BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN VẬT LIÊU HỌC XỬ LÝ

Thực chất, với kết quả đo HRA như trên, ta có thể chỉ cần đo HRA, không cần đo HRC hay HV, vì độ cứng của mẫu nằm trong khoảng chính xác của HRA 20 100.. Chế độ đánh bóng điện phân thôn

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN THIẾT BỊ & CNVL CƠ KHÍ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC XỬ LÝ

+Bài 3 : 01/04/2017

TP HCM, THÁNG 04 NĂM 2017

1 MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM

- Nắm vững nguyên lý đo dộ cứng theo các phương pháp

Brinell, Rockwell, Vicker

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

2 TÓM TẮT LÝ THUYẾT

a) Độ cứng:

- Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của kim loại

- Là đặc trưng cơ tính quan trọng, đo được thông qua các thiết

bị đo

b) Ưu điểm:

- Từ độ cứng có thề gián tiếp suy ra độ bền

- Đo đơn giản, thời gian ngắn Không phá hủy mẫu khi thử

- Có thể đo được chi tiết rất lớn đến rất nhỏ, rất dảy đến rất mỏng

c) Phân loại:

- Phương pháp đâm: dùng một tải trọng xác định đặt lên mũi đâm có độ cứng rất cao để mũi đâm tác dụng lên bề mặt mẫu, gây biến dạng tại vị trí đâm Căn cứ vào diện tích, chiềusâu vết lõm, tải trọng →độ cứng

- Phương pháp nảy lại: thả viên bi từ độ cao xác định lên bề mặt vật liệu Từ chiều cao trước và sau khi thả→độ cứng

- Phương pháp đo dộ xước: vừa ấn mũi kim cương lên bề mặt vật liệu vừa kéo mũi kim cương với tốc độ xác định tạo thành vết xước Từ lực ấn, chiều sâu, chiều rộng vết xước→độ cứng

d) Phương pháp đo độ cứng Brinell:

Nguyên lý: ấn viên bi bằng thép 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 Brinell được tính:

HB= P πDhDh=

0,1 P

πDhD

2 (D−√D2−d2) ( N/mm2 )

- Người ta lập ra các bảng tra độ cứng khi đo được d

- Để có thể dùng một bảng cho các tải trọng và đường kính

D của các viên bi khác nhau, phải đảm bảo giá trị P/D = const

- Các bi thường dùng có D =10; 5; 2,5 mm, tải trọng tương ứng là 30000; 7500 và 1875N Lúc này tỉ số P/D = 300.

- Điều kiện để đo độ cứng Brinell:

+ Chiều dày mẫu thử t ≥ 10 P

πDhDHB (mm)P là tải trọng tác dụng (kG), D là đường kính viên bi (mm), HB là độ cứng dự đoán.+ Bề mặt mẫu thử phải sạch, phẳng, không có khuyết tật Chiều rộng, dài của vùng cần đo, khoảng cách giữa hai vết

đo phải lớn hơn 2D

+ Chỉ đo độ cứng < 450HB(độ cứng viên bi ≥850HV) để tránh bi bị biến dạng

+ Thời gian tác động tải trọng cũng có ảnh hưởng đáng kểđến kết quả đo

e) Phương pháp đo độ cứng Rockwell

Hình 2 Sơ đồ đo độ cứng Rockwell a) Khi chưa tác dụng tải trọng; b) khi có tác dụng của tải

một pham vi rộng mà vẫn không làm thay đổi giá trị đo được của độ cứng Thời gian đo rất nhanh (6 – 10s).

