Giáo trình thí nghiệm vật liệu học

Mục đích của công tác chuẩn bị mẫu là để nghiên cứu, phân biệt rõ cấu trúc tổ chức hạt, biên giới hạt, các pha,… khi quan sát dưới kính hiển vi kim loại.. Nguyên lý nghiên c ứu tổ chức t

GI ỚI THIỆU

Trong thế kỉ XX và đầu thế kỉ XXI, ngành vật liệu và các ngành khác đã tạo ra một cuộc cách mạng trong cuộc đại cách mạng công nghệ, bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, và công nghệ vật liệu Trong lĩnh vực vật liệu cơ khí, từ vật liệu kim loại, polymer, ceramic, cho đến vật liệu composite đang phát triển mạnh mẽ với các tính chất ngày càng tốt hơn, dễ gia công hơn, giá thành cạnh tranh hơn đáp ứng ngày càng tốt hơn các yêu cầu của cuộc cách mạng khoa học và công nghệ Môn Thí nghiệm Vật liệu học song hành với môn Vật liệu học là

một trong những môn nền tảng cho ngành cơ khí, cung cấp cho người

họccác kiến thức về cấu trúc và tính chất của các nhóm vật liệu để quá trình gia công chế tạo, xử lý, sử dụng vật liệu đạt hiệu quả tối đa

Cuốn sách này dùng cho sinh viên các trường nghề, trường cao đẳng, đại học các chuyên ngành cơ khí như Công nghệ Chế tạo máy, Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp,… nhằm

củng cố phần lý thuyết cơ bản về vật liệu cơ khí và rèn luyện kỹ năng làm việc trong phòng thí nghiệm, gồm các nội dung chính:

- Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi kim loại và hợp kim

- Nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim sắt – carbon ở trạng thái cân bằng như thép, gang trắng và tổ chức tế vi của gang graphite

- Đo độ cứng thép trước và sau khi tôi; nghiên cứu quá trình tôi thép

- Nghiên cứu quá trình ram thép

Tài liệu này có phần sau viết bằng tiếng Anh theo xu hướng hội

nhập quốc tế Cuốn sách cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho các kỹ thuật viên, kỹ sư công tác trong lĩnh vực cơ khí, vật liệu

Nhóm tác gi ả

M ỤC LỤC

BÀI 1: CHU ẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ

VI C ỦA KIM LOẠI 9

1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 9

1.2 LÝ THUYẾT 9

1.2.1 Cấu tạo của kim loại và hợp kim 9

1.2.2 Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi 10

1.2.3 Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim loại 11

1.3 THÍ NGHIỆM 12

1.3.1 Chọn và cắt mẫu 12

1.3.2 Mài mẫu 13

1.3.3 Đánh bóng 14

1.3.4 Tẩm thực 15

1.3.5 Quan sát trên kính hiển vi 16

1.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 17

BÀI 2: NGHIÊN C ỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM Fe – C 18

