lớp

2.2.3 Tương tác giữa Fe và C

Ferrite là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong Feα Hàm lượng carbon tối đa hòa tan trong ferrite là 0,02% ở 727°C Ferrite có độ bền thấp, độ cứng thấp và độ dẻo cao Ký hiệu của ferrite thường gặp là F, α, Feα(C) hoặc δ = Feδ(C).

Hình 2.4 Tổ chức tế vi của ferrite

(dung dịch tẩm thực 4% Nital)

Hình 2.5 Austenite (tẩm thực bằng ba phần HCl + một phần HNO 3 ) Đường song tinh

Austenite là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong Fe Ký hiệu:

A, As,  hoặc Fe(C) Austenite tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 727 ° C, là pha có độ bền khá cao, độ dẻo cao, độ cứng thấp Hàm lượng carbon lớn nhất trong austenite là 0,02% ở 727°C, và 2,14% ở 1147°C

Hình 2.6 Mạng tinh thể của Cementite

Cementite (Fe3C), ký hiệu là Ce, là pha trung gian giữa sắt và C, có độ cứng rất cao đạt 800 HV (tương đương 800 HB) và khả năng chống mài mòn tốt, nhưng lại rất giòn Thành phần carbon trong cementite tính theo trọng lượng là 6,67% Cementite có kiểu mạng lập phương phức tạp, gồm Ce I (Hình 2.8), Ce II (Hình 2.9) và Ce III.

2.2.4 Giản đồ trạng thái Fe-C Đây là loại giản đồ cân bằng giả ổn định, giản đồ trạng thái Fe – C (còn gọi là Giản đồ trạng thái Fe - Fe 3 C) được sử dụng rộng rãi trong thực tế Phụ thuộc vào hàm lượng carbon trong hợp kim mà người ta chia hợp kim Fe-C thành hai loại: thép 0,02% < %C  2,14% và gang trắng 2,14% < %C < 6,67%

Hình 2.7 Giản đồ trạng thái Fe - Fe3C

Bảng 2.1 Trạng thái các điểm từ giản đồ pha Fe - C Điểm Nhiệt độ 0 C % C Điểm Nhiệt độ 0 C % C

2.2.5 Các tổ chức cơ bản

2.2.5.1 Các tổ chức một pha

1 Dung dịch lỏng: Là sự hòa tan của carbon và sắt, tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ của đường ABCD

2 Cementite (Ce hay Fe 3 C): Là pha trung gian, thành phần chứa

6,67%C (trên giản đồ trạng thái nó biểu thị bằng đường thẳng DFKL)

- Cementite thứ nhất (Ce I , Fe 3 C I ) được tạo thành khi làm nguội dung dịch lỏng có hàm lượng carbon cao hơn 4,3%

Khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của đường CD (1600°C ÷ 1147°C), dung dịch lỏng sẽ tiết ra Ce I Quá trình hình thành Ce I diễn ra ở nhiệt độ cao và bị bao quanh bởi dung dịch lỏng nên nó có kích thước lớn nhất Ce I xuất hiện dưới dạng vệt sáng dài, được gọi là "đại lộ cementite".

Hình 2.8 Tổ chức tế vi gang trắng sau cùng tinh

- Cementite thứ hai (Ce II , Fe 3 C II ) được tạo thành khi làm nguội dung dịch rắn austenite có hàm lượng carbon cao hơn 0,8%

Khi nhiệt độ của Austenite này nhỏ hơn nhiệt độ của đường ES

(1147 0 C÷727 0 C), độ hòa tan của carbon trong sắt austenite giảm từ 2,14% xuống còn 0,8% thì austenite sẽ tiết ra Ce II Ở nhiệt độ thường

CeII có thể là các hạt màu sáng hoặc có thể ở dạng lưới (màu sáng) bao quanh hạt pearlite

“Đại lộ cementite” a) Cementite hạt trên nền ferrite b) Cementite lưới

Hình 2.9 Tổ chức tế vi thép sau cùng tích

Cementite thứ ba (Ce III) được hình thành từ ferrite ở trạng thái rắn khi ferrite tiết ra carbon Khi nhiệt độ của ferrite thấp hơn nhiệt độ trên đường t0PQ (dưới 727°C), khả năng hòa tan carbon của ferrite giảm từ 0,02% ở 727°C xuống còn 0,006% ở nhiệt độ bình thường, do đó Ce III sẽ được tiết ra từ ferrite.

Số lượng CeIII rất ít, có thể bỏ qua

3 Ferrite (F, α): Là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong Feα, mạng lập phương thể tâm, trên giản đồ trạng thái ferrite độc lập trong vùng GPQ, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 727 0 C là 0,02%, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 0 0 C là 0,006% (Hình 2.7)

4 Austenite (γ, As): Là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong

Feγ, mạng lập phương diện tâm, trên giản đồ As độc lập trong vùng

NJESG, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 1147 0 C là 2,14%, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 727 0 C là 0,8%

5 Martensite: Là dung dịch rắn quá bão hòa của carbon trong Feα

Trong xử lý nhiệt thép, tổ chức này được hình thành khi thép được nung nóng đến trạng thái austenit γ, giữ nhiệt ở nhiệt độ này rồi làm nguội nhanh với vận tốc nguội lớn hơn vận tốc tới hạn Quá trình nguội nhanh này làm biến đổi cấu trúc tinh thể từ austenit sang martensit, tạo ra tổ chức martensit có đặc tính cứng và độ bền cao tùy thuộc vào loại thép.

(xem Bài 4) Tổ chức này không được trình bày trong giản đồ Fe-C vì đây là giản đồ xây dựng từ việc làm nguội rất chậm

Trong quá trình biến đổi pha, khi tổ chức γ (austenite) chuyển biến thành Feα (ferrite) mà không có sự khuếch tán của carbon, các nguyên tử carbon có thể bị tích tụ và hình thành cementite (Fe3C) Nồng độ carbon nằm trong các lỗ trống của mạng tinh thể Feα có thể vượt quá giới hạn hòa tan của ferrite, dẫn tới sự hình thành cementite và làm gia tăng độ cứng của vật liệu Hình minh họa cho quá trình này cho thấy cách carbon tích tụ trong mạng Feα khi khuếch tán carbon bị hạn chế.

