nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nhiễu xạ xquang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG THANH LINH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI CỦA LỚP TĂNG BỀN BỀ MẶT TRONG QUÁ TRÌN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG THANH LINH

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI

CỦA LỚP TĂNG BỀN BỀ MẶT TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ X-QUANG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

S K C0 0 4 6 8 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG THANH LINH

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI CỦA LỚP TĂNG BỀN BỀ MẶT TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ X-QUANG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG

L LÝ Ý Ý L L LỊỊỊỊCH CH CH KHOA KHOA KHOA H H HỌ Ọ ỌC C

I.

I L L LÝ Ý Ý L L LỊỊỊỊCH CH CH S S SƠ Ơ Ơ L L LƯỢ ƯỢ ƯỢC C

Họ & tên: Đặ Đặ Đặng ng ng Thanh Thanh Thanh Linh Linh Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 27 – 10 – 1980 Nơi sinh: Long AnQuê quán: Thị trấn Hiệp Hòa – Đức Hòa – Long An Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 808 lô C2 Chung cư Lý Thường Kiệt – Phường 7 – Quận 11 –Tp.Hồ Chí Minh

1 Trung Trung Trung h h họ ọ ọcccc chuy chuy chuyêêêên n n nghi nghi nghiệệệệp p p::::

Nơi học: Trường Cao đẳng Công nghiệp 4 – Số 12, Nguyễn Văn Bảo, phường

L LỜ Ờ ỜIIII CAM CAM CAM Đ Đ ĐOAN OAN

Tôi cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình do chính tôi nghiên cứu

và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố màkhông trích dẫn nguồn gốc

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

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 10 năm 2015

� Thầy PGS.TS Lê Chí Cương và thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngôn đã rất tâmhuyết, nhiệt tình hướng dẫn, góp ý và động viên tôi trong suốt quá trình học tập,nghiên cứu.

� Quý thầy, cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh đã tận tìnhgiảng dạy, truyền đạt kiến thức trong thời gian tôi học tập tại trường

� Công ty Giải pháp kiểm định Việt Nam (VISCO)

� Trung tâm Hạt nhân Tp.Hồ Chí Minh

� Các bạn lớp Kỹ thuật Cơ khí 2013 – 2015B

� Gia đình, người thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất và tạo điều kiện cho tôitrong hai năm học vừa qua

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015

T TÓ Ó ÓM M M T T TẮ Ắ ẮT T

Lớp màng mỏng Crôm trên nền thép các bon trung bình được tạo thành từphương pháp mạ điện Chiều dày lớp màng mỏng Crôm vào khoảng vài micromet.Mẫu thí nghiệm được tạo mỏi trên máy mỏi uốn quay

Trong luận văn này, kỹ thuật nhiễu xạ tia X (với bức xạ CuKαcó chiều sâuthấm tương đương 5 micromet) được sử dụng để xác định bề rộng một nửa (FWHM)đỉnh phổ nhiễu xạ của màng mỏng Crôm tại mặt nhiễu xạ {211} Từ biểu đồ quan

hệ B – N giữa FWHM và số chu kỳ mỏi ta có thể dự đoán được tuổi thọ của các chitiết máy có lớp Crôm tăng bền bề mặt

Chromium thin film is deposited by electroplating on the medium carbon steelsubstrate The thickness of chromium thin film has only a few microns Thedeformation of chromium plating was completed by rolling–type fatigue equipment

In this study, the full width at half maximum (FWHM) of chromiumdiffraction profile was examinated by X–ray method The X–ray diffraction patternswere performed using CuKα– radiation (penetration depth approximately 5 microns)and the {211} lattice planes of chromium diffraction pattern Finally, therelationship B–N diagram between FWHM and cycles is determined The lifeprediction of engineering components in service can be successfully performed

MỤ Ụ ỤC C C L L LỤ Ụ ỤC C

TRANG TỰA

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii

Ch Chươ ươ ương ng ng 1: 1: 1: T T TỔ Ổ ỔNG NG NG QUAN QUAN QUAN 1

1 Mục tiêu đề tài 3

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Tính mới của đề tài 4

5 Kết cấu của luận văn tốt nghiệp 4

Ch Chươ ươ ương ng ng 2: 2: 2: C C CƠ Ơ Ơ S S SỞ Ở Ở L L LÝ Ý Ý THUY THUY THUYẾ Ế ẾT T T 5

2.1 Cơ sở lý thuyết mỏi 5

2.1.1 Hiện tượng mỏi của kim loại 5

2.1.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 8

2.1.3 Cơ chế lan truyền vết nứt mỏi 12

2.2 Cơ sở lý thuyết về mạ điện lớp màng mỏng Crôm 15

2.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình mạ điện 15

2.2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình mạ Crôm 22

2.2.3 Các phương pháp đo độ bám dính lớp mạ 25

2.3 Nguyên lý nhiễu xạ tia X trên màng mỏng 27

2.3.1 Tia X và sự phát sinh tia X 27

2.3.2 Hiện tượng cơ bản 29

2.3.3 Phương trình Bragg 32

2.3.4 Phân tích phổ nhiễu xạ tia X 34

Ch Chươ ươ ương ng ng 3: 3: 3: ĐỀ ĐỀ ĐỀ XU XU XUẤ Ấ ẤT T T THI THI THIẾ Ế ẾT T T K K KẾ Ế Ế CHI CHI CHI TI TI TIẾ Ế ẾT T T M M MẪ Ẫ ẪU U U V V VÀ À À T T TẠ Ạ ẠO O O M M MÀ À ÀNG NG NG M M MỎ Ỏ ỎNG NG CR CRÔ Ô ÔM M M TR TR TRÊ Ê ÊN N N N N NỀ Ề ỀN N N TH TH THÉ É ÉP P P C45 C45 C45 B B BẰ Ằ ẰNG NG NG PH PH PHƯƠ ƯƠ ƯƠNG NG NG PH PH PHÁ Á ÁP P P M M MẠ Ạ Ạ Đ Đ ĐIIIIỆ Ệ ỆN N N 40

3.1 Đề xuất thiết kế chi tiết mẫu cho thí nghiệm mỏi uốn 40

3.1.1 Cơ sở tạo mẫu thí nghiệm 40

3.1.2 Mẫu thí nghiệm chế tạo bằng thép C45 41

3.2 Tạo màng mỏng Crôm bằng phương pháp mạ điện 42

3.2.1 Chuẩn bị mẫu 42

3.2.2 Tính toán chế độ mạ Crôm 43

Ch Chươ ươ ương ng ng 4: 4: 4: TH TH THÍÍÍÍ NGHI NGHI NGHIỆ Ệ ỆM M M M M MỎ Ỏ ỎIIII U U UỐ Ố ỐN N N V V VÀ À À NHI NHI NHIỄ Ễ ỄU U U X X XẠ Ạ Ạ TIA TIA TIA X X X 47

4.1 Thí nghiệm mỏi uốn 47

4.1.1 Máy Thí nghiệm mỏi uốn 47

4.1.2 Tính toán lực P tác dụng lên mẫu thí nghiệm 48

4.1.3 Quy hoạch thực nghiệm 49

4.1.4 Thí nghiệm mỏi uốn 54

4.1.5 Xử lý mẫu sau khi tạo mỏi uốn 56

4.2 Nhiễu xạ tia X 57

4.2.1 Thiết bị nhiễu xạ X' Pert Pro 57

4.2.2 Tính toán góc nhiễu xạ 57

Ch Chươ ươ ương ng ng 5: 5: 5: K K KẾ Ế ẾT T T QU QU QUẢ Ả Ả V V VÀ À À TH TH THẢ Ả ẢO O O LU LU LUẬ Ậ ẬN N N 68