2.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 18

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

2.2.1 Các dạng thù hình của sắt 18

2.2.2 Các dạng thù hình của C 19

2.2.3 Tương tác giữa Fe và C 20

2.2.4 Giản đồ trạng thái Fe-C 21

2.2.5 Các tổ chức cơ bản 23

2.2.6 Phân loại thép và gang trắng 27

2.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 29

2.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 29

BÀI 3: NGHIÊN C ỨU TỔ CHỨC GANG GRAPHITE 30

3.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 30

3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30

3.2.1 Khái niệm 30

3.2.2 Điều kiện hình thành graphite 31

3.2.3 Hình dạng graphite và phân loại gang graphite 32

3.2.4 Gang xám 32

3.2.5 Gang dẻo (gang rèn) 33

3.2.6 Gang cầu (gang có độ bền cao) 34

3.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 35

3.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 36

BÀI 4: ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÔI THÉP 37

4.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 37

4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 37

4.2.1 Độ cứng 37

4.2.2 Tôi thép 44

4.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 47

4.3.1 Nhận mẫu sau khi ủ 47

4.3.2 Đóng số 48

4.3.3 Đo độ cứng HRB/HB 48

4.3.4 Tôi mẫu thép 48

4.3.5 Đo độ cứng sau khi tôi 49

4.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 49

BÀI 5: RAM THÉP CARBON SAU KHI TÔI 50

5.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 50

5.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 50

5.2.1 Ram thấp (150°C÷250°C) 51

5.2.2 Ram trung bình (300°C÷450°C) 51

5.2.3 Ram cao (500°C÷650°C) 51

5.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 52

5.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 52

Lesson 1 PREPARING SPECIMENS FOR RESEARCHING MICROSTRUCTURE OF METALS AND ALLOYS 53

1.1 PURPOSE 53

1.2 THEORETICAL BACKGROUND 53

1.2.1 The structure of metals and alloys 53

1.2.2 Principles of microstructure research 54

1.2.3 Metal microscope 55

1.3 MANUFACTURING SAMPLES 56

1.3.1 Select and sectioning the sample 56

1.3.2 Grinding sample 57

1.3.3 Polishing 58

1.3.4 Etching 59

1.3.5 Observing on optical metallurgical microscope 60

1.4 REPORT 62

Lesson 2 MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF IRON - CARBON ALLOYS 63

2.1 PURPOSE 63

2.2 THEORETICAL BACKGROUND 63

2.2.1 Allotropes of iron 63

2.2.2 Allotropes of carbon 64

2.2.3 Interaction between Fe and C 65

2.2.4 The Fe-C phase diagram 66

2.2.5 Fundamental microstructures 67

2.2.6 Classification of steel and white cast iron 71

2.3 EXPERIMENTAL CONTENT 73

2.4 REPORT 73

Lesson 3 MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF GRAPHITE - CAST IRON 74

3.1 PURPOSE 74

3.2 THEORETICAL BACKGROUND 74

3.2.1 Definition 74

3.2.2 Graphite forming conditions 74

3.2.4 Classification in graphite cast iron 75

3.2.5 Gray cast iron 76

3.2.6 Malleable cast iron 77

3.2.7 Nodular cast iron 78

3.3 EXPERIMENTAL CONTENT 79

3.4 REPORT 80

Lesson 4

HARDNESS TESTING AND QUENCHING STEEL

PROCESS 81

4.1 PURPOSE 81

4.2 THEORETICAL BACKGROUND 81

4.2.1 Hardness 81

4.2.2 Quenching 89

4.3 EXPERIMENTAL CONTENT 93

4.3.1 Receive samples 93

4.3.2 Numbering 93

4.3.3 Hardness testing of HRB/HB 93

4.3.4 Quenching sample steel 93

4.3.5 Hardness measurement after quenching 94

4.4 REPORT 94

Lesson 5 TEMPERING QUENCHED – STEEL 95

5.1 PURPOSE 95

5.2 THEORETICAL BACKGROUND 95

5.2.1 Low tempering (150°C ÷ 250°C) 96

5.2.2 Medium tempering (300°C ÷ 450°C) 96

5.2.3 High tempering (500°C ÷ 650°C) 97

5.3 EXPERIMENTAL CONTENT 97

5.4 REPORT 98

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 99

BÀI 1

1.1 M ỤC 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

Vật liệu kim loại thường có cấu tạo gồm nhiều đơn tinh thể liên kết

chặt chẽ với nhau, được gọi là đa tinh thể Đơn tinh thể được coi là tinh

thể hoàn chỉnh, đa tinh thể gồm nhiều đơn tinh thể Từng đơn tinh thể trong đa tinh thể được gọi là hạt tinh thể, do đó cấu trúc đa tinh thể còn được gọi là cấu trúc (tổ chức) hạt (Hình 1.1)

Các nguyên tử trong từng hạt tinh thể luôn luôn sắp xếp một cách

có trật tự Còn các nguyên tử ở biên giới hạt thường sắp xếp không trật tự

do tác động của các hạt xung quanh

Hợp kim được cấu tạo từ một hoặc nhiều pha Các pha khác nhau đều có các tính chất đặc trưng khác nhau (cơ tính, lý tính, hóa tính)

