Báo cáo TN Vật Liệu Học và Xử Lý (ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI)

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 đặc trưng cơ tính quan trọng của vật liệu. Phương pháp đo độ cứng khác nhau: Phương pháp đâm: dùng 1 tải trọng xác định đặt lên mũi đâm có độ cứng rất cao để mũi đâm tác dụng lên bề mặt mẫu, gây ra biến dạng tại vị trí đâm. 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. Phương pháp đo độ cứng có ưu điểm: Từ giá trị độ cứng đo được, có thể suy ra độ bền của kim loại dẻo. Mẫu thử không phải chuẩn bị đặc biệt. Không phá hủy mẫu khi thử. Có thể đo được chi tiết rất lớn hoặc rất nhỏ, rất dày hoặc rất mỏng. Dưới đây giới thiệu các phương pháp đo độ cứng thông dụng theo phương pháp đâm. 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, trên bề mặt mẫu có vết lõm hình chỏm cầu Nếu gọi tải trọng tác động là P(N), diện tích vết lõm là S(〖mm〗2), thì số đo Brnell được tính bằng biểu thức: Các bi thường dùng có D =10; 5; 2,5 mm và tải trọng tương ứng là 30000; 7500 và 1875N. Lúc này tỉ số PD2 = 300 (tỉ số này bằng 30 khi đơn vị đo là kG). Phương pháp đo độ cứng Rockwell Phương pháp này tiến hành bằng cách ấn mũi đâm kim cương hoặc hợp kim cứng hình côn, có góc ở đỉnh là 1200, hoặc viên bi thép có đường kính 116”, 18”, 14”, 12” lên bề mặt vật liệu. Số đo độ cứng Rockwell được xác định bằng hiệu số chiều sâu. Độ cứng Rockwell C – mũi kim cương, tải trọng 1500N – HRC. Độ cứng Rockwell A – mũi kim cương, tải trọng 600N – HRA. Độ cứng Rockwell B – mũi bi 1,588mm, tải trọng 1000N – HRB. Giá trị độ cứng được tính theo công thức: HR=kh0,02 k là hằng số, khi dùng mũi bi k = 130; mũi kim cương k = 100. h là chiều sâu vết lõm do tải trọng chính tác dụng (mm). 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 = 50 ÷ 1500N, phụ thuộc vào chiều dày mẫu đo. Gọi tải trọng là P, diện tích bề mặt vết lõm là S, d là đường chéo ta có: HV=PS=1,854 Pd2 P đo bằng N hoặc kg d: mm

BỘ MÔN THIẾT BỊ & CNVL CƠ KHÍ

BÀI BÁO CÁO

ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI

TP HCM, THÁNG 03 NĂM 2016

BÀI 1 ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI

I) MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM :

Đo và xác định được thông số độ cứng, độ bền của kim loại cần đo

Xác định được các bước, trình tự và thang đo của độ cứng

So sánh được sai số giữa lí thuyết và thực nghiệm của độ cứng

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

II) TÓM TẮT LÝ THUYẾT :

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 đặc trưng cơ tính quan trọng của vật liệu

Phương pháp đo độ cứng khác nhau:

- Phương pháp đâm: dùng 1 tải trọng xác định đặt lên mũi đâm có độ cứng rất cao để mũi đâm tác dụng lên bề mặt mẫu, gây ra biến dạng tại vị trí đâm

- 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

Phương pháp đo độ cứng có ưu điểm:

Từ giá trị độ cứng đo được, có thể suy ra độ bền của kim loại dẻo Mẫu thử không phải chuẩn bị đặc biệt Không phá hủy mẫu khi thử Có thể đo được chi tiết rất lớn hoặc rất nhỏ, rất dày hoặc rất mỏng

Dưới đây giới thiệu các phương pháp đo độ cứng thông dụng theo phương pháp đâm

1 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, trên bề mặt mẫu có vết lõm hình chỏm cầu

Nếu gọi tải trọng tác động là P(N), diện tích vết lõm là S(mm2), thì số đo Brnell được tính bằng biểu thức:

Các bi thường dùng có D =10; 5; 2,5 mm và tải trọng tương ứng là 30000; 7500

và 1875N Lúc này tỉ số P/D2 = 300 (tỉ số này bằng 30 khi đơn vị đo là kG)