5.1 Kết quả 68

5.2 Thảo luận 68

T TÀ À ÀIIII LI LI LIỆ Ệ ỆU U U THAM THAM THAM KH KH KHẢ Ả ẢO O O 70

DANH DANH S S SÁ Á ÁCH CH CH C C CÁ Á ÁC C C CH CH CHỮ Ữ Ữ VI VI VIẾ Ế ẾT T T T T TẮ Ắ ẮT T

λ Chiều dài sóng của tia X

p Vị trí đỉnh của một đường nhiễu xạ tia X

ϕ Góc giữa pháp tuyến của mẫu thử với mặt phẳng của tia tới và tia nhiễu

xạ trong phương pháp nhiễu xạ nghiêng một bên

0

,ψ

ψ Góc giữa pháp tuyến của mặt nhiễu xạ hoặc tia X tới với pháp tuyến của

mẫu trong phương pháp nhiễu xạ nghiêng Iso

0

η Góc giữa tia tới với mặt phẳng pháp tuyến của mẫu và phương đo ứng

suất của kỹ thuật cố định η0trong phương pháp nhiễu xạ nghiêng một bên

η Góc giữa tia tới với pháp tuyến của mặt phẳng nhiễu xạ của kỹ thuật cố

định η trong phương pháp nhiễu xạ nghiêng một bên

β

α , Góc giữa tia tới và nhiễu xạ với pháp tuyến của mẫu

LPA Hệ số Lorentz - Phân cực - Hấp thu

y

z, Số lượng tia X khi có và không có hiệu chỉnh hệ số LPA

µ Hệ số hấp thu tuyến tính

μ Hệ số hấp thu hoặc hệ số suy giảm chiều dài

μ m Hệ số hấp thu khối lượng

Hìììình nh nh 2.8 2.8 2.8: Kỹ thuật bố trí anot để lớp mạ đồng đều 19 H

Hìììình nh nh 2.9 2.9 2.9: Dùng màn che để phân bố lại dòng điện 20 H

Hìììình nh nh 2.10 2.10 2.10: Lớp mạ Crôm cứng 22 H

Hìììình nh nh 2.11 2.11 2.11: Lớp mạ Crôm mỏng đặc 23 H

Hìììình nh nh 2.12 2.12 2.12: Đo độ bám dính lớp mạ theo phương pháp bẻ gập 900 26

Hìììình nh nh 2.15 2.15 2.15: Quá trình phát xạ tia X của nguyên tử (a); mức năng lượng sơ cấp (b);

phổ phát xạ tia X của anot (c) 28

H

Hìììình nh nh 2.16 2.16 2.16: Đường hấp thụ tia X 29 H

Hìììình nh nh 2.17 2.17 2.17: Xây dựng hình học của vectơ tán xạ 30 H

Hìììình nh nh 2.18 2.18 2.18: Phương trình Bragg từ phương diện hình học 32 H

Hìììình nh nh 2.19 2.19 2.19: Hiệu chỉnh nền của đường nhiễu xạ 34 H

Hìììình nh nh 2.20 2.20 2.20: Phương pháp nửa bề rộng 36 H

Hìììình nh nh 2.21 2.21 2.21: Phương pháp trọng tâm 37 H

Hìììình nh nh 2.22 2.22 2.22: Vạch nhiễu xạ bị dịch chuyển và mở rộng do ứng suất 37 H

Hìììình nh nh 3.1 3.1 3.1: Mô hình máy tạo mỏi đa năng 40 H

Hìììình nh nh 3.2 3.2 3.2: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi uốn 41 H

Hìììình nh nh 3.3 3.3 3.3: Sơ đồ chất tải lên mẫu đường kính quay tròn với tần số ω, 1/s 41 H

Hìììình nh nh 3.4 3.4 3.4: Bản vẽ kỹ thuật mẫu thí nghiệm 42

Bả ả ảng ng ng 2.7 2.7 2.7: Các vật liệu chế tạo anot 29 B

Bả ả ảng ng ng 2 2 2.8 8 8: Hằng số mạng của một số kim loại có cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC)

và lập phương tâm khối (BCC) 32

B

Bả ả ảng ng ng 2.9 2.9 2.9: Khoảng cách phẳng d giữa các mặt tinh thể 33 B

Bả ả ảng ng ng 2.10 2.10 2.10: Hệ số A của phương pháp Ω và ψ 34 B

Bả ả ảng ng ng 2.11 2.11 2.11: Hằng số Scherrer của một vài dạng tinh thể 38 B

Bả ả ảng ng ng 3.1 3.1 3.1: Các thành phần nguyên tố của thép C45 42 B

Bả ả ảng ng ng 3.2 3.2 3.2: Dung dịch mạ và chế độ mạ 44 B

Bả ả ảng ng ng 3.3 3.3 3.3: Chiều dày lớp mạ đo bằng phương pháp ET 45 B

Bả ả ảng ng ng 4.1 4.1 4.1: Thông số kỹ thuật của máy 47 B

Bả ả ảng ng ng 4.2 4.2 4.2: Kết quả của thí nghiệm mỏi uốn 54

Ch Chươ ươ ương ng ng 1 1

T TỔ Ổ ỔNG NG NG QUAN QUAN

Hiện tượng mỏi là hiện tượng khá phức tạp, xảy ra khi ứng suất thay đổi theothời gian Ứng suất này tồn tại trên vật liệu chi tiết máy có trị số nhỏ hơn giới hạn bền,thậm chí còn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu chi tiết máy đó Tuy nhiên nó lạigây ra những dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không phục hồi được, gây ra những hậuquả nguy hiểm và tổn thất nghiêm trọng về kinh tế [1]

Giới hạn mỏi của một chi tiết phụ thuộc vào nhiều nhân tố phức tạp, nhữngnhân tố này có thể hạ thấp giới hạn mỏi của chi tiết Trong kỹ thuật ngoài việc chọnvật liệu chế tạo có độ bền cao và kết cấu nhỏ, người ta rất chú trọng tìm cách nângcao giới hạn mỏi của các chi tiết bằng biện pháp chế tạo và công nghệ Bên cạnhbiện pháp chế tạo người ta còn dùng những biện pháp công nghệ nhằm nâng caochất lượng bề mặt của chi tiết Ðối với các chi tiết chịu uốn hoặc xoắn, ứng suất ởmặt ngoài lớn nhất, sự phát sinh và phát triển những vết nứt về mỏi thường bắt đầu

từ mặt ngoài, cho nên công nghệ xử lý bề mặt càng được quan tâm do nó có ý nghĩaquan trọng và quyết định nhiều đến tính chất của vật liệu Một trong những giảipháp đó là tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc nhưchịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt Có thể kể đến các phương pháp xử lý bềmặt thường dùng như nhiệt luyện, hoá nhiệt luyện, tạo các lớp phủ lên bề mặt (Mạ,nhúng, phun phủ…)

