báo cáo thí nghiệm bộ môn kim loại học

Trình t thao tác: ừBước 1: Cắm điện và b t công tắc đèn, điều ch nh ánh sáng phù h p ậ ỉ ợBước 2: Chọn vật kính, th ịkính, điều chỉnh khoảng cách từ mắt đến kính Bước 3: Đặt mẫu lên giá

ĐẠI H C QU C GIA THÀNH PH H CHÍ MINH Ọ Ố Ố Ồ



BÁO CÁO THÍ NGHI M Ệ

B MÔN: Ộ KIM LOẠI H C Ọ

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Hoàng Minh

Thành ph Hố ồ Chí Minh 2023 –

2

M C L C Ụ Ụ

BÀI 1: PH N TÍCH C U TRÚC T 4 Ầ Ấ Ế VI

1 GIỚI THIỆU: 4

1.1 Phân biệt gang và thép 4

1.2 Giản đồ Fe C 5 –

1.3 Các t ổ chức cơ bản 5

2 THÍ NGHIỆM: 6

2.1 Quy trình thí nghiệm: 6

2.2 Các bước thí nghiệm 7

3 K T QU VÀ THẾ Ả ẢO LU N 12 Ậ 3.1 Mẫu 8 ( Chưa xác định ) 12

3.2 M u 9 ( SKD 61 ) 13 ẫ 3.3 Các m u c a các nhóm còn l i 15 ẫ ủ ạ 4 K T LU N 21 Ế Ậ 4.1 So sánh lí thuy t và thế ực nghi m 21 ệ 4.2 Nhận xét bu i thí nghiổ ệm 23

5 TÀI LI U THAM KH O 23 Ệ Ả BÀI 2: THÍ NGHIỆM ĐO ĐỘ ỨNG C 24

1 GIỚI THI U 24 Ệ 1.1 Các phương pháp đo độ cứng 24

2 THÍ NGHI M 27 Ệ 2.1 L a ch n m u 27 ự ọ ẫ 2.2 Chu n b m u 28 ẩ ị ẫ 2.3 Tiến hành đo 28

3 K T QU .29 Ế Ả 3.1 B ng s chuyả ố ển đổi giá tr c ng HRC sang HB 29 ị độ ứ 3.2 B ng k t quả ế ả 31

4 K T LU N VÀ Ế Ậ THẢO LU N 36 Ậ 4.1 Nhận xét 36

5 TÀI LI U THAM KH O 37 Ệ Ả BÀI 3: Ủ, THƯỜNG HÓA 38

1 GIỚI THI U 38 Ệ 1.1 Thường hóa 38

1.2 Ủ 38

2 THÍ NGHI M 40 Ệ 2.1 Các thi t b c n chuế ị ầ ẩn bị 40

3

2.2 Cách s d ng lò 41 ử ụ

2.3 Quy trình thí nghi m 42 ệ

3 K T QU VÀ TH O LU N 43 Ế Ả Ả Ậ

3.1 B ng k t qu ả ế ả đo độ ứng c .43

3.2 K t qu phân tích các t ế ả ổ chứ ếc t vi sau thí nghiệm 44

4 K T LU N 47 Ế Ậ 5 TÀI LIỆU THAM KH O 47 Ả BÀI 4: TÔI VÀ RAM 48

1 GIỚI THI U 48 Ệ 1.1 Tôi thép 48

1.2 Ram thép 50

2 THÍ NGHI M 50 Ệ 1) Chu n b : 51 ẩ ị 2) Quy trình th c hiự ện: 52

3 K T QU VÀ THẾ Ả ẢO LU N 54 Ậ 1) K t qu ế ả phân tích đo độ cứng 54

2) K t qu phân tích c u trúc t 57 ế ả ấ ế vi 4 K T LUẾ ẬN, ĐÁNH GIÁ BUỔI THÍ NGHI M 62 Ệ 5 TÀI LI U THAM KH O 63 Ệ Ả BÀI 5: TH M CACBON 64 Ấ 1 GIỚI THI U 64 Ệ 1.1 Thấm cacbon th r n 64 ể ắ 1.2 Thấm cacbon th ể khí 65

