báo cáo thực hành môn vật liệu cơ khí và thí nghiệm cơ học

Định nghĩa Nhiệt luyện- Nhiệt luyện là một dạng gia công cơ khí bằng cách nung nóng kim loại đến một nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt một thời gian rồi làm nguội với một tốc độ nhất định nh

MỤC LỤC

BÀI 1: NHIỆT LUYỆN, PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ ĐO ĐỘ CỨNG 3

I Cơ sở lý thuyết 3

I.1 Định nghĩa Nhiệt luyện 3

I.1.1 Quy trình nhiệt luyện 3

I.1.2 Xác định vùng Nhiệt độ nhiệt luyện cho các phương pháp nhiệt luyện khác nhau dựa và Giản đồ pha Fe-C 4

I.1.3 Xác định tốc độ nguội dựa vào giản đồ T-T-T (giản đồ 2C) 5

I.1.4 Tôi – Ram thép 5

I.2 Phân tích tổ chức 8

I.2.1 Nguyên lý phản xạ ánh sáng quan sát tổ chức kim loại bằng HVQH 8

I.2.2 Quá trình chuẩn bị mẫu để quan sát tổ chức (mài, đánh bóng, tẩm thực) 8

I.3 Phương pháp đo độ cứng HRA 9

II Thực hành 11

II.1 Nhiệt luyện 11

II.1.1 Vật liệu sử dụng, phân công nhóm 11

II.1.2 Quy trình thực hành tôi + ram thép 12

II.1.3 Mô tả quá trình thực hành nhiệt luyện 13

II.2 Phân tích tổ chức 14

II.2.1 Thực hành quá trình chuẩn bị (mài, đánh bóng, tẩm thực) 14

II.2.2 Chụp (đặt mẫu, lấy nét, chỉnh độ sáng, chọn vùng, chọn ống kính, chụp) 18

II.2.3 Kết quả tổ chức tế vi, giải thích, phân tích 19

II.3 Đo độ cứng, kết quả 22

BÀI 2: THỰC NGHIỆM ĐO CƠ TÍNH CỦA THÉP 23

I Phương pháp xác định độ dai va đập 23

1

I.1 Cơ sở lí thuyết 23

I.2 Thực hành 25

I.2.1 Thiết bị và mẫu 25

I.2.2 Phân công nhóm 28

I.2.3 Các bước tiến hành 29

I.2.4 Kết quả và phân tích 29

II Phương pháp căng kéo 32

II.1 Cơ sở lí thuyết 32

II.2 Thực hành 34

II.2.1 Thiết bị và mẫu thử, phân công nhóm 34

BÀI 1: NHIỆT LUYỆN, PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ ĐO ĐỘ CỨNGI Cơ sở lý thuyết

I.1 Định nghĩa Nhiệt luyện

- Nhiệt luyện là một dạng gia công cơ khí bằng cách nung nóng kim loại đến một nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt một thời gian rồi làm nguội với một tốc độ nhất định nhằm mục đích làm thay đồi tổ chức cấu tạo bên trong do đó thay đổi tính chất cơ lý của vật liệu.

I.1.1 Quy trình nhiệt luyện

- Bản chất của nhiệt luyện là làm thay đôi tính chất thông qua biến đổi tổ chức của vật liệu Một quy trình nhiệt luyện bao gồm 3 giai đoạn: Nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội.

- Nhiệt độ nung nóng tnung° : là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung nóng (tnung° chọn dựa vào bản đồ)

- Thời gian giữ nhiệt t¿gn: là thời gian cần thiết đế duy trì kim loại ở nhiệt độ nung (t¿gn phụ thuộc vào kích thước chi tiết).

- Tốc độ nguội v¿nguội là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau thờigian giữ nhiệt, tính ra C/s (v° ¿nguội chọn dựa vào bản đồ).

