Giáo trình Thí nghiệm Vật liệu học: Phần 1

Phần 1 cuốn giáo trình Thí nghiệm Vật liệu học cung cấp cho người đọc các kiến thức: Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của kim loại, đo độ cứng và nghiên cứu quá trình tôi thép, nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim Fe – C, nghiên cứu tổ chức gang graphite. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

2 GIỚI THIỆU Trong kỉ XX đầu kỉ XXI, ngành vật liệu ngành khác tạo cách mạng đại cách mạng công nghệ, bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu Trong lĩnh vực vật liệu khí, từ vật liệu kim loại, polymer, ceramic, vật liệu composite phát triển mạnh mẽ với tính chất ngày tốt hơn, dễ gia công hơn, giá thành cạnh tranh đáp ứng ngày tốt yêu cầu cách mạng khoa học cơng nghệ Mơn Thí nghiệm Vật liệu học song hành với môn Vật liệu học môn tảng cho ngành khí, cung cấp cho người họccác kiến thức cấu trúc tính chất nhóm vật liệu để q trình gia cơng chế tạo, xử lý, sử dụng vật liệu đạt hiệu tối đa Cuốn sách dùng cho sinh viên trường nghề, trường cao đẳng, đại học chun ngành khí Cơng nghệ Chế tạo máy, Cơng nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp,… nhằm củng cố phần lý thuyết vật liệu khí rèn luyện kỹ làm việc phịng thí nghiệm, gồm nội dung chính: - Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi kim loại hợp kim - Nghiên cứu tổ chức tế vi hợp kim sắt – carbon trạng thái cân thép, gang trắng tổ chức tế vi gang graphite - Đo độ cứng thép trước sau tơi; nghiên cứu q trình tơi thép - Nghiên cứu q trình ram thép Tài liệu có phần sau viết tiếng Anh theo xu hướng hội nhập quốc tế Cuốn sách tài liệu tham khảo bổ ích cho kỹ thuật viên, kỹ sư công tác lĩnh vực khí, vật liệu Nhóm tác giả MỤC LỤC BÀI 1: CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA KIM LOẠI 1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 1.2 LÝ THUYẾT 1.2.1 Cấu tạo kim loại hợp kim 1.2.2 Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi 10 1.2.3 Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi kính hiển vi kim loại 11 1.3 THÍ NGHIỆM 12 1.3.1 Chọn cắt mẫu 12 1.3.2 Mài mẫu 13 1.3.3 Đánh bóng 14 1.3.4 Tẩm thực 15 1.3.5 Quan sát kính hiển vi 16 1.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 17 BÀI 2: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM Fe – C 18 2.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 18 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18 2.2.1 Các dạng thù hình sắt 18 2.2.2 Các dạng thù hình C 19 2.2.3 Tương tác Fe C 20 2.2.4 Giản đồ trạng thái Fe-C 21 2.2.5 Các tổ chức 23 2.2.6 Phân loại thép gang trắng 27 2.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 29 2.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 29 BÀI 3: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC GANG GRAPHITE 30 3.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 30 3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30 3.2.1 Khái niệm 30 3.2.2 Điều kiện hình thành graphite 31 3.2.3 Hình dạng graphite phân loại gang graphite 32 3.2.4 Gang xám 32 3.2.5 Gang dẻo (gang rèn) 33 3.2.6 Gang cầu (gang có độ bền cao) 34 3.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 35 3.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 36 ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TƠI THÉP 37 4.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 37 4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 37 4.2.1 Độ cứng 37 4.2.2 Tôi thép 44 4.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 47 4.3.1 Nhận mẫu sau ủ 47 4.3.2 Đóng số 48 4.3.3 Đo độ cứng HRB/HB 48 4.3.4 Tôi mẫu thép 48 4.3.5 Đo độ cứng sau 49 4.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 49 BÀI 4: BÀI 5: RAM THÉP CARBON SAU KHI TÔI 50 5.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 50 5.