nội dung báo cáo thực hành vật liệu cơ khí bài 1 nhiệt luyện phân tích cấu trúc và đo độ cứng

Cơ sở lý thuyết - Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó trong một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ quy định để l

BỘ CÔNG THƯƠNG

KHOA CÔNG NGH Ệ CƠ KHÍ

NỘI DUNG BÁO CÁO THỰC HÀNH VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Bài 1 Nhiệt luyện, phân tích cấu trúc và đo độ cứng

I Cơ sở lý thuyết

- Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó trong một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ quy định để làm thay đổi tổ chức, do đó nhận được cơ tính và →tính chất khác theo ý muốn

I.1 Định nghĩa

- Nhi luy nệt ệ : là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt m t ộ thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ để nhận được đổ chức, do tính chất theo yêu cầu

I.1.1 Quy trình nhiệt luyện

Gồm 3 bước:

❖ Nhiệt độ nung nóng T : nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đến.n

❖ Thời gian giữ nhiệt tgn: thời gian cần thiết duy trì kim loại ở nhiệt nung.❖ Tốc độ nguội Vng: là độ giảm nhiệt độ sau thời gian giữ nhiệt.

Hình 1.1 Quy trình nhiệt luyện

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

• Chọn nhiệt độ nung nhiệt luyện cho thép dựa vào giản đồ pha Fe – C

• T (0C) - %C Pha –

• Pha: - , F: Ferrite - , A: Austenite - Xe, Fe C 3

- P=(, + Fe C), P 3

-L: lỏng

Hình 1.2 Giản đồ pha Fe-C

1.1.3 XĐ tốc độ nguội dựa vào giản đồ T-T-T (giản đồ 2C)

Save to a Studylist

- ĐN: Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện nung thép đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn (A ) để làm xuất hiện Austenit, giữ nhiệt rồi làm nguội c1

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

- Chọn nhiệt độ tôi:

a Đối với thép Cacbon

Đối với thép trước cùng tích và cùng tích (0,8%C) + T = A + (300

tc3 500C); trạng thái hoàn toàn ; + Tổ chức sau tôi là M + dư + ƯS dư;

+ Tôi hoàn toàn?;

Đối với thép sau cùng tích (0,9%C) + T = A + (300

tc1 500C); trạng thái ( + XeII); + Tổ chức sau tôi là M + XeII +  dư+ ƯS dư; + Tôi không hoàn toàn?

b Đối với thép hợp kim

* Đối với thép hợp kim thấp (tổng lượng hợp kim  2,5%) + T = T0

t 0của thép cacbon tương đương + (10200C)

* Đối với thép hợp kim trung bình và cao (tổng lượng hợp kim  2,5%) + Tra theo sổ tay nhiệt luyện đối với từng mác thép cụ thể

- Yêu cầu sau tôi: Tăng độ bền, tăng khả năng chịu tải của chi tiết * Ram thép

- Định nghĩa : Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã qua tôi đến nhiệt độ thấp hơn Ac giữ nhiệt để Mactenxit và Austenit dư 1

phân hoá thành các tổ chức có cơ tính phù hợp rồi làm nguội - Làm giảm ứng suất bên trong để không gây ra nứt, cong vênh, gãy và

hư hỏng chi tiết khi làm việc;

- Biến tổ chức Mactenxit và Austenit dư thành các tổ chức khác có cơ tính thích hợp với điều kiện làm việc của chi tiết

+ Áp dụng cho các loại dao cắt, dập nguội, ổ lăn, chi tiết sau khi thấm cacbon,…

• Ram trung bình: Là phương pháp Ram ở nhiệt độ 300 4500C tổ chức nhận là Troxtit ram

Đặc điểm:

+ Ứng suất bên trong được khử bỏ hoàn toàn; + Làm tăng tính dẻo, dai của chi tiết; + Độ cứng giảm đi nhiều;

+ 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

• Ram cao: Là phương pháp Ram ở nhiệt độ 500  650C tổ chức nhận là Xoocbit ram

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

- Kim loại hợp kim không cho ánh sáng xuyên qua nên muốn quan sát được ta phải quan sát ánh sáng phản xạ bề mặt