2.10 cho thấy tổ chức của thép carbon cao sau khi tôi gồm martensite hình kim màu tối nằm phân tán trên nền γdư màu sáng

Hình 2.10 Tổ chức của thép sau cùng tích sau khi tôi

2.2.5.2 Các tổ chức hai pha

Hình 2.11 Tổ chức tế vi thép cùng tích (pearlite tấm)

Các tổ chức hai pha là cùng tích và cùng tinh, chúng đều là hỗn hợp cơ học của ferrite và cementite tạo thành ở nhiệt độ khác nhau

1 Pearlite (P = [F + Ce]) là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferrite và cementite, tạo thành ở nhiệt độ 727 0 C từ dung dịch rắn austenite có nồng độ carbon là 0,8% Pearlite chứa 88% ferrite và 12% cementite Tùy vào hình dạng của cementite trong hỗn hợp ta phân biệt pearlite tấm và pearlite hạt

Pearlite tấm là cấu trúc gồm các lamella cementite và ferrite xen kẽ nhau, khi quan sát trên tổ chức tế vi ta thấy các vạch cementite màu tối nổi lên trên nền ferrite màu sáng Nguyên nhân là khi etching mẫu, ferrite bị ăn mòn nhiều hơn cementite khiến các lamella cementite nhô lên và có mặt nghiêng, do đó vạch tối đại diện cho cementite còn nền sáng là ferrite.

Hình 2.12 Mặt cắt của pearlite tấm

- Pearlite hạt là hỗn hợp cơ học của nền ferrite màu sáng có chứa các hạt cementite màu tối hơn

Hình 2.13 Tổ chức tế vi thép cùng tích (pearlite hạt)

2 Ledeburite: Là hỗn hợp cơ học cùng tinh, tạo thành từ dung dịch lỏng có 4,3%C ở 1147 0 C (điểm C) Lúc mới tạo thành gồm Le=( + Ce), tồn tại trong khoảng nhiệt độ từ 727 0 C đến 1147 0 C Khi làm nguội xuống dưới 727 0 C thì  chuyển thành Pearlite nên lúc này Le = (P + Ce); Loại này tồn tại ở nhiệt độ dưới 727 0 C

Tổ chức tế vi của ledeburite ở nhiệt độ thường gồm các hạt đen Pearlite nổi trên nền sáng cementite có dạng như da báo

Hình 2.14 Ledeburite II (gang trắng cùng tinh)

2.2.6 Phân loại thép và gang trắng

Thép là hợp kim của sắt và carbon mà hàm lượng carbon là 0,02 < C% ≤ 2,14 Căn cứ vào điểm cùng tích S (0,8%C; 727 0 C), thép carbon được chia ra làm ba loại

Hình 2.15 Tổ chức tế vi thép trước cùng tích (4% Nital)

- Loại thép này chứa hàm lượng carbon từ 0,02% đến 0,8%

Ở nhiệt độ thường, tổ chức tế vi của thép là sự kết hợp của hai pha chủ yếu: ferrite (màu sáng) và pearlite (màu tối), được viết tắt là F + P Tỉ lệ giữa ferrite và pearlite phụ thuộc vào hàm lượng carbon trong vật liệu; hàm lượng carbon càng cao thì tỉ lệ pearlite càng cao, khiến cấu trúc vi mô chuyển từ ferrite sang pearlite nhiều hơn và tăng độ cứng của thép Ngược lại, khi hàm lượng carbon thấp, ferrite chiếm ưu thế và pearlite giảm, mang lại tính dẻo và khả năng gia công tốt hơn Do đó, thành phần carbon quyết định đặc tính cơ học của thép thông qua sự cân bằng giữa ferrite và pearlite trong tổ chức tế vi.

- Thép cùng tích chứa 0,8% hàm lượng carbon

- Tổ chức tế vi: 100% pearlite Pearlite có hai dạng: pearlite tấm (Hình 2.11) và pearlite hạt (Hình 2.13)

- Loại thép này chứa hàm lượng carbon từ hơn 0,8% đến 2,14%

- Tổ chức tế vi: P + Ce II Cementite có hai dạng: Ce II dạng hạt (Hình 2.9.a) và Ce II dạng lưới (Hình 2.9.b)

Gang là hợp kim của sắt và carbon với hàm lượng carbon là 2,14%

< %C < 6,67% Thông thường gang chứa từ 3÷5% carbon

Gang trắng là gang không chứa carbon ở dạng tự do (graphite) mà bao gồm hai pha ferrite và cementite Căn cứ điểm cùng tinh C (4,3%C;

1147 0 C), có ba loại gang trắng:

1 Gang trắng trước cùng tinh

- Gang trắng trước cùng tinh chứa từ hơn 2,14% đến 4,3% carbon

- Tổ chức tế vi ở nhiệt độ thường: P + Ce II + Le II (Hình 2.16)

Hình 2.16 Tổ chức tế vi gang trắng trước cùng tinh (4% Nital)

- Gang trắng cùng tinh chứa 4,3% carbon

- Tổ chức tế vi ở nhiệt độ thường: 100% LeII (Hình 2.14)

3 Gang trắng sau cùng tinh

- Gang trắng sau cùng tinh chứa từ hơn 4,3% đến 6,67% carbon

- Tổ chức tế vi ở nhiệt độ thường: LeII+ CeI (Hình 2.8).

NỘI DUNG THÍ NGHIỆM

- Có từ 8 đến 10 mẫu được đánh số theo thứ tự 1; 2; 3…

Trong quá trình thí nghiệm, sinh viên tiến hành quan sát các mẫu trên kính hiển vi kim loại, ghi nhận và vẽ hoặc chụp lại tổ chức tế vi của từng mẫu, nhằm đánh giá đặc tính cấu trúc vật liệu Bên cạnh đó, sinh viên phân loại thép và gang trắng dựa trên đặc điểm tổ chức tế vi, nhằm xác định loại vật liệu và ứng dụng của chúng.