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 50 5.2.1 Ram thấp (150°C÷250°C) 51 5.2.2 Ram trung bình (300°C÷450°C) 51 5.2.3 Ram cao (500°C÷650°C) 51 5.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 52 5.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 52 Lesson PREPARING SPECIMENS FOR RESEARCHING MICROSTRUCTURE OF METALS AND ALLOYS 53 1.1 PURPOSE 53 1.2 THEORETICAL BACKGROUND 53 1.2.1 The structure of metals and alloys 53 1.2.2 Principles of microstructure research 54 1.2.3 Metal microscope 55 1.3 MANUFACTURING SAMPLES 56 1.3.1 Select and sectioning the sample 56 1.3.2 Grinding sample 57 1.3.3 Polishing 58 1.3.4 Etching 59 1.3.5 Observing on optical metallurgical microscope 60 1.4 REPORT 62 Lesson MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF IRON - CARBON ALLOYS 63 2.1 PURPOSE 63 2.2 THEORETICAL BACKGROUND 63 2.2.1 Allotropes of iron 63 2.2.2 Allotropes of carbon 64 2.2.3 Interaction between Fe and C 65 2.2.4 The Fe-C phase diagram 66 2.2.5 Fundamental microstructures 67 2.2.6 Classification of steel and white cast iron 71 2.3 EXPERIMENTAL CONTENT 73 2.4 REPORT 73 Lesson MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF GRAPHITE - CAST IRON 74 3.1 PURPOSE 74 3.2 THEORETICAL BACKGROUND 74 3.2.1 Definition 74 3.2.2 Graphite forming conditions 74 3.2.4 Classification in graphite cast iron 75 3.2.5 Gray cast iron 76 3.2.6 Malleable cast iron 77 3.2.7 Nodular cast iron 78 3.3 EXPERIMENTAL CONTENT 79 3.4 REPORT 80 Lesson HARDNESS TESTING AND QUENCHING STEEL PROCESS 81 4.1 PURPOSE 81 4.2 THEORETICAL BACKGROUND 81 4.2.1 Hardness 81 4.2.2 Quenching 89 4.3 EXPERIMENTAL CONTENT 93 4.3.1 Receive samples 93 4.3.2 Numbering 93 4.3.3 Hardness testing of HRB/HB 93 4.3.4 Quenching sample steel 93 4.3.5 Hardness measurement after quenching 94 4.4 REPORT 94 Lesson TEMPERING QUENCHED – STEEL 95 5.1 PURPOSE 95 5.2 THEORETICAL BACKGROUND 95 5.2.1 Low tempering (150°C ÷ 250°C) 96 5.2.2 Medium tempering (300°C ÷ 450°C) 96 5.2.3 High tempering (500°C ÷ 650°C) 97 5.3 EXPERIMENTAL CONTENT 97 5.4 REPORT 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 BÀI CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA KIM LOẠI 1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU - Đánh giá tầm quan trọng công tác chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi - Tìm hiểu tổ chức tế vi kim loại hợp kim - Thực hành bước để chuẩn bị mẫu nghiên cứu: chọn mẫu, cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát - Chọn dung dịch tẩm thực thích hợp - Sử dụng thiết bị vật tư cho việc làm mẫu nghiên cứu 1.2 LÝ THUYẾT 1.2.1 Cấu tạo kim loại hợp kim Hình 1.1 Hạt biên giới hạt Vật liệu kim loại thường có cấu tạo gồm nhiều đơn tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau, gọi đa tinh thể Đơn tinh thể coi tinh thể hoàn chỉnh, đa tinh thể gồm nhiều đơn tinh thể Từng đơn tinh thể đa tinh thể gọi hạt tinh thể, cấu trúc đa tinh thể cịn gọi cấu trúc (tổ chức) hạt (Hình 1.1) Các nguyên tử hạt tinh thể luôn xếp cách có trật tự Cịn ngun tử biên giới hạt thường xếp không trật tự tác động hạt xung quanh Hợp kim cấu tạo từ nhiều pha Các pha khác có tính chất đặc trưng khác (cơ tính, lý tính, hóa tính) Mục đích công tác chuẩn bị mẫu để nghiên cứu, phân biệt rõ cấu trúc (tổ chức) hạt, biên giới hạt, pha,… quan sát kính hiển vi kim loại 1.2.2 Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi Nghiên cứu tổ chức tế vi công việc quan sát hình ảnh phóng đại bề mặt mẫu chuẩn bị, thơng qua kính hiển vi Hình ảnh thể cấu tạo tổ chức kim loại hợp kim, mà tính lý tính vật liệu có liên quan đến tổ chức quan sát Hình 1.2 Phản xạ ánh sáng mẫu tẩm thực Để có hình ảnh tổ chức tế vi, ta cần thực bước: cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát Sau bước đánh