BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC BÀI 4: ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÔI THÉP

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.. Tùy theo tác dụng của mũi đâm l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

Ho Chi Minh University of Technology and Education

………… …………

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC

BÀI 4: ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ

TRÌNH TÔI THÉP

GVHD: ThS NGUYỄN THANH TÂN

SVTH: CAO VĂN ĐỨC HIỀN MSSV: 19344030

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Điểm: ………

KÝ TÊN

I MỤC TIÊU MÔN HỌC.

- 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

Hình 1.0 - Hình dạng 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 Các phương pháp đo độ cứng.

2.1 Phương pháp đo độ cứng Brinell (HB).

 Mũi đâm là bi thép (Hình 1.0 a), có các đường kính sau: D = 2,5; 5; 10 (mm)

 Tải trọng tương ứng là P = 1875; 7500; 30000 (N); P có thể đo bằng kilogram lực (KG)

 Mối quan hệ giữa P và D: P

D2=30 Nguyên lý đo của phương pháp: Ấn viên bi bằng thép đã tôi cứng lên bề mặt mẫu, dưới tác dụng của tải trọng tương ứng với đường kính bi đã định trước Trên mặt mẫu sẽ có vết lõm hình chỏm cầu Gọi P (N) là tải trọng tác dụng, S (mm2) là diện tích vết lõm, số đo Brinen được tính bằng công thức sau: HB= P

S x 0,1(KG/mm2) [P : N]

Hình 1.1 - Kích thước mũi đâm và vật mẫu

Nếu gọi D là đường kính viên bi; chiều sâu vết lõm là h Ta có:

S = Dh

Tuy nhiên việc đo đường kính d của vết lõm lại dễ dàng hơn nhiều so với độ sâu h nên diện tích chỏm cầu có thể tính bằng công thức:

Đối với thép và gang thường dùng P = 3000kG, D = 10mm

Để xác định độ cứng HB cần phải đo được đường kính vết lõm và dùng công thức trên để

tính (song có thể dùng bảng tính sẵn để tra bảng – Bảng 1.2)

 Điều kiện đo độ cứng Brinell

+ Chiều dày mẫu thí nghiệm không nhỏ hơn 10 lần chiều sâu của vết lõm

+ Bề mặt mẫu thử phải sạch, phẳng, không có khuyết tật

+ Chiều rộng, dài của mẫu và khoảng cách giữa 2 vết đo phải lớn hơn 2D

+ Thời gian tác động cũng ảnh hưởng đến kết quả đo Thông thường thời gian này có thể

tra theo bảng 1.2

Bảng 1.2 Điều kiện sử dụng thang đo độ cứng Brinell

HB

Chiều dày bé nhất (mm)

P/

D2

D(mm

Thời gian tác

dụng (s)

Kim

loại

đen

140 - 450

> 6

3 – 6

< 3

30 30 30

10 5 2,5

3000 0 7500 1875

10 10 10

< 140

> 6

3 – 6

< 3

30 30 30

10 5 2,5

30000 7500 1875

30 30 30 Hợp

kim

đồng

31,8 – 130

> 6

3 – 6

< 3

10 10 10

10 5 2,5

1000 0 2500 625

30 30 30 Hợp

kim

nhôm

8 - 35

> 6

3 – 6

< 3

2,5 2,5 2,5

10 5 2,5

2500 625 156

60 60 60 Phạm vi sử dụng: Phương pháp Brinell chỉ đo được những vật liệu mềm, kim loại màu (đồng, nhôm, niken…), hợp kim màu, thép sau khi ủ, các loại gang graphite Không đo được những vật liệu mỏng ( < 10h)

Hình 1.3 - Máy độ cứng Brinell

2.2 Phương pháp đo độ cứng Rockwell (HRA; HRB; HRC).

 Mũi đâm bi thép, kim cương (hoặc hợp kim cứng) hình côn (Hình 1.0 b), có góc đỉnh là

1200, hoặc bi thép, có đường kính d =161 =1,588 mm

 Ở phương pháp này qui định: Mũi đâm đi xuống 0,002mm thì độ cứng giảm 1 đơn vị Khoảng cách giữ 2 vết lõm hoặc giữa vết lõm với cạnh mẫu không nhỏ hơn 1,5mm khi dùng mũi kim cương, 4mm khi dùng mũi bi thép Mỗi mẫu đo 3 lần rồi lấy trung bình cộng

Hình 1.4 Phương pháp đo độ cứng Rockwell

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

Số đo độ cứng Rockwell được xác định:

HR=K − h

0,002

Trong đó: K là hằng số ứng với từng mũi đâm

h là chiều sâu vết lõm (mm)