1 Tóm tắt nội dung lý thuyết

2 Vẽ/chụp tổ chức tế vi của các mẫu và ghi theo mẫu sau:

Tên mẫu: Độ phóng đại kính:

VẼ/ CHỤP LẠI ẢNH QUAN SÁT

NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC GANG GRAPHITE

- Quan sát được tổ chức tế vi của gang graphite trên kính hiển vi kim loại

- Phân biệt được các loại gang graphite qua tổ chức tế vi.

Graphite là một dạng thù hình của carbon có cấu trúc mạng lục giác xếp lớp ở mức độ đơn giản Liên kết hóa trị bên trong mỗi lớp rất mạnh, tạo nên mạng tinh thể bền vững Trong khi đó, lực hút giữa các lớp lại yếu do khoảng cách giữa chúng quá xa, khiến graphite mềm và dễ tách lớp thành các lớp riêng biệt (Hình 3.1).

Hình 3.1 Mạng tinh thể Graphite

Gang là hợp kim của sắt và carbon với hàm lượng carbon là 2,14%

< %C < 6,67% Thông thường gang chứa từ 3÷5%C So với thép thì gang có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, giòn hơn và dễ đúc hơn

Gang trắng là gang không chứa carbon ở dạng tự do (graphite) mà bao gồm hai pha ferrite và cementite

Gang graphite là hợp kim sắt – carbon, trong đó một phần hoặc toàn bộ carbon tồn tại ở trạng thái tự do, tập trung thành các phần tử graphite Sự hiện diện của graphite trong cấu trúc mang lại tính gia công dễ, khả năng cách nhiệt và giảm tiếng ồn, đồng thời cải thiện độ dẻo và khả năng chịu va đập của vật liệu Vì những đặc tính này, gang graphite được ứng dụng phổ biến trong khuôn đúc, chi tiết máy và các bộ phận cần sự ổn định kích thước và khả năng chịu va đập tốt.

3.2.2 Điều kiện hình thành graphite

Qua giản đồ trạng thái Fe-C, ta nhận thấy chỉ có hai pha chính là thép và gang trắng, và không có mặt của graphite trên sơ đồ này Sự hình thành của graphite phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, tốc độ nguội, thành phần hóa học và sự tạo mầm, nên điều kiện biến chất sắt–carbon quyết định sự xuất hiện của graphite trong các hợp kim Việc điều chỉnh nhiệt độ nung, quá trình làm nguội và tỉ lệ carbon sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc sắt-carbon và tính chất của vật liệu.

Cementite kém ổn định hơn graphite, khi có thêm >1% Si và được làm nguội chậm thì cementite có thể phân hủy thành ferrite và graphite

Hình 3.2 Graphite dạng tấm (gang xám nền ferrite) (4% Nital)

Hình 3.3 Graphite dạng cụm bông (gang dẻo ferrite) (4% Nital)

Như vậy, quá trình graphite hóa phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

- Các nguyên tố hóa học làm tăng khả năng graphite hóa như: Si,

- Các nguyên tố làm cản trở quá trình graphite hóa như: Al, Zn,

2 Tốc độ nguội: Tốc độ càng lớn càng cản trở quá trình graphite hóa, càng nhỏ càng thúc đẩy quá trình graphite hóa Nếu quá trình graphite hóa diễn ra thì sẽ tạo thành được gang graphite

3.2.3 Hình dạng graphite và phân loại gang graphite

Graphite có thể quan sát thấy ngay sau khi đánh bóng mà không cần tẩm thực Theo hình dạng của graphite, người ta phân gang graphite làm ba loại:

- Graphite dạng tấm: gang xám (Hình 3.2)

- Graphite dạng cụm bông: gang dẻo (Hình 3.3)

- Graphite dạng cầu: gang cầu (Hình 3.4)

Hình 3.4 Graphite dạng cầu (Gang cầu ferrite) (4% Nital)

Gang xám là một loại gang graphite có dạng tấm, hai đầu nhọn Gang xám giòn, có độ bền kéo thấp nhưng độ bền nén lại tốt hơn, đồng thời chịu mài mòn và chống rung động tốt Tùy thuộc vào mức độ graphite hóa, có ba loại gang xám: loại có mức graphite hóa thấp, loại có mức graphite hóa trung bình và loại có mức graphite hóa cao Những đặc tính này khiến gang xám phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi chịu tải nén và hiệu quả giảm chấn rung trong máy móc.

- Gang xám ferrite: Tổ chức tế vi là graphite tấm trên nền ferrite (Hình 3.2)

- Gang xám ferrite + pearlite: Tổ chức tế vi là graphite tấm trên nền Ferrite và Pearlite (Hình 3.5)

- Gang xám pearlite: Tổ chức tế vi là graphite tấm trên nền Pearlite (Hình 3.6)

Hình 3.5 Gang xám ferrite + pearlite (4% Nital)

Hình 3.6 Gang xám pearlite (4% Nital) 3.2.5 Gang dẻo (gang rèn)

Gang dẻo là một loại gang graphite mà graphite của nó có dạng cụm, được tạo thành bằng cách ủ từ gang trắng giảm từ nhiệt độ cao

(1000 ° C) với thời gian ủ dài Gang dẻo có độ bền cao hơn gang xám nhưng thấp hơn gang cầu

Tùy vào mức graphite hóa khi ủ, có ba loại gang dẻo:

- Gang dẻo ferrite + pearlite (Hình 3.8)

Hình 3.7 Quy trình ủ gang trắng thành gang dẻo

Hình 3.8 Gang dẻo ferrite + pearlite (4% Nital)

Hình 3.9 Gang dẻo pearlite (4% Nital)

3.2.6 Gang cầu (gang có độ bền cao)

Gang cầu là một loại gang graphite có graphite ở dạng hình cầu, được hình thành bằng cách biến tính gang xám khi đúc với các nguyên tố cầu hóa như Mg và Ce Nhờ quá trình graphite hóa, gang cầu có độ bền cao gần bằng thép, đồng thời tăng tính dẻo và khả năng chịu tải Tùy thuộc vào quá trình graphite hóa, có ba loại gang cầu khác nhau.