2 Phương pháp đo độ cứng Rockwell

Phương pháp này tiến hành bằng cách ấn mũi đâm kim cương hoặc hợp kim cứng hình côn, có góc ở đỉnh là 1200, hoặc viên bi thép có đường kính 1/16”, 1/8”, 1/4”, 1/2” lên bề mặt vật liệu Số đo độ cứng Rockwell được xác định bằng hiệu số chiều sâu

Độ cứng Rockwell C – mũi kim cương, tải trọng 1500N – HRC

Độ cứng Rockwell A – mũi kim cương, tải trọng 600N – HRA

Độ cứng Rockwell B – mũi bi 1,588mm, tải trọng 1000N – HRB

Giá trị độ cứng được tính theo công thức:

HR=k− h

0,02

k là hằng số, khi dùng mũi bi k = 130; mũi kim cương k = 100

h là chiều sâu vết lõm do tải trọng chính tác dụng (mm)

3 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 = 50 ÷ 1500N, phụ thuộc vào chiều dày mẫu đo

Gọi tải trọng là P, diện tích bề mặt vết lõm

là S, d là đường chéo ta có:

HV = P

P

d2

P đo bằng N hoặc kg d: mm

III) NỘI DUNG THÍ NGHIỆM :

1) Nhận phôi và chuẩn bị:

- Tiến hành mài nhẵn mặt cần đo độ cứng và mài sơ mặt còn lại

2) Thực hành :

- Tiến hành đo HRA trên máy đo (số 1) 3 lần và lấy giá trị trung bình

-3) Thao tác thực hành :

Đo HRA:

- Đặt phôi lên Đế đặt phôi,

- Quay tay quay củng chiều kim đồng hồ nâng lên sao cho phôi chạm vào mũi

đo Tiếp tục quay lên thì Kim nhỏ bắt đầu quay sao cho kim nhỏ quay sang điểm màu đỏ thì ngừng lại Xoay mặt đồng hồ xoa sao cho kim lớn chỉ ngay C-B Ấn nút Start vào chờ máy đo trong 10s Sau khi đồng hồ thời gian đếm

về 0 và trở lại 10 sẽ phát ra tiếng “Bíp”, đọc giá trị HRA Quay ngược Tay quay lại để lấy phôi và tiếp tục đo ở vị trí khác cho đủ 3 lần đo

- Sau đó Lấy giá trị trung bình so sánh với 60 > 60 => tiến hành đo HRC 3 lần

Đo HRC:

- Đặt phôi lên Đế đặt phôi,

- Vặn núm điều chỉnh lực, thay đổi chế độ đo 980

- Quay tay quay củng chiều kim đồng hồ nâng lên sao cho phôi chạm vào mũi

đo Tiếp tục quay lên thì Kim nhỏ bắt đầu quay sao cho kim nhỏ quay sang điểm màu đỏ thì ngừng lại Xoay mặt đồng hồ xoa sao cho kim lớn chỉ ngay C-B Ấn nút Start vào chờ máy đo trong 10s Sau khi đồng hồ thời gian đếm

về 0 và trở lại 10 sẽ phát ra tiếng “Bíp”, đọc giá trị HRC Quay ngược Tay quay lại để lấy phôi và tiếp tục đo ở vị trí khác cho đủ 3 lần đo

Đo HV trên máy đo số 2.

- Đặt phôi lên đế để phôi

- Quay Tay quay cùng chiều kim đồng hồ để phôi đi lên chạm vào mũi đo, tiếp tục quay sau cho cây thước trên mặt hiển thị di chuyển đến cuối cây thước

- Hạ nhẹ nhàng cần lực đến hết cần lực và chờ khoản 10s sau đó nâng cần lực lên nhẹ nhàng

Quay Tay quay ngược lại để lấy phôi ra Lưu ý điểm vừa đo, lấy viết đánh dấu lại vị trí lỗ vừa đo Tương tự như vậy đo 3 lần