Mục đích của công tác chuẩn bị mẫu là để nghiên cứu, phân biệt rõ

cấu trúc (tổ chức) hạt, biên giới hạt, các pha,… khi quan sát dưới kính

hiển vi kim loại

1.2.2 Nguyên lý nghiên c ứu tổ chức tế vi

Nghiên cứu tổ chức tế vi là công việc quan sát hình ảnh phóng đại

của bề mặt mẫu đã được chuẩn bị, thông qua kính hiển vi Hình ảnh này

thể hiện cấu tạo và tổ chức của kim loại và hợp kim, mà cơ tính và lý tính

của vật liệu đều có liên quan đến tổ chức quan sát được

đánh bóng (tẩm thực) Do mẫu tạo bởi các pha có tính chất hóa học khác nhau nên trên từng pha thì mức độ ăn mòn, cũng như giữa hạt tinh thể và biên giới hạt khác nhau, từ đó làm xuất hiện độ mấp mô khác nhau Sự tương phản sáng tối giữa các pha, hạt và biên giới hạt, sẽ làm nổi rõ tổ

chức tế vi của kim loại – hợp kim (Hình 1.2)

1.2.3 Nguyên lý quan sát t ổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim loại

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

Nguyên lý quan sát: Phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu đã được chuẩn

bị bằng kính hiển vi, tín hiệu sử dụng là ánh sáng phản xạ từ bề mặt mẫu (Hình 1.3) Độ phóng đại của kính hiển vi kim loại thường trong khoảng

80 ÷ 2000 lần (được tính theo tích số độ phóng đại vật kính, độ phóng đại

thị kính, và hệ số hiệu chỉnh) Muốn quan sát với độ phóng đại cao hơn,

ta phải dùng kính hiển vi điện tử

Hình 1.4 Khuyết tật tế vi của vật liệu

Nhờ kính hiển vi mà có thể quan sát được tổ chức của các pha, sự phân bố, hình dáng và kích thước của chúng Với gang graphite, có thể

dễ dàng xác định được hình dáng, kích thước và sự phân bố của graphite trên pha nền Ngoài ra, còn có thể thấy được các khuyết tật của vật liệu như vết nứt tế vi, rỗ và các tạp chất…(hình 1.4)

1.3 THÍ NGHI ỆM

1.3.1 Ch ọn 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 phải được

tiến hành cẩn thận để đảm bảo không bị ảnh hưởng đến tổ chức tế vi của

mẫu trong quá trình cắt Với các thép và gang đã nhiệt luyện thì yêu cầu nhiệt độ của vị trí cắt không quá 1000

C Kích thước mẫu thường là:

10x10 hoặc 10x10 (mm2

), tối thiểu là 3 mm2

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 mà có thể cắt mẫu theo tiết diện ngang

hoặc cắt theo dọc trục Khi muốn quan sát sự thay đổi tổ chức từ bề mặt vào lõi thì cắt theo tiết diện ngang Muốn nghiên cứu tổ chức dạng thớ,

sợi nên cắt theo chiều dọc trục (Hình 1.6)

a) C ắt theo tiết diện ngang b) C ắt theo tiết diện dọc

Hình 1.6 Các kiểu cắt mẫu

Bàn k ẹp mẫu Đá cắt

Chi tiết

c ần 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)

Hình 1.7 Các ki ểu kẹp mẫu 1.3.2 Mài m ẫu

Đầu tiên mài trên giấy nhám 180 Giấy nhám đặt trên mặt bàn

phẳng (tấm kính), dùng tay nắm chặt mẫu, tì nhẹ mặt mẫu vào mặt giấy nhám ở vị trí 1, đẩy mẫu tới vị trí 2, sau đó nhấc mẫu lên khỏi bề mặt

giấy nhám, rồi đưa về vị trí 1 và lặp lại động tác đã thực hiện

Hình 1.9 Mài mẫu trên giấy nhám

Sau khi mài khoảng 50 đến 70 lần, bề mặt mẫu chỉ còn các đường song song Sau đó xoay mẫu 900