0,002mm là giá trị 1 vạch của đồng hồ so

Bảng 1.5 - Giới hạn đo của các thang Rockwell

Than

g

đo

Loại mũi đâm

Tải trọng P(N)

kk Phạm vi sử dụng Giới Hạn đo cho

phép

HRA Kim cương – nón

10 0

Vật liệu rất cứng (Thép hợp kim, hợp kim cứng,

WC, TiC…

70 ÷ 85

HRC Kim cương – nón

 = 1200 1500

10 0

Vật liệu cứng tôi (Thép sau Martensite) 20 ÷ 67

HRB

Bi thép d=161 =¿1,588mm 1000

13 0

Gần như HB, vật liệu dày,

2.3 Phương pháp đo độ cứng Vicker.

Phương pháp Vicker về nguyên lý đo giống như phương pháp Brinell nhưng thay bi thép

bằng mũi kim cương hình tháp (Hình 1.0 c), có góc giữa hai mặt bên là 1360 Tải trọng sử

dụng P = (50 ÷ 1500)N, phụ thuộc chiều dày mẫu đo

Độ cứng Vicker được xác định:

HV = P

S

Hình 1.6 Phương pháp đo độ cứng Vicker

Trong đó: P tải trọng (N hay KG)

S là diện tích bề mặt vết lõm (mm2)

Để thuận tiện, người ta có thể tính S thông qua đường chéo d và  = 136

3 Công dụng.

3.1 Ưu điểm các phương pháp đo độ cứng:

- Độ cứng là sự chống lại biến dạng dẻo cục bộ còn độ bền là sự chống lại biến

dạng dẻo toàn bộ Nên có thể thông qua tính độ cứng để suy ra độ bền của kim

loại

- Đo độ cứng tương đối đơn giản, tốn ít thời gian (trên dưới 1 phút/1 mũi đo)

- Có thể đo được các chi tiết dày hoặc mỏng

- Biết được khả năng làm việc của chi tiết

3.2 Độ cứng thông dụng của các chi tiết như sau:

- Độ cứng phù hợp nhất cho cắt gọt: (160 ÷ 180) HB

- Các chi tiết lò xo, khuôn dập nóng: (40 ÷ 45) HRC

- Các bánh răng chịu tải trọng nhỏ, vận tốc chậm (các loại máy công cụ): (52÷58) HRC

- Mọi bánh răng chịu tải trọng lớn, vận tốc cao; mọi dụng cụ cắt gọt; các khuôn dập

nguội; các ổ lăn; các đĩa ma sát, và những chi tiết khác bị mài mòn tương tự… độ

cứng lớn hơn (60 ÷ 62) HRC

PHẦN 2: TÔI THÉP

I MỤC ĐÍCH YÊU CẦU

- Nắm được quá trình tôi thép: cách chọn nhiệt độ tôi, thời gian nung và môi trường làm nguội

- Xác định được mối quan hệ của tốc độ làm nguội tức môi trường làm nguội đến độ

cứng của thép

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Định nghĩa: Tôi là một phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng chi tiết hoặc thép đến trạng thái , giữ nhiệt thời gian  và làm nguội nhanh Vnguội ≥ Vtới hạn

Hình 1.8 Phương pháp đo độ cứng Vicker

+ Tốc độ nguội tới hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất mà chi tiết chuyển biến hoàn toàn thành

Maxtensit (Mt)

+ Thép khác nhau có tốc độ nguội tới hạn khác nhau

+ Vnguội: Tốc độ nguội của môi trường nguội

Hình 1.9 Phương pháp đo độ cứng Vicker

2.2 Chọn nhiệt độ tôi:

Nhiệt độ tôi ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính của thép sau khi tôi Để tôi thép cacbon, có thể

dựa vào giản đồ trạng thái sắt - cacbon và %C để chọn nhiệt độ tôi

Hình 1.10 - Lò nhiệt luyện

 Đối với thép trước cùng tích và thép cùng tích (%C ≤ 0,8%)

Chọn nhiệt độ tôi cao hơn AC3, nghĩa là nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn Austenite

Phương pháp này gọi là tôi hoàn toàn

t0tôi = AC3 + (30 ÷ 50)0C

Trong khoảng 0,1 ÷ 0,8%C điểm AC3 của thép giảm xuống

Nung nóng chậm AC3 = A3

 Đối với thép sau cùng tích (0,8% < %C ≤ 2,14%)

Nhiệt độ tôi cao hơn AC1, nhưng thấp hơn Accm, nghĩa là nung lên trạng thái không hoàn

toàn austenite Tổ chức nung để tôi là γ + CeII Đây là phương pháp tôi không hoàn toàn

t0tôi = AC1 + (30 ÷ 50)0C

Thép sau cùng tích nhiệt độ tôi giống nhau Nung nóng chậm AC1 = A1, khoảng

(760÷780)0C, không phụ thuộc vào thành phần cacbon

tay nhiệt luyện.