Công nghệ tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thực chất là tạo ra màng mỏng (thinfilm) lớp vật liệu rắn có độ dày cỡ từ vàinm đến cỡ 10 μm [16] phủ lên vật liệu nền

như kim loại, thủy tinh, gốm sứ, polyme,…Hiện nay, màng mỏng được áp dụngnhiều trong các ngành kỹ thuật cao và đã phát triển thêm nhiều phương pháp tạomàng mỏng mới, tuy nhiên, còn phải tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, loại vậtliệu tạo màng, điều kiện về thiết bị và khả năng công nghệ để lựa chọn phương phápphù hợp Các phương pháp tạo màng mỏng đang được sử dụng rộng rãi bao gồm:

Phương pháp tạo màng mỏng

Phương pháp vật lý Quá trình ion

CVD Nhiệt

CVD Laser

Phương pháp hóa học

CVD Plasma Phương pháp phún xạ

Bốc bay phản ứng

Mạ ion

Trong ngành cơ khí, phương pháp mạ điện đã và đang được áp dụng rộng rãi

do những tính năng và ứng dụng vượt trội của nó Hai thuộc tính quan trọng nhấtcủa lớp mạ là sự bám dính vào bề mặt kim loại nền và độ bền của lớp mạ Trongngành ô tô, lớp mạ phủ Crôm làm tăng độ cứng bề mặt, giảm ma sát, chống màimòn cho các chi tiết dạng trục do nó là kim loại cứng, giòn, có độ nóng chảy cao

Bề mặt Crôm được bao phủ bởi một lớp màng mỏng Cr2O3, nên có ánh bạc và khảnăng chống trầy xước cao Với những đặc tính vượt trội đó, trong thời gian qua đã

có nhiều công trình nghiên cứu về màng mỏng Crôm như:

− Thí nghiệm và khảo sát số học về lớp Crôm cứng chống ăn mòn với chiều dày

từ vàiμm đến vài trăm μm [20] Mục đích của nghiên cứu này là thành lập mối quan

hệ giữa mật độ dòng điện phân, mật độ vết nứt và ứng suất dư kéo; làm rõ vai tròcủa vết nứt tế vi khi ứng suất dư phát triển; tìm ra phương pháp để cải thiện tínhtoàn vẹn kết cấu của lớp mạ Crôm cứng

− Ảnh hưởng của xử lý nhiệt lên biên dạng xung của dòng điện phân, ứng suất

dư của lớp mạ Crôm [21] Nghiên cứu này quan tâm đến sự thay đổi của chế độxung, lượng thay đổi ứng suất dư khi xử lý nhiệt liên quan đến giá trị nửa bề rộngcủa đường nhiễu xạ tia X

− Đo ứng suất thực trong quá trình mỏi [30] Khảo sát ứng xử của ứng suất dưngay trong quá trình mỏi bằng phương pháp nhiễu xạ tia X để làm rõ cơ học pháhủy mỏi và dự đoán sự phá hủy ban đầu Để phát hiện vết nứt ban đầu từ sự thay đổi

của ứng suất dư là rất khó vì nó thay đổi không đáng kể trong quá trình mỏi Tuynhiên, nếu kiểm tra ứng suất bằng tia X với lực tác dụng max ngay trong quá trìnhmỏi tại một vị trí thì sẽ tìm được vết nứt ban đầu bởi vì ứng suất sẽ dần được giảiphóng bởi vết nứt mở Ứng suất thực xác định được là tổng của ứng suất dư và ứngsuất tải.

− Đồ thị d – Sin 2 ψ của màng mỏng Crôm [31] Bài báo này trình bày kết quả

nghiên cứu về sự thay đổi ứng xử của Crôm khi chuyển đổi từ pha nửa ổn định β–W,

là nguyên nhân tạo ra ứng suất giữa vật liệu nền và màng mỏng đơn pha α–W

Độ bền vật liệu là một vấn đề mà khoa học kỹ thuật hiện đại rất quan tâm,nhiều phương pháp khác nhau được ứng dụng để nghiên cứu khảo sát độ bền kimloại Trong số đó, phương pháp nhiễu xạ tia X đóng vai trò quan trọng Nó đánh giásai hỏng mỏi ở giai đoạn sớm của lớp Crôm tăng cường bề mặt trong quá trình làmviệc Đây là một việc làm mới, khó khăn, đòi hỏi các kỹ thuật phức tạp, các thiết bịphân tích hiện đại Nhiễu xạ tia X mang lại những hiểu biết cần thiết về những saihỏng do mỏi ảnh hưởng đến độ bền và các tính năng khác của màng mỏng Nókhông chỉ đo ứng suất mà còn trở thành một phần của khoa học vật liệu và cũng làcông cụ không thể thiếu trong công nghiệp và kỹ thuật

1 1 M M Mụ ụ ụcccc ti ti tiêêêêu u u đề đề đề ttttà à àiiii

Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X để khảo sát trạng thái mỏi của màngmỏng Crôm trên nền thép C45

2 2 Đố Đố Đốiiii ttttượ ượ ượng ng ng v v và à à ph ph phạ ạ ạm m m vi vi vi nghi nghi nghiêêêên n n ccccứ ứ ứu u

Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của đề tài này là lớp màng mỏng Crôm Phạm

vi nghiên cứu là đánh giá sự biến đổi trong mạng tinh thể của màng mỏng Crômcứng trên nền thép C45 chịu uốn

3 3 P P Ph h hươ ươ ương ng ng ph ph phá á áp p p nghi nghi nghiêêêên n n ccccứ ứ ứu u

− Dựa vào các lý thuyết màng mỏng và các nghiên cứu đã được công bố trên tạpchí khoa học kỹ thuật quốc tế

− Dựa vào các tài liệu hiện có trên thế giới về lý thuyết nhiễu xạ tia X để tìm hiểucách thức nhiễu xạ của tia X trên vật liệu màng mỏng Crôm

− Phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

− Phương pháp đánh giá chất lượng lớp mạ

− Tiến hành thí nghiệm nhiễu xạ để thu thập số liệu thực nghiệm tại Trung tâmhạt nhân Thành Phố Hồ Chí Minh sau đó dựa vào lý thuyết về nhiễu xạ và xử lý sốliệu nhiễu xạ để xác định độ biến dạng của màng mỏng Crôm

4.T 4.Tíííính nh nh m m mớ ớ ớiiii ccccủ ủ ủa a a đề đề đề ttttà à àiiii

Thiết lập, xác định mối liên hệ giữa bề rộng B của đỉnh nhiễu xạ với số chu kỳmỏi uốn Từ đó giúp ta hiểu biết về ứng xử của màng mỏng Crôm và có cái nhìnđầy đủ, chính xác về độ bền cơ học, góp phần dự đoán tuổi thọ chi tiết máy, côngtrình, tránh được những sự cố, tai nạn

5 5 K K Kếếếếtttt ccccấ ấ ấu u u ccccủ ủ ủa a a lu lu luậ ậ ận n n v v vă ă ăn n n ttttố ố ốtttt nghi nghi nghiệệệệp p

− Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

− Chương 2: Cơ sở lý thuyết chung của đề tài

− Chương 3: Đề xuất thiết kế chi tiết mẫu và tạo màng mỏng Crôm trên nền thépC45 bằng phương pháp mạ điện