, tiếp tục mài trên giấy nhám nhằm khử các xước cũ và tạo các vết xước mới Lặp đi lặp lại bước mài và xoay

mẫu từ ba đến năm lần

Quan sát bằng mắt thường, nếu thấy các vết xước đều và sâu như nhau thì xoay 900, rồi lần lượt chuyển sang giấy nhám cỡ 240, sau đó 320

và cuối cùng là cỡ 400

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

1.3.3 Đánh bóng

Sau khi hoàn tất mài thô, tạo được bề mặt phẳng nhưng vẫn tồn tại các vết xước mịn, phải đem rửa sạch mẫu, rồi đánh bóng để xóa các vết xước trên bề mặt mẫu Đánh bóng mẫu trên một miếng dạ hay vải nỉ được gắn trên máy đánh bóng (Hình 1.10) Một số hỗn hợp đánh bóng

mẫu thông dụng được thể hiện trên Bảng 1.1

Hình 1.10 Máy mài và đánh bóng mẫu EcoMet 30 Buehler

B ảng 1.1 Thành phần hỗn hợp đánh bóng thông dụng Tên các ch ất

Sau khi đánh bóng xong, phải rửa mẫu lại cho thật sạch và sấy khô

mẫu Nếu sau khi đánh bóng, quan sát trên kính hiển vi vẫn thấy còn vết xước thì phải tiến hành đánh bóng lại

1.3.4 T ẩm thực

Bề mặt mẫu trước khi tẩm thực phải sạch vết xước, rỉ sét, tạp chất

Muốn nghiên cứu tổ chức tế vi cần phải tẩm thực mẫu Tẩm thực là quá trình ăn mòn bề mặt kim loại bằng các dung dịch hóa học thích hợp Dung dịch hóa học thích hợp này được gọi là dung dịch tẩm thực Một số dung dịch tẩm thực thông dụng được trình bày trên Bảng 1.2

B ảng 1.2 Một số dung dịch tẩm thực thông dụng

TT Thành ph ần dung dịch Công d ụng Ghi chú

1 4% acid HNO3 trong cồn (Nital) Gang, carbon thép

Dùng ngay sau khi pha

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

carbon

3 Dung dịch picrat natri

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% FeCl2 trong dung dịch 10% HCl Hợp kim đồng

7 Dung dịch 0.5% HF trong nước Hợp kim nhôm

Với thép carbon, sử dụng dung dịch 4% Nital Thời gian tẩm thực (nhúng) mẫu vào dung dịch là vài giây tới vài chục giây tùy theo trạng thái và thành phần của kim loại và hợp kim

Hình 1.11 T ẩm thực và rửa mẫu

Bông t ẩm dung dịch tẩm thực

R ửa nước

Nếu dùng bông tẩm thì phải xoay bông tẩm nhanh và đều trên bề

mặt mẫu để đảm bảo dung dịch ăn mòn đều Sau đó rửa sạch bề mặt mẫu

ở vòi nước chảy một cách nhanh chóng để tránh ăn mòn hóa học sâu vào

bề mặt kim loại Cuối cùng rửa lại bằng cồn, lau khô và đem sấy khô nhẹ nhàng (thời gian sấy ngắn để tránh mẫu bị 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

1.3.5 Quan sát trên kính hi ển 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 Trình tự thao tác:

- 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)

chức tế vi hơi mờ

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

Núm điều chỉnh cường độ ánh sáng

QUY TRÌNH CHU ẨN BỊ MẨU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI

- 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

1.4 N ỘI DUNG BÁO CÁO

Sinh viên nộp mẫu và hình chụp tổ chức tế vi cho giảng viên hướng

dẫn, trình bày độ phóng đại của kính hiển vi, các pha, các tổ chức trong

BÀI 2

2.1 M ỤC ĐÍCH YÊU CẦU

- 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

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.1 Các d ạng 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:

a) Graphite (Lục giác xếp lớp) b) Mạng kim cương

Hình 2.2 Các kiểu mạng tinh thể của carbon

Hình 2.3 Khối graphite

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

2.2.3.2 Tạo Austenite

Hình 2.5 Austenite (tẩm thực bằng ba phần HCl + một phần HNO3)

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°

Cementite (Fe3C) ký hiệu là Ce, là pha trung gian giữa sắt và C, có

độ cứng rất cao (800 HV, tương đương 800 HB), tính chống mài mòn tốt, nhưng rất giòn Thành phần carbon trong cementite tính theo trọng lượng

là 6,67% Cementite có kiểu mạng lập phương phức tạp, gồm CeI (Hình 2.8), CeII (Hình 2.9) và CeIII