- Bảng giới hạn thang đo Rockwell:

Thang đo Loại mũi đâm Tải trọng (N) Giới hạn đo cho

Các yếu tố gây kết quả đo sai như:

- Giá trị của các vạch chia không tương ứng với sự dịch

chuyển của mũi đâm

- Người sử dụng chưa thành thạo

- Bề mặt mẫu đo quá cong, mẫu được đặt không đúng và

không được kẹp cứng, bề mặt mẫu bẩn

f) Phương pháp đo độ cứng Vicker

- Nguyên lý đo giống như phương pháp Brinell, nhưng thay mũi

bi bằng mũi kim cương hình tháp, góc giữa hai mặt đối diện

là 136o P = 50 ÷ 1500N, phụ thuộc chiều dày mẫu đo Số đo

độ cứng không phụ thuộc vào tải trọng

- Số đo độ cứng Vicker: HV = P

S=1,854

P

d2

(S diện tích bề mặt vết lõm, d đường chéo)

- Phương pháp đo Vicker thường dùng đo độ cứng các vật

- Tiến hành đo HRA trên máy đo 3 lần và lấy giá trị trung bình

- Lấy giá trị trung bình so sánh với 60 Nếu:

+ HRA > 60 : tạm gọi là vật cứng, tiến hành đo HRC 3 lần và chuyển qua đo HV 3 lần

+ HRA < 60 : tạm gọi là vật mềm, tiến hành đo HRB 3 lần và chuyển qua đo HB 3 lần

- Lấy giá trị HRA trung bình làm chuẩn, tra bảng suy ra HV, HRC lý thuyết.

- So sánh giá trị sai lệch giữa kết quả đo thực tế và giá trị lý thuyết

Đo HRA, HRC

- Đặt phôi lên Đế đặt phôi

- Kiểm tra Núm đặt lực, Mũi đo phù hợp với chế độ đo (HRA, HRB, HRC)

- Quay tay quay củng chiều kim đồng hồ nâng lên sao cho phôichạm vào mũi đo Tiếp tục quay lên thì Kim nhỏ bắt đầu quaysao cho kim nhỏ quay sang điểm màu đỏ thì ngừng lại Xoay mặt đồng hồ xoa sao cho kim lớn chỉ ngay C-B (như hình dưới)

- 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” Khi đó kim dài chỉ đâu đó là giá trị đo của chế độ đang đo

- Tiếp tục đo ở vị trí khác cho đủ 3 lần đo

- Thay đổi chế độ đo chỉ cần thay lực trên Núm điều chỉnh lực

và thực hiện đo tương tự (Nếu đo HRB thì thay luôn mũi đo)

- Quay ngược tay quay để lấy phôi và đo 3 lần

Đo HV

- Đặt phôi lên đế phôi

- Quay tay quay cùng chiều kim để phôi chạm mũi đo, tiếp tục quay cho đến khi thước chỉ đến vị trí trong khoảng 95-100 trên trước dọc

- Hạ nhẹ nhàng cần lực đến hết cần lực và chờ khoảng 10s sau

đó nâng lên

- Quay tay quay ngược để lấy phôi ra, đánh dấu vị trí ở 3 lần

- Hai lỗ còn lại sẽ được giảng viên đo trên kính hiển vi.

4 SỐ LIỆU ĐO ĐƯỢC

BẢNG 1 SỐ LIỆU ĐO ĐƯỢC

HRA=72+1=73→ HV lý thuyết=446; HRC lýthuyết=44.88

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

Sau khi đo HRC VÀ HV ta rút ra các nhận xét sau:

- δHRCHRC=1.76 % tương đối nhỏ, có thể chấp nhận được

- %HV = 15.64% khá lớn.

Kết quả phép đo có sai như vậy là do một số nguyên nhân như:

- Tấm phôi đã được sử dụng nhiều lần Dẫn đến độ cứng tại những điểm trên bề mặt khác nhau

- Thao tác đo sai.: do kéo cần lực nhanh dẫn đến tăng thêm một gia tốc làm lực tác dụng tăng lên →độ cứng HV tính đượcnhỏ hơn so với lý thuyết,…

- Sai số của máy và dụng cụ đo

- Đọc chỉ số trên đồng hồ đo chịu ảnh hường chù quan của người đọc nên kết quả không có độ chính xác cao

