Nghiên cứu và xác định độ cứng của thép Cacbon nhiệt luyện bằng phương pháp nhiễu xạ tia X

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG CÔNG CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH ĐO ĐỘ CỨNG CỦA THÉP CACBONNHIỆT LUYỆN BẰNG PHƯƠNG P

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG CÔNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH ĐO ĐỘ CỨNG CỦA THÉP CACBONNHIỆT LUYỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

NHIỄU XẠ TIA X

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 4 0 3 6

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG CÔNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG CỦA THÉP CACBON NHIỆT LUYỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

NHIỄU XẠ TIA X

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

TP Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG CÔNG CƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG CỦA THÉP CACBON NHIỆT LUYỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP

NHIỄU XẠ TIA X

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY- 605204

Hướng dẫn khoa học: TS LÊ CHÍ CƯƠNG

TP Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2013

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Dương Công Cường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25 - 12 - 1984 Nơi sinh: Nghệ An Quê quán: Hưng Thịnh-Hưng Nguyên-Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: trường cao đẳng nghề lilama 2 – long Phước – Long Thành – ĐN

Ngành học: Công Nghệ Chế Tạo Máy

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT

LỜI CAM ĐOAN

 Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

 Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng 04 năm 2013

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Dương Công Cường

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập và nghiên cứu trong chương trình đào tạo sau đại học của trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM, em đã tiếp thu và đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sỹ, em đã vận dụng những kiến thức đã được học của mình để giải quyết một vấn đề thực tế Đề tài của em là nghiên cứu và giải quyết vấn đề mới trong lĩnh vực đo độ cứng và kiểm tra không phá hủy nghiên cứu lý thuyết và làm thực nghiệm, vì lần đầu tiên tiếp xúc nên em gặp rất nhiều khó khăn

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn TS Lê Chí Cương cùng với sự

hỗ trợ của gia đình, bạn bè, trung tâm Hạt Nhân TP.HCM Cho đến thời điểm này luận văn của em củng đạt được những kết quả như mong muốn

Đến đây, cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành đến:

- Ban Giám Hiệu trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM

- Thầy TS Lê Chí Cương – Khoa Cơ Khí Chế tạo Máy - trường Đại học

Học viên thực hiện luận văn

Dương Công Cường

TÓM TẮT

Độ cứng là một chỉ tiêu cơ tính quan trọng của vật liệu cơ khí, và thường được xác định bằng các phương pháp phá hủy truyền thống dùng mũi đâm Bài báo này nghiên cứu mối liên hệ giữa độ cứng của thép C50 tôi-ram ở nhiều nhiệt độ và bề rộng của đường nhiễu xạ, thể hiện thông qua độ rộng của đường cong Gauss Kết quả cho thấy một mối liên hệ tuyến giữa bề rộng trung bình của đường nhiễu xạ, từ đó mở ra khả năng xác định độ cứng của vật liệu tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ X quang

Từ khóa: Nhiễu xạ X quang, Độ cứng, Thép tôi, Bề rộng trung bình, Đường

cong Gauss

ABSTRACT

The hardness is a significant issue of mechanical materials, and usually determined by conventional destructive methods using pointers This paper studied on the relation between the hardness of quenched and temperred steel C50 and the broadness of the diffraction line, represented by the width of the Gaussian curve method The experimental result has determined a proportional relation to the line half-width, thus showing a posibility of evaluating the hardness of crystalline materials using X-ray diffraction

Keywords: X-ray diffraction, Hardness, Quenched Steel, Half-width,

Gaussian curve

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

IV Điểm mới của luận văn và giá trị thực tiển 12

V Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 12

1.1 Lý thuyết về nhiễu xạ tia X-ray 13 1.1.1 Định luật Bragg và điều kiện nhiễu xạ 13 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nhiễu xạ LPA 15

1.1.2.1 Hệ số hấp thụ A trên mẩu phẳng 16 1.1.2.2 Hệ số Lorentz L(2θ) 17

1.2 Sự mở rộng đường nhiễu xạ 19 1.2.1 Khái niệm đường nhiễu xạ 19 1.2.2 Chuẩn hóa thừa số Lorentz-polarization(LP) 20 1.2.3 Chuẩn hóa đường phông (Background) 20 1.2.4 Xác định chỉ số cho giản đồ nhiễu xạ 21 1.2.5 Sự mở rộng đường nhiễu xạ 24 1.2.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến Sự mở rộng đường nhiễu xạ 24 1.2.5.2 Khái niệm độ rộng vật lý đường nhiễu xạ 26 1.3 Lý thuyết hàm Gaussian và bề rộng trung bình đường nhiễu xạ (B) 27