− Chương 4: Thí nghiệm mỏi uốn và nhiễu xạ tia X

− Chương 5: Kết quả và thảo luận

Ch Chươ ươ ương ng ng 2 2

2.1.1 Hi Hi Hiệệệện n n ttttượ ượ ượng ng ng m m mỏ ỏ ỏiiii ccccủ ủ ủa a a kim kim kim lo lo loạ ạ ạiiii

a a Hi Hi Hiệệệện n n ttttượ ượ ượng ng ng m m mỏ ỏ ỏiiii

Hiện tượng mỏi là quá trình tích lũy dần sự phá hủy trong bản thân vật liệudưới sự tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian Ứng suất thay đổi làm xuấthiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi phát triển dẫn tới sự phá hủy mỏi củavật liệu

H Hìììình nh nh 2.1: 2.1: 2.1: S S Sự ự ự ttttíííích ch ch llllũ ũ ũy y y ph ph phá á á h h hủ ủ ủy y y m m mỏ ỏ ỏiiii ở ở ở kim kim kim lo lo loạ ạ ạiiii [27]

b b Gi Gi Giớ ớ ớiiii h h hạ ạ ạn n n m m mỏ ỏ ỏiiii

Giới hạn mỏi của vật liệu (Sr) ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất củaứng suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu kỳ ứng suất cơ sở mà vật liệukhông bị phá hủy Mỗi vật liệu có số chu kỳ ứng suất cơ sở (Nf) riêng

B Bả ả ảng ng ng 2.1: 2.1: 2.1: S S Số ố ố li li liệệệệu u u N N ffff ccccủ ủ ủa a a m m mộ ộ ộtttt ssssố ố ố kim kim kim lo lo loạ ạ ạiiii [1]

STT Lo Loạ ạ ạiiii v v vậ ậ ậtttt li li liệệệệu u N ffff

12345

Thép cacbon thấpThép cacbon trung bìnhThép hợp kim

Kim loại màuGang

2 106

2 106

2 106

5 1061.5 106

c c Đườ Đườ Đường ng ng cong cong cong m m mỏ ỏ ỏiiii

Đường cong mỏi là đường biễu diễn mối liên hệ giữa các ứng suất thay đổi vớicác chu kỳ ứng suất tương ứng Phương trình biểu diễn đường cong mỏi hay đườngcong Wöhler:

( )N f

Số chu kỳ N gọi là tuổi thọ ứng với mức ứng suất

H Hìììình nh nh 2.2: 2.2: 2.2: Đườ Đườ Đường ng ng cong cong cong m m mỏ ỏ ỏiiii W W Wö ö öhler hler hler [1]

Qua đường cong mỏi ta có thể thấy: Khi ứng suất càng cao thì tuổi thọ cànggiảm

Để xây dựng đường cong mỏi ở một dạng chu kỳ ứng suất trong một điều kiệnnào đó, người ta phải tiến hành từ 25 đến 100 thí nghiệm cho một loại mẫu đượcquy chuẩn Tùy theo phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm, ngày nay đã có hơn 10công thức toán học biểu diễn đường cong mỏi

Một số dạng phương trình thường gặp [1]:

C N

1.N d C

.σ σ

σr: Giới hạn mỏi của vật liệu ở chu kỳ ứng suất r

σE: Ứng suất ứng với số chu kỳ N

σF: Giới hạn mỏi của vật liệu

2.1.2 Nh Nh Nhữ ữ ững ng ng y y yếếếếu u u ttttố ố ố ả ả ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng đế đế đến n n độ độ độ b b bềềềền n n m m mỏ ỏ ỏiiii

a a Ả Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a b b bả ả ản n n ch ch chấ ấ ấtttt v v vậ ậ ậtttt li li liệệệệu u

− Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a llllệệệệch ch ch m m mạ ạ ạng ng ng:

� Độ bền lý thuyết của kim loại được xác định từ điều kiện biến dạng hoặc pháhủy trong vùng đàn hồi của mạng lý tưởng đa tinh thể, trong đó ngoại lực tác dụngđối ứng với liên kết nguyên tử Độ bền lý thuyết được tính theo công thức:

2 1

R0:Khoảng cách giữa các nguyên tử (mm)

Và theo J.K.Mackenzil, N.F.Mott thì ứng suất trượt tương đối giữa 2 mặtphẳng nguyên tử trong tinh thể là:

30

G

T =

G: Gradient ứng suất tuyệt đối

� Độ bền kỹ thuật là sức chống lại biến dạng đàn hồi hoặc biến dạng dẻo và sựphá hủy của vật rắn thực Độ bền kỹ thuật được xác định bằng thực nghiệm.O.Vingsbo, Y.Bertrom, G.Lagerberg đã tìm ra công thức phản ánh ảnh hưởng củalệch mạng tới sức chống phá hủy mỏi:

ρ α σ

Trong đó:

σ0: Ứng suất ma sát trượtα: Hệ số giảm bền vì lệch mạngG: Mô-đun đàn hồi trượt

B: Vec-tơ Burgerρ: Mật độ lệch mạng (ρ = L/V)L: Tổng chiều dài lệch mạng trong tinh thể; V: Thể tích tinh thể

− Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a ttttổ ổ ổ ch ch chứ ứ ứcccc ttttếếếế vi vi vi Độ Độ Độ h h hạ ạ ạtttt:

� Tổ chức tế vi do quá trình công nghệ luyện kim hay quá trình xử lý nhiệt quyếtđịnh Những quá trình này tạo ra cấu trúc hạt khác nhau làm ảnh hưởng lớn đến sứcchống mỏi của vật liệu, làm giới hạn mỏi giảm từ 1.7 ÷ 2 lần

� Kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến độ bền mỏi, giữa chúng có mối liên hệtheo phương trình:

B Bả ả ảng ng ng 2.2: 2.2: 2.2: S S Số ố ố li li liệệệệu u u th th thự ự ựcccc nghi nghi nghiệệệệm m m k k kíííích ch ch th th thướ ướ ướcccc h h hạ ạ ạtttt ả ả ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng đế đế đến n n độ độ độ b b bềềềền n n m m mỏ ỏ ỏiiii [1]

Giới hạn mỏi

σv=σ0,2(kG/mm2)

b b Ả Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a ch ch chếếếế độ độ độ ttttả ả ảiiii tr tr trọ ọ ọng ng

Các vật liệu làm việc trong điều kiện tải trọng không ổn định thường gây ranhững ứng suất khác nhau dẫn đến sự phá hủy mỏi không theo quy luật tuyến tính,thực nghiệm cho thấy:

− Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a d d dạ ạ ạng ng ng tr tr trạ ạ ạng ng ng th th thá á áiiii ứ ứ ứng ng ng su su suấ ấ ất: t:

� Ảnh hưởng của dạng chất tải hay dạng trạng thái ứng suất do hai yếu tố gây ra

đó là sự thuần nhất của trạng thái ứng suất và mối tương quan của các ứng suấtchính

� Trạng thái ứng suất mà ở đó các trị số của ứng suất chính thay đổi theo từngthời điểm trên mặt cắt của mẫu hoặc chi tiết máy được gọi là trạng thái ứng suấtkhông thuần nhất Đại lượng đặc trưng cho mức độ không thuần nhất của trạng tháiứng suất là Gradient ứng suất tuyệt đối G hoặc Gradient ứng suất tương đối G

− Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a ttttầ ầ ần n n ssssố ố ố ttttả ả ảiiii tr tr trọ ọ ọng: ng:

� Những máy móc thông thường làm việc với tần số 10000 vòng/phút (≈ 167Hz)hoặc thấp hơn, ở những máy chuyên dùng, các chi tiết máy chịu lực làm việc ở tần

số cao hơn Cánh máy nén khí từ 200 ÷ 2000Hz, các cánh tua-bin từ 500 ÷ 3000Hz,cánh tua-bin động cơ tên lửa từ 700 ÷ 10000Hz Quan sát thực nghiệm cho thấy, sựphá hủy mỏi của các cánh tua–bin xuất hiện khi tần số tải trọng đạt đến 25 ÷ 30kHz

− Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a h h hìììình nh nh d d dạ ạ ạng ng ng k k kếếếếtttt ccccấ ấ ấu: u:

Hình dạng kết cấu có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi, nghĩa là ảnh hưởng đếnkhả năng làm việc của chi tiết máy khi chịu ứng suất thay đổi Dưới tác dụng của tảitrọng, ở những chổ tiết diện chi tiết máy thay đổi như góc lượn, rãnh then, lỗ có sựtập trung biến dạng, do đó có sự tập trung ứng suất Tại đây, ứng suất thực tế lớnhơn ứng suất danh nghĩa

H Hìììình nh nh 2.4: 2.4: 2.4: Nh Nh Nhữ ữ ững ng ng n n nơ ơ ơiiii ccccó ó ó ttttậ ậ ập p p trung trung trung ứ ứ ứng ng ng su su suấ ấ ấtttt [1]

� Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết: Là tỉ số giữa ứng suất lớn nhất (σmax hoặc

τmax) tại chổ tập trung ứng suất với ứng suất danh nghĩa (σ hoặc τ):

τ

τ α σ

r k k

τ

τ σ

σ

τ

Với:

σr, τr: Giới hạn mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất

σrc, τrc: Giới hạn mỏi của mẫu có tập trung ứng suất

Giá trị của kσvà kτđược tra trong sổ tay thiết kế cơ khí hoặc tính trực tiếp theohình dạng và kích thước cụ thể những chỗ tập trung ứng suất trên từng loại chi tiết

c c Ả Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a m m mô ô ôiiii tr tr trườ ườ ường ng

Những thí nghiệm ở nhiệt độ cao cho thấy: Nhiệt độ càng cao thì giới hạn mỏicủa vật liệu càng giảm và ngược lại, khi nhiệt độ càng giảm thì giới hạn mỏi của vậtliệu càng tăng Hiện tượng được giải thích như sau: Khi nhiệt độ môi trường giảmxuống sẽ có một nhiệt độ quá độ mà ở đó các vết nứt mỏi bắt đầu phát triển ổn định.Nếu nhiệt độ tiếp tục giảm, vết nứt mỏi phát triển chậm dần và có thể ngừng hẳn.Trong môi trường ăn mòn, sức chống mỏi của vật liệu sẽ giảm rõ rệt Vật liệuchịu ảnh hưởng của nồng độ môi trường, số chu kỳ chất tải, dạng ứng suất

d d Ả Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a hi hi hiệệệện n n ttttượ ượ ượng ng ng Fretting Fretting

Hiện tượng Fretting là hiện tượng phá hủy mỏi dưới tác động trực tiếp của môitrường ăn mòn và sự bào mòn cơ học Hiện tượng phá hủy này cùng lúc xảy ra quátrình cơ học và quá trình lý – hóa Quá trình phá hủy này rất phổ biến trong nhiềuchi tiết máy và thiết bị Nó xuất hiện ở những chi tiết máy tiếp xúc với chi tiết máykhác, vừa chịu ảnh hưởng của ứng suất thay đổi, vừa rung động, đồng thời vừa bịxâm thực bởi môi trường

2.1.3.

2.1.3 C C Cơ ơ ơ ch ch chếếếế lan lan lan truy truy truyềềềền n n v v vếếếếtttt n n nứ ứ ứtttt m m mỏ ỏ ỏiiii

a a C C Cá á ácccc pha pha pha tr tr trêêêên n n đườ đườ đường ng ng cong cong cong m m mỏ ỏ ỏiiii W W Wö ö öhler hler

− Pha I: Ứng với việc chất tải lớn, số chu kỳ ứng suất thấp Sự ứng xử của vậtliệu trong pha này gần tương tự như khi vật liệu chịu ứng suất tĩnh

− Pha II: Ứng với sự phá hủy mỏi ở cấp độ cao, là pha quan trọng Giai đoạn này,vết nứt tế vi phát triển từ bề mặt các hạt, từ sự lệch mạng tinh thể hoặc từ cáckhuyết tật kỹ thuật ban đầu có trong vật liệu

− Pha III: Pha phá hỏng mỏi ở cường độ ứng suất thấp, số chu kỳ ứng suất lớn.Giai đoạn này vết nứt có thể ngừng phát triển hoặc phát triển ổn định

H Hìììình nh nh 2.5: 2.5: 2.5: C C Cá á ácccc pha pha pha tr tr trêêêên n n đườ đườ đường ng ng cong cong cong m m mỏ ỏ ỏiiii W W Wö ö öhler hler hler [27]

b b Gi Gi Giả ả ảiiii th th thíííích ch ch ccccơ ơ ơ ch ch chếếếế ccccủ ủ ủa a a ssssự ự ự ph ph phá á á h h hủ ủ ủy y y m m mỏ ỏ ỏiiii

Có nhiều thuyết giải thích cơ chế của quá trình phá hủy mỏi, một trong số đó làthuyết dịch chuyển mạng tinh thể Một trong những ví dụ của thuyết dịch chuyểnmạng tinh thể là nghiên cứu quá trình phá hủy mỏi của mẫu đồng (Cu) chịu uốn chu

kỳ đối xứng.

− Giai đoạn I: Khi ứng suất S lớn, bắt đầu có sự chuyển vị biên của các hạt Sốchu kỳ ứng suất trong gian đoạn này vào khoảng 1/200 tổng số chu kỳ tuổi thọ Ncủa mẫu Bên trong tinh thể hình thành hướng trượt giữa các mạng tinh thể (a), sau

đó xuất hiện các đường trượt (b), các đường này nối lại với nhau và liên kết với cácbiên giữa các hạt (c)

− Giai đoạn II: Khi ứng suất S nhỏ, số chu kỳ ứng suất tăng lên Bên trong mẫu

và trên bề mặt mẫu tiếp tục diễn ra quá trình (a), (b), (c) như giai đoạn I để hìnhthành vết nứt mỏi có chiều dài xác định Giai đoạn này, số chu kỳ ứng suất vàokhoảng 1/100 tổng số chu kỳ tuổi thọ N của mẫu

H Hìììình nh nh 2.6: 2.6: 2.6: Nh Nh Nhữ ữ ững ng ng giai giai giai đ đ đo o oạ ạ ạn n n lan lan lan truy truy truyềềềền n n v v vếếếếtttt n n nứ ứ ứtttt m m mỏ ỏ ỏiiii [1]

Nếu tiếp tục giảm ứng suất S, bên trong mẫu tiếp tục xảy ra quá trình (a), (b),(c), còn trên bề mặt mẫu đã hình thành vết nứt và lan truyền vào bên trong mẫu Cácvết nứt này có chiều dài ban đầu là l 0 (bằng độ lớn của các khuyết tật kỹ thuật) vàphát triển lớn lên với chiều dàil.