Thực chất, với kết quả đo HRA như trên, ta có thể chỉ cần đo HRA, không cần đo HRC hay HV, vì độ cứng của mẫu nằm trong khoảng chính xác của HRA (20 100) Hơn nữa, sai số phép đo không lớn Nên nếu không cần độ chính xác cao, ta có thể dùng kết quả HRA rồi tra bảng để có HRC và HV

BÀI 2 XEM CẤU TRÚC TẾ VI

- Trình tự chế tạo mẫu như sau:

2.1 C họn và cắt mẫu:

- Tùy nhiệm vụ nghiên cứu, thí nghiệm mà chọn mẫu

- Dùng máy cắt kim loại hoặc cưa máy, cưa tay…để cắt mẫu Mẫu quá cứng dùng đá mài Thép, gang đã qua nhiệt luyện, nhiệt độ nơi cắt phải ≤1000C

- Mẫu có dạng trụ Ф 10 ÷ 15mm, h=15 ÷20mm, hoặc hình hộp cạnh 10,15mm

- Mẫu nhỏ, mỏng, phải nhiên cứu lớp bề mặt cần gá kẹp hoặc

đổ khuôn bao quanh Chất đổ khuôn là hợp kim có t0

nc thấp hoặc chất nhựa dẻo, bakelit,…

2.2 M

ài mẫu

a) Mài thô :

- Dùng đá mài hoặc giấy nhám

- Đặt giấy nhám trên bề mặt thật phẳng, áp sát bề mặt mẫuvào giấy Mài theo 1 chiều, tạo trên bề mặt các vết xước song song đều nhau→quay mẫu 900 và mài tiếp tạo bề mặt phẳng mới, hệ xước mới xóa hết hệ xước cũ Mài 3-5 lần, lặp lại ở các số giấy nhám mịn hơn

Sơ đồ nguyên lý gồm mẫu đánh bóng 1, nhúng trong chất điện phân 2 và nối với cực dương của nguồn Cực

âm là tấm kẽm hay niken, đặt cách bề mặt mẫu 1 khoảng nhất định

- Khi mật độ dòng điện đủ lớn, độ nhấp nhô của mẫu bị hòa tan, mẫu sẽ phẳng và bóng Có thể đánh bóng và tẩm thực mẫu ngay trên máy

Bảng 2 Chế độ đánh bóng điện phân thông dụng

2.3 T

ẩm thực

- Là quá trình ăn mòn bề mặt mẫu bằng dung dịch tẩm thực

- Khi tẩm thực, biên giới các pha, các vùng tổ chức bị ăn mòn với tốc độ khác nhau →bề mặt mẫu sẽ lồi, lõm tương ứng với các pha và tổ chức → nhận biết được hình dáng, kích thước, sự phân

bố của các pha

Hình 2: sơ đồ phản xạ ánh sáng của peclit tấm trước(H2a) và sau(H2b) tẩm thực

- Quá trình tẩm thực:

o Bôi đều dung dịch tẩm thưc lên bề mặt mẫu

o Khi bề mặt mẫu ngả sang màu xám thì kết thúc tẩm thực

o Dùng bông nõn rửa sạch bề mặt ở vòi nước chảy→rửa lại bằng cồn→sấy khô

- Các đường biên giới nhỏ, đứt đoạn là tẩm thực chưa đủ →tẩm thực lại

- Các đường biên giới quá to, đậm, độ tương phản bề mặt

kém→thời gian tẩm thực quá dài, hoặc nồng độ dung dịch cao→ đánh bóng và tẩm thực lại

- Thường khi quan sát với độ phóng đại bé thì thời gian dài hơn khi quan sát với độ phóng đại lớn

o Di chuyển mẫu dọc theo

giấy nhám lên xuống 5

Hình 2:Mài thô

- Đánh bóng:

o Bật công tắc máy đánh bóng,tưới dung dịch oxit nhôm lên máy đánh bóng và di chuyển mẫu theo hình tam giác trên máy đánh bóng

o Sau đánh bóng, rửa lại với nước và cồn, sau đó quan sát mẫu trên kính hiển vi, nếu còn nhiều vết xước thì phải đánh bóng lại Nếu đạt yêu cầu, chụp lại bề mặt mẫu