1.4.2.1 Định nghiã 31 1.4.2.2 Đặc điểm 31

1.4.2.4 Chọn nhiệt độ tôi 31 1.4.2.5 Thời gian Tôi 32

1.4.3.1 Phân loại ram 33 1.4.3.1.1 Ram thấp 33 1.4.3.1.2 Ram trung bình: 33

1.4.1.3.2 Chuyển biến pha khi ram 33

2.1.2 Vật liệu 34 2.1.3 Mạng tinh thể 34 2.1.4 Số mẫu chế tạo 34 2.2 Nhiệt luyện mẫu đo 35

Chương 3: SỐ LIỆU ĐO VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM 40

Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 56

4.1 Biểu đồ mối quan hệ giữa đo độ cứng bằng phương pháp

4.2 Biểu đồ mối quan hệ giữa Bề rộng trung bình B và nhiệt độ

4.3 Mối quan hệ giữa đô cứng Rockwell và bề rộng trung bình B 58 4.3.1 Mối quan hệ giữa đô cứng Rockwell và bề rộng trung bình B 58 4.3.2 Mối quan hệ giữa đô cứng Rockwell và bề rộng tích phân BI 60

h : hằng số Plank

V : hiê ̣u điê ̣n thế của đĩa

( P ) : mă ̣t phẳng chứa ống phát và ống thu tia X ( mă ̣t phẳng nghiêng )

( Q ) : mă ̣t phẳng vuông góc với tru ̣c hình tru ̣ chứa hướng đo ứng suất

Ψ : góc tạo bởi phương pháp tuyến của mẫu đo với phương pháp tuyến của họ mặt phẳng nguyên tử nhiễu xa ̣

Ψo : góc tạo bởi phương pháp tuyến của mẫu đo và tia tới X

 : là góc phân giác của tia tới và tia nhiễu xạ X

o : là góc tạo bởi phương pháp tuyến của họ mặt phẳng nhiễu xạ và tia tới X

 : góc tạo bởi tia tới X và phương ngang

 : góc tạo bởi tia nhiễu xạ và phương ngang

 : góc tạo bởi phương pháp tuyến của mẫu đo với mặt phẳng nghiêng

 : góc tạo bởi trục đứng mẫu đo hình trụ với ( P )

a : hê ̣ số tính chất của vâ ̣t liê ̣u ( phụ thuộc loại vật liệu )

b : thể tích phần năng lượng tia tới trên mô ̣t đơn vi ̣ thể tích ( phụ thuộc vào đặc tính

của tia X như Cr-K, Cr-K, Cu-K, Co-K )

 : hằng số hấp thụ ( phụ thuộc vào đặc tính của tia X và loa ̣i vâ ̣t liê ̣u mẫu đo)

AB : chiều dài tia tới thẩm thấu đến phân tố bi ̣ nhiễu xa ̣

BC : chiều dài nhiễu xa ̣ từ phân tố bi ̣ nhiễu xa ̣ đến ra ngoài mẫu đo

 : chiều sâu thẩm thẩm thấu ta ̣i  = 0o

R : bán kính của mẫu đo hình trụ

r : bán kính tại phân tố bị nhiễu xạ

dr : chiều dày phân tố bi ̣ nhiễu xa ̣

 : góc giới ha ̣n vùng nhiễu xa ̣

d : bề rô ̣ng phân tố bi ̣ nhiễu xa ̣

L : chiều dài phân tố bi ̣ nhiễu xa ̣

Lc : chiều dài thẩm thấu của tia tới và nhiễu xa ̣ đi ra ngoài mẫu đo

dV = Ldrd : thể tích phân tố bi ̣ nhiễu xa ̣

B: bề rộng trung bình đường nhiễu xạ

BI, : bề rộng tích phân của hàm Gaussian

W, là sai lệch chuẩn, đặc trưng cho độ mở rộng của đường nhiễu xạ

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình A.1: (Máy kiểm tra độ cứng Brinel) 1