bóng, chiếu chùm tia sáng vng góc vào mặt mẫu đánh bóng, chùm tia phản xạ tồn phần Lúc mẫu sáng bóng quan sát kính hiển vi Sau sử dụng dung dịch thích hợp để ăn mịn mặt mẫu 10 đánh bóng (tẩm thực) Do mẫu tạo pha có tính chất hóa học khác nên pha mức độ ăn mịn, hạt tinh thể biên giới hạt khác nhau, từ làm xuất độ mấp mơ khác Sự tương phản sáng tối pha, hạt biên giới hạt, làm rõ tổ chức tế vi kim loại – hợp kim (Hình 1.2) 1.2.3 Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi kính hiển vi kim loại Hình 1.3 Ngun lý phản xạ kính hiển vi kim loại Nguyên lý quan sát: Phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu chuẩn bị kính hiển vi, tín hiệu sử dụng ánh sáng phản xạ từ bề mặt mẫu (Hình 1.3) Độ phóng đại kính hiển vi kim loại thường khoảng 80 ÷ 2000 lần (được tính theo tích số độ phóng đại vật kính, độ phóng đại thị kính, hệ số hiệu chỉnh) Muốn quan sát với độ phóng đại cao hơn, ta phải dùng kính hiển vi điện tử a) Vết nứt tế vi b) Rỗ khí Hình 1.4 Khuyết tật tế vi vật liệu 11 Figure 1.10 Grinder Polisher machine EcoMet 30 Buehler Table 1.1 Composition of common polishing compounds Name of substances Chromium oxide mixture (%) Mixture of aluminum oxide (%) Fine Medium Rough Fine Medium Rough Cr2O3 72 76 86 32 35 Al2O3 - - - 32 35 Acid oleic C17H33CO2 H 1.8 1.8 - 2 Fuel 2 2 2 Na2CO3 0.2 0.2 - 1 After polishing, observe on the microscope If there are still scratches on the surface, polish it again After polishing, clean the sample thoroughly and then dry the sample 1.3.4 Etching Etching is the process of corroding metals and alloys These chemical solutions are called etching solutions For some common etching solutions, see Table 1.2 Here we use a solution of 4% Nital for carbon steel, immerse the sample in solution and stir it for around a few seconds to a few dozens seconds Then rinsing the etched surface of the topwater to avoid deep chemical erosion into the metal surface, eventually washing with alcohol and drying 59 Table 1.2 Common etching solution Composition of solution Uses Note - 4% Acid nitric in alcohol (4% Nital) Cast steel iron, carbon - 4% Acid picric in alcohol (4% Picral) Cast steel iron, carbon Distinguish between ferrite and cementite Use in pearlite immediately after mixing - 20 cm3 of concentrated HCl + 5g Hot working steels CuSO4 + 20 cm3 H2O - Sodium picrate solution - parts HCl + parts HNO3 Stainless steel - 3% FeCl2 in 10% HCl solution Copper alloy - 0,5% HF solution in water Aluminum alloy Stir the solution Wash Figure 1.11 Etching and washing specimens 1.3.5 Observing on optical metallurgical microscope 1.3.5.1 Structure of metallurgical microscope Including eyepieces, stage, tension adjusting ring, coaxial coarse & fine focusing knob, stage plate,… 60 Camera Stage Plate Eyepieces Objectives Adjust the light Power Coarse knob Fine focusing knob Figure 1.12 Optical metallurgical microscope 1.3.5.2 Operation sequence - Step 1: Plug in the power, turn on the light switch, adjust the light (should not be too bright) - Step 2: Choose objectives, eyepieces; eye adjusts - Step 3: Place the sample on the stage plate, use the control knobs to align the sample face to face with the object - Step 4: Adjust the coarse knob combined with the observation in the eyepieces When the light in the eyepieces brightens up, it is the time to see the microstructure - Step 5: Adjust the fine focusing knob to clearly see the microstructure 61 PROCESS “PREPARATION OF SPECIMENS FOR RESEARCHING MICROSTRUCTURE” Rough grinding - Double-wheeled grinder Abrasive grinding - Abrasive paper 180 → 240 → 320→ 400 Polishing - Cr2O3 + H2O mixed - Wear the protection glasses - 4% HNO3 solution + alcohol (carbon steel) Etching - Wash thoroughly → drying less than 5s - Scratches → grind/ polish