Những khuyết tật thẳng của mạng tinh thể phá vỡ trật tự đúng đắn của các bềmặt nguyên tử được gọi là sự lệch mạng Sự lệch mạng gây ra tập trung ứng suấtcục bộ trong mạng tinh thể Tính toán cho biết, ứng lực cần thiết để làm cho mặtphẳng nguyên tử này trượt tương đối so với mặt phẳng nguyên tử khác (tại nơi cólệch mạng) giảm đi nhiều lần so với trường hợp mạng tinh thể lý tưởng

c c C C Cá á ácccc d d dạ ạ ạng ng ng ph ph phươ ươ ương ng ng tr tr trìììình nh nh lan lan lan truy truy truyềềềền n n v v vếếếếtttt n n nứ ứ ứtttt m m mỏ ỏ ỏiiii

Để mô tả quá trình lan truyền vết nứt trong vật liệu, nhiều nhà nghiên cứu đãxây dựng các biểu thức toán học phản ảnh mối quan hệ giữa chiều dài vết nứt vớicác chế độ đặc trưng của chế độ tải trọng gây ra ứng suất và thông số kích thước củakết cấu vật liệu được gọi là phương trình lan truyền vết nứt

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, sự gia tăng của chiều dài vết nứt phụ thuộcvào ứng suất của phổ tải trọng tác động Để thuận tiện cho việc tính toán, phươngtrình lan truyền vết nứt được xây dựng trong hệ tọa độ lg(dl/dN) – logK a Một sốdạng phương trình lan truyền vết nứt mỏi như sau:

− Phương trình Paris:

β a

AK dN

dl

Với:

v: Tốc độ lan truyền vết nứt trong một chu kỳ ứng suất (mm/vòng)

Ka: Biên độ hệ số cường độ ứng suất

dl

− Phương trình Forman:

a c

a

K K

K dN

dl v

atb c

a

K

K R K

K dN

21

2

(2.17)

Với Katb là giá trị tới hạn của hệ số cường độ ứng suất, từ giá trị này trở xuốngkhông xảy ra sự lan truyền vết nứt [7]

d d Đ Đ Điiiiềềềều u u ki ki kiệệệện n n ng ng ngừ ừ ừng ng ng lan lan lan truy truy truyềềềền n n v v vếếếếtttt n n nứ ứ ứtttt m m mỏ ỏ ỏiiii

Qua nghiên cứu bằng thực nghiệm cho thấy rằng: Mỗi một loại vật liệu đều cómột trị số cường độ ứng suất Katb tới hạn, nếu phổ tải trọng gây ra ứng suất cócường độ ứng suất tương ứng nhỏ hơn giá trị này thì vết nứt ngừng phát triển

B Bả ả ảng ng ng 2.3: 2.3: 2.3: Gi Gi Giá á á tr tr trịịịị ttttớ ớ ớiiii h h hạ ạ ạn n n K K atb ccccủ ủ ủa a a m m mộ ộ ộtttt ssssố ố ố lo lo loạ ạ ạiiii v v vậ ậ ậtttt li li liệệệệu u u [7]

STT V Vậ ậ ậtttt li li liệệệệu u Gi Giá á á tr tr trịịịị ttttớ ớ ớiiii h h hạ ạ ạn n

2.2.1 C C Cơ ơ ơ ssssở ở ở llllý ý ý thuy thuy thuyếếếếtttt ccccủ ủ ủa a a qu qu quá á á tr tr trìììình nh nh m m mạ ạ ạ đ đ điiiiệệệện n

a a S S Sự ự ự đ đ điiiiệệệện n n ph ph phâ â ân n

Mạ điện là một quá trình điện phân, trong đó anot xảy ra quá trình oxy hóa

(hòa tan kim loại hay giải phóng khí oxy) còn catot xảy ra quá trình khử (khử ionkim loại từ dung dịch thành lớp kim loại bám trên vật mạ hay quá trình phụ giảiphóng hydro) khi có dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện phân.

Điều kiện tạo thành lớp mạ điện [5]:

− Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot

Mạ điện được dùng trong nhiều ngành công nghệ khác nhau để chống ăn mòn,phục hồi kích thước, trang sức, chống ăn mòn, tăng độ cứng, phản quang và nhiệt,dẫn điện, thấm dầu, dẫn nhiệt

� Đị Định nh nh lu lu luậ ậ ậtttt Faraday Faraday Faraday 1: 1: 1: Khi cho dòng điện một chiều qua dung dịch chất điện ly

(hay qua thể nóng chảy của chất điện ly) khối lượng các chất thoát ra ở anot hay ở

catot tỉ lệ với lượng điện đi qua dung dịch (hay qua chất điện ly nóng chảy), tức tỉ lệvới cường độ dòng điện I và thời gian t.

t I K

� Đị Định nh nh lu lu luậ ậ ậtttt Faraday Faraday Faraday 2: 2: 2: Những lượng điện như nhau khi điện phân sẽ làm thoát

ra những lượng tương đương các chất khác nhau

Để làm thoát ra một đương lượng gam một chất bất kỳ nào đó cần tiêu tốn mộtlượng điện F = 96500 Coulomb (F còn gọi là số Faraday )

Trong quá trình điện phân, lượng chất thoát ra ở điện cực thường nhỏ hơnlượng chất tính theo định luật Faraday, nguyên nhân của sự sai lệch là do phản ứngchính luôn có kèm theo các phản ứng phụ như sự thoát H2 ở catot và O2ở anot

Tỉ số giữa lượng kim loại thoát ra trên catot và lượng kim loại tính theo địnhluật Faraday biểu thị ra phần trăm (%) được gọi là hiệu suất dòng điện, ký hiệu η

� T Tíííính nh nh to to toá á án n n độ độ độ d d dà à ày y y llllớ ớ ớp p p m m mạ ạ ạ [4]:

d

t K

I K

.1000

η

Bả ả ảng ng ng 2 2 2.4 4 4:::: Đươ Đươ Đương ng ng llllượ ượ ượng ng ng đ đ điiiiệệệện n n h h hó ó óa a a K K K ccccủ ủ ủa a a ccccá á ácccc kim kim kim lo lo loạ ạ ạiiii [4]

Kim Kim lo lo loạ ạ ạiiii k k kếếếếtttt ttttủ ủ ủa a a đ đ điiiiệệệện n Kh Khố ố ốiiii llllượ ượ ượng ng

nguy nguyêêêên n n ttttử ử H Hó ó óa a a tr tr trịịịị

Đươ Đương ng ng llllượ ượ ượng ng

đ điiiiệệệện n n h h hó ó óa a a (g/A.h) (g/A.h)

S

I I S

I

(2.22)

Trong đó:

I: Cường độ dòng điện khi điện phân đang diễn ra (A)

SA: Diện tích bề mặt điện cực anot (dm2)

SK: Diện tích bề mặt điện cực catot (dm2)

− Mật độ dòng IK là một tham số điện phân quan trọng Mỗi dung dịch có mộtgiới hạn IKthích hợp nhất tạo được lớp mạ có cấu tạo tốt, đồng đều

− Trong thực tế không có phương pháp nào để xác định chính xác diện tích thựccủa SAvà SK mà chỉ xác định gần đúng, kết hợp với quan sát đánh giá lớp mạ theokinh nghiệm để điều chỉnh IKcho phù hợp

c c S S Sự ự ự ph ph phâ â ân n n b b bố ố ố d d dò ò òng ng ng đ đ điiiiệệệện n n v v và à à ssssự ự ự ph ph phâ â ân n n b b bố ố ố kim kim kim lo lo loạ ạ ạiiii

Khi mạ, dòng IK ở những chỗ khác nhau của catot là không bằng nhau Ngay

cả ở những chi tiết rất bằng phẳng, khoảng cách đến bề mặt anot là đều nhau thì mật

độ dòng IK và tiếp đến là độ dày lớp mạ cũng sẽ không bằng nhau Đường sức của

dòng điện tập trung ở những cạnh, góc, chỗ lồi Ở các vị trí này kim loại kết tủamạnh nhất.