- Đem 1 trong 3 lỗ đi đo bằng kính quang xác định chiều dài đường chéo

D đối với HV hoặc đường kính lõm D đối với HB 2 lỗ còn lại sẽ được

đo trên kính hiển vi

IV) SỐ LIỆU ĐO ĐƯỢC :

- Đầu tiên đo HRA bằng máy đo HRA 3 lần trước rồi tính HRA kết hợp tra bảng xác định HV theo lý thuyết

- Xét thấy giá trị đo HRA>60, ta sẽ tiếp tục đo HRC 3 lần bằng máy đo HRC và HV 3 lần bằng máy đo HV Tiếp đến tính HV

BẢNG 1: SỐ LIỆU ĐO ĐƯỢC

LẦN 1 LẦN 2 LẦN 3 TRUNG BÌNH

HV

V) XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO :

Khi có số liệu 3 lần đo HRA tính trung bình ta thấy >60, nên ta chọn thang HRC đo tiếp 3 lần, ta tính trung bình và điền giá trị tính được vào cột “TRUNG BÌNH”

Tương tự với giá trị đường chéo ở bước đo HV, tính giá trị HV trung bình đường chéo D, D ứng với từng lần rồi điền vào bảng

Ta áp dụng công thức (phần lí thuyết) để tính HV thực tế của 3 lần đo, ta được giá trị độ cứng HV thực tế 3 lần đo, cuối cùng tính trung bình HV theo yêu cầu bài báo cáo

Cuối cùng là tính sai số giữa HV lí thuyết và trung bình thực tế

Tra bảng:

´

HRA → HV lý thuyết=781,5

 Chứng minh :

- Áp dụng công thức nội suy

- Vì sai số máy đo = 0,8

Ta có :

HRA = 82,33 + 0,8 = 83,13

- Suy ra :

HV = 83,13−83,183,3−83,1 (790-780) + 780

Tính toán HV/HB :

´

HRA → HRC lý thuyết=63,445

Bảng 2 : Tra HRV và HV

 Chứng minh :

- Áp dụng công thức nội suy

- Vì sai số máy đo = 0,8

Ta có :

HRA = 82,33 + 0,8 = 83,13

- Suy ra :

HRC = 83,13−83,183,3−83,1 (63,7-63,4) + 63,4

 HRC =63,445

Tính phần trăm sai số giữa thực tế và lý thuyết:

Vì HRCthực tế = HRC đo được + Sai số máy đo = 64 + 0,8 =64,8

Sai số : δ = ¿HRC lý thuyết−HRC thực tế∨ ¿

HRC lý thuyết¿× 100%

= ¿63,445−64,8∨ ¿

Tính toán HV/HB

D1và D2Lỗ 1 → HV =¿1,854 P

d2 = 1,854 100

D1và D2Lỗ 2 → HV =¿1,854 d P2 = 1,854 0,5725100 2 = 565,66

D1và D2Lỗ 3 → HV =¿1,854 d P2 = 1,854 0,4945100 2 =758,188

HV´ = 686,029

Tính phần trăm sai số giữa thực tế và lý thuyết:

Sai số : δ = ¿HV lýthuyết−HV thực tế∨ ¿

HV lý thuyết¿× 100% = ¿781,5−686,029∨ ¿

100%

= 12,22%

VI) NHẬN XÉT – RÚT RA KẾT LUẬN :

Từ kết quả đo được ta có thể nhận thấy kết quả giữa tính toán dựa theo HRA và phép đo trực tiếp HV có sai số, nhưng sai số không đáng kể và chấp nhận được

- Nguyên nhân sai số có nhiều lý do như:

+ Do thiết bị: thiết bị không chính xác, mũi đo mòn, rơ…

+ Do người vận hành: trong quá trình đo bằng thước quang học là quá trình dễ gây sai

số nhất, bởi vì việc đo đạt dựa trên mắt nhìn Ngoài ra, trong quá trình vận hành máy

đo HV, việc nâng cần, hạ cần không đều tay, nhịp nhàng thì sẽ ảnh hưởng đến phép

đo Bề rộng lỗ đo có thể thay đổi do gia tốc

Sau buổi thí nghiệm, sinh viên có thể hình dung rõ hơn các phương pháp đo độ cứng, biết cách vận hành máy đo