Hình 1: Sơ đồ công nghệ của một quy trình vật liệu

Too long to read onyour phone? Save

to read later onyour computer

Save to a Studylist

I.1.2 Xác định vùng Nhiệt độ nhiệt luyện cho các phương pháp nhiệt luyện khác nhau dựa và Giản đồ pha Fe-C

Phương pháp thường hóa: Là nung nóng thép lên đến nhiệt độ

trên Ac3 hay Acm + (30-50°C)

Phương pháp tôi: Là nung nóng thép lên đến nhiệt độ cao hơn

nhiệt độ Ac1 hay Ac3

Phương pháp ram: Là nung nóng thép đã tôi đến nhiệt độ không

quá nhiệt độ Ac1 (thường thấp hơn 700°C)- Có 3 phương pháp ram:

Ram thấp: là ram ở nhiệt độ không quá 300°C

Ram trung bình: là ram ở nhiệt trong khoảng 350 - 450°C Ram cao: là ram ở nhiệt độ trong khoảng 550 - 680°C.

I.1.3 Xác định tốc độ nguội dựa vào giản đồ T-T-T (giản đồ 2C)- Đường A (full aneal) là ủ hoàn toàn, tốc độ nguội chậm nhất (nguội

cùng lò), đạt tổ chức tế vi ferit và peclit gần như Fe nguyên chất, có độ dẻo cao nhất và độ cứng

- Đường B (normalizing) là

thường hóa, làm nguội trongkhông khí, tốc độ nguộichậm

- Đường C (Oil quench) là

làm nguội trong dầu, tốc độ

nguội khá nhanh, đạt tổ chức tế vi mactenxit và peclit.Hình 3: Giản đồ T-T-T(Time-Temperature- Transformation Curve

- Đường D (Water quench) là làm nguội trong nước, tốc độ nguội nhanh

nhất, đạt tổ chức tế vi mactenxit, có độ cứng cao nhất.- Tốc độ nguội: VD>VE>VC>VB>VA

I.1.4 Tôi – Ram thépI.1.4.1: Tôi thépĐịnh nghĩa:

- Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện nung thép đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn (Ac ) để làm xuất hiện Austenit, giữ nhiệt rồi làm 1

nguội nhanh để biến nó thành Mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác có độ cứng cao.

- Đối với thép trước cùng tích ( 0,8%C):T0t = Ac3 + (30÷500C); trạng thái hoàn toàn γ;

Tổ chức sau tôi là M(mactenxic) + γ (Austenite dư) + ƯS dư

- Đối với thép sau cùng tích ( 0,8%C)

T0t = Ac1 + (30 500C); trạng thái (γ + XeII).

Tổ chức sau tôi là M XeII + + γ dư + ƯS dư

Cấu trúc đạt được sau tôi: Cấu trúc Mactenxit có độ cứng rất cao nhưng

Hình 4: Cấu trúc Mactenxit

I.1.4.2 Ram thépĐịnh nghĩa:

- Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã qua tôi đến nhiệt độ thấp hơn Ac1 giữ nhiệt để Mactenxit và Austenit dư phân hoá thành các tổ chức có cơ tính phù hợp rồi làm nguội.

Là phương pháp Ram ở nhiệt độ 150 ÷ 250℃ tổ chức nhận là Mactenxit ram.

Đặc điểm:

o Ứng suất bên trong giảm;o Làm tăng tính dẻo, dai của chi tiết;o Độ cứng giảm rất ít.

o Áp dụng cho các loại dụng cụ dao cắt, dụng cụ đo, dập nguội, ổ lăn

- Ram trung bình:

Trustit ram.Đặc điểm:

o Ứng suất bên trong được khử bỏ hoàn toàno Làm tăng tính dẻo, dai của chi tiếto Giới hạn đàn hồi đạt cao nhấto Độ cứng giảm đi nhiều

o Áp dụng cho các chi tiết như lò xo, nhíp, khuôn rèn, khuôn dập nóng…cần độ cứng tương đối cao và đàn hồi tốt.Kết quả đạt được sau khi ram:

Hình 5 Cấu trúc Mactenxit

7

Hình 6 Cấu trúc Trustit ram

I.2 Phân tích tổ chức

I.2.1 Nguyên lý phản xạ ánh sáng quan sát tổ chức kim loại bằng HVQH

- Mẫu sau khi đánh bóng, đen rửa sạch,thấm và sấy khô rồi quan

sát trên kính hiển vi Ta có thể thấy trên mẫu có các vết xước nhỏ do đánh bóng chưa tốt,các vết nức tế vi, rỗ khí ,xỉ tạp chất ,một số pha và tổ chức như cacbit,graphit, chì

- Muốn tổ chức nền kim loại, phải tẩm thực màu Tẩm thực là quátrình ăn Mn trên bề mặt mẫu bằng các dung dịch hóa học thích hợp, gọi là dung dịch tẩm thực Khi tẩm thực,biên giới các pha, các vùng tổ chức sẽ bị ăn Mn, nhưng với mỗi tốc độ khác nhau Sau khi tẩm thực bề mặt mẫu sẽ lồi, lõm tương ứng với cácpha tổ chức Do đó, có thể nhận biết hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha.

I.2.2 Quá trình chuẩn bị mẫu để quan sát tổ chức (mài, đánh bóng, tẩm thực)

- Mài: Đây là bước cần thiết để loại bỏ các tổn hại cấu trúc mẫu trước đó

Quy trình mài thô mẫu giúp tiếp cận nhanh đến vị trí cần phải phân tích trên mẫu Bước này tạo ra bề mặt phẳng ban đầu cần thiết cho các bước mài và đánh bóng tiếp theo Mẫu được mài sẵn trên 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 Để 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 tấm

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 phải quay mẫu đi 90 độ và mài tiếp, cho đến khi ra bề mặt phẳng mới, hệ xước mới xóa hết các vết xước của hệ vết xước cũ Mỗi loại giấy nhám giấy nhám mịn nhất Ví dụ: 400, 800, 1200, 2000 là các số thông dụng Trong giai đoạn này để đạt được hiệu quả tốt nhất cần phải chọnđúng loại giấy mài và bột mài phù hợp.

- Đánh bóng: Đánh bóng mẫu là quá trình hoàn thiện cuối cùng Quá trình

đánh bóng được chia ra thành 2 giai đoạn là đánh bóng thô và đánh bóng tinh Đánh bóng bằng miếng nỉ đã bôi kem đánh bóng Đánh bóng kéo dài cho đến cho đến khi bề mặt không còn vết xước nào Không nên đánh bóng quá lâu, dễ làm tróc các pha quá cứng hoặc quá mềm Sau khi đánh bóng, đem rửa sạch và sấy khô Nếu quan sát trên kính hiển vi thấy vẫn còn nhiều vết xước, thì phải dừng đánh bóng lại.

- Tẩm thực: Mẫu sau khi đem đánh bóng, đem rửa sạch, thấm và sấy khô rồi

quan sát trên kính hiển vi Ta có thể thấy trên mẫu có các vết xước nho 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 thực mực mẫu Tẩm thực mực mẫu là quá trình ăn Mn bề mặt mẫu bằng các loại dung dịch hóa học thích hợp, gọi là dung dịch tẩm thực Khi tẩm thực, biên giới các pha, các vùng tổ chức sẽ bị ăn Mn, nhưng với những tốc độ khác nhau Sau khi tẩm thực bề mặt mẫu sẽ lồi, lõm tương ứng với các pha tổ chức Do đó, có thể nhận biết được hình dáng ,kích thước và sự phân bố của các pha.