- Gang cầu ferrite + pearlite (Hình 3.10)

Hình 3.10 Gang cầu ferrite-pearlite (4% Nital)

Hình 3.11 Gang cầu Pearlite (4% Nital)

Tiến hành quan sát mẫu thí nghiệm dưới kính hiển vi kim loại, nghiệm thu kết quả

- Phân biệt được các loại gang

- Xác định phầm trăm các pha

- Vẽ/chụp lại tổ chức tế vi của từng mẫu

Các loại mẫu cần quan sát:

- Tóm tắt nội dung lý thuyết

- Vẽ/chụp tổ chức tế vi của các mẫu và ghi theo mẫu sau:

Tên mẫu: Độ phóng đại kính:

VẼ/CHỤP LẠI ẢNH QUAN SÁT TỔ CHỨC TẾ VI

ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÔI THÉP

- Phân biệt được các phương pháp đo độ cứng Brinell, Rockwell và Vickers

- Đo được độ cứng kim loại bằng phương pháp Rockwell

- Nghiên cứu quá trình tôi thép

- Tôi thép ở các nhiệt độ khác nhau.

4.2.1.1 Định nghĩa: Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng thông qua mũi đâm

Hình 4.1 Nguyên lý đo độ cứng a) Cầu b) Hình côn c) Hình tháp

Hình 4.2 Hình dạng mũi đâm

4.2.1.2 Các phương pháp đo độ cứng

1 Phương pháp đo độ cứng Brinell (HB)

Mũi đâm dùng trong phương pháp này là bi thép (kí hiệu HBS) hoặc hợp kim cứng WC (kí hiệu HBW) có các đường kính sau: D = 2,5; 5; 10 (mm)

Tải trọng tương ứng là P = 1875; 7500; 30000 (N) Mối quan hệ giữa P và D: P/D 2 = 300

Hình 4.3 Kích thước mũi đâm và vật mẫu

Phương pháp Brinell đo bằng cách ấn mũi đâm hình cầu lên bề mặt mẫu với tải trọng P (N) tương ứng với đường kính bi đã định trước, giữ lực một thời gian rồi nhả lực để tạo vết lõm hình chỏm cầu trên bề mặt Gọi P là tải trọng tác dụng, D là đường kính viên bi và S là diện tích vết lõm (mm^2) Giá trị Brinell được tính bằng công thức HB = 2P / (π D (D − sqrt(D^2 − d^2))), trong đó d là đường kính của vết lõm; nếu chỉ biết diện tích vết lõm S thì có thể dùng mối quan hệ S = π d^2 / 4 để xác định d, từ đó tính HB.

Nếu gọi D là đường kính viên bi; chiều sâu vết lõm là h Ta có:

Tuy nhiên việc đo đường kính d của vết lõm lại dễ dàng hơn nhiều so với độ sâu h nên diện tích chỏm cầu có thể tính bằng công thức:

Đối với thép và gang, thường dùng P = 30 000 N và D = 10 mm Để xác định độ cứng HB, cần đo đường kính vết lõm và dùng công thức đã nêu để tính; bạn có thể dùng bảng tính sẵn để tra Bảng 4.1 và nhận kết quả một cách nhanh chóng.

Chiều dày mẫu  Điều kiện đo độ cứng Brinell:

- Chiều dày mẫu thí nghiệm không nhỏ hơn 10 lần chiều sâu của vết lõm

- Bề mặt mẫu thử phải sạch, phẳng, không có khuyết tật

- Chiều rộng, dài của mẫu và khoảng cách giữa hai vết đo phải lớn hơn 2D

- Thời gian giữ lực cũng ảnh hưởng đến kết quả đo Thông thường thời gian này có thể tra theo Bảng 4.1

Bảng 4.1 Điều kiện sử dụng thang đo độ cứng Brinell

Chiều dày nhỏ nhất (mm)

Phạm vi sử dụng của phương pháp Brinell bao gồm đo độ cứng từ vật liệu mềm tới vật liệu cứng, cụ thể từ tối thiểu 16 HB đến tối đa 627 HB, áp dụng cho kim loại màu như đồng, nhôm, niken và các hợp kim màu, thép, cũng như các loại gang graphite; tuy nhiên, phương pháp Brinell không đo được những vật liệu mỏng có độ dày δ nhỏ hơn 10h.

Hình 4.4 Máy đo độ cứng Brinell

2 Phương pháp đo độ cứng Rockwell (HRA; HRB; HRC)

Phương pháp này dùng mũi đâm kim cương hình côn (Hình 4.2 b), có góc đỉnh là 120 0 , hoặc bi thép/bi hợp kim cứng WC, có đường kính d

1,588 mm So với các phương pháp đo độ cứng khác, phương pháp này dễ tiến hành và nhanh hơn, thể hiện kết quả trực tiếp sau khi đo Ở phương pháp này qui định: mũi đâm đi xuống 0,002 mm thì độ cứng giảm một đơn vị Khoảng cách giữa rìa hai vết lõm hoặc giữa rìa vết lõm với cạnh mẫu không nhỏ hơn 1,5 mm khi dùng mũi kim cương, 4 mm khi dùng mũi bi thép Mỗi mẫu cần được đo ba lần rồi sau đó tính trung bình cộng.

Hình 4.5 Phương pháp đo độ cứng Rockwell

Cần tải trọng Mũi đâm

Số đo độ cứng Rockwell được xác định:

Trong đó: K là hằng số ứng với từng mũi đâm h là chiều sâu vết lõm (mm)

0,002 mm là giá trị một vạch của đồng hồ so

Hình 4.6 Máy đo độ cứng Rockwell HR- 150A

Bảng 4.2 Giới hạn đo của các thang Rockwell

K Phạm vi sử dụng Giới hạn đo cho phép

Vật liệu rất cứng (thép hợp kim, hợp kim cứng, WC, TiC…)

HRC Kim cương 1500 100 Vật liệu cứng (thép sau tôi, Martensite) 20 ÷ 67

HRB Bi thép d=1,588mm 1000 130 Vật liệu mềm, vật liệu dày, mỏng 25 ÷ 100

Cần gạt Núm điều chỉnh tải trọng

3 Phương pháp đo độ cứng Vickers

Phương pháp Vickers có nguyên lý đo tương tự Brinell, nhưng thay bi thép bằng mũi kim cương hình tháp (Hình 4.2 c), với góc giữa hai mặt bên là 136° Tải trọng sử dụng P từ 50 đến 1500 N, phụ thuộc vào chiều dày của mẫu đo.