H Hìììình nh nh 2.8: 2.8: 2.8: K K Kỹ ỹ ỹ thu thu thuậ ậ ậtttt b b bố ố ố tr tr tríííí anot anot anot để để để llllớ ớ ớp p p m m mạ ạ ạ đồ đồ đồng ng ng đề đề đều u u [5]

− Sự phân bố sơ cấp của mật độ dòng KSC: Sự phân bố sơ cấp chỉ phụ thuộc vàocác yếu tố hình học

l1: Khoảng cách nhỏ nhất của một đơn vị bề mặt catot tới anot

l2: Khoảng cách nhỏ nhất của một đơn vị bề mặt catot tới anot

− Sự phân bố thứ cấp của mật độ dòng: Là sự phân bố thực tế mật độ dòng IKcủachất điện phân, sự phân bố này không chỉ phụ thuộc vào yếu tố hình học mà cònphụ thuộc vào thành phần, loại chất điện phân, các tham số điện phân như mật độdòng IK, nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn

I1: Mật độ dòng catot ở phần diện tích vật mạ ở gần anot nhất

I2: Mật độ dòng catot ở phần diện tích vật mạ ở xa anot nhất

− Sự phân bố kim loại KKL: Là tỉ lệ độ dày lớp mạ (hoặc đương lượng kim loại)trên 2 vùng khác nhau của catot

2 1

2 1

2

1

η

η I

I m

m

Với:

m1: Lượng kim loại thoát ra trên đơn vị diện tích catot gần anot nhất

m2: Lượng kim loại thoát ra trên đơn vị diện tích catot xa anot nhất

η1: Hiệu suất dòng ở vùng catot gần anot nhất

η2: Hiệu suất dòng ở vùng catot xa anot nhất

H Hìììình nh nh 2.9: 2.9: 2.9: D D Dù ù ùng ng ng m m mà à àn n n che che che để để để ph ph phâ â ân n n b b bố ố ố llllạ ạ ạiiii d d dò ò òng ng ng đ đ điiiiệệệện n n [5]

d d C C Cấ ấ ấu u u ttttạ ạ ạo o o llllớ ớ ớp p p m m mạ ạ ạ đ đ điiiiệệệện n

Lớp mạ điện có cấu tạo tinh thể Kích thước, hình dáng hạt tinh thể phụ thuộcnhiều vào thành phần và điều kiện điện phân Sự kết tủa của kim loại gồm 2 quátrình xảy ra đồng thời là sự tạo mầm tinh thể và sự tăng trưởng mầm tinh thể Tùythuộc vào tốc độ của mỗi quá trình mà ta thu được lớp mạ có cấu tạo khác nhau.Căn cứ vào kích thước hạt tinh thể người ta chia cấu tạo kim loại của lớp mạthành các loại sau:

− Kim loại có cấu tạo hạt tinh thể từ số 0 đến số 4 (bán kính hạt tinh thể từ 250 ÷280μm) thuộc loại tinh thể thô

− Kim loại có cấu tạo hạt tinh thể từ số 5 đến số 8 (bán kính hạt tinh thể từ 60 ÷15.5μm) thuộc loại tinh thể mịn hạt

− Kim loại có cấu tạo hạt tinh thể từ số 8 đến số 12 (bán kính hạt nhỏ hơn 15μm)thuộc loại tinh thể rất mịn hạt

B Bả ả ảng ng ng 2 2 2.5 5 5:::: B B Bá á án n n k k kíííính nh nh h h hạ ạ ạtttt tinh tinh tinh th th thểểểể theo theo theo thang thang thang 12 12 12 [5]

S Số ố ố h h hạ ạ ạtttt 1 2 3 4 5 6 7 8

B Bá á án n n k k kíííính nh nh h h hạ ạ ạtttt ((((μ μ μm) m) 250 170 110 80 60 40 25 15.5

Nh Nhữ ữ ững ng ng y y yếếếếu u u ttttố ố ố ả ả ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng llllêêêên n n ccccấ ấ ấu u u ttttạ ạ ạo o o llllớ ớ ớp p p m m mạ ạ ạ đ đ điiiiệệệện n n: Yếu tố quan trọng nhất

ảnh hưởng lên cấu tạo tinh thể lớp mạ điện là loại dung dịch chất điện phân

− Nồng độ ion kim loại của muối phức càng nhỏ bao nhiêu, lớp mạ có cấu tạotinh thể càng mịn bấy nhiêu.

− Sự giảm nồng độ ion kim loại ở khoảng không gian quanh catot khi điện phânlàm tăng sự phân cực catot

− Nồng độ ion H+ trong dung dịch có ảnh hưởng đến cấu tạo lớp mạ điện Khihydro thoát ra trên catot cùng với kim loại mạ có khả năng thấm sâu vào lớp mạ và

cả kim loại nền Những kim loại khác nhau hấp thụ khí hydro với mức độ khác nhau

e e Ả Ả Ảnh nh nh h h hưở ưở ưởng ng ng ccccủ ủ ủa a a ccccá á ácccc tham tham tham ssssố ố ố trong trong trong qu qu quá á á tr tr trìììình nh nh đ đ điiiiệệệện n n ph ph phâ â ân n n llllêêêên n n ccccấ ấ ấu u u ttttạ ạ ạo o o llllớ ớ ớp p p m m mạ ạ

− Ảnh hưởng của mật độ dòng điện catot IK:

� Sử dụng IKnhỏ sẽ tạo thuận lợi cho quá trình hình thành lớp mạ có cấu tạo tinhthể thô Cùng với sự tăng mật độ dòng, số lượng mầm tinh thể sẽ tăng lên, nhờ vậycấu tạo tinh thể lớp mạ mịn hạt hơn Mật độ dòng IK chỉ có thể tăng đến một giớihạn nhất định, vượt quá giới hạn đó sẽ làm rối loạn quá trình kết tủa của kim loại

� Sự tăng mật độ dòng IKchỉ có thể tiến hành đồng thời với tăng nồng độ muốikim loại mạ một cách tương ứng

− Ảnh hưởng của nhiệt độ, sự khuấy trộn:

� Sự tăng nhiệt độ tạo thuận lợi cho sự hình thành lớp mạ có cấu tạo tinh thể thôđồng thời làm tăng sự khuếch tán ion về hướng catot (tăng nhiệt độ làm tăng độ dẫnđiện của dung dịch, do làm giảm độ nhớt của dung dịch) nhờ đó có thể sử dụng mật

độ dòng IKlớn hơn, lớp mạ thu được có cấu tạo tinh thể mịn hạt

� Sự khuấy trộn dung dịch có tác dụng san bằng nồng độ ion, vì vậy có thể sửdụng IKlớn hơn, làm tăng tốc độ kết tủa của kim loại