1.3 Thấm cacbon th lể ỏng 65

2 THÍ NGHIỆM 66

2.1 Các bước thí nghiệm 66

2.2 Thi t b s dế ị ử ụng 66

3 K T QU VÀ THẾ Ả ẢO LU N 68 Ậ 3.1 Nhận xét k t qu thí nghiế ả ệm 69

3.2 Nhận xét v ề buổi thí nghi m 70 ệ

4 TÀI LI U THAM KH O 70 Ệ Ả

4

BÀI 1: PHẦN TÍCH CẤU TRÚC TẾ VI

1. GIỚI THIỆU:

1.1. Phân biệt gang và thép

Theo như kiến thức phổ thông gang và thép là hai loại vật liệu có thành phần chủ yếu là Sắt và Cacbon Tuy nhiên, giữa hai loại vật liệu này lại có những điểm khác nhau ví dụ như về thành ph n hóa h c, tính chầ ọ ất v t lí, ậ

V thành ph n hóa hề ầ ọc:

Gang là h p kim c a S t vợ ủ ắ ới Cacbon, có hàm lượng Cacbon từ 2,1% đến 6,7%,

có thể chứa m t s nguyên t ộ ố ố khác như Mangan, Lưu huỳnh,…

Thép cũng là hợp kim của Sắt với Cacbon tuy nhiên hàm lượng Cacbon của nó

lại ở dưới 2,1%, có thể chứa một số nguyên tố khác như Mangan, Crom, Niken,…

V tính chề ất vật lí:

Gang có độ cứng cao với điểm nóng chảy thấp và khả năng đúc nhanh, có khảnăng chịu nhiệt tốt, nhưng không chịu được tải trọng lớn, dễ bị gãy và độ dẻo thấp Thép có độ cứng cao, độ ền và độ ẻ b do cực kì tốt, chịu được lực va đậ ớp l n, khảnăng chịu nhiệt tốt nhưng kém hơn gang

5

1.2. Giản đồ Fe – C

ng thái Fe - C Giản đồ trạ

6

Có 3 loại : + Xe : sinh ra t ng thái l ng, d ng t m thô to (I) ừ trạ ỏ ạ ấ

+ Xe (II): ti t ra tế ừ austenit, dạng lưới bao quanh hạt

+ Xe (III): ti t ra tế ừ ferit, r t ít + Xe cùng tích: t o t chuy n ấ ạ ừ ế

bi n cùng tích ế

Các tổ chức hai pha: Là cùng tích và cùng tinh, chúng là hỗn hợp cơ học của Ferrite và Cementite t o thành ạ ở các nhiệt độ các nhau

Pearlite ( P = F + Xe ):

+ Là h n hỗ ợp cơ học của Ferrite và Xementite, t o thành nhiạ ở ệt độ

727oC từ dung d ch r n Austenite có nị ắ ồng độ Cacbon là 0,8%

+ Pearlite ch a 88% Ferrite và 12% Xementite ứ

Phân biệt Pearlite d ạng tấm và Pearlite dạng hạt:

Pearlite dạng tấm:

+ G m các t m Xementite và t m Ferrite n m xen k nhau, trên t ồ ấ ấ ằ ẽ ổ chức

t vi th y rế ấ ất rõ các vạch Xementite có t i màu nố ổi trên nền sáng Ferrite + Khi t m thẩ ực thì nền Ferrite b ị ăn mòn nhiều hơn Xementite, làm nhô các tấm Xementite mảnh hơn với các mặt nghiêng, do đó các vạch tối thể

hi n Xementite còn n n sáng là Ferrệ ề ite

Pearlite dạng h ạt:

+ Là h n hỗ ợp cơ học c a n n Ferrite sáng màu có ch a các hủ ề ứ ạt Xementite màu tối hơn, dạng này thường ít gặp hơn dạng t m Austenit ấđồng nhất dễ tạo thành peclit tấm, còn austenit kém đồng nhất để ạo tthành pearlite hạt