I.3 Phương pháp đo độ cứng HRA

- Rockwell (HR) là một phương pháp đo nhanh, được phát triển để sử dụng trong kiểm soát sản xuất và đọc kết quả trực tiếp Độ cứng Rockwell (HR) được tính toán bằng cách đo chiều sâu của vết lõm, sau khi mũi đo tác động vào vật liệu mẫu ở một tải nhất định Mũi đo đầu vào là một viên kim cương hình nón, hoặc đầu biCarbide, tùy thuộc vào cấu trúc kim loại và điều kiện bề mặt.

9

- Phương pháp Rockwell theo tiêu chuẩn EN ISO 6508 là đo độ sâu vết lõm cố định được tạo ra bởi một lực trên một đầu đo Đầu tiên, một lực thử nghiệm sơ bộ (thường được gọi là tải trước hoặc tải phụ) Quá trình tải trước này xuyên qua bề mặt kim loại để giảm tác động của lớp vỏ bề mặt Sau khi giữ lực thử sơ bộ cho một khoảng thời gian dừng xác định, độ sâu đường cơ sở của vết lõm được đo.

- Sau khi tác dụng tải sơ bộ, một tải bổ sung, gọi là tải trọng lớn, được thêm vào để đạt được tổng tải thử nghiệm yêu cầu Lực này được giữ trong một khoảng thời gian xác định trước (thời gian dừng) để cho phép hồi phục đàn hồi Tải trọng chính này sau đó được quay trở về tải sơ bộ Sau khi giữ lực thử sơ bộ trong một khoảng thời gian dừng xác định, độ sâu cuối cùng của vết lõm được đo.

- Ưu điểm và nhược điểm phương pháp đo độ cứng Rockwell:Ưu điểm:

o Không cần hệ thống quang họco Nhanh chóng và dễ dàng

o Không phụ thuộc vào người vận hànho Ít bị ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặtNhược điểm

o Nhiều thang đo khác nhau với mũi đo và tải trong khác nhau.

Hình 7: Bảng đo độ cứng Rockwell

II Thực hànhII.1 Nhiệt luyện

II.1.1 Vật liệu sử dụng, phân công nhóm

Xác định độ dai va đập

11

11 C45 (vuông) Ban đầu

Thử kéo

Nhận xét

- Vật liệu: Sử dụng thép cacbon là thép Cacbon trung bình và Cacbon thấp

- Phương pháp nhiệt luyện:

Thép C45 (tròn) 875℃ ủ lại: giảm độ cứng, tăng độ dẻo.

/15’): làm giảm hoặc loại bỏ ứng suất dư trong thép.

chống mài mònThép C45 (dài) Ban đầu- Các loại mẫu: 0, 5, 8, 13

II.1.2 Quy trình thực hành tôi + ram thép

nhiệt độ 875 C trong lò, sau0

đó làm nguội nhanh chóngbằng các phương pháp Tôinước, thường hóa, tôi dầu, ủtrong lò, và ram trung bình350 C/15’.o

II.1.3 Mô tả quá trình thực hành nhiệt luyện

- Có 5 bước thực hiện quá trình nhiệt luyện:

Bước 1: Chuẩn bị mẫu, xếp mẫu vào lò

Bước 2: Bắt đầu quá trình nung

Bước 3: Giữ nhiệt

Bước 4: Làm nguội

13

Bước 5: Ram

II.2 Phân tích tổ chức

II.2.1 Thực hành quá trình chuẩn bị (mài, đánh bóng, tẩm thực)

Mài thô – P120:Mài thô – P400:Mài tinh – P800:Mài tinh – P1200:Mài tinh – P2000:

Mài thô – P120:

Mài thô – P400:

Mài tinh – P800:

Mài tinh – P1200:

15

Mài tinh – P2000:

- Đánh bóng: làm => nhỏ mất vết xước Kem Al2O3+ vải mụn: chà xát lên bề mặt.

