BÁO CÁO THỰC HÀNH VẬT LIỆU KỸ THUẬT

ĐO ĐỘ CỨNG CỦA THÉP VÀ GANG I- Mục đích và yêu cầu - Nắm vững nguyên lý đo độ cứng theo các phương pháp Brinell, Rockwell và Vicker.. Một số phương pháp đo độ cứng thường được sử dụng: -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

-BÁO CÁO THỰC HÀNH

VẬT LIỆU KỸ THUẬT

Họ và tên:

Mã số SV:

Lớp:

Hà Nội, 2022

I QUY ĐỊNH VỀ AN TOÀN THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU, TRUNG TÂM CƠ HỌC MÁY THỦY LỢI.

Sinh viên được giáo viên hướng dẫn an toàn thực hành trên lớp Việc trang bị kiến thức về an toàn cho sinh viên trước khi thí nghiệm là một khâu bắt buộc nhằm tránh rủi ro, và các tai nạn đáng tiếc ảnh hưởng tới sức khỏe, tâm lý và vấn đề liên quan Ngoài việc tuân thủ các quy định chung của Trung tâm cơ học Máy thủy lợi, sinh viên cần phải tuyệt đối tuân theo quy định an toàn của phòng thí nghiệm Vật liệu kỹ thuật Một số quy định như không đi dép lê, không được mang đồ ăn, đồ uống vào phòng thí nghiệm, không được sử dụng thiết bị nếu chưa được đào tạo, …và đặc biệt không được gian lận trong báo cáo kết quả thí nghiệm

II NỘI DUNG THÍ NGHIỆM

A NỘI DUNG HƯỚNG DẪN LÝ THUYẾT TRÊN LỚP

Sinh viên được hướng dẫn về nội dung thí nghiệm bao gồm 02 bài thí nghiệm như dưới đây:

BÀI 1 ĐO ĐỘ CỨNG CỦA THÉP VÀ GANG

I- Mục đích và yêu cầu

- Nắm vững nguyên lý đo độ cứng theo các phương pháp Brinell, Rockwell và Vicker

- Làm quen và biết cách sử dụng các máy đo độ cứng thông dụng

II- Cơ sở lý thuyết

1 Đo độ cứng

Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của kim loại, dưới tác dụng của tải trọng thông qua mũi đâm Độ cứng là một trong những đặc trưng cơ tính quan trọng của vật liệu, dễ dàng đo được thông qua các thiết bị đo mà không cần phải phá hủy mẫu

Một số phương pháp đo độ cứng thường được sử dụng:

- Phương pháp đâm: dùng tải trọng xác định đặt lên mũi đâm (hình côn, hình tháp, hình cầu ) có độ cứng rất cao (kim cương, hợp kim cứng, thép tôi ) để mũi đâm tác dụng lên bề mặt mẫu, gây ra biến dạng tại vị trí đâm Căn cứ cào diện tích hoặc chiều sâu vết lõm trên bề mặt mẫu ứng với tải trọng tác dụng để tính số đo của độ cứng Phương pháp này được dùng phổ biến nhất

- Phương pháp nảy lại: dùng để đo độ biến dạng đàn hồi bằng cách thả viên bi từ độ cao xác định lên

bề mặt vật liệu Sau đó, căn cứ vào chiều cao trước và sau khi thả bi mà tính ra số đo độ cứng

- Phương pháp đo độ xước: là phương pháp đo khả năng chống lại phá hoại bề mặt của vật liệu Với phương pháp này mũi kim cương vừa được ấn lên bề mặt mẫu, vừa bị kéo chuyển động với tốc độ xác định, để tạo thành vết xước Căn cứ vào lực ấn, chiều sâu, chiều rộng vết xước để tính số đo độ cứng

Trong bài thí nghiệm này, tiến hành đo độ cứng của kim loại bằng các phương pháp đâm như:

2 Phương pháp đo độ cứng Brinell

Nguyên lý của phương pháp này là ấn một viên bi bằng thép đã được tôi cứng, lên bề mặt mẫu dưới tác dụng của tải trọng P, trên bề mặt mẫu có vết lõm hình chỏm cầu Số đo Brinell được tính bằng biểu thức:

 2 20 5

2

.