Imaging - Etching too much (over etching) → polish - Etching too low (under etching) → etching more Marking 1.4 REPORT Students submit samples and photos for the lecturer, identify the magnification, the phases in the sample 62 Lesson MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF IRON CARBON ALLOYS 2.1 PURPOSE - Analyze the Fe-C phase diagram - Observe the microstructure of steel and white cast iron samples - Distinguish the microstructure difference between steels and white cast irons 2.2 THEORETICAL BACKGROUND 2.2.1 Allotropes of iron Figure 2.1 Allotropes of iron 63 Iron has different types of crystal structure depends on the temperature, as depicted in Figure 2.1, as follows: - Below 911°C: body-centered cubic (bcc) Symbol: Feα - Between Symbol: Feγ 911°C and 1392°C: face-centered cubic (fcc) - Between 1392°C and 1539°C: body-centered cubic Symbol: Feδ 2.2.2 Allotropes of carbon - Amorphous: mineral coal, charcoal - Graphite: have a hexagonal - Diamond lattice Figure 2.2 Bulk Graphite Figure 2.3 Graphite unit cell 64 Figure 2.4 Diamond unit cell 2.2.3 Interaction between Fe and C 2.2.3.1 Ferrite Ferrite (Feα) is an interstitial solid solution of carbon in Feα, with a maximum solubility of carbon is 0,02%C, with the microstructure depicted in Figure 2.5 Symbol: F =  = Feα(C);  = Fe(C) this type has low durability, low hardness, high ductility Figure 2.5 Ferrite microstructure (etching 4%Nital) 2.2.3.2 Austenite Austenite is an interstitial solid solution of carbon in Feγ, with a maximum solubility of 0.8% carbon at temperature 727C and 2.14%C at temperature 1147C Symbol: Austenite = As =  = Feγ = Feγ(C) Austenite exists at temperatures higher than 727°C; the phase is quite durable, high plasticity, low hardness (Figure 2.10) 2.2.3.3 Intermetallic phase Figure 2.6 Unit cell of cementite 65 Cementite is an intermetallic phase, when 6.67% of carbon reacts with 3Fe, an intermetallic compound will form, has very high hardness: 800HV ≈ 800HB, good abrasive resistance, but very brittle Symbol: Fe3C Cementite has the crystal structure of orthorhombic, Figure 2.6 2.2.4 The Fe-C phase diagram Figure 2.7 Iron – carbon phase diagram Table 2.1 The critical point Iron – Carbon phase diagram Point Temperature °C %C Point Temperature°C %C 0.006 A 1539 Q t°room B 1499 0.51 F 1147 6.67 H 1499 0.1 D 1600 6.67 J 1499 0.16 G 910 N 1392 P 727 0.02 E 1147 2.14 S 727 0.8 C 1147 4.3 K 727 6.67 Fe - Fe3C is a kind of stable metastable diagram, and is widely used in practice Depending on carbon content in the alloy, Fe-C alloys are classified into two types: steels 0,02% < %C  2,14% and white cast iron 2,14% < %C < 6,67% 66 2.2.5 Fundamental microstructures 2.2.5.1 Single-phase microstructure The liquid phase is a solution of carbon and Fe, which exists t° >t° ABCD Cementite (Ce or Fe3C): When 6.67% of carbon reacts with 3Fe, an intermetallic compound will form (on the state diagram it is denoted by DFKL) There are three types of cementite: - The first cementite (CeI) is formed from the liquid phase when solidification takes place with t° > t°CD (1600°C ÷ 1147°C), it has the largest size CeI Figure 2.8 Microstructure of hyper-eutectic white cast iron (4% Nital) - The second cementite (CeII) formed when solidification takes place between temperatures 11470C÷7270C, from austenite (solid solution) at t° < t°ES, carbon solubility in γ decreased from 2.14% to 0.8% At the normal temperatures, CeII grain is adjacent to pearlite or can be in the form of the net (white) surrounding pearlite, in the prior to the austenite grain boundary CeII a) Cementite grains b) Cementite net (4% Nital) Figure 2.9 Microstructure of hyper-eutectoid 67 - The third cementite (CeIII) formed from ferrite solid solution when t°