Ledeburite (Le):

+ Là h n hỗ ợp cơ học cùng tinh, t o thành t dung d ch l ng 4,3%C ạ ừ ị ỏ ở

1147oC ( điểm C)

+ Lúc m i t o thành g m Le = (ớ ạ ồ + Xe ), ồt n t i trong kho ng nhiạ ả ệt độ

t 727ừ oC đến 1147 C thì chuy n thành Pearlite nên lúc này Le = ( P + o ể

Xe ), loại này t n tồ ại ở nhiệt độ dưới 727oC

+ Tổ chức t vi c a Ledeburite nhiế ủ ở ệt độ thường g m các hồ ạt đen Peatlite n i trên n n sáng Xementite có dổ ề ạng như da báo

2 THÍ NGHIỆM:

2.1 Quy trình thí nghi m: ệ

Bước 2: Mài thô

B m t m u sau khi c t sề ặ ẫ ắ ẽ không đồng đều nên quá trình mài là b t bu c trong ắ ộbài này, mài b phỏ ần còn dư thừa ở các mép sau khi c t m u, c n mài sao cho b m t 2 ắ ẫ ầ ề ặbên đều phẳng để thực hiện đặt lên kính hiển vi

Chọn m t bề m t c n mài r i dùng gi y ộ ặ ầ ồ ấ nhám có đánh số ừ t 180, 240, 320, 400,

600, 800, 1200, 1500, 2000, con s này ch s h t mài trên 1 cm ố ỉ ố ạ 2 Đầu tiên bắt đầu với

180, gi y phấ ải được đặt trên m t b m t phộ ề ặ ẳng như mặt bàn ho c t m kính, dùng tay ặ ấ

n m ch t m u, tì nh m t m u vào m t gi y nhám vắ ặ ẫ ẹ ặ ẫ ặ ấ ở ị trí 1, đẩy m u t i v trí 2, sau ẫ ớ ị

đó nhấc mẫu lên rồi đưa lại về vị trí số 1 và lặp lại động tác đã thực hiện

Sau khi mài kho ng nhi u lả ề ần, đến khi nhìn vào ch còn lỉ ại các đường song song Sau đó xoay mẫu 90 , ti0 ếp tục mài mẫu đến khi mất đi vết xước cũ và tạo ra xết sước m i ớ

8

Hình 2.2 Giấy nhám có độ ạ ừ h t t 180 2000 –

Hình 2.3 Cách mài trên gi y nhám ấ

Hình 2.4 M u s ẫ ố 9 trước khi mài Hình 2.5 M u s ẫ ố 8 trước khi mài

Hình 2.6 M u s 8 và s 9 sau khi mài ẫ ố ố

Tẩm th c m u b ng dung d ch HNO 4% trong cự ẫ ằ ị 3 ồn (etanol) Đến khi b ề

m t tặ ẩm đổi màu sang xám, đem rửa ngay l p t c vậ ứ ới nước và r a l i b ng c n ử ạ ằ ồTuy nhiên, đối với các mẫu không bị ăn mòn thường là thép không gỉ sẽ tẩm thựcbằng

h n h p dung d ch 3HCl : 1HNO ỗ ợ ị 3

Khi t m th c, có th nhúng b mẩ ự ể ề ặt mẫu và dung d ch, hoị ặc lấy ống bóp nh ỏdung d chvào bông gòn, r i dùng nhi p k p mi ng bông gòn xoa u lên b m t m u ị ồ ế ẹ ế đề ề ặ ẫThời gian tẩm thực tùy thu c vào t chức và tr ng thái c a v t li u, có th t vài dây ộ ổ ạ ủ ậ ệ ể ừcho đến vài giờ

10

Thành phần và chế độ tẩm thực

4% acid HNO3 trong cồn

4% acid picric trong cồn

Dung dịch picrat natri

Babbitt và hợp kim Magie

Dùng ngay sau pha

Hình 2.9 Quá trình t m th c và r a m u ẩ ự ử ẫ

Bước 5: Soi kim tương bằng kính hiển vi quang học

C u t o kính hi n vi quang h c g m các b phấ ạ ể ọ ồ ộ ận chính như: vật kính, th kính, ịbàn m u, nguẫ ồn sáng, núm điều chỉnh thô, tinh,…

