Báo cáo thí nghiệm vật liệu học

Đặc điểm và các phương pháp đo độ cứng: 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.. c Có thể đo được chitiết rất lớn

Bài 1: ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI Buổi sáng, Thứ 4 Ngày 13 tháng 5 năm 2015, Nhóm 3

I- Mục đích thí nghiệm:

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

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

II- Cơ sở lý thuyết:

1 Đặc điểm và các phương pháp đo độ cứng:

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 Nó có thể dễ dàng đo được thông qua các thiết bị đo mà không cần phải phá hủy mẫu

Phương pháp đo độ cứng có ưu điểm:

a) Từ giá trị độ cứng đo được, có thể suy ra độ bền của kim loại dẻo Vì độ cứng là sự chống lại biến dạng dẻo cục bộ, còn độ bền là sự chống diến dạng dẻo toàn bộ Từ giá trị

độ cứng Brinell, ta có thể gián tiếp tính được độ bền

b) Đo độ cứng đơn giản, thời gian ngắn (từ vài giây đến vài phút) Mẫu thử không phải chuẩn bị đặc biệt Không phá hủy mẫu khi thử

c) Có thể đo được chitiết rất lớn hoặc rất nhỏ, rất dày hoặc rất mỏng (các lớp mạ, thấm…)

Tùy theo tác dụng của mũi đâm lên bề mặt mẫu, mà người ta chia ra làm nhiều phương pháp đo độ cứng khác nhau:

- Phương pháp đâm: dùng 1 tải trọng xác định đặt lên mũi đâm (hình côn, hình tháp, hình cầu ) có độ cứng rất cao (kim cương, hợp kim cứng, thép tôi ) để mũi đâm tác dụng lên bề mặt mẫu, gây ra biến dạng tại vị trí đâm Sau đó, căn cứ cào diện tích hoặc chiều sâu vết lõm ứng với tải trọng tác dụng mà tính ra số đo của độ cứng Phương pháp này được dùng phổ biến nhất

- 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 Nội dung của phương pháp này là vừa ấn mũi kim cương lên bề mặt mẫu, vừa kéo cho mũi kim cương chuyển động với tốc độ xác định, để tạo thành vết xước Căn

cứ vào lực ấn, chiều sâu, chiều rộng vết xước mà tính ra số đo độ cứng

2 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 Brinell được tính bằng biểu thức:

( √ )

Thông thường ta biết trước P, D nên dễ dàng tính giá trị độ cứng khi đo, người ta lập

ra các bảng tra độ cứng khi đo được d

Để có thể dùng một bảng cho các tảitrọng và đường kính D của các viên bi khác nhau, người ta phải đảm bảo giá trị P/D = const

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)

Điều kiện để đo độ cứng Brinell:

- Chiều dày mẫu thí nghiệm không được nhỏ hơn 10 lần chiều sâu vết lõm, xác định theo công thức

Trong đó: t là chiều dày của mẫu thử (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 Nếu bề mặt cong phải gia công cho vị trí cần đo thành mặt phẳng Chiều rộng, dài của vùng cần đo phải lớn hơn 2D Khoảng cách giữa hai vết đocũng phải lớn hơn 2D

- Chỉ cho phép đo các vật liệu có độ cứng nhỏ hơn 450HB để tránh biến dạng cho viên bi Lúc này độcứng viên bi theo thang Vicker không được bé hơn 850HV

- Thời gian tác động tải trọng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo Thông thường thời gian này có thể tra trong các bảng

3 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 , 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 đượcxác định bằng hiệu số chiều sâu, khi tác dụng tải trọng sơ bộ P0 = 100N và tải trọng chính P1 xem hình 2

Người ta qui ước khi mũi đâm đi xuống 0,002mm thì số đo độ cứng giảm đi một đơn

vị Vì giá trị h này cóthể đo trực tiếp, nên người ta dùng đồng hồ so, chia vạch theo các thang qui ước, ta dễ dàng đọc được ngay saukhi bỏ tải trọng

Tùy theo dạng mũi đâm và tải trọng ta chia ra các thang sau đây:

- 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:

Khoảng cách giữa hai vết đo, hoặc giữa vết đo với cạnh mẫu không nhỏ hơn 1,5mm khi dùng mũi kim cươngvà 4mm khi dùng mũi bi Mỗi mẫu đo ba lần, không kể lần đầu, rồi lấy giá trị trung bình

Phương pháp đo Rockwell cho phép đo các mẫu có độ cứng cao hơn 450HB, hoặc các mẫu mỏng, nhỏ hơn1,2mm Nó cho phép thay đổi tải trọng trong một pham vi rộng mà vẫn không làm thay đổi giá trị đo được của độ cứng, vì nó bảo đảm qui luật đồng dạng của mũi đâm Ngoàira thời gian đo rất nhanh (từ 6 – 10 giây)

Trong phương pháp đo Rockwell, cần chú ý 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

- Do 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

4 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 dàymẫu đo Đo theo phương pháp Vicker có thể áp dụng cho các chi tiết rất cứng hoặc mềm, và số đo độ cứng không phụ thuộc vào tải trọng (xem sơ đồ hình 4)

Gọi tải trọng là P, diện tích bề mặt vết lõm là S, ta có:

Để thuận tiện, người ta có thể tính S thông qua đường chéo d và α =

Trong đó P tính bằng kg

Đường chéo d được đo băng kính hiển bi gắn ngay trên máy, người ta cũng lập sẵn các bảng giá trị Vicker với P và d tương ứng

Phương pháp đo Vicker thường dùng đo độ cứng các vật mỏng, các lớp thấm…

III- Tiến hành thí nghiệm:

1 Mỗi nhóm nhận một mẫu phôi, nếu là phôi mới chưa phẳng cần mài nhẵn mặt cần đo

độ cứng và mài sơ mặt còn lại

2 Tiến hành đo HRA 3 lần rồi lấy giá trị trung bình

Cách đo độ cứng theo HRA:

- Đặt phôi lên Đế đặt phôi

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

độ đo là HRA nên P là 60kg và mũi đo kim cương hình côn

Thang

Tải trọng

Giới hạn đo cho phép

- Ấn nút Start vào chờ máy đo trong 10s (thời gian giữ lực) 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

- Lưu ý, Vòng đen bên ngoài là giá trị của HRA, HRC còn màu đỏ bên trong là HRB Các giá trị làm tròn 0.5

- Quay ngược Tay quay lại để lấy phôi và tiếp tục đo ở vị trí khác cho đủ 3 lần đo (các

vị trí đo phải nằm gần nhau để tránh sai số do phôi có độ cứng không đồng đều)

Máy đo HRA, HRB, HRC

3 So sánh giá trị HRA với 60:

- > 60  thì tạm gọi là vật cứng, sau đó tiến hành đo HRC 3 lần và chuyển qua đo HV

- 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 (3 mũi đo trên phôi)

- 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 và úp số liệu lên trang Web bộ môn, các nhóm lên lấy để hoàn thiện số liệu bài thực hành

- Tính toán HV hoặc HB theo công thức

5 So sánh số liệu đo với số liệu bảng tra, tính toán sai số, nhận xét đánh giá kết quả thí nghiệm

Đo bằng kính quang học D 1 , D 2 đo tương tự, xoay lỗ đo hoặc kính 90 0

IV- Số liệu đo và tính toán:

th

P HV

- Tính sai số:

| |

| |

Tra bảng:

Từ HV ta nội suy ra HRC:

HRC1 = 44.3829

HRC2 = 42.4318

HRC3 = 42.8656

=> HRCtb = (44.3829+42.4318+42.8656)/3= 43.2268

V- Nhận xét:

- 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

Bài 2: XEM CẤU TRÚC TẾ VI Buổi sáng, Thứ 2 Ngày 11 tháng 05 năm 2015 I- Mục đích thí nghiệm:

- Phương pháp làm mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi gồm các khâu: chọn mẫu, cắt mẫu,

mài, đánh bóng và tẩm thực

- Tầm quan trọng của công tác chuẩn bị mẫu và ảnh hưởng của nó đến kết quả nghiên

cứu

- Làm quen với những vật liệu và thiết bị cần thiết cho công việc làm mẫu

II- Cơ sở lý thuyết:

1 Chọn và cắt mẫu:

Tùy theo nhiệm vụ nghiên cứu và thí nghiệm mà chúng ta chọn mẫu Yêu cầu mẫu phải đặc trưng cho vật cần nghiên cứu Ví dụ: khi muốn quan sát sự thay đổi tổ chức từ bề mặt vào lõi, ta phải cắt mẫu theo tiết diện ngang, còn muốn nghiên cứu tổ chức dạng thớ, sợi,

ta phải cắt theo dọc trục…

Khi cắt mẫu, có thể dùng các máy cắt kim loại như tiện, phay… hoặc cưa máy, cưa tay… Các mẫu quá cứng, có thể dùng đá mài để cắt Với các thép và gang đã qua nhiệt luyện, yêu cầu đối với nhiệt độ nơi cắt không quá

Mẫu có dạng hình trụ với kích thước Ф 10 ÷ 15mm, chiều cao h= 15 ÷20mm, hoặc hình hộp có kích thước 10x10x10mm và 15x15x15mm

Nếu mẫu có kích thước nhỏ, mỏng, phải nhiên cứu lớp bề mặt (thấm cacbon, ăn mòn bề mặt…) thì mẫu cần phải được kẹp vào các gá hoặc đổ khuôn bao quanh Chất đổ khuôn thường là các hợp kim có nhiệt độ chảy thấp như hợp kim:

Đề tránh làm rách giấy nhám khi mài, người ta thường vát mép mẫu Giấy nhám phải được đặt trên bề mặt thật phẳng hoặc một tầm kính dày Bề mặt mẫu phải áp sát vào giấy

Khi mài tiến hành theo 1 chiều Yêu cầu là tạo trên bề mặt tương đối phẳng, có các vết xước song song và đều nhau Sau đó, ta quay mẫu đi 90o và mài tiếp, cho đến khi tạo ra

bề mặt phẳng mới, hệ xước mới xóa hết các vết của hệ xước cũ Mỗi loại giấy nhám, ta mài nhu thế 3-5 lần, và lặp lại ở các số giấy nhám mịn hơn, cứ như vậy, cho đến tờ giấy nhám mịn nhất

Mài thô cũng có thể tiến hành trên máy Máy đơn giản là một môtơ thẳng đứng, trên có gắn 1 đĩa kim loại phẳng Người ta lần lượt dán các giấy nhám có số từ thô đến mịn lên đĩa cho môtơ quay rồi mài Chú ý không để nhiệt độ tăng quá nhiệt độ chuyển biến pha của mẫu mài

b) Đánh bóng

Để đánh bóng mẫu, người ta tiến hành trên máy đánh bóng Cũng tương tự như ở máy mài thô, thay vì dán tờ giấy nhám lên đĩa, người ta gắn một miếng dạ hay nỉ lên trên, khi đánh bóng, người ta phải cho dung dịch mài nhỏ liên tục lên miếng nỉ Thành phần của dung dịch đánh bóng nêu ở bảng 1 Với các vật liệu mềm như kim loại màu, nên dùng các loại dung dịch mịn Để tránh bị oxy hóa khi đánh bóng, người ta pha vào dung dịch các chất thụ động hóa như NaNO2, KNO2

Bảng 1 Dung dịch dùng đánh bóng

Tên gọi các chất Dung dịch oxit crôm (%) Dung dịch oxit nhôm (%)

Mịn Trung bình Thô Mịn Trung bình Thô

3 Tẩm thực:

Mẫu sau khi đánh bóng, đem rửa sạch, thấm và sấy khô rồi quan sát trên kính hiển vi