- Muốn quan sát được phản xạ ánh sáng bề mặt ta phải mài , đánh bóng bề mặt sau đó xử lý bề mặt bằng dung dịch ăn mòn , tùy vào từng kim loại , hợp kim khác nhau ta có những sự ăn mòn bề mặt khác nhau từ đó sự tương phản trong hình ảnh được tạo ra là do sự khác biệt về hệ số phản xạ của các vùng khác nhau của cấu trúc vi mô

- Ngoài ra khi ta đánh bóng và xử lý bề nặt bằng dung dịch tới một mức đô nhất định ta có thể thông qua phản xạ ánh sáng quan sát được ranh giới giữa các hạt kim loại

Hình 1.4 Phản xạ ánh sáng

- Kính hiển vi quang học là một loại kính hiển vi sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát hình ảnh các vật thể nhỏ được phóng đại nhờ một hệ thống các thấu kính thủy tinh Kính hiển vi quang học là dạng kính hiển vi đơn giản, lâu đời nhất và cũng là phổ biến nhất Các kính hiển vi quang học cũ thường phải quan sát hình ảnh trực tiếp bằng mắt nhìn qua thị kính, nhưng các kính hiện đại hiện nay còn được gắn thêm các CCD camera hoặc các phim ảnh quang học để chụp ảnh

- Để tránh làm rách giấy nhám khi mài, người ta thường vát mép mẫu. - Giấy nhám phải được đặt lên bề mặt thật phẳng hoặc một tấm kính dày

Bề mặt mẫu phải áp sát vào giấy Khi mài tiến hành theo một chiều Yêu cầu là tạo ra bề mặt tương đối phẳng, có các vết xước song song và đều

nhau Sau đó, ta quay mẫu đi 90° và lại mài tiếp, cho đến khi tạo ra bề mặt phẳng mới, hệ xước mới xóa hết các yết của hệ xước cũ Mỗi loại giấy nhám, ta mài như thế từ 3 : 5 lần, và lặp lại ở các số giấy nhám mịn hơn, cứ như vậy, cho đến tờ giấy nhám mịn nhất

* 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, khi đánh bóng, người ta phải cho dung dịch mài nhỏ liên tục lên miếng nỉ Với các vật liệu mềm như kim loại màu, nên dùng các loại dung dịch mịn Để tránh bị oxy hóa khi đánh bóng, người ta pha vào dung dịch các chất thụ động hóa như NaNO KNO2, 2 ,…

- Đánh bóng kéo dài 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 nước sạch và sấy khô

* Tẩm thực:

- Mẫu sau khi 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 nhỏ do đánh bóng chưa tốt, các vết nứt tế vị, rỗ khí, xỉ tạp chất, một số pha và tổ chức như cacbit, grafit, chì

- Khi tẩm thực, có thể nhúng bề mặt mẫu vào dung dịch, hoặc lấy que tre, đũa thủy tinh có quấn bông ở đầu rồi nhúng vào dung dịch tẩm thực và bôi đều lên bề mặt mẫu Thời gian tẩm thực tùy thuộc vào tổ chức và trạng thái của vật liệu, có thể từ vài giây cho đến vài giờ Cũng có thể tẩm thực dựa vào kinh nghiệm Sau khi bôi dung dịch tẩm thực, bề mặt mẫu sẽ ngả từ màu sáng sang màu xám thì ta có thể kết thúc tẩm thực Để lâu quá, mẫu sẽ có màu đen và không quan sát được

- Tẩm thực xong, phải dùng bông nõn rửa sạch bề mặt ở vòi nước chảy, sau đó rửa lại bằng cồn và đem sấy khô

- Nếu quan sát sau tẩm thực, ta thấy các đường biên giới nhỏ, đứt đoạn là tẩm thực chưa đủ thời gian, phải đem tẩm thực lại Ngược lại, các đường biên giới quá to, đậm, độ tương phản bề mặt kém, đó là do thời gian tẩm thực quá dài, hoặc nồng độ dung dịch cao Ta phải đem đánh bóng và tẩm thực lại

- Thường khi quan sát với độ phóng đại bé thì thời gian dài hơn khi quan sát với độ phóng đại lớn