2.2.4 Gi ản 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 - Fe3C) 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%

Fe Carbon

Hình 2.7 Giản đồ trạng thái Fe - Fe3C

B ảng 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 t ổ chức cơ bản

2.2.5.1 Các tổ chức một pha

1 Dung d ịch 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)

Hình 2.8 Tổ chức tế vi gang trắng sau cùng tinh

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 h ạt trên nền ferrite

b) Cementite lưới

Hình 2.9 Tổ chức tế vi thép sau cùng tích (dung dịch tẩm thực 4% Nital)

- Cementite th ứ ba (Ce III ) cũng được tạo thành từ trạng thái rắn nhưng là từ Ferrite tiết ra Khi nhiệt độ của ferrite nhỏ hơn nhiệt độ của đường t0

PQ (nhiệt độ <7270

C), khả năng hòa tan carbon của ferrite giảm

từ 0,02% ở 7270

C xuống 0,006%C ở nhiệt độ thường, nên sẽ tiết ra CeIII

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 7270

C là 0,02%, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 00

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

CeII

Ce II

NJESG, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 11470C là 2,14%, hàm lượng

carbon tối đa hòa tan ở 7270

C là 0,8%

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

Tổ chức này nhận được khi tôi thép: Sau khi nung nóng đạt trạng thái γ,

giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh với vận tốc nguội lớn hơn vận tốc tới hạn

(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

Lúc này tổ chức γ chuyển biến thành Feα mà không có sự khuếch

tán carbon sẽ tạo thành cementite, các nguyên tử carbon nằm trong lỗ

trống của mạng tinh thể Feα với nồng độ lớn hơn giới hạn hòa tan Hình

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

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 7270

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 t ấm gồm các tấm cementite và tấm ferrite nằm xen kẽ

nhau, trên tổ chức tế vi thấy rất rõ các vạch cementite có màu tối nổi trên

nền ferrite sáng Vì khi tẩm thực thì nền ferrite bị ăn mòn nhiều hơn cementite làm nhô lên các tấm cementite mảnh hơn với các mặt nghiêng,

do đó các vạch tối thể hiện cementite còn nền sáng là ferrite

Hình 2.12 M ặt cắt của pearlite tấm

- Pearlite h ạt là hỗn hợp cơ học của nền ferrite màu sáng có chứa

các hạt cementite màu tối hơn

2 Ledeburite: Là hỗn hợp cơ học cùng tinh, tạo thành từ dung

dịch lỏng có 4,3%C ở 11470C (điểm C) Lúc mới tạo thành gồm Le=( + Ce), tồn tại trong khoảng nhiệt độ từ 7270C đến 11470

C Khi làm nguội

xuống dưới 7270C thì  chuyển thành Pearlite nên lúc này Le = (P + Ce);

Loại này tồn tại ở nhiệt độ dưới 7270

1 Thép trước cùng tích

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%

- Tổ chức tế vi ở nhiệt độ thường: F + P Tỉ lệ ferrite (màu sáng) và pearlite (màu tối) phụ thuộc vào hàm lượng carbon Hàm lượng carbon càng cao thì tỉ lệ pearlite càng cao

2 Thép cùng tích

- 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)

3 Thép sau cùng tích

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

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

2.2.6.2 Gang trắng

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;

11470C), 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 + CeII + LeII (Hình 2.16)

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

2 Gang trắng cùng tinh

- 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)

2.3 N ỘI DUNG THÍ NGHIỆM

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

- Sinh viên tiến hành quan sát trên kính hiển vi kim loại và vẽ/chụp

lại tổ chức tế vi của các mẫu, đồng thời phân loại thép/gang trắng theo tổ

chức tế vi

2.4 N ỘI DUNG BÁO CÁO

1 Tóm tắt nội dung lý thuyết

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

TỔ CHỨC TẾ VI

Graphite: Là một dạng thù hình của carbon với kiểu mạng lục giác

xếp lớp có cấu trúc đơn giản Lực liên kết hóa trị trong mỗi lớp rất lớn, còn lực hút giữa các lớp thì rất yếu vì khoảng cách giữa các lớp quá xa nên graphite rất mềm và rất dễ tách lớp (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 mà một phần hay toàn bộ carbon của nó tồn tại dưới trạng thái tự do tập trung thành các phần tử graphite