M0 M5

- Tẩm thực (ăn mòn):

Dung dịch: 4%at + HNO trong cồn.3

21 giọt cồn + 1 giọt HNO3: dùng ngay tăm bông thấm dung dịch => bôi ½ bề mặt ( đã đánh bóng ) sấy khô

Hình 13: Dùng tăm bông thấm dung dịch => bôi ½ bề mặt (đã đánh bóng)

Hình 14: Sấy khô

II.2.2 Chụp (đặt mẫu, lấy nét, chỉnh độ sáng, chọn vùng, chọn ống kính, chụp)

Hình 15: Đặt mẫu

17

Hình 16: Lấy nét

Hình 17: Chỉnh độ sáng

Hình 18: Chọn vùng

Hình 19: Chọn ống kính

II.2.3 Kết quả tổ chức tế vi, giải thích, phân tích

Bảng 2: Kết quả tổ chức tế vi, giải thích, phân tích

o Vật liệu: thép C20

+ Xử lý nhiệt: 875 ˚C _ Tôi nước

+ Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức mactenxic và

21

austenite dư (vùng sáng nhiều).

o Vật liệu: thép C45

+ Xử lý nhiệt: 875 ˚C _ Tôi nước

+ Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức mactenxic (có hình

kim) và asustenite dư (vùng sáng ít)

=> Hiệu quả tôi của thép C20 thấp hơn nhiều so với thép C45II.3 Đo độ cứng, kết quả

Bảng kết quả đo độ cứng HRA

- Từ bảng trên ta thấy: Độ cứng của thép C20(14.9) thấp hơn so với thép C45(62.43) vì lượng cacbon thấp nên hiệu quả tôi của C20 khá thấp.

BÀI 2: THỰC NGHIỆM ĐO CƠ TÍNH CỦA THÉPI Phương pháp xác định độ dai va đập

I.1 Cơ sở lí thuyếtKhái niệm

- Độ dai va đập: là khả năng chịu tải trọng đột ngột, khả năng hấp phụ

năng lượng va đập trước khi nó vật bị phá hủy

- Các phương pháp đo phổ biến: Charpy V-notch test, the Izod test

and the Tensile Impact test

- Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 312:1969 về Kim loại - Phương pháp

xác định độ dai va đập ở nhiệt độ thường + Tiêu chuẩn này quy định phương pháp thử va đập kiểu con lắc Charpy (rãnh V và rãnh U) để xác định năng lượng hấp thụ trong thử va đập vật liệu kim loại.

- Nguyên lý PP charpy xác định năng lượng phá hủy mẫu

Phép thử này bao gồm làm gãy mẫu thử có rãnh khía bằng một dao động đơn của con lắc dưới các điều kiện được xác định sau đây Rãnh trên mẫu thử phải được quy định hình dạng và được đặt ở chính giữa hai giá đỡ, đối diện với vị trí bị va đập trong khi thử Độ dai được xác định bằng năng lượng hấp thụ trong thử va đập

Do các giá trị va đập của một số vật liệu kim loại thay đổi theo nhiệtđộ, nên phép thử được thực hiện ở nhiệt độ quy định Khi nhiệt độ thử khác với nhiệt độ môi trường thì mẫu thử phải được nung nóng hoặc làm nguội đến nhiệt độ đó trong môi trường được kiểm soát.

Thực hiện: Chuẩn bị mẫu thử có kích thước tiết diện ở rãnh khía S =8x10 = 80(𝑚𝑚2), và một máy búa để thử va đập

Đầu tiên ta đưa đầu búa lên vị trí có chiều cao là H được tính: a L sin (α1)

23

Sau đó ta đặt mẫu thử vào vị trí thử, và thả chốt cho đầu búa rơi xuống đập vào mẫu thử, năng lượng thế năng còn dư đẩy đầu búa đến vị trí thứ 2 và có chiều cao là h được tính