I.3 Phương pháp đo độ cứng HRA

- Phương pháp này được tiến hành bằng cách ấn mũi đâm kim cương (hoặc hợp kim cứng) hình côn, có góc ở đỉnh là 120°, hoặc viên bi thép, có đường kính 1/16” (1,588mm) lên bề mặt vật liệu Số đo độ cứng Rockwell được xác định bằng hiệu số chiều sâu, khi tác dụng tải trọng sơ bộ P =100N và tải trọng chính P1

II Thực hành II.1 Nhiệt luyện

II.1.1 Vật liệu sử dụng, phân công nhóm

M u ẫ Vật liệu Điều ki n xử lí nhi t ế ệ

4 C45 875 ˚C – Tôi nước + Ram thấp (200˚C/15’)

Xác định độ dai va đập

10 C45 (vuông) 875 ˚C - Ủ (lò)

12 C45 (vuông) 875 ˚C – Tôi nước + Ram trung bình (350˚C/15’)

Thử kéo

16 C45 (dài) 875 ˚C Tôi nước + Ram trung bình (giống mẫu 5)

Nhận xét:

- Vật liệu: C45, C20

- Phương pháp nhiệt luyện: Tôi (nước, d u), ầ ram (trung bình, th p), ấ ủ(cùng lò), thường hóa (không khí).

- Các loại mẫu: tròn, vuông, dài

II.1.2 Quy trình thực hành tôi + ram thép

Hình 1.6 Quy trình tôi + ram

II.1.3 Mô tả quá trình thực hành nhiệt luyện

❖ Bước 1: Xếp mẫu vào lò

❖ Bước Nung: 2: Chỉnh nhiệt độ nung và nóng đến 875o C

❖ Bước 3: Giữ nhiệt 10’

• Bước 4: Làm nguội: Gắp mẫu ra khỏi Tôi nước (mẫu 4): khuấy đều

30s 60s –

• Tôi dầu (mẫu 17): khuấy đều 30s – 60s

❖ Bước 5: Ram thép

• Ram thấp (mẫu 4)

• Ram trung bình (mẫu 12)

II.2 Phân tích tổ chức

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

❖ Mài: Thô: P120 P1400 – Tinh: P800 P2000 –

• P800 P1200

❖ Đánh bóng: Kim Al2O3 + vải chà xát để hết vết xướt-

❖ Tẩm Thực (ăn mòn): DD 4% HNO3 + cồn 99 _ 22 giọt cồn + 1 giọt axit _ Dùng tăm bông đã tẩm dd bôi lên bề mặt đã đánh bóng (1/2)

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

kính, -> chụp)

B1: Đặt mẫu

Để bề mặt đã đánh bóng lên máy

B5: Chọn ống kính

Chọn ống kính phù h p v i b mợ ớ ề ặt đánh bóng, thuận lợi cho l i quan sát ợ

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

Mẫu Tổ chức tế vi (cỡ ảnh 6x6) Giải thích, phân tích

- XLN và chuẩn bị: db-tt-x400

875u-mai2000 TCTV: ferrite là vùng sáng, P lvùng tối

1 - VL: C45

- XLN và chuẩn bị: db-tt-x400

875kk-mai2000 TCTV: F,P hạt tinh thể rất nhỏ

- XLN và chuẩn bị: db-tt-x400

875dau-mai2000 TCTV: mẫu tôi dầu gồm mastersite+peplite

- XLN và chuẩn bị: db-tt-x400

875nc-mai2000 TCTV: matexit tôi

4 - VL: C45

- XLN và chuẩn bị: mai2000- - -x400 db tt

875nc-Rth TCTV: cấu trúc có tổ chức matexit ram

- XLN và chuẩn bị: mai2000- - -x400 db tt

875nc-Rtb TCTV: trustit ram

- XLN và chuẩn bị: db-tt-x400

875ulo-mai2000 TCTV: tổ chức của thép trước cùng tích F+P

- XLN và chuẩn bị: db-tt-x400

875nc-mai2000 TCTV: cấu trúc mactenxic thưa

M0 m6: mẫu 0 nhiềuP, ít F; mẫu 6 nhiều F ít P

- M3-m7: mẫu 3 nhiều C nên cấu trúc mactenxic xiết chặt nên những hạt rất nhỏ, mịn; mẫu 7 những ít cacbon nên