P HB

πD D D d



   

Trong đó:

D: Đường kính viên vi, mm

d: Đường kính vết lõm, mm

Phương pháp nàychỉ cho phép đo các vật liệu có độ cứng nhỏ hơn 450 HB để tránh biến dạng cho viên bi Độcứng viên bi theo thang Vicker không được bé hơn 850 HV

3 Phương pháp đo độ cứng Rockwell

Phương pháp này tiến hành bằng cách dùng mũi đâm kim cương có dạng hình nón, góc ở đỉnh bằng 120 hoặc dùng mũi đâm bi thép có đường kính d = (1.6  12.7) mm đâm lên bề mặt vật liệu

Số đo độ cứng Rockwell được xác định bằng hiệu số chiều sâu như công thức dưới đây:

0 002

h HRX M

.



 

X: Chỉ thang đo sử dụng (A, B, C, D, E, R, M)

M: Giới hạn trên của thang đo

M = 100 → mũi đâm kim cương (thang A, C,

D)

M = 130 → mũi đâm bi thép (thang B, E, R, M).

h = h2 – h1: Chiều sâu vết lõm, mm

(Hiện nay đo trên máy → kết quả ngay)

h1: Độ sâu tải phụ, mm

h2: Độ sâu tải chính, mm

Hình 2: Đo độ cứng Rockwell

Đo bằng phương pháp Rockwell cho phép đo các mẫu có độ cứng cao hơn 450 HB hoặc các mẫu mỏng, nhỏ hơn 1.2 mm Phương pháp này cho phép thay đổi tải trọng trong một pham vi rộng mà không làm thay đổi giá trị đo được của độ cứng, vì nó bảo đảm quy luật đồng dạng của mũi đâm Ngoài ra thời gian đo rất nhanh (từ 6 – 10 giây)

Hình 1: Đo độ cứng Brinell

4 Phương pháp đo độ cứng Vicker

Phương pháp Vicker về nguyên lý đo giống như phương pháp Brinell, nhưng thay mũi bi bằng mũi kim cương hình tháp, có góc giữa hai mặt bên là 1360 Tải trọng sử dụng P = 5 ÷ 1500N, phụ thuộc vào chiều dày mẫu đo Đo theo phương pháp Vicker có thể áp dụng cho các chi tiết rất cứng hoặc mềm, và số đo độ cứng không phụ thuộc vào tải trọng

2

2



Trong đó:

d: Đường chéo vết lõm, mm

Đo bằng phương pháp Vicker thường dùng để đo độ cứng các vật mỏng, các lớp thấm…

BÀI 2 QUAN SÁT CẤU TRÚC TẾ VI CỦA CÁC LOẠI GANG, THÉP

I- Mục đích và yêu cầu

- Thực hành mài mẫu, đánh bóng, tẩm thực và quan sát tổ chức tế vi của các mẫu gang bằng kính hiển

- Tầm quan trọng của công tác chuẩn bị mẫu và ảnh hưởng của các quá trình này đến kết quả thu được

- Nhận biết và phân biệt các loại gang

- Phân biệt tổ chức tế vi của thép sau nhiệt luyện ở các nhiệt độ khác nhau

II- Cơ sở lý thuyết

1 Phân biệt các loại gang

Gang là hợp kim của sắt với Cacbon với thành phần Cacbon lớn hơn 2,14% Ngoài ra còn các nguyên tố thường gặp là Mn, Si, P, S

+ Si và Mn là hai nguyên tố có tác dụng điều chỉnh sự tạo thành graphit và cơ tính của gang

+ Còn P và S là các nguyên tố có hại trong gang nên càng ít càng tốt

Các đặc tính cơ bản của gang:

+ Nhiệt độ chảy thấp, nên dễ nấu chảy hơn thép

Hình 3: Đo độ cứng Vicker

+ Dễ nấu luyện

+ Tính đúc tốt

+ Dễ gia công cắt (trừ gang trắng)

+ Chịu nén tốt

Phân loại gang

Theo tổ chức tế vi, người ta phân gang làm 2 loại chính đó là gang trắng và gang grafít

 Gang trắng: có tổ chức tế vi của gang hoàn toàn phù hợp với giản đồ trạng thái Fe-C và luôn chứa hỗn hợp cùng tinh Ledeburit;

- Gang trắng trước cùng tinh có:

+ %C < 4,3%

+ Tổ chức là: Le + P + XeII

Gang trắng trước cùng tinh Gang trắng cùng tinh Gang trắng sau cùng tinh

- Gang trắng cùng tinh có: %C = 4,3% và tổ chức Le

- Gang trắng sau cùng tinh có:

+ %C > 4,3%

+ Tổ chức là Le + XeI

Gang có grafít: là loại gang trong đó phần lớn hoặc toàn bộ lượng cacbon nằm dưới dạng tự do – graphit Trong tổ chức của loại gang này không có Ledeburit nên tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thía Fe-C Tuỳ theo hình dạng của graphit, lại chia thành 3 loại: gang xám, gang dẻo

và gang cầu

- Gang xám

Gang xám Ferit Gang xám Ferit – Peclit Gang xám Peclít

+ Gang xám Ferit: Có tổ chức tế vi là grafit tấm phân bố trên nền Ferit;

+ Gang xám Ferit - Peclit: Có tổ chức tế vi gồm grafit tấm phân bố trên nền kim loại Ferit + Peclit, lượng Fe3C (khoảng 0,1 - 0,6%);

+ Gang xám Peclít: Có tổ chức tế vi gồm grafit tấm phân bố trên nền kim loại Peclit, lượng Fe3C (khoảng 0,6 – 0,8%)

Gang cầu:

- Gang cầu:

Gang cầu Ferit Gang cầu Ferit – Peclit Gang cầu Peclít

- Gang dẻo: Grafit của nó có hình dạng cụm như cụm bông

Gang xám Ferit Gang xám Ferit – Peclit Gang xám Peclít

2 Phân biệt tổ chức tế vi của thép sau khi đã nhiệt luyện

Thép Carbon là thép thông thường gồm các nguyên tố:

+ C ≤ 2,14%; Mn ≤ 0,8%; Si ≤ 0,4%; P ≤ 0,05%; S ≤ 0,05%

+ Cr, Ni, Cu ≤0,3%; Mo, Ti ≤ 0,05%

Ảnh hưởng của Carbon đến tổ chức tế vi:

- C < 0,76% tổ chức Ferit + Peclit – thép trước cùng tích

- C = 0,76% tổ chức Peclit – thép cùng tích

- C > 0,76% tổ chức Peclit + XeII – thép sau cùng tích

Sau khi nhiệt luyện ở nhiệt độ khác nhau sẽ cho tổ chức tế vi khác nhau

B NỘI DUNG THÍ NGHIỆM TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU KỸ THUẬT

Sinh viên được hướng dẫn trình tự thí nghiệm và cách sử dụng các thiết bị thí nghiệm như Máy mài

và đánh bóng mẫu bằng tay, Thiết bị đo độ cứng Rockwell, Brinell, Vicker, và kính hiển vi soi tổ chức tế vi, đo đạc, thu nhận kết quả, xử lý số liệu và tổng hợp báo cáo

Mục đích: Sinh viên cần nắm vững được ảnh hưởng phương pháp nhiệt luyện tới của tổ chức tế vi,

và do đó độ cứng của thép và gang, từ đó có thể vận dụng những kiến thức vào học tập các môn học khác và trong thực tế

Sinh viên cần hiểu và sử dụng được các thiết bị, cũng như tiến hành tất cả các bước chế tạo mẫu trước khi đo đạc

BÀI 1 ĐO ĐỘ CỨNG CỦA THÉP VÀ GANG

1 Đo độ cứng sử dụng máy HR 400

- Đo độ cứng bằng phương pháp Brinell (HB) và Rockwell (HR)

- Sử dụng các mẫu thép C45 hoặc 40Cr: trước khi xử lý nhiệt và sau khi xử lý nhiệt (tôi ở 850 )℃

- Mài và đánh bóng mẫu trước khi đo

- Sử dụng đầu đo kim cương

- Tiến hành đo:

+ Đặt mẫu lên đế

+ Cài đặt chương trình đo

+ Đo 3 lần rồi lấy giá trị trung bình

2 Đo độ cứng sử dụng máy HM 200

- Đo độ cứng bằng phương phápVicker (HV)

- Sử dụng các mẫu thép C45 hoặc 40Cr: trước khi xử lý nhiệt và sau khi được xử lý nhiệt (tôi ở

850 )℃

- Sử dụng đầu đâm kim cương

- Mài và đánh bóng mẫu trước khi đo

- Tiến hành đo:

+ Đặt mẫu lên đế

+ Cài đặt chương trình đo

+ Đo 3 lần rồi lấy giá trị trung bình

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 1

1 Đo HRA, HRC:

Mẫu thép: ……….(trước khi xử lý nhiệt)

Tải trọng

HRA

HRC

(quy đổi từ HRA)

Tải trọng

HRA

HRC

(quy đổi từ HRA)

Nhận xét:

2 Đo HV:

Mẫu thép: ……….(trước khi xử lý nhiệt)

Tải trọng

d1 (µm)

d2 (µm)

Tính HV theo công thức:

Tải trọng

d1 (µm)

d2 (µm)

Tính HV theo công thức:

Nhận xét:

BÀI 2 QUAN SÁT CẤU TRÚC TẾ VI CỦA CÁC LOẠI GANG, THÉP

1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm

Mài mẫu

Chuẩn bị mẫu:

- Gang: gang xám, gang cầu

- Thép: C45 hoặc 40Cr (trước khi xử lý nhiệt và sau khi được xử lý nhiệt (tôi ở 850 )).℃

a) Mài thô

- Sử dụng máy mài

- Sử dụng các loại giấy nhám từ P120 đến P800 để mài mẫu từ thô đến mịn

- Khi mài tiến hành theo 1 chiều Yêu cầu là tạo trên bề mặt tương đối phẳng, có các vết xước song song và đều nhau Sau đó, ta quay mẫu đi 900 và mài tiếp, cho đến khi tạo ra bề mặt phẳng mới, hệ xước mới xóa hết các vết của hệ xước cũ

- Mỗi loại giấy nhám, ta mài 3-5 lần, và lặp lại ở các số giấy nhám mịn hơn, cho đến tờ giấy nhám mịn nhất

- Chú ý không để nhiệt độ tăng quá nhiệt độ chuyển biến pha của mẫu mài

b) Đánh bóng

- Sử dụng nỉ để đánh bóng mẫu

- Khi đánh bóng, sử dụng dung dịch đánh bóng nhỏ liên tục lên miếng nỉ

Thành phần của dung dịch đánh bóng được trình bày trong Bảng 1

Bảng 1: Dung dịch dùng đánh bóng

Cr 2 O 3 72 76 86 32 35 37

- Đánh bóng cho đến khi bề mặt không còn vết xước nào (không nên đánh bóng quá lâu, dễ làm tróc các pha quá cứng hoặc quá mềm)

- Sau khi đánh bóng, mẫu được rửa sạch và sấy khô

- Nếu quan sát trên kính hiển vi thấy vẫn còn nhiều vết xước, thì phải đánh bóng lại

2 Tẩm thực

Tẩm thực là quá trình ăn mòn bề mặt mẫu bằng các dung dịch hóa học phù hợp (hay còn gọi là dung dịch tẩm thực) Khi tẩm thực các biên giới pha, các vùng tổ chức sẽ bị ăn mòn với những tốc độ khác nhau Sau khi tẩm thực bề mặt mẫu sẽ lồi, lõm tương ứng với các pha và tổ chức Do vậy, có thể nhận biết được hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha

Một số loại dung dịch tẩm thực thường dùng cho gang và thép được trình bày trong Bảng 2

Bảng 2: Các dung dịch tẩm thực thông dụng sử dụng cho gang và thép

Thành phần dung dịch Công dụng

4 % dung dịch axit HNO3 trong cồn Gang, thép cacbon Axit HCl/Axit HNO3 tỷ lệ 3/1 Thép hợp kim

- Khi tẩm thực, sử dụng kẹp để kẹp một ít bông gòn nhúng vào dùng dịch tẩm thực, sau đó quét nhẹ lên bề mặt mẫu

- Sau khi tiếp xúc với dung dịch tẩm thực, bề mặt mẫu sẽ ngả từ màu sáng sang màu xám thì có thể kết thúc tẩm thực Tránh để mẫu quá lâu, mẫu sẽ có màu đen và không quan sát được

- Tẩm thực xong, sử dụng bông gòn rửa sạch bề mặt ở vòi nước chảy, sau đó rửa lại bằng cồn và đem sấy khô

3 Quan sát tổ chức tế vi của gang, thép

Quan sát tổ chức tế vi của các loại gang bằng kính hiển vi soi kim tương nghịch đảo có camera chụp ảnh tổ chức tế vi: Model GX41-Olympus-Philipin

Quan sát mẫu trước và sau khi tẩm thực dưới kính hiển vi với độ phóng đại 50X, 100X, 200X Mẫu xuất hiện các đường biên giới nhỏ, đứt đoạn là tẩm thực chưa đủ thời gian, phải đem tẩm thực lại Ngược lại, các đường biên giới quá to, đậm, độ tương phản bề mặt kém do thời gian tẩm thực quá dài, hoặc nồng độ dung dịch cao nên phải đem đánh bóng và tẩm thực lại

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 2 (Sử dụng ảnh tổ chức tế vi đã chụp và nhận xét)

KẾT LUẬN CHUNG VỀ BÀI THÍ NGHIỆM