=90 - 0 (α¿¿2)¿

=> b = l x sin ( )=> h = l - b

Lúc này năng lượng thế năng của búa là: E = m.g.h 2

Cuối cùng ta tính được năng lượng của quá trình va đập:∆E = m.g (H - h)

o m: khối lượng của búa

o g: gia tốc trọng trường ( 9.81 m/s )2

Hình 20: Nguyên lý đo độ va đập

Thiết bị

Hình 22: Thiết bị thí nghiệm

25

Thân máy

Vị trí treo búa

Cần kẹp búa

Vị trí gá mẫu

Thông số máy:

- Khối lượng búa: m=27.57 kg (dựa trên số liệu có trên máy)

- Chiều dài búa: L = 0.75 (m): khoảng cách từ tâm trục tới lưỡi búa

- g = 10 m/s2

Mẫu đo

Đo va đập

℃ /15 p¿

Hình 23: Mẫu đo cơ tính

27

I.2.2 Phân công nhóm

- Mẫu 8 phương pháp tôi dầu

a=l× sin(α1−90 °)=0,75 sin× (121°−90 °)=0,386(m)

Ta có: E1=mgH =27,57 ×10 ×1,136 313= (J )

I.2.3 Các bước tiến hành

Bước 1: Kiểm tra máy

Bước 2: Kẹp búa

Bước 6: Dừng búa

I.2.4 Kết quả và phân tích

Hình 24: Hình chụp mặt gãyBảng đầy đủ

Nhóm Mẫu α1(°) E1(J) α2(°) E2(J) ΔE(J) ak(J/mm2¿

3-1 8-Tôi dầu

3-2 9-Tôi nước

3-4 11-Ban đầu

3-5 12-Ram TB

∆ E=E1−E2=312 214 99− = (J )

aK=∆ ES =

80=1,2375(J /mm2

Nhận xét

- Các mẫu có cùng một loại vật liệu thép cacbon C45 có lượng cacbon trung bình thì với các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau sẽ có độ dai khác nhau:

Ủ: Phương pháp ủ lò có độ dai khá cao 2,76 (J/mm2¿

Tôi dầu và Ramtrb: Tôi dầu có độ dẻo dai thấp nhất với chỉ 1,23 (J/mm2¿.Còn đối với phương pháp Ram trung bình có độ dai lớn nhất 3,57 (J/mm2¿.

Tôi nc và ban đầu: Phương pháp tôi nước có độ dẻo dai khá cao 2,97 (J/mm2

¿ Đối với mẫu ban đầu có độ dẻo dai trung bình 2 (J/mm2¿.

31

II Phương pháp căng kéoII.1 Cơ sở lí thuyết

Khái niệm

- Phương pháp thử kéo: là quá trình thử để xác định được độ bền,

độ dẻo và độ dai của kim loại bằng cách kéo căng mẫu thử và quan sát quá trình căng ra của kim loại đó, và được biểu diễn thông qua biểu đồ ứng suất và độ biến dạng.

- Độ bền: Là khả năng chống lại biến dạng của kim loại khi nó

chịu tác dụng của một lực nhất định kí hiệu là , đơn vị đo lườnglà N/mm2.

- Độ dẻo: Là khả năng biến dạng của kim loại khi tác dụng lên nó

một lực nhất định

- Độ dãn dài: (tương đối) kí hiệu là %- Độ thắt (tỷ đối) kí hiệu là %

- Độ dai: Là khả năng chống biến dạng của kim loại khi chịu tác

dụng của lực động (lực va đập ) kí hiệu là aK , đơn vị là J/cm2.

Nguyên lý phương pháp thử kéo và giản đồ thử kéo

-Nguyên lý phương pháp thử kéo: Đặt mẫu vào thiết bị thử kéo, sau

đó mẫu được kẹp chặt ở 2 đầu, khi kéo vật căng ra đến đứt ra Cảm biến áp lực sẽ đo độ giãn ra của mẫu và độ lớn của lực căng.

-Giản đồ sau khi thử kéo