- Tẩm thực: ngâm bề mặt mẫu trong dung dịch axit HNO3 4%, sau

đó rửa lại bằng cồn Nếu tẩm thực chưa đủ phải tẩm thực lại, nếu mẫu bị cháy đen do tẩm thực quá lâu phải mài thô, đánh bóng và tẩm thực lại Nếu đạt yêu cầu, chụp lại bề mặt mẫu

Hình 3: Ảnh chụp bề mặt mẫu sau

đánh bóng Hình 4: Ảnh chụp bề mặt mẫu

sau tẩm thựcCác tồ chức tế vi khác của thép:

(0.4%C)

Dựa trên tổ chức tế vi của mẫu nhận được sau tẩm thực và so sánhvới các tổ chức tế vi trên ta kết luận được:

Mẫu là thép trước cùng tích với tỉ lệ thành phần cacbon khoảng 0.5%

(Theo tính toán từ qui tắc đòn bẩy, khi lượng cacbon tăng lên thì thành phần peclit (màu tối) trong tổ chức tăng lên, còn ferit (màu sáng) giảm đi Nếu không chứa hay chứa rất ít cacbon thì tổ chúc

tế vi có màu sáng hoàn toàn Với 0.1%C thì tỉ lệ phần tối là 1/8, với0.4%C thì tỉ lệ phần tối là ½, với 0.6%C thì tỉ lệ phần tối là ¾ và với0.8%C là tối hoàn toàn.)

BÀI 3 TÔI VÀ RAM THÉP

A NGUYÊN CÔNG TÔI

- Tôi: nung nóng thép lên nhiệt độ xác định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian cần thiết và làm nguội nhanh trong môi trường thích hợp

- Mục đích: nhận được độ cứng và độ chịu mài mòn cao của thép

o Trong khoảng 0,1-0,8%C điểm AC3 của thép giảm

xuống Xác định điểm AC3 của thép căn cứ vào giản đồ trạng thái Fe-C hoặc tra cứu trong các sổ tay nhiệt luyện

Hình 1 Phạm vi nhiệt độ tôi thích hợp của thép cacbon

o Nhiệt độ tôi càng cao, hạt ôstenit càng thô →sau khi tôi,kim mactenxit thô, dài→ không nên nung cao quá AC3

o Nếu nung thấp hơn AC3, sẽ có tổ chức α + γ, khi làm nguội, chỉ có γ→M, còn ferit vẫn giữ nguyên→không được độ cứng cao

- Đối với thép sau cùng tích (%C > 0,8%): nung lên trạng thái không hoàn toàn ôstenit ( AC1< t0

tôi = AC1+(30÷50)0C <

ACcm) Tổ chức nung để tôi là γ + XeII (tôi không hoàn toàn)

o Tất cả các thép sau cùng tích có nhiệt độ tôi khoảng

760 ÷7800C, (không phụ thuộc vào thành phần C)

o Không nung quá ACcm vì cacbon hòa tan nhiều, nhiệt độtôi cao→ nhiều ostenit dư, kim mactenxit lớn, ứng suất nhiệt cao

o Nếu chỉ nung lên trạng thái γ + XeII→ không cần nhiều nhiệt vẫn được mactenxit + XeII, tận dụng được độ cứngcủa XeII, chi tiết ít bị ứng suất nhiệt làm cong vênh, oxi hóa bề mặt

b) Thời gian nung nóng

- Gồm thời gian nung đến nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt Chọn theo các định mức kinh nghiệm tra trong các sổ tay nhiệt luyện, với các hệ số hiệu chỉnh về hình dáng chi tiết, cách sắp xếp và môi trường nung tính theo các công thức về truyền nhiệt