11

Hình 2.10 Kính hi n vi quang hể ọc Soi tổ chức t vi b ng kính hi n vi quang hế ằ ể ọc – ph n x (kính soi kim ả ạtương), ở nhiều độ phóng đại khác nhau lên phần được tẩm th c, sao cho thu ự được hình nh rõ nét nh t c a tả ấ ủ ổ chứ ếc t vi, tiến hành phân tích và xác định tổ chức c a h p ủ ợkim Sắt – Cacbon

Trình t thao tác: ừ

Bước 1: Cắm điện và b t công tắc đèn, điều ch nh ánh sáng phù h p ậ ỉ ợ

Bước 2: Chọn vật kính, th ịkính, điều chỉnh khoảng cách từ mắt đến kính Bước 3: Đặt mẫu lên giá để mẫu, dùng núm điều chỉnh để mẫu ở vị trí trực diện

với vật kính

Bước 4: Điều ch nh núm thô tỉ ừng chút để quan sát tổ chức tế vi

Bước 5: Điều chỉnh núm tinh để nhìn rõ tổ chức tế vi

Sơ đồ tóm tắt quy trình:

Hàm lượng Cacbon càng thấp thì tỉ lệ Pearlite ( Fe + Xe ) càng thấp, nên khi nhìn vào nh ch p t vi ả ụ ế ở các độ phóng đại, ta có thể thấy đa số là các vùng sáng màu ( Ferrite ), dựa vào đó ta có thể ước lượng được thành ph n C kho ng 0,2 0,5% ầ ả –

Kết luận: Đây là thép trước cùng tích có hàm lượng 0,2 - 0,5%

3.2. Mẫu 9 ( SKD 61 )

Trước tẩm thực:

Hình 3.4 Mẫu thép SKD 61 trướ ẩc t m thực ở độ phóng đạ i 4x

14

Sau tẩm thực:

Hình 3.5 M u thép SKD sau th m thẫ ẩ ực ở độ Hình 3.6 M u thép SKD sau th m thẫ ẩ ực ở độ phóng đại 4x phóng đại 10x

Hình 3.7 M u thép SKD sau t m thẫ ẩ ực ở độ phóng đạ i 20x

Nhận xét:

Ở mẫu này, khi nhìn vào tổ chức t vi qua kính hi n vi ở ế ể các độ phóng đại, ta có thể d dàng nhìn ra các pha sáng chính là Ferrite và các pha t i là các h t t i màu, ễ ố ạ ố ởđây nhóm chúng em nghĩ nó có thể là các hạt Cementite trên nền sáng Ferrite, có thể thấy rõ ở độ phóng đại 20 l n ầ

Nhìn vào hình nh ả ở độ phóng đại 4x ,10x và 20x ta th y hấ ầu như pha tối ( hạt Cementite ) chiếm đa số trên nền Ferrite nên nhóm em ước lượng phần trăm Cacbon của mẫu này là kho ng t ả ừ 0,9% đến 1,3%

K t lu n: ế ậ Đây là mẫu thép sau cùng tích với hàm lượng Cacbon từ 0,9 đến 1,3%

Pha t i ( Pearlite ) trong hình này chiố ếm khá tương đối nên có thể ước lượng hàm lượng Cacbon trong khoảng từ 0,5 đến 0,7%

Kết luận: Đây là mẫu thép trước cùng tích với hàm lượng Cacbon từ 0,5 đến 0,7%

3.3.2. Mẫu 2 ( Inox 201 )

Hình 3.9 Mẫu s 2 sau tố ẩm thực ở độ phóng đại 20x

Nhận xét:

59

b Trước và sau khi ram

RAM PL 10, 0.25 (độ phóng đại 10x) PL 40, 0.6 (độ phóng đại 40x)