Hình 4.7 Phương pháp đo độ cứng Vickers Độ cứng Vickers được xác định:

S là diện tích bề mặt vết lõm (mm 2 ) Để thuận tiện, người ta có thể tính S thông qua đường chéo d và 

Phương pháp đo Vickers là kỹ thuật đo độ cứng được sử dụng phổ biến để đánh giá độ cứng của nhiều loại vật liệu, bao gồm các vật mỏng, các lớp thấm và các pha tế vi Nhờ phạm vi đo rộng và độ nhạy cao, phương pháp này có thể đo được độ cứng của cả những vật liệu rất mềm lẫn rất cứng, từ lớp phủ mỏng cho đến cấu trúc vật liệu tinh vi.

Bảng 4.3 Bảng tính độ cứng Brinell và so sánh giữa các loại độ cứng

Brinell Rockwell Vickers Brinell Rockwell Vickers d mm HB HRB HRC HRA HV d mm HB HRB HRC HRA HV

4.2.1.3 Ưu điểm các phương pháp đo độ cứng

Độ cứng là sự chống lại biến dạng dẻo cục bộ ở một vùng cụ thể của kim loại, còn độ bền là sự chống lại biến dạng dẻo ở mức toàn bộ của vật liệu Vì vậy, có thể thông qua tính độ cứng để suy ra độ bền của kim loại, từ đó đánh giá chất lượng và khả năng chịu tải của vật liệu trong các ứng dụng thực tế.

- Đo độ cứng tương đối đơn giản, tốn ít thời gian (trên dưới 1 phút/1 mũi đo)

- Có thể đo được các chi tiết dày hoặc mỏng

- Biết được khả năng làm việc của chi tiết

4.2.1.4 Độ cứng thông dụng của các chi tiết như sau

- Độ cứng phù hợp nhất cho cắt gọt: (160 ÷ 180) HB

- Các chi tiết lò xo, khuôn dập nóng: (40 ÷ 45) HRC

- Các bánh răng chịu tải trọng nhỏ, vận tốc chậm (các loại máy công cụ): (52÷58) HRC

Những bộ phận chịu tải trọng lớn và vận tốc cao như bánh răng; dụng cụ cắt gọt; khuôn dập nguội; ổ lăn; đĩa ma sát và các chi tiết mài mòn tương tự đòi hỏi độ cứng rất cao, thường từ 60 đến 62 HRC, để đảm bảo hiệu suất, độ bền và tuổi thọ của hệ thống.

Hình 4.8 Sơ đồ quá trình nhiệt luyện v nguội > v tới hạn

Đây là một phương pháp nhiệt luyện gồm ba bước chính: nung nóng chi tiết hoặc thép đến trạng thái γ (austenit), giữ nhiệt trong thời gian τ để đạt sự cân bằng và phân bố hợp kim, rồi làm nguội nhanh với tốc độ nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn Quá trình này nhằm điều chỉnh tính chất cơ học của vật liệu, tăng độ cứng và độ bền theo yêu cầu ứng dụng.

Trong quá trình nhiệt luyện, tốc độ nguội tới hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất để chi tiết chuyển biến hoàn toàn thành martensite Tổ chức tế vi của martensite được trình bày trên Hình 4.9b.

- Thép khác nhau có tốc độ nguội tới hạn khác nhau

- Vnguội: Tốc độ nguội của môi trường nguội a) Thép C45 (trạng thái ủ) b) Thép C45 (sau khi tôi)

Hình 4.9 Tổ chức tế vi của thép C45 (4% Nital)

Hình 4.10 Lò nhiệt luyện Đồng hồ nhiệt

Nhiệt độ gia công nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính của thép sau khi tôi luyện Đối với thép carbon, có thể dựa vào đồ thị Fe-C và hàm lượng carbon để chọn nhiệt độ tôi luyện phù hợp Nhiệt độ tôi luyện quá thấp sẽ khiến thép không đạt được độ cứng cần thiết, trong khi nhiệt độ quá cao có thể làm giòn và giảm tính liên kết của cấu trúc Vì vậy, hiểu rõ đồ thị Fe-C và hàm lượng carbon cho phép xác định nhiệt độ tôi luyện tối ưu để cân bằng giữa độ cứng và độ dai, đáp ứng yêu cầu sử dụng.

1 Đối với thép trước cùng tích và thép cùng tích (%C ≤ 0,8%)

Chọn nhiệt độ tôi cao hơn AC3, nghĩa là nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn austenite Phương pháp này gọi là tôi hoàn toàn t ° tôi = A C3 + (30 ÷ 50) 0 C

Trong khoảng hàm lượng Carbon từ 0,1 đến 0,8 đường AC3 của thép giảm dần xuống Nếu nung nóng chậm thì AC3 = A3

2 Đối với thép sau cùng tích (0,8% < %C ≤ 2,14%)

Nhiệt độ tôi chọn cao hơn AC1 nhưng thấp hơn Acm, có nghĩa là nung lên tới trạng thái không hoàn toàn austenit Tổ chức nung sau cùng là γ + Fe3C, cho thấy quá trình nung chưa đạt tới trạng thái hoàn chỉnh Đây là một phương pháp chưa thực sự đầy đủ Nhiệt độ nung của tôi được xác định theo công thức t0 = AC1 + (30–50) °C.

Thép sau khi nhiệt luyện có quá trình biến đổi nhiệt độ tương tự nhau Nếu nung nóng chậm, Ac1 bằng A1 ở khoảng 760–780 °C Có thể xác định Ac3 và Ac1 bằng cách dựa vào giản đồ trạng thái Fe-C hoặc tra cứu trong sổ tay nhiệt luyện.