Bảng 1 Thời gian nung nóng và giữ nhiệt khi tôi trong lò thí

nghiệm

c) Chọn môi trường tôi

- Để nhận được mactenxit sau khi tôi: t0

nguội ≥ t0

nguội tới hạn

- Nếu t0

nguội < t0

nguội tới hạn, một phần ôstenit phân hủy thành các

tổ chức khác, độ cứng sau khi tôi bị giảm Mỗi số hiệu thép cótốc độ nguội tới hạn khác nhau, cần môi trường tôi khác

nhau Tốc độ nguội tới hạn của thép có thể tìm trong các giản

đồ chữ “C” của chúng Các môi trường tôi thường dùng là nước, dung dịch muối, xút, dầu khoáng và polyme

B NGUYÊN CÔNG RAM

- Ram: nung nóng thép đã tôi có tổ chức mactenxit quá bão hòa và ôstenit dư chuyển thành các tổ chức ổn định hơn phù hợp với yêu cầu đặt ra

- Làm giảm hoặc khử hoàn toàn ứng suất, tăng độ dẻo dai cho chi tiết sau tôi

- Khi ram thép cabon, xảy ra sự chuyển biến của mactenxit tôi thành mactenxit ram: cacbon quá bão hòa tiết ra khỏi mạng dưới dạng cacbit ε, độ chính phương c/a giảm dần, cacbit ε

→Fe3C, ôstenit dư →mactenxit ram

- Tùy theo tổ chức nhỏ mịn của xementit và ferit tiết ra khi ram mà có các tổ chức trustit ram hoặc xoobit ram Các quá trình trên phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian ram Phụ thuộcvào nhiệt độ ram,chia làm 3 loại ram:

o Ram thấp (150 ÷2500C): nhận được mactenxit ram, độ cứng hầu như không đổi, ứng suất giảm chút ít, chi tiết

 Giòn ram loại một : xảy ra ở 250÷3500C, chưa tìm

ra bản chất→hạn chế ram chi tiết ở vùng nhiệt độ này

 Giòn ram loại hai: xảy ra ở 500÷6000C ở một số hợp kim chứa Cr, Mn, Cr-Ni, Cr-Mn…, khắc phục bằng cách làm nguội nhanh chi tiết sau khi ram, khắc phục giòn ram loại hai bằng cách thêm vào hợp kim W, hoặc Mo với lượng 1% và 0,3%

3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM

- Sinh viên nhận 15 phôi thép và mài sơ bộ bề mặt

- Lấy ngẫu nhiên 3 phôi đem đo độ cứng, ghi lại kết quả

- Lấy 15 phôi đem nung nóng ở nhiệt độ thích hợp

- Sau khi nung thì đem phôi đi tôi:

+ Lấy 3 phôi làm nguội trong nước

+ Lấy 3 phôi làm nguội trong nước muối

+ Lấy 3 phôi làm nguội trong dầu

+ Lấy 3 phôi làm nguội trong không khí

+ Lấy 3 phôi làm nguôi cùng lò

- Mài sơ bộ lại thép để làm mất đi lớp oxit

- Đem các phôi đo độ cứng, ghị lại kết quả

- Lấy phôi đi ram

+ Lấy 3 phôi vừa tôi trong nước muối đi ram thấp+ lấy 3 phôi vùa tôi trong nước đi ram cao

- Mài sơ bộ lại thép để làm mất đi lớp oxit

- Đo 6 phôi vừa ram đo độ cứng và ghi lại kết quả

4 CÁC SỐ LIỆU ĐO ĐƯỢC

 Độ cứng (HRA) của mẫu trước khi tôi

1 2 3 1 2 3 1 2 3

Không

khí 30 60 56.5 57 57. 83 55 58 57 56. 67 57 58 57.5 57 5 Dầu 150 68 67 66.5 67. 17 70.5 71 67.5 69. 67 70 71.5 70 70 .5