61

c. So sánh với lý thuyết (từ các nghiên c u khoa h ứ ọ c)

Tôi ở 860ºC

30’ nước

Hình ảnh có ph n ầkhác v i lý thuyớ ết

dù có cùng c u trúcấMartensite hình kim, Austenite ởthực nghiệm còn dư nhi u ề

Tôi 860ở ºC

30’ dầu

Hình ảnh khác với

lý thuyết, nhưng cùng tồn tại Ferrite

n n sáng và ềAustenite dư

h p, d n hình thànhẹ ầ

mầm h t tạ ổ chức Austenite

Ram thấp

200ºC 120’

Hình ảnh khác với

lý thuy t do thế ời gian gi nhi t khác ữ ệnhau Thời gian giữnhiệt càng lâu h t ạcàng lớn

Ram trung

400ºC 30’

Hình ảnh gi ng vố ới

lý thuyết, tổ chức nhận được là Bainite và Martensite

Ram cao

600ºC 30’

Hình ảnh khác với

lý thuy t ế nhưng có điểm chung là xuất

hi n n n Ferrite ệ ềsáng màu

4 KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ BUỔI THÍ NGHI M Ệ

Việc mài mẫu để tẩm thực khá là khó khăn vì tổ chức sau khi tôi và sau khi ram khá là cứng, ở vài vị trí mẫu vẫn còn trầy, chưa đạt độ nhẵn cần thiết để soi tế vi

Và khi ti n hành t m th c, m t ph n m u bế ẩ ự ộ ầ ẫ ị cháy do ăn mòn quá nhanh hoặc dung d ch t m ị ẩ thực quá m nh, làm ạ ảnh hưởng đến bước soi tổ chức t vi, sai l ch kế ệ ết

qu t vi thả ế ực tế

Máy đo độ cứng có thể bị sai lệch khác nhau giữa các lần đo, hay thao tác của nhóm thực hiện đo độ ứng chưa chuẩ c n, d n tẫ ới k t quế ả sai

63

Buổi thí nghiệm đã giúp nhóm có thêm được các kiến thức về nhiệt luyện thép,

đặc biệt là Tôi và Ram Cũng như biết thêm các yếu t , vố ấn đề nào phát sinh trong khi tiến hành thí nghi m th c t Tệ ự ế ừ đó rút được kinh nghi m, trong việ ệc đánh giá độ ứng c

và soi thành ph n t vi cầ ế ủa thép

5 T ÀI LIỆU THAM KH O Ả

[1] Advances in Science and Technology Research Journal 2022 “Studies onthe Mechanical Properties of C45 Steel with Martensitic Structure after a High Tempering Process”

[2] Sabina Lesz,” Structure and properties of surface layers of selected constructional steels after sulfonitriding ” ResearchGate, 3/2020 [3] The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International 2007

“Microstructural Features of Austenite Formation in C35 and C45 alloys” [4] Jens Wilzer “The influence of heat treatment and resultingmicrostructures on the thermophysical properties of martensitic steels”published 23/8/2013

64

BÀI 5: THẤM CACBON

1. GIỚI THIỆU

Thấm Cacbon là phương pháp hóa nhiệt luy n ph bi n nh t bao g m làm ệ ổ ế ấ ồbão hòa (th m, khu ch tán tán) cacbon vào b m t thép cacbon th p (0,1-0,25%) sau ấ ế ề ặ ấ

đó tôi và ram thấp làm bề mặt có độ ứng cao, tính ch c ống mài mòn cao (do lượng cacbon cao), còn lõi có độ b n t t, dề ố ẻo dai (do lượng C trong lõi thép thấm v n th p) ẫ ấ

Mục đích: ềb mặt có độ ứ c ng t HRC 60-64 v i tính ch u mài mòn cao, ch u ới ớ ị ị

mỏi tốt, lõi b n, d o, dai về ẻ ớ ội đ c ng HRC 30-40 ứ

Nguyên t c ch n nhiắ ọ ệt độ thấm cacbon ph i ch n sao cho thép ả ọ ở trạng thái hoàn toàn Austenit, vì ch có pha này m i có khỉ ớ ả năng hòa tan nhiều cacbon (tới 2,14%C, trong khi Ferrite hầu như không có khả năng này) Vậy nhiệt độ thấm C cao hơn đường Ac3 của thép trên giản đồFe-C