Hình A.2: (Máy kiểm tra độ cứng Brinel) 2

Hình A.3: (Kích thước bi tròn làm mũi thử) 2

Hình A.4: (Đo hình dạng, kích thước vết lõm) 3

Hình A.5: (Đo độ cứng bằng phương pháp thủ công) 4

Hình A.7: ( Biểu đồ xác định độ cứng theo chiều sâu vết lõm) 5

Hình A.8: (Máy kiểm tra độ cứng Vicker: Brinel) 5

Hình A.10: (Kích thước vết lõm và giá trị độ cứng) 6

Hình A.11: (Góc độ không gian của mũi thử) 7

Hình A.12: (Độ cứng Vickers của một số vật liệu) 7

Hình A.13: ( thiết bị đo độ cứng Rockwell) 8

Hình A.14.a: (Kích thước vết lỏm đo độ cứng Rockwell) 9

Hình A.14.b: (Kích thước vết lỏm đo độ cứng Rockwell) 9

Hình B1.2: (mối quan hệ giữa góc 2theta và cường độ nhiễu xạ I) 14

Hình B1.3: (mối quan hệ giữa góc 2theta và đĩnh nhiễu xạ) 15

Hình B1.4: (Mối quan hệ giữa góc 2theta và đỉnh nhiễu xạ) 16

Hình B1.5: (Nhiễu xạ trên một phân tử) 17

Hình B.1.7: (Đường nhiễu xạ của vật liệu Al 2024-T3) 19

Hình B.1.8: (Sự phát tán từ một electron đến điểm M) 20

Hình B1.9: (Chuẩn hóa đường phông của đường nhiễu) 21

Hình B1.10: (Ảnh hưởng của kích thước tinh thể đến nhiễu) 25

Hình B1.11: (Đường nhiễu xạ chung và các đường nhiễu xạ) 25

Hình B1.12: (Độ rộng scherrer đường nhiễu xạ) 26

Hình B1.13: (Độ rộng Laue đường nhiễu xạ) 27

Hình B1.14: (Đường nhiễu xạ X quang được nội suy bằng đường cong

Gauss)

28

Hình B1.15: (Biểu đồ biến đổi nhiê ̣t đô ̣ nung khi nhiê ̣t luyê ̣n) 30

Hình B2.1: (Kiểu mạng tinh thể thép C50) 34

Hình B2.2: (Thực hiện nhiệt luyện tại DH SPKT TP) 35

Hình B2.3: (Phương pháp đo kiểu  cố định ) 36

Hình B2.4: (Máy đo nhiễu xạ tại trung tâm hạt nhân) 38

Hình B3.3: Hệ giác kế của máy nhiễu xạ tia X X’Pert Pro 39

Hình B3 5: Máy đo độ cứng Rockwell model HRC-150 41

Hình B3.7: (Đường nhiễu xạ mẫu không nhiệt luyện) 42

Hình B3.8: (Đường nhiễu xạ mẫu Tôi ) 43

Hình B3.9: (Đường nhiễu xạ mẫu nhiệt luyện (tôi + ram 2500 C) 44

Hình B3.10: (Đường nhiễu xạ mẫu nhiệt luyện (tôi +ram 3000 C) 45

Hình B3.11: (Đường nhiễu xạ mẫu nhiệt luyện (tôi +ram 3500 C)) 46

Hình B3.12: (Đường nhiễu xạ mẫu nhiệt luyện tôi +ram 4000 C) 47

Hình B3.13: (Đường nhiễu xạ mẫu nhiệt luyện (tôi +ram 4500 C) 48

Hình B3.14: (Đường nhiễu xạ mẫu nhiệt luyện tôi +ram 5000 C) 50

Hình B3.15: (Đường nhiễu xạ mẫu nhiệt luyện (tôi +ram 5500 C) 51

Hình B3.16: (Đường nhiễu xạ mẫu nhiệt luyện tôi +ram 6000 C) 52

Hình B3.17: (Đường nhiễu xạ mẫu nhiệt luyện (tôi +ram 6500 C) 53

Hình B4.1: (Biểu đồ mối quan hệ đo độ cứng bằng phương pháp Rockwell

(HRC) và nhiệt độ ram)

56

Hình B4.2: (Biểu đồ giữa bề rộng trung bình B và nhiệt độ ram) 57

Hình B4.3: (Đồ thị mối quan hệ giữa đo đô cứng Rockwell và Bề rộng

trung bình B các mẫu thực nghiệm)

59

Hình B4.4: (Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa đô cứng Rockwell và bề

rộng trung bình (B) và bề rộng tích phân đường nhiễu xạ BI.)