Hình 1.11 – Khoảng nhiệt độ nhiệt luyện của thép cacbon

2.3 Thời gian giữ nhiệt : Phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Khoảng nhiệt độ nung

- Môi trường nung

- Kích thước chi tiết

- Hình dạng chi tiết

- Cách sắp xếp các chi tiết

Kinh nghiệm: tính theo chiều dày nhỏ nhất ở tiết diện lớn nhất, hoặc tra theo bảng sau:

Môi trường nguội cần có khả năng làm nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn để thép đạt

độ cứng tốt Nếu tốc độ nguội nhỏ hơn tốc độ nguội tới hạn thì độ cứng sẽ bị suy giảm Một số môi trường nguội thường dùng: nước nóng (40 ÷ 60)0C, nước thường (25 ÷ 30)0C, nước lạnh (5 ÷ 15)0C, dung dịch NaOH hoặc NaCl, dầu nhớt, không khí, muối nóng chảy, emusi: dầu + nước

Thông thường đối với thép cacbon chọn môi trường nguội là nước; đối với thép hợp kim môi trường nguội là dầu nhớt

Chọn vận tốc nguội:

V nguội = V tới hạn + (30 ÷ 50) 0 C

III QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM TÔI THÉP.

- Mỗi nhóm nhận một mẫu phôi thép C45, mài nhẵn 1 mặt và mặt còn lại mài bằng để đo độ cứng

- Thiết lập nhiệt độ lò nhiệt luyện ở nhiệt độ theo từng nhóm như bản

- Cho mẫu vào lò nhiệt luyện sau khi đạt nhiệt độ yêu cầu thì tắt lò

- Đợi sau 10 phút lấy mẫu ra khỏi lò:

+ 6 mẫu bỏ vào xô nước

+ 1 mẫu vào xô dầu

+ Làm nguội ngoài không khí

- Lấy các mẫu đem mài xơ bộ để loại lớp oxit bám trên mặt của mẫu rồi đem đi đo độ

cứng HB

IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.

Bảng 1.13 Độ cứng của mẫu trước khi tôi [đã thường hóa] (Đo HB)

Mẫu

Bảng 1.14 Độ cứng của mẫu khi

làm nguội ở các môi trường khác

nhau

Nhiệt độ

tôi (oC)

Môi trường làm nguội

Thời gian giữ nhiệt

Tốc độ làm nguội (oC/s)

Độ cứng HRC Thép C45 Mẫu

720

Nước

600

840 Không

Đồ thị quan hệ tốc độ nguội và

độ cứng sau tôi:

Mẫu 1

Mẫu 2

Mẫu 3

Mẫu 1

V NHẬN XÉT.

Mẫu 2

Mẫu 3

(840oC) và nung trong 10’, khi ta làm nguội ở các môi trường

khác nhau thì độ cứng của mẫu khác nhau, tăng hoặc giảm Làm nguội ở môi trường dầu có độ cứng cao hơn làm nguội trong không khí

- Đối với làm nguội trong môi trường không khí, độ cứng của mẫu thay đổi không đáng

kể (từ 23 lên 26)

- Đối với các môi trường còn lại, độ cứng của mẫu tang theo thứ tự tăng dần là: không khí, dầu, và nước

- Đối với làm nguội trong môi trường nước, độ cứng của mẫu thay đổi không đáng

kể (từ 56 lên 60,5)

- Khi làm nguội trong môi trường dầu (720oC) và nước (840oC) ở , độ cứng của hai mẫu này xấp xỉ bằng nhau (11 và 13) Do đó trong thực tế, người ta dung phương pháp làm nguội trong nước để thu được tổ chức cần thiết thay vì làm nguội trong dầu

- Trong quá trình làm nguội nhanh (trong nước) với tốc độ cao hơn tốc độ tới hạn vth : ostenit

sẽ chuyển biến thành mactenxit

- Trong quá trình làm nguội vừa ( trong dầu) với tốc độ nguội khoảng 150oC/s Pha ostenit sẽ chuyển biến thành bainit

- Trong quá trình làm nguội đủ chậm (cùng lò, không khí), ostenit sẽ chuyển biến

lại thành peclit