Tổ chức t vi c a l p b m t và lõi sau khi th m, tôi và ram th p phế ủ ớ ề ặ ấ ấ ải đạt được bề mặt là Mactenxit và các phần tử các bít nh m n, phân b ỏ ị ố đều lõi là Mactenxit và không có Ferrite hoặc các t ổ chức trung gian khác Hạt nh c p 5- ỏ ấ 6.Phụ thuộc vào môi trường thấm mà người ta phân ra làm 3 lo i th m cacbon: ạ ấthể r n, th l ng, th khí ắ ể ỏ ể

1.1 Thấm cacbon th r nể ắ

Hỗn h p th m g m có than g ( 80-90%) trợ ấ ồ ỗ ọng lượng được đập nhỏ (2-5mm)

và một lượng nhỏ chất xúc tác ( Na2CO3, BaCO , K3 2CO3 ), ngoài ra còn có m t s ộ ốchất khác như: chất chống dính kết CaO, than cốc, dầu nặng Hỗn hợp được trộn đều cách thành h p th m kho ng 25-40mm H p thộ ấ ả ộ ấm nên được thi t k phù h p vế ế ợ ới

d ng chi tiạ ết cần thấm

Nhiệt độ thấm thường chọn trong khoảng 920-950 C, o ứng với thép có tổ chức hoàn toàn là Austenite Quá trình xảy ra trong điều ki n r t thi u oxi, than g cháy ệ ấ ế ỗtheo phản ng: ứ

1.2 Thấm cacbon th khí ể

Thấm thể khí là phương pháp hiện đại, được s d ng r ng rãi trong s n xuử ụ ộ ả ất

cơ khí Trong thực tế người ta dùng khí trực tiếp từ khí đốt thiên nhiên mà thành

ph n ch y u là metan ầ ủ ế CH4 có tác d ng th m r t m nh Mu n thụ ấ ấ ạ ố ấm được t lỷ ệ CH4trong h n h p ch c n 3-ỗ ợ ỉ ầ 5 % (trong khi đó CO phải hơn 95%) Quá trình xảy ra theo

ph n ng: ả ứ

CH4 = 2H + C 2 nt

Vì thế người ta ph i pha loãng khí thiên nhiên, sao cho có nả ồng độ thích hợp (tạo ra lượng cacbon nguyên tử vừa đủ) để tạo nên lớp thấm có thành phần 0.8-1% theo yêu cầu

Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với th m cacbon th r n, cho phép ấ ể ắtăng nhanh quá trình làm rút ngắn thời gian thấm đáng kể, dễ cơ khí hóa và tự động hóa s n xu t chả ấ , ất lượng tốt do đảm b o kh ng ch nả ố ế ồng đồ cacbon l p b mở ớ ề ặt theo yêu cầu

1.3 Thấm cacbon th lể ỏng

Thấm th lể ỏng là phương pháp thấm s d ng h n h p mu i nóng chử ụ ỗ ợ ố ảy ở nhiệt

độ 840-860 C bao go ồm: ( 75-85%) Na2CO3 + (10-15%) NaCl + ( 6-10%) SiC ( thành

ph n chính) ầ

Đặc điểm của phương pháp thấm này:

- Thời gian ng n, nung nóng và thắ ấm đồng đều

- Không điều chỉnh được nồng độ cacbon l p b m t ở ớ ề ặ

- Không thấm được các chi tiế ớt l n do phải dùng lò muối điện cực có kích thước thấp

- Tạo ra lớp thấm có độ sâu ớn hơn, giúp tăng khả năng chịu mài mòn của sản phẩm l

- Bề mặt chi tiết sau khi thấm và tôi trực tiếp rất sạch không cần làm sạch cơ học tiếp theo