3.2.2 Điều kiện hình thành graphite

Qua giản đồ trạng thái Fe-C ta chỉ thấy tồn tại thép và gang trắng

mà không có mặt của graphite Sự tạo thành graphite phụ thuộc nhiều

yếu tố như: nhiệt độ, tốc độ nguội, thành phần hóa học, sự tạo mầm… 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)

2 T ốc 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

Graphite Graphite

Nền ferrite

3.2.3 Hình d ạng 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)

3.2.4 Gang xám

Gang xám là một loại gang graphite mà graphite của nó có dạng

tấm, hai đầu nhọn Gang xám giòn, có độ bền kéo thấp, độ bền nén thì tốt hơn, chịu mài mòn tốt và chống rung động tốt Tùy thuộc vào mức độ graphite hóa có ba loại gang xám:

- 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)

Graphite

Pearlite

Ferrite

Hình 3.6 Gang xám pearlite (4% Nital) 3.2.5 Gang d ẻo (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 (Hình 3.3)

- Gang dẻo ferrite + pearlite (Hình 3.8)

- Gang dẻo pearlite (Hình 3.9)

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 c ầu (gang có độ bền cao)

Là một loại gang graphite mà graphite của nó có dạng hình cầu, được tạo thành bằng cách biến tính gang xám khi đúc với những nguyên

tố cầu hóa như Mg, Ce… Gang cầu có độ bền cao gần bằng thép Tùy thuộc vào quá trình graphite hóa có ba loại gang cầu:

- Gang cầu ferrite (Hình 3.4)

- Gang cầu ferrite + pearlite (Hình 3.10)

- Gang cầu pearlite (Hình 3.11)

Pearlite

Graphite

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

Hình 3.11 Gang cầu Pearlite (4% Nital)

3.3 N ỘI DUNG THÍ NGHIỆM

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:

- Gang cầu: 3 mẫu

- Gang dẻo: 3 mẫu

- Gang xám: 3 mẫu

3.4 N ỘI DUNG BÁO CÁO

- Tóm tắt nội dung lý thuyết

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

CHỨC TẾ VI

- 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 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

4.2.1 Độ cứng

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

Hình 4.2 Hình d ạng 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/D2

= 300

Hình 4.3 Kích thước mũi đâm và vật mẫu

Nguyên lý đo của phương pháp: Ấn mũi đâm lên bề mặt mẫu, dưới tác dụng của tải trọng tương ứng với đường kính bi đã định trước Giữ

lực một thời gian sau đó nhả lực thì trên mặt mẫu sẽ có vết lõm hình

chỏm cầu Gọi P (N) là tải trọng tác dụng, S (mm2

so với độ sâu h nên diện tích chỏm cầu có thể tính bằng công thức:

Đối với thép và gang thường dùng P = 30000 N, D = 10 mm

Để xác định độ cứng HB cần phải đo được đường kính vết lõm và dùng công thức trên để tính (có thể dùng bảng tính sẵn để tra Bảng 4.1)

2

)(D D2 d2



Mũi đâm Vật liệu

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

B ảng 4.1 Điều kiện sử dụng thang đo độ cứng Brinell Vật liệu Độ cứng

HB Chiều dày

nhỏ nhất (mm)

P/D 2 D

(mm) (N) P Thời

gian tác dụng (s)

Phạm vi sử dụng: Phương pháp Brinell đo được những vật liệu

mềm (tối thiểu 16 HB) đến vật liệu cứng (tối đa 627 HB) như kim loại màu (đồng, nhôm, niken,…), hợp kim màu, thép, các loại gang graphite Không đo được những vật liệu mỏng ( < 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),

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, 4mm 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

Tải trọng

C ần tải trọng Mũi đâm

Bàn mẫu

Tay quay

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

B ảng 4.2 Giới hạn đo của các thang Rockwell

70 ÷ 85

HRC Kim cương 1500 100 Vật liệu cứng (thép

sau tôi, Martensite) 20 ÷ 67

h K

Đồng hồ so

Mũi đâm Bàn mẫu

Tay quay

Cần gạt

Núm điều

chỉnh tải trọng