− Phương pháp đổi chiều dòng điện:

� Sự đổi chiều dòng điện có ảnh hưởng tốt lên sự cải thiện cấu tạo lớp mạ vàchất lượng lớp mạ (khi đổi chiều dòng điện, tức vật mạ sẽ trở thành catot, sự điệnphân diễn ra, anot kim loại của lớp mạ sẽ tan, nhưng tại các chỗ lồi mật độ dònganot sẽ lớn hơn nhiều so với các chỗ bằng phẳng Do đó tại các chỗ lồi sự tan kimloại anot sẽ lớn hơn làm cho lớp mạ bằng phẳng trở lại)

2.2.2 C C Cơ ơ ơ ssssở ở ở llllý ý ý thuy thuy thuyếếếếtttt ccccủ ủ ủa a a qu qu quá á á tr tr trìììình nh nh m m mạ ạ ạ Cr Cr Crô ô ôm m

a a T T Tíííính nh nh ch ch chấ ấ ấtttt v v và à à ứ ứ ứng ng ng d d dụ ụ ụng ng ng ccccủ ủ ủa a a llllớ ớ ớp p p m m mạ ạ ạ Cr Cr Crô ô ôm m

Lớp mạ Crôm được ứng dụng vào rất nhiều các lĩnh vực trong cuộc sống đểlàm tăng độ cứng, tăng độ bền mài mòn, độ bền hóa học, phục hồi các chi tiết máy

bị mài mòn độ cứng của lớp mạ Crôm khá cao, có giá trị nằm trong khoảng600÷800HV [11], khoảng nhiệt độ sử dụng từ -570C ÷ 4270C và có thể chiu được ápsuất lên đến 30000psi (2068bar) [22] Thông thường lớp mạ Crôm được sử dụngcho hai mục đích đó là sử dụng cho trang trí và cho mục đích kỹ thuật

Crôm, ký hiệu là Cr, số nguyên tử 24, loại điện giải có màu trắng bạc, ánhxanh Trọng lượng riêng γ = 6.9 ÷ 7.1g/cm3, nhiệt độ nóng chảy từ 1750 ÷ 18000C,đương lượng điện hóa ϶ = 0.323g/Ah, điện thế tiêu chuẩn Cr/Cr3+ là -0.74V Crkhông bị ăn mòn trong axit nitric và axit sunfuric loãng nhưng ăn mòn nhanh trongaxit clohydric Trong không khí, dưới tác dụng của các chất oxy hóa Cr bị thụ động

và tạo thành màng oxit trong suốt rất kín làm cho Cr trở nên dương hơn và lớp mạtrở thành lớp mạ catot đối với nền sắt, thép, kền [4]

b Ph Ph Phâ â ân n n lo lo loạ ạ ạiiii llllớ ớ ớp p p m m mạ ạ ạ Cr Cr Crô ô ôm m m [22]

− Lớp mạ Crôm cứng: Thường được sử dụng cho các bề mặt bên ngoài của cácchi tiết máy chịu mài mòn cao Trên bề mặt lớp Crôm có nhiều vết nứt và độ xốplớn Lượng vết nứt sẽ tăng khi chiều dày lớp mạ Crôm tăng

H Hìììình nh nh 2.10: 2.10: 2.10: L L Lớ ớ ớp p p m m mạ ạ ạ Cr Cr Crô ô ôm m m ccccứ ứ ứng ng

− Lớp mạ Crôm mỏng đặc: Thường sử dụng cho các bề mặt và đường kính trongcủa các chi tiết Lớp mạ có đặc điểm là mỏng và rất đặc, bề mặt nhẵn bóng không

có rỗ xốp, chống ăn mòn, tuổi bền mỏi lớn, độ cứng xấp xỉ 70HRC

H Hìììình nh nh 2.11: 2.11: 2.11: L L Lớ ớ ớp p p m m mạ ạ ạ Cr Cr Crô ô ôm m m m m mỏ ỏ ỏng ng ng đặ đặ đặcccc

c c Nguy Nguy Nguyêêêên n n llllý ý ý ccccủ ủ ủa a a qu qu quá á á tr tr trìììình nh nh m m mạ ạ ạ Cr Cr Crô ô ôm m

Mạ Crôm có nhiều đặc điểm rất khác với các quy trình mạ khác:

− Sự kết tủa của kim loại Crôm từ dung dịch axit Crômic (H2CrO4) chứ khôngphải từ dung dịch muối hòa tan của kim loại

− Dung dịch phải nhất thiết phải có anion hoạt hóa (còn gọi là anion xúc tác)thường là SO42-, F-, SiF62- Dung dịch mạ Crôm rất nhạy với các chất bẩn

Phản ứng diễn ra trên catot theo từng nấc, từ Crôm có số oxy hóa 6+ (CrO3)chuyển thành Crôm có số oxy hóa 3+ (Cr2O3) rồi Crôm có số oxy hóa 2+ (CrO) vàcuối cùng thành Crôm kim loại

O H O Cr e H

O H CrO e

H O

O H Cr e H CrO+2 ++2 → ↓+ 2

(2.28)

↑

→++

22

Thuyết Muller cho rằng, trong khoảng không gian sát catot có hình thành hợpchất Cr(OH)4và bị khử theo quá trình:

(OH)CrO H e CrCrO H O

−+

d d C C Cá á ácccc dung dung dung d d dịịịịch ch ch m m mạ ạ ạ Cr Cr Crô ô ôm m m th th thô ô ông ng ng th th thườ ườ ường ng

− Mạ Crôm có thể tiến hành trong các dung dịch sunfat (1), tự điều chỉnh (2),tetracromat (3), florua (4):

e e Quy Quy Quy tr tr trìììình nh nh ccccô ô ông ng ng ngh ngh nghệệệệ m m mạ ạ ạ Cr Cr Crô ô ôm m m ttttổ ổ ổng ng ng qu qu quá á átttt

Mạ Crôm với dungdịch CrO3

Tẩy nhẹ

Rửa nước nóng,sấy khô

Đảo cực Catot →Anot trong 20÷30s

Mài, đánh bóng

Rửa bằng dungmôi hữu cơ

Tẩy dầu mỡ điệnhóaLắp lên giá treo

Tẩy dầu mỡ hóahọc

Rửa nước nóng rồinước lạnh

Dung dịch NaOH,

Na3PO4, Na2CO3

Dung dịch H2SO4

2.2.3.

2.2.3 C C Cá á ácccc ph ph phươ ươ ương ng ng ph ph phá á áp p p đ đ đo o o độ độ độ b b bá á ám m m d d díííính nh nh llllớ ớ ớp p p m m mạ ạ ạ [5]

a a Ph Ph Phươ ươ ương ng ng ph ph phá á áp p p g g gạ ạ ạch ch ch kh kh khíííía a

Dùng mũi nhọn, sắc, cứng khía thủng lớp phủ thành những đường cắt thẳnggóc với nhau, quan sát chỗ giao nhau của các đường khía bằng kính lúp, nếu lớp mạkhông bị bong vênh tại các đỉnh của góc vuông là đạt yêu cầu về độ gắn bám

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4392 – 1986, dùng mũi nhọn có r = 0.1mmrạch thủng lớp mạ trên bề mặt mẫu thử các đường song song và vuông góc, cáchnhau 1mm, lớp mạ không được bong tróc ở các ô vạch