Lầ n 2

Lầ n

Lầ n 1

Lầ n 2

Lầ n

Lầ n 1

Lầ n 2

Lầ n

a Mối quan hệ trước và sau khi tôi

- Khi làm nguội trong các môi trường khác nhau thì độ cứng của các mẫu tăng hoặc giảm so với trước khi tôi

- Làm nguội cùng lò, độ cứng của mẫu giảm

- Làm nguội trong không khí, độ cứng của mẫu thay đổi không đáng kể

- Các môi trường còn lại, độ cứng của mẫu tăng theo thứ tự:

dầu, nước , nước muối

b. Mối quan hệ giữa độ cứng và tốc độ nguội

Khi làm nguội chậm cùng lò, độ cứng thấp, giảm mạnh so vớimẫu thép ban đầu: HRA từ 61.06 xuống 53.39.

- Làm nguội trong không khí, độ cứng của mẫu thay đổi không đáng kể từ 61.06 xuống 57.33

Làm nguội trong dầu khoáng, độ cứng tăng: HRA từ 61.06 lên 69.1

Khi làm nguội nhanh, độ cứng tăng mạnh: nước (76.22) , nước muối (78.44)

c Mối quan hệ độ cứng sau khi ram

Độ cứng ( HRA)

Nhiệt độ ( 0 C)

ram cao,

độ cứnggiảm

o Tốc độ tôi càng lớn ( lớn hơn tốc độ tôi tới hạn) thì độ cứng càng cao.Tuy nhiên tốc độ nguội của môi trường cần được đảm bảo độ ổn định, tránh nhiệt độ của môi trường bị tăng lên và làm giảm tốc độ làm nguội và độ cứng sẽ không như mong muốn.Ví dụ như trong môi trường nước người ta phải liên tục làm nguội môi trường để tránh môitrường tăng nhiệt độ làm giảm tốc độ nguội hay trong môi trường dẩu phải dùng ống dẫn nước làm nguội dầu để tránh nhiệt độ tăng cao dầu

sẻ bị cháy

o Tuy nhiên còn tùy thuộc vào hình dạng của vật mà ta chọn môi trườngtôi thích hợp Ví dụ các chi tiết mỏng dạng tấm thì người ta thường chọn làm nguội rất chậm để tránh cong vênh

- Ram:

o Sau khi ram độ cứng giảm so với trước tôi

o Cả hai mẫu (mẫu tôi trong dầu, mẫu tôi trong nước muối) đều giảm, giá trị độ cứng của mẫu tôi trong nước muối vẫn cao hơn trong dầu

Kết luận:

- Tôi:

o Khi làm nguội với tốc độ nguội nhanh (trong nước, nước muối): austenit chuyển biến thành mactenxit có độ cứng cao (HRA tăng gần 20 đơn vị so với mẫu ban đầu)

o Khi làm nguội với tốc độ nguội vừa (trong dầu khoáng), tốc độ nguội khoảng 1500C/s, austenit chuyển biến thành bainit có độ cứng cao (tăng khonag3 10 đơn vị sovới mẫu ban đầu)

o Khi làm nguội chậm (cùng lò, không khí), austenit

chuyển biến lại thành peclit Do thời gian giữ nhiệt lâu nên hạt tạo thành to, có độ cứng thấp nhất nên độ cứnggiảm (HRA giảm gần 10 đơn vị)

- Ram:

o Sau khi tôi (làm nguội trong nước, nước muối) thép có

tổ chức mactenxit tôi và austenit dư Do mactenxit là tổchúc quá bão hòa cacbon trong Feα còn austenit không tồn tại ở nhiệt độ thường nên 2 pha này không ổn định

o Đối với ram cao: , mactenxit tôi phân hủy thành Feα +

XeII (xoocbit ram), độ cứng, dộ bền thấp hơn mactenxit (HRA giảm), nhưng độ dẻo dai lại cao hơn

o Đối với ram thấp: austenit dư sẽ bị phân hủy, sản phẩmtạo thành giống sản phẩm của chuyển biến trung gian