60

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng B1.1: (Hằng số hấp thu  phụ thuộc vào kim loại và đặc tính tia X) 17

Bảng B1.2: (Dạng tổng bình phương của một số chỉ số Miller cho hệ mạng

Bảng B3.1: (khoảng cách nguyên tử của một số vật liệu và kiểu mạng) 37

Bảng B3.2: (Các loại ống phong tia X và đặc tính.) 38

Bảng B3.3: (Các đỉnh nhiễu xạ và cường độ của phổ nhiễu xạ thép C50) 40

Bảng B3.4: (Điều kiện thí nghiệm bằng nhiễu xạ X quang) 40

Bảng B3.5 : (Giới hạn đo của các thang Rockwell) 42

Bảng B3.6: (Số liệu các mẫu đo độ cưng bằng Rockwell) 42

Bảng B3.7: (Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu không nhiệt luyện) 44

Bảng B3.8: (Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu Tôi) 46

Bảng B3.9: (Tham số và giá trị tham số của hàm nội suy mẫu tôi+ram 2500) 47

Bảng B3.10: (Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu tôi+ram 3000) 48

Bảng B3.11: (Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu tôi+ram 3500) 49

Bảng B3.12: (Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu tôi+ram 4000) 50

Bảng B3.13: Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu tôi+ram 4500) 51

Bảng B3.14: Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu tôi+ram 5000) 52

Bảng B3.15: Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu tôi+ram 5500) 53

Bảng B3.16: Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu tôi+ram 6000) 54

Bảng B3.17: Giá trị tham số của hàm nội suy mẫu tôi+ram 6500) 55

Bảng B4.1: (Số liệu đo độ cứng Rockwell của các mẫu đo) 56

Bảng B4.2: (Số liệu đo bề rộng trung bình B của nhiễu xạ các mẫu đo) 57

Bảng B4.3: (Số liệu đo đô cứng Rockwell và bề rộng trung bình B ) 58

Bảng B4.4: (Kết quả tính toán bề rộng trung bình, bề rông tích phân và độ 60

cứng Rockwell của các mẫu thép)

Phần A: DẪN NHẬP

I Đặt vấn đề

Độ cứng là một thuộc tính cơ bản của vật liệu, thuật ngữ độ cứng phản ánh tính chịu uốn, độ bền, mài mòn, trầy xước của vật liệu Cùng với sự phát triển của khoa học vật liệu đã có rất nhiều phương pháp đo độ cứng ra đời Một số phương pháp đo độ cứng thường được biết đến, đặc biệt ứng dụng cho lĩnh vực vật liệu kim loại

Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ và có liên quan chặt chẽ đến độ bền kéo Độ cứng được xác định bằng cách đo mức độ chống lại lực ấn của mũi đâm có dạng chuẩn lên bề mặt vật liệu Vật liệu mũi đâm có thể là thép đã nhiệt luyện hoặc kim cương, có thể có hình cầu hoặc hình tháp Độ cứng được xác định theo kích thước của vết lõm mũi đâm để lại trên bề mặt vật kiểm Đó cũng là mức chống lại lực ấn của mũi đâm có dạng chuẩn lên bề mặt vật liệu

II Các phương pháp đo độ cứng hiện nay

Hiện nay độ cứng được đo theo ba phương pháp thông dụng:

- Theo thang Brinell – Dùng mũi đâm bằng bi thép hoặc wolfram

- Theo thang Vickers – dùng mũi đâm kim cương dạng hình tháp vuông

Hình A.1: Máy kiểm tra độ cứng Brinel

- Theo thang Rockwell – dùng mũi đâm hình côn bằng kim cương hoặc bi thép.Kích thước vết lõm được dùng để xác định giá trị độ cứng - vết lõm càng nhỏ thì vật liệu càng cứng

1 Độ cứng Brinell: (Brinell Hardness Test có ký hiệu là HB) do nhà nghiên cứu

người Sweden có tên Dr Johan August Brinell đề xuất

Độ cứng Brinell cho kết quả không chính xác khi khảo xát vùng ảnh hưởng nhiệt Vì vậy được dùng chủ yếu cho kim loại cơ bản Đơn vị đo Độ cứng Brinell:

HB [kG/mm2]

Hình A.2: Máy kiểm tra độ cứng Brinel

Hình A.3: Kích thước bi tròn làm mũi thử

Brinel

Để đo độ cứng Brinell máy thuỷ lực được dùng để ép viên bi thép trên bề mặt mẫuthử tác dụng lực xác định trong 15 giây Đường kính vết lõm trên bề mặt kim loại được đo với kính hiển vi Brinell chia vạch theo milimet Áp dụng công

D: Đường kính bi thép d: Đường kính vết lõm

Phương pháp đo độ cứng Brinell thường dùng để đo vật liệu có độ cứng thấp, thang

đo dưới 450HB Quá giới hạn này thì không thực hiện được chính xác vì viên bi đo

bị biến dạng

Hình A.4: Đo hình dạng, kích thước vết lõm

mũi thử Brinel