Hình 4.11 Một số khoảng nhiệt độ nhiệt luyện của thép carbon

Thời gian giữ nhiệt  phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Cách sắp xếp các chi tiết

Kinh nghiệm: Tính theo chiều dày nhỏ nhất ở tiết diện lớn nhất, hoặc tra theo bảng sau:

Bảng 4.4 Bảng thời gian nung của các mẫu Hình dạng chi tiết

Thời gian nung (phút) Cho 1 mm đường kính Cho 1 mm chiều dày

Để thép đạt độ cứng tối ưu, môi trường nguội cần có khả năng duy trì tốc độ làm nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn Nếu tốc độ nguội thấp hơn tốc độ nguội tới hạn, độ cứng của thép sẽ bị suy giảm.

Một số môi trường nguội phổ biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp gồm nước nóng ở khoảng 40–60°C, nước thường ở 25–30°C và nước lạnh ở 5–15°C; ngoài ra còn có dung dịch NaOH hoặc NaCl, dầu nhớt, không khí, muối nóng chảy, emulsions (dầu mài + nước) và nitơ lỏng.

Thông thường đối với thép carbon chọn môi trường nguội là nước; đối với thép hợp kim môi trường nguội là dầu nhớt

Mẫu thép C45/thép hợp kim

A: Số thứ tự nhóm B: Số thứ tự mẫu

4.3.3 Đo độ cứng HRB/HB

- Đo độ cứng ba lần/mẫu

- Tính độ cứng trung bình rồi ghi vào Bảng 4.5

Lưu ý: Đo ba lần trên một mẫu rồi tính trung bình

Bảng 4.5 Độ cứng trung bình của mẫu

Trung bình (sau khi tôi)

Bảng 4.6 Chế độ tôi của các mẫu Mẫu Loại thép

Chú ý khi làm thí nghiệm thép: mẫu thí nghiệm có kích thước nhỏ nên nhiệt độ giảm nhanh ngay sau khi mở lò Do đó, thao tác thí nghiệm phải nhanh, với thời gian từ khi mở lò đến khi kéo mẫu và thả vào nước hoặc dầu nhớt dưới 3 giây Mẫu nguội trong không khí thì không cần thao tác nhanh.

4.3.5 Đo độ cứng sau khi tôi

Dùng phương pháp Rockwell với thang đo C hoặc B.

1 Tóm tắt lý thuyết về phương pháp đo độ cứng và tôi thép

2 Ghi kết quả đo độ cứng thép sau khi ủ, tôi theo các phương pháp trên lên Bảng 4.5

3 Vẽ hai đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ tôi và tốc độ nguội với độ cứng của thép C45

4 Nhận xét và giải thích kết quả.

RAM THÉP CARBON SAU KHI TÔI

- Biết cách thực hiện nguyên công ram, chọn chế độ ram thép carbon (nhiệt độ và thời gian) phù hợp

- Xác định ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới độ cứng.

Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi có tổ chức martensite quá bão hòa và dư austenite chuyển thành các tổ chức ổn định hơn, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đặt ra Quá trình Ram còn làm giảm hoặc khử hoàn toàn ứng suất nội và tăng độ dẻo dai cho chi tiết sau nhiệt luyện Trước khi Ram, thép có cấu trúc martensite dư và austenite chưa ổn định, dẫn tới ứng suất và tính chất chưa tối ưu; Sau khi Ram, cấu trúc được đưa về trạng thái ổn định hơn, ứng suất được giảm thiểu và độ dẻo dai của chi tiết được nâng cao.

Hình 5.1 Tổ chức tế vi của thép carbon cao (4% Nital)

Trong quá trình ram thép carbon, sự chuyển đổi từ austenit sang martensit diễn ra: carbon quá bão hoà được giải phóng khỏi mạng tinh thể ở dạng carbide, làm giảm dần độ c/a và carbide dần chuyển thành cementite (Fe3C); phần austenit dư sẽ chuyển biến thành martensit dư Đối với thép carbon cao sau khi ram, có thể tồn tại lượng austenit dư lớn (vùng sáng trên Hình 5.1b).

Tùy theo tổ chức nhỏ mịn của cementite và ferrite hình thành khi ram mà sẽ xuất hiện các cấu trúc Troostite ram hoặc sorbite ram Quá trình ram phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian ram Dựa vào nhiệt độ ram, người ta phân loại ram thành ram thấp, ram trung bình và ram cao.

Tổ chức tế vi đạt được là martensite ram, cho thấy độ cứng hầu như không đổi và ứng suất giảm nhẹ Chi tiết có độ cứng cao và khả năng chịu mài mòn tốt.

Đây là giải pháp được sử dụng cho các sản phẩm đòi hỏi độ cứng và khả năng chống mài mòn cao nhất, bao gồm dao cắt gọt kim loại, khuôn dập nguội, ổ lăn và các chi tiết thấm carbon Nhờ đặc tính chịu mài mòn và độ cứng vượt trội, giải pháp này giúp tăng tuổi thọ sản phẩm, nâng cao hiệu suất gia công và giảm thiểu chi phí bảo trì trong các ngành công nghiệp cơ khí và chế tạo.

Hình 5.2 Tổ chức tế vi của martensite ram (4% Nital) 5.2.2 Ram trung bình (300°C÷450°C)

Trong quá trình xử lý nhiệt, tổ chức tế vi nhận được là troostite ram Độ cứng còn khá cao, ứng suất giảm mạnh, độ dẻo dai tăng, và mô-đun đàn hồi đạt giá trị lớn nhất, cho thấy sự cân bằng giữa cứng chắc và tính đàn hồi cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp.

Công dụng: Dùng cho các chi tiết cần tính đàn hồi lớn, độ cứng tương đối cao như khuôn dập nóng, khuôn rèn, nhíp, lò xo…

Tổ chức tế vi nhận được là sorbite ram, có độ dai va đập tối ưu Tuy nhiên, độ cứng giảm nhiều ở một số vị trí, vì vậy cần tiến hành nhiệt luyện bề mặt để đạt được độ cứng cao ở những vị trí cần thiết.

