Báo cáo thí nghiệm vật liệu học và xử lý báo cáo đo độ cứng kim loại

ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI Độ cứng là một đặc trưng cơ tính quan trọng của vật liệu, chống lại biến dạng dẻo cục bộ của kim loại, có thể dễ dàng đo được thông qua các thiết bị đo mà không cần p

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN THIẾT BỊ & CNVL CƠ KHÍ

BÀI BÁO CÁO

ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI

Trang 2

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC VÀ XỬ LÝ

MỤC LỤC

1 MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM 1

2 TÓM TẮT LÝ THUYẾT 1

3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 3

a Nhận mẫu, mài nhẵn mặt cần đo và mài sơ mặt còn lại 3

b Đo HRA 3 lần rồi lấy giá trị trung bình 3

Trang 3

BÀI 1 ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI

Độ cứng là một đặc trưng cơ tính quan trọng của vật liệu, chống lại biến dạng dẻo cục bộ của kim loại, 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 có thể suy ra độ bền của kim loại dẻo 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 chi tiết 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 - Phương pháp nảy lại - Phương pháp đo độ xước

Phương pháp đo độ cứng Brinell:

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

Trang 4

Phương pháp đo Rockwell:

Ấn mũi đâm kim cương hoặc hợp kim cứng hình côn, có góc ở đỉnh là 1200 , hoặc viên thép có đường kình 1/16, 1/8, 1/4, ½ lên bề mặt vật liệu Số đo độ cứng Rockweell được xác định bằng hiệu số chiều sâu khi tác dụng tải trọng sơ bộ P0 = 100N và tải trọng chính P1

Theo dạng mũi tâm và tải trọng chia ra các thang:

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

Phương pháp đo Vicker:

Nguyên lý đo vicker giống như phương pháp Rockwell nhưng thay đổi mũi bi bằng mũi kim cương hình tháp có góc giữa hai mặt bên là 1300 Tải trọng sử

Trang 5

dụng P = 50  1500 N phụ thuộc vào chiều dày mẫu đo Phương pháp Vicker áp dụng cho các chi tiết rất cứng hoặc mềm và số đo độ cứng không phục thuộc vào tải trọng

3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM

a Nhận mẫu, mài nhẵn mặt cần đo và mài sơ mặt còn lại b Đo HRA 3 lần rồi lấy giá trị trung bình

- Đặt phôi lền 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

- Quay tay quay cùng chiều kim đồng hồ nâng lên sao cho phôi chạm vào mũi đo Tiếp tục quay sao cho kim nhỏ bắt đầu quay sang điểm màu đỏ thì ngừng lại Xoay mặt đồng hồ xoa sao cho kim lớn chỉ ngay C-B

Trang 6

chế độ đang đo (Vòng đen ngoài: HRA, HRC; Vòng đỏ: HRB) Các giá trị làm tròn đến 0.5

- Quay ngược tay quay để lấy phôi và tiếp tục đo ở vị trí khác cho đủ 3 lần đo (Các vị trí đo phải nằm cách nhau một khoảng nhất định để tránh hiện tượng biến cứng cục bộ sau biến dạng của vật liệu)

- 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,

Trang 7

- 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

- Đem các lỗ vừa đo đến kính hiển vi quang học tiến hành xác định chiều dài đường chéo D đối với HV hoặc đường kính lõm D đối với HB

Đo bằn kính hiển vi quang học D1 , D2 tương tự, xoay lỗ đo hoặc 9004 SỐ LIỆU ĐO ĐƯỢC

- Tiến hành đo HRA 3 lần và lấy giá trị trung bình - Lấy giá trị trung bình so sánh với 60 Nếu:

+ Lớn hơn 60 tạm gọi là vật cứng, sau đó tiến hành đo HRC 3 lần và chuyển qua đo

Trang 8

BẢNG 1 SỐ LIỆU ĐO ĐƯỢC

Trang 9

Thực hiện nội suy:

Trang 10

Thực hiện nội suy:

Trang 11

- 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

Trang 12

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BÀI BÁO CÁO

Trang 14

BÀI 2 XEM CẤU TRÚC TẾ VI 1 MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM

- Xem tổ chức của vật liệu Xem pha, xem hình dạng hạt, sự phân bố hạt; xem kích thước hạt, sự đồng đều kích thước hạt, …

- Phương pháp làm mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi gồm các khâu: chọn mẫu, cắt mẫu, đúc mẫu, mài mẫu, đánh bóng và tẩm thực

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

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

- Phân tích tổ chức tế vi của vật liệu, ảnh hưởng của tổ chức tế vi đến tính chất của vật liệu; sự thay đổi tổ chức dưới tác động như nhiệt luyện, biến dạng, hàn, luyện kim, …

2 TÓM TẮT LÝ THUYẾT

Để nghiên cứu tổ chức tế vi của kim loại, người ta dùng một thiết bị quang học đặc biệt gọi là kính hiển vi kim tương Phương pháp dùng kính hiển vi kim tương để đánh giá, phân tích tổ chức tế vi gọi là phương pháp phân tích kim tương

Kính hiển vi kim tương có độ phóng đại từ 80 đến 2000 lần Muốn quan sát độ với độ phóng đại cao hơn, ta phải dùng kính hiển vi điện tử

Nhờ kính hiển vi, ta có thể quan sát được tổ chức của các pha, sự phân bố, hình dáng và kích thước của chúng Với gang, ta dễ dàng xác định hình dáng, kích thước của graphit Ngoài ra, ta còn có thể thấy được các khuyết tật của vật liệu như: nứt tế vi, rỗ và các tạp chất

2.1 Chọn và cắt mẫu

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 100oC

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

Trang 15

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, hoặc các chất nhựa dẻo, bakelit…

2.2 Mài mẫu

Mài thô:

- Mẫu sau khi cắt được mài thô trên đá mài hoặc giấy nhám từ thô đến mịn Các giấy nhám thường được đánh số từ nhỏ đến lớn Số càng lớn thì độ hạt của giấy càng mịn Ví dụ: 80, 100, 150, 180… là các số thông dụng

- Đề tránh làm rách giấy nhám khi mài, người ta thường vát mép mẫu

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, phải cho dung dịch mài nhỏ liên tục lên miếng nỉ

2.3 Tẩm thực

Tẩm thực là quá trình ăn mòn bề mặt mẫu bằng các dung dịch hoá 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 các pha và tổ chức Do đó, có thể nhận biết được hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha

Trang 16

3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM

- Nhận mẫu thép dạng trụ tròn (đã được mài và tẩm thực)

- Dùng nhíp kẹp mẫu nhúng vào dung dịch xà phòng (chỉ tiếp xúc 1 mặt đáy đã quá định) đồng thời dùng bông gòn lau bề mặt đó

- Tiếp tục đưa mẫu qua rửa trong nước, đồng thời nhỏ nước cất lên bề mặt để đánh trôi hết các tạp chất còn bám trên bề mặt

- Dùng máy sấy để làm khô bề mặt mẫu thép

- Đưa mẫu thép qua quan sát bằng kính đo hiển vi, ta soi bề mặt mẫu thép ở các mức x100, x200, x400

- Sau khi soi bề mặt và nhận dữ liệu hình ảnh, dùng nhớt nhỏ lên bề mặt để bảo quản

Trang 17

4 HÌNH THÍ NGHIỆM

Hình ảnh sau khi tẩm thực:

Hình x100:

Hình x200:

Trang 18

Hình x400:

5 NHẬN XÉT – RÚT RA KẾT LUẬN

Hình ảnh 8-bit (x200):

Trang 19

Hình ảnh tương phản “Đen – Trắng”:

Hình ảnh thể hiện mật độ hạt và kích thước hạt

Trang 20

Từ phần mềm ImageJ, ở hình x200 với diện tích đang xét khoảng 310,74 inch2 có 823 hạt, nếu đưa về x100 thì với diện tích không đổi số hạt tăng xấp xỉ gấp đôi tầm 1646 hạt, lúc này mật độ tương đương mức 5,297 hạt/inch2 Xét theo tiêu chuẩn kích thước hạt theo bảng trên với mật độ ứng với 5,66 hạt/inch2 sẽ có diện tích trung bình của 1 hạt khoảng 11405 µm2, đường kính trung bình của 1 hạt tầm 106,8 µm

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 tăng lên thì tỷ lệ phần Peclit (màu tối) trong tổ chức tăng lên, còn ferric (phần sáng) giảm đi Nếu không chứa cacbon hay quá ít cacbon (0,02-0,05) tức là màu sáng 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

Trang 21

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ

BÀI BÁO CÁO

Trang 22

a Mối quan hệ trước và sau khi tôi 6

b Mối quan hệ giữa độ cứng và tốc độ nguội 7

c Mối quan hệ độ cứng sau khi ram 8

6 NHẬN XÉT – RÚT RA KẾT LUẬN 9

Trang 23

BÀI 3 TÔI VÀ RAM THÉP

- Là nguyên công nhiệt luyện rất thông dụng gồm 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 của tôi nhằm nhận được độ cứng và độ chịu mài mòn cao của thép

- Tổ chức nhận được sau khi tôi là mactenxit Kết quả sau khi tôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố, sau đây ta xét mấy yếu tố cơ bản:

Nhiệt độ tôi

- Nhiệt độ tôi có ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính của thép sau khi tôi Đối với thép cacbon, có thể dựa vào giản đồ trạng thái sắt cacbon để chọn nhiệt độ tôi Đối với thép cùng tích và thước cùng tích (%C≤ 0.8%)

- Ta chọn nhiệt độ tôi cao hơn AC3, tức nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn

Trang 24

- Trong khoảng 0,1-0,8%C điểm AC3 của thép giảm xuống Ta có thể xác định trực tiếp điểm AC3 của thép căn cứ vào giản đồ trạng thái sắt cacbon hoặc tra cứu trong các sổ tay nhiệt luyện

- Như ta đã biết, nhiệt độ tôi càng cao, thì hạt ôstenit nhận được khi nung càng thô và sau khi tôi, ta nhận được các kim mactenxit thô, dài, vì vậy, ta không nên nung cao quá AC3

- Còn nếu nung thấp hơn AC3, ta sẽ có tổ chức α + γ, khi làm nguội, chỉ có γ→M, còn ferit vẫn giữ nguyên, và như vậy, ta không thể nhận được độ cứng cao

- Đối với thép sau cùng tích (%C > 0,8%), nhiệt độ tôi cao hơn AC1, nhưng thấp hơn ACcm, tức nung lên trạng thái không hoàn toàn ôstenit Tổ chức nung để tôi là γ + XeII Đây là phương pháp tôi không hoàn toàn Nhiệt độ tôi được chọn:

- T°tôi = AC1+ ( 30 + 50) °C

- Như vậy, tất cả các thép sau cùng tích đều có nhiệt độ tôi giống nhau, khoảng 760 ÷780°C, không phụ thuộc vào thành phần cacbon Sở dĩ ta không nung lên cao quá Acm vì cacbon hòa tan nhiều, nhiệt độ tôi cao, sau khi tôi, nhận được nhiều austenit dư, kim mactenxit lớn, ứng suất nhiệt cao Trong khi đó, nếu chỉ nung lên trạng thái γ + XeII, ta không cần nhiều nhiệt, sau khi làm nguội, vẫn được tổ chức là mactenxit + XeII, tận dụng được độ cứng của XeII, chi tiết ít bị ứng suất nhiệt làm cong vênh, oxy hóa bề mặt

Thời gian nung nóng

Bao gồm thời gian nung đến nhiệt độ tôi và thời gian giữ để hoàn tất các chuyển biến và đồng đều nhiệt dộ trên toàn bộ chi tiết Thời gian nung có thể 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 Cũng có thể tính thời gian nung theo các công chức về truyền nhiệt