Ta có thể thấy trên mẫu có cá vết xước nhỏ do đánh bóng chưa tốt, các vết nứt tế vi, rỗ khí, xỉ tạp chất, một số pha và tổ chức như cacbit, graphit, chì… Muốn nghiên cứu nền kim loại, phải tẩm mực mẫu Tẩm thực là quá trình ăn mòn bề mặt mẫu bằng các dung dịch háo học thích hợp, gọi là dung dịch tẩm thực Khi tẩm thực, biên giới các pha, các vùng tổ chức sẽ bị ăn mòn, nhưng với những tốc độ khác nhau Sau khi tẩm thực bề mặt mẫu sẽ lồi, lõm tương ứng với cácpha và tổ chức Do đó, có thể nhận biết được hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha

Trên hình 2 nêu lên sơ đồ phản xạ ánh sáng của thép cùng tích peclit tấm trước (H2a)

và sau (H2b) tẩm thực

Khi tẩm thực, có thể nhúng bề mặt mẫu vào dung dịch, hoặc lấy que tre, đục thủy tinh

có quấn bông ở đầu rồi nhúng vào dung dịch tẩm thực và bôi đều lên bề mặt mẫu Thời gian tẩm thực tùy thuộc vào tổ chức và trạng thái của vật liệu, có thể từ vài giây cho đến vài giờ Cũng có thể tẩm thực dựa vào kinh nghiệm Sau khi bôi dung dịch tẩm thực, bề mặt mẫu sẽ ngả từ màu sáng sang màu xám thì ta có thể kết thúc tẩm thực Để lâu quá, mẫu sẽ có màu đen và không quan sát được

Tẩm thực xong, phải dùng bông nõn rửa sạch bề mặt ở vòi nước chảy, sau đó rửa lại bằng cồn và đem sấy khô

Nếu quan sát sau tẩm thực, ta thấy các đường biên giới nhỏ, đứt đoạn là tẩm thực chưa đủ thời gian, phải đem tẩm thực lại Ngược lại, các đường biên giới quá to, đậm, độ

tương phản bề mặt kém, đó là do thời gian tẩm thực quá dài, hoặc nồng độ dung dịch cao

Ta phải đem 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

Thành phần và chế độ tẩm thực nêu trong bảng 3

Bảng 3 Các dung dịch tẩm thực thông dụng

III- Tiến hành thí nghiệm:

1 Tiến hành mài mẫu lần lượt với các mẫu giấy nhám từ thô tới tinh như P100, P180, P320, P600, P1000

Cách mài mẫu:

- Đặt giấy nhám lên bề mặt phẳng, sạch

- Dùng tay cầm mẫu di chuyển dọc theo giấy nhám lên xuống 5 lần

- Dùng tay cầm mẫu di chuyển ngang theo giấy qua lại xuống 5 lần

- Lặp lại chu trình trên 10 lần cho giấy P100, P180, P320, P600 và P1000

Hướng di chuyển mẫu

Sau khi đánh bóng xong dùng cồn rửa sạch mặt đánh bóng sau đó dùng bông lau khô rồi sấy khô bằng máy sấy

Xem dưới kính hiển vi rồi lưu hình ảnh lần 1

3 Lưu ảnh lần 1 mẫu đánh bóng đã đạt

4 Tẩm thực bằng dung dịch axit

5 Lưu ảnh lần 2 sau khi tẩm thực

IV- Kết quả quan sát tổ chức kim loại:

1 Mẫu trước khi tẩm thực:

2 Mẫu sau khi tẩm thực:

V- Nhận xét:

Dựa trên tổ chức tế vi của mẫu được nhận(ảnh mẫu sau khi tẩm thực), ta có thể đưa ra

kết kết quả như sau:

Mẫu là thép trước cùng tích với tỉ lệ cacbon vào khoảng 0.6%

Theo tính toán từ qui tắc đòn bẩy, khi lượng cacbon tang lên thì tỷ lệ phần Peclit (màu tối) trong tổ chức tang lên, còn ferric (phần sang) giảm đi Nếu không chứa cacbon hay quá ít cacbon (0.02-0.05) tức là màu sang hoàn toàn Với 0.1% C thì tỷ lệ phần tối là 1/8, với 0.4% C thì tỷ lệ phần sáng là 1/2 và với 0.6% C là 3/4, cuối cùng với 0.8% là tối hoàn toàn