Công dụng: Dùng cho các chi tiết cần giới hạn bền, giới hạn chảy, độ dai va đập cao như các loại trục, bánh răng, tay biên

Hình 5.3 Tổ chức tế vi của troostite ram (4% Nital)

Hình 5.4 Tổ chức tế vi của sorbite ram (4% Nital)

- Xác định ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ram tới độ cứng

- Mỗi nhóm nhận một mẫu thép C45, tôi ở nhiệt độ 830°C/nước sau đó đem ram Đo độ cứng rồi điền vào Bảng 5.1:

Bảng 5.1 Độ cứng thép C45 sau khi tôi ở 830°C, ram

Thời gian ram (phút) Độ cứng (HRC)

1 Tóm tắt lý thuyết quá trình ram

2 Vẽ đồ thị sự phụ thuộc của độ cứng vào nhiệt độ và thời gian ram Nhận xét và giải thích kết quả.

PURPOSE

- Assessing the importance of specimen preparation

- Choosing suitable metals to study

- Study the microstructure of materials

- Practicing the steps to prepare the specimen: sectioning → mounting → grinding → polishing → etching

- Using equipment and materials for this research

THEORETICAL BACKGROUND

1.2.1 The structure of metals and alloys

Metals and alloys are made up of many single crystals, forming a polycrystal A single crystal is a perfect crystal, while a polycrystal consists of many crystals joined together by grain boundaries The individual crystals within a polycrystal are called grains, and their arrangement creates the grain structure, also known as the polycrystalline structure.

Figure 1.1 Grain and grain boundary

The atoms in each crystal grain are always arranged in order Atoms in the grain boundary are often disorderly arranged, by the effect of the surrounding grains

Alloys consist of one or more phases, and each phase exhibits distinct mechanical, physical, and chemical properties The goal of specimen preparation in metallography is to reveal how the grain structure, grain boundaries, and different phases differ when viewed under a metallurgical microscope This type of analysis is fundamental to microstructure research, helping to understand material performance and guide alloy design.

Metallography is the study of the structures and composition of metals and alloys, using metallurgical microscopes and magnification to relate a material’s microstructure to its physical and mechanical properties It blends science and art in preparing a metal surface for analysis—grinding, polishing, and etching—to reveal the microstructural components that control performance By examining grain boundaries, phases, and defects, metallography helps engineers understand hardness, strength, toughness, and wear resistance, supporting alloy design, quality control, and failure analysis Thus, metallography is a foundational tool in materials science and metallurgy for linking processing, structure, and properties.

Figure 1.2 How contrast can arise

Observing the magnified image of a prepared sample surface with a metallographic microscope, light that strikes the polished surface at a 90-degree angle is completely reflected, producing a bright appearance under the microscope This full reflection, due to specular reflection at normal incidence, explains why the sample looks bright when viewed through the microscope.

Applying a differential etchant to the surface of polished metal specimens reveals their microstructure Metals consist of phases with different chemical properties, causing these phases to corrode at different rates This differential corrosion occurs both between phases and between crystal grains and grain boundaries, producing distinct etched tracks The light–dark contrast created by the phases, grains, and grain boundaries highlights the metal or alloy's microstructure.

Accurate metallographic analysis of a material's microstructure and composition relies on a disciplined, step-by-step specimen preparation process, which must be followed in sequence: sectioning (cutting), ultrasonic cleaning, mounting, coarse grinding, fine grinding, polishing, etching, and microscopic examination Keeping specimens clean and adhering strictly to each preparation step is essential to reveal true microstructures.

Principle: magnify the prepared surface through metallographic microscopy, using the reflected light from the sample surface

Figure 1.3 Optical system of metallurgical microscope

Microscopy typically ranges from 80x to 2000x magnification, and higher magnification requires electron microscopes This level of detail allows observation of the matrix organization, its distribution, shapes, and sizes In graphite castings, the shape, size, and distribution of graphite within the matrix can be readily determined It also enables easy detection of material defects, such as microcracks, porosity, and impurities, with microcracks and porosity being common defect types.

MANUFACTURING SAMPLES

1.3.1 Select and sectioning the sample

- Sectioning is the first step in the overall process of specimen preparation It is a step that should be given considerable thought and care

- Sample selection: Depending on the requirements and purpose of the research or experiment, we will be the one who’ll select the specimens

Mobile head of the machine

Sample cutting: Based on the observation purpose, we can cut the sample in horizontal or cut along the axis Sample size: 10x10mm;

10x10mm, the minimum size is 3 mm 2 and must have at least 1 flat surface With the heat-treated sample, the temperature of cutting point must less than 100 ° C

To observe how the structure changes from the surface to the core, cut the sample in a horizontal section For studying texture structure, cut the sample vertically The two common cutting orientations are: a) cutting the sample horizontally, and b) cutting along the axis.

Figure 1.6 Types the specimen of cutting

If the specimen is small, we need to use the clamp for holding

Figure 1.7 Types the specimen of clamping 1.3.2 Grinding sample

The specimen must be free from scratches, stains and others imperfection which tend to mark the surface The specimen is ground on

Chamfered Sample a grinder or with abrasive paper so that two faces (AB) are parallel to each other, and then chamfered the corner

Abrasive paper with number 180, 240, 320, 400, 600; etc This is the number of the average grinding particles in one square centimeter If using aluminum or copper and their alloys, an abrasive paper must be finer, and the fourth paper must have a number between 600 and 1500

Begin by grinding with #180 abrasive paper placed on a flat surface such as a glass plate Position the specimen at point 1 on the abrasive sheet, then push it into position 2 to apply the grind, lift the specimen off the sanding surface, return it to position 1, and repeat the cycle until the surface develops parallel lines.

After 50 to 70 grinding passes, the sample surface displays only parallel lines By rotating the sample 90 degrees and continuing the grinding with sandpaper, you erase the old lines and form a new set of parallel lines Repeating these actions—alternating the grinding direction with each cycle—continues to refine and refresh the surface texture.