Môi trường tôi

Trang 25

- Phải bảo đảm nhận được mactenxit sau khi tôi, nghĩa là khả năng làm nguội của môi trường phải bằng hoặc lớn hơn tốc độ nguội tới hạn

- Nếu tốc độ nguội nhỏ hơn tốc độ nguội tới hạn, một phần ôstenit sẽ bị phân hủy thành các tổ chức khác, độ cứng sau khi tôi bị giảm Mỗi số hiệu thép có tốc độ nguội tới hạn khác nhau, và nó cũng đòi hỏi mội 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 polymer

b Ram

- Là phương pháp nhiệt luyện 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 - Ram còn làm giảm hoặc khử hoàn toàn ứng suất, cũng như tăng độ dẻo dai cho chi tiết sau tôi

- Khi ram thép cabon, xảy ra sự chuyển biến của mactenxit tôi thành mactenxit ram, nghĩa là cacbon quá bão hòa được tiết ra khỏi mạng dưới dạng cacbit ε, độ chính phương c/a giảm dần và cacbit ε chuyển dần thành xementit Fe3C, còn ôstenit dư lại phân hủy thành mactenxit ram

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

Ram thấp (150÷ 250°C)

- Tổ chức nhận được là mactenxit ram, độ cứng hầu như không thay đổi, ứng suất giảm chút ít, chi tiết có độ cứng và chịu mòn cao

Ram trung bình (300÷ 450°C )

- Tổ chức nhận được là trustit ram Độ cứng còn khá cao (40 - 45HRC), ứng suất

Trang 26

Ram cao (500÷ 650°C )

3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM a Tôi

- Chọn 9 mẫu thép C45 có độ cứng tương đương nhau, đem mài nhẵn 1 mặt và mặt còn lại mài bằng để đo độ cứng

- Đem 3 mẫu bất kỳ đi đo độ cứng HRA - Cài đặt lò nung ở 850°C

- Đợi nhiệt độ lò đạt 850°C bỏ 9 mẫu thép C45 vào lò - Đợi sau 30 phút lấy mẫu ra khỏi lò:

+ 3 mẫu bỏ vào xô dầu + 3 mẫu để ngoài không khí + 3 mẫu bỏ vào xô nước

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

b Ram

− Thiết lập nhiệt độ lò ở 550°C

− Khi nhiệt độ lò đạt ở 550°C thì lấy 3 mẫu làm nguội trong nước bỏ vào lò − Đợi 40 phút rồi lấy mẫu ra làm nguội ngoài không khí sau đó đi mài lớp oxit rồi đem đo độ cứng HRA

− Thiết lập lò ở 250°C

− Khi nhiệt độ lò đạt 250°C thì lấy 3 mẫu làm nguội trong nước muối bỏ vào lò − Đợi 40 phút rồi lấy mẫu ra làm nguội trong nước sau đó đi mài lớp oxit rồi đem đi đo độ cứng HRA

Trang 27

4 CÁC SỐ LIỆU ĐO ĐƯỢC

Trang 28

Sau khi tôi

Trang 29

b Mối quan hệ giữa độ cứng và tốc độ nguội

- Với cùng nhiệt độ nung 850oC và giữ nhiệt trong 30’, khi làm nguội ở các môi trường khác nhau thì độ cứng của mẫu khác nhau Cụ thể, tôi và làm nguội trong nước có độ cứng cao nhất, tiếp theo là nguội trong dầu khoáng và cuối cùng là nguội trong không khí ( HRAnước = 74.78 > HRAdầu = 71.11 > HRAkhông khí = 54.11) - Trong quá trình làm nguội nhanh (trong nước) với tốc độ cao (6000C/s) hơn tốc độ tới hạn vth: austenit sẽ chuyển biến thành mactenxit

- Trong quá trình làm nguội vừa ( trong dầu khoáng) với tốc độ nguội khoảng 150°C/s

Pha austenit sẽ chuyển biến thành banit

- Trong quá trình làm nguội ngoài không khí tốc độ làm nguội chậm (300C/s), austenit sẽ chuyển biến lại thành peclit