Observe it with naked eyes, seeing the lines and equally depth, then rotate 90° and change to abrasive paper number 240, then 320 and finally number 400

Note: when changing from rougher paper to finer paper, clean the sample to avoid abrasive grain on the sample sticking to the smoother paper

Following rough grinding, the objective is to achieve a relatively flat surface, though micro-scratches may remain The surface is cleaned and then polished to remove these scratches In the polishing step, the sample is placed on a polishing cloth with polishing compounds, and the cloth is mounted onto a grinder‑polisher machine (see Figure 1.10) Various polishing compounds are used to polish the specimens (see Table 1.1).

Figure 1.10 Grinder Polisher machine EcoMet 30 Buehler

Table 1.1 Composition of common polishing compounds

(%) Fine Medium Rough Fine Medium Rough

After polishing, observe on the microscope If there are still scratches on the surface, polish it again After polishing, clean the sample thoroughly and then dry the sample

Etching is the process of corroding metals and alloys These chemical solutions are called etching solutions For some common etching solutions, see Table 1.2

To etch carbon steel, a 4% Nital solution is used Immerse the sample in the solution and agitate it for a few seconds to several tens of seconds Rinse the etched surface with tap water to prevent deep chemical erosion of the metal, then wash with alcohol and dry.

Composition of solution Uses Note

- 4% Acid nitric in alcohol (4% Nital) Cast iron, carbon steel

- 4% Acid picric in alcohol (4% Picral) Cast iron, carbon steel

Distinguish between ferrite and cementite in pearlite

CuSO4 + 20 cm 3 H2O Hot working steels

- 3 parts HCl + 1 parts HNO3 Stainless steel

- 3% FeCl2 in 10% HCl solution Copper alloy

- 0,5% HF solution in water Aluminum alloy

Figure 1.11 Etching and washing specimens 1.3.5 Observing on optical metallurgical microscope

Including eyepieces, stage, tension adjusting ring, coaxial coarse & fine focusing knob, stage plate,…

- Step 1: Plug in the power, turn on the light switch, adjust the light (should not be too bright)

- Step 2: Choose objectives, eyepieces; eye adjusts

- Step 3: Place the sample on the stage plate, use the control knobs to align the sample face to face with the object

- Step 4: Adjust the coarse knob combined with the observation in the eyepieces When the light in the eyepieces brightens up, it is the time to see the microstructure

- Step 5: Adjust the fine focusing knob to clearly see the microstructure

Coarse knob Fine focusing knob

PROCESS “PREPARATION OF SPECIMENS FOR

- 4% HNO 3 solution + alcohol (carbon steel)

- Wash thoroughly → drying less than 5s

- Etching too much (over etching) → polish

- Etching too low (under etching) → etching more

REPORT

Students submit samples and photos for the lecturer, identify the magnification, the phases in the sample

PURPOSE

- Analyze the Fe-C phase diagram

- Observe the microstructure of steel and white cast iron samples

- Distinguish the microstructure difference between steels and white cast irons.

THEORETICAL BACKGROUND

Iron has different types of crystal structure depends on the temperature, as depicted in Figure 2.1, as follows:

- Below 911 ° C: body-centered cubic (bcc) Symbol: Feα

- Between 911 ° C and 1392 ° C: face-centered cubic (fcc) Symbol: Feγ

- Between 1392 ° C and 1539 ° C: body-centered cubic Symbol: Feδ

Figure 2.3 Graphite unit cell Figure 2.4 Diamond unit cell

Ferrite (alpha-Fe) is an interstitial solid solution of carbon in alpha-iron, with a maximum carbon solubility of about 0.02% C, and its microstructure is shown in Figure 2.5 The symbols used are F or α for Feα(C) and δ = Feδ(C) for delta ferrite, representing carbon dissolved in the respective ferritic phases This ferritic phase exhibits low hardness and relatively high ductility, resulting in lower durability compared with harder steel phases.

Figure 2.5 Ferrite microstructure (etching 4%Nital)

Austenite is an interstitial solid solution of carbon in Feγ, with a maximum solubility of 0.8% carbon at temperature 727C and 2.14%C at temperature 1147C

Symbol: Austenite = As =  = Feγ = Feγ(C) Austenite exists at temperatures higher than 727°C; the phase is quite durable, high plasticity, low hardness (Figure 2.10)

Figure 2.6 Unit cell of cementite

Cementite is an intermetallic phase, when 6.67% of carbon reacts with 3Fe, an intermetallic compound will form, has very high hardness: 800HV ≈ 800HB, good abrasive resistance, but very brittle Symbol:

Fe 3 C Cementite has the crystal structure of orthorhombic, Figure 2.6

Figure 2.7 Iron – carbon phase diagram Table 2.1 The critical point Iron – Carbon phase diagram Point Temperature ° C % C Point Temperature ° C % C

Fe–Fe3C (the iron–carbon phase diagram) is a stable and widely used reference in metallurgy It explains how carbon content governs the phases and microstructures of iron–carbon alloys Based on carbon content, Fe–C alloys are classified into two main groups: steels, with 0.02% < C ≤ 2.14%, and white cast iron, with 2.14% < C < 6.67%.

1 The liquid phase is a solution of carbon and Fe, which exists t°

2 Cementite (Ce or Fe 3 C): When 6.67% of carbon reacts with 3Fe, an intermetallic compound will form (on the state diagram it is denoted by DFKL) There are three types of cementite:

- The first cementite (Ce I ) is formed from the liquid phase when solidification takes place with t° > t°CD (1600 ° C ÷ 1147 ° C), it has the largest size

Figure 2.8 Microstructure of hyper-eutectic white cast iron (4% Nital)

During solidification, the second cementite (Ce II) forms between 1147 °C and 727 °C from austenite (solid solution) as the temperature falls below t°ES; the carbon solubility in γ decreases from about 2.14% to 0.8% At room temperatures Ce II grains occur adjacent to pearlite or as a cementite net surrounding pearlite, located near the prior austenite grain boundary In metallographic observations, Ce II can appear as discrete cementite grains or as a cementite net (revealed with 4% Nital).

Figure 2.9 Microstructure of hyper-eutectoid

- The third cementite (Ce III ) formed from ferrite solid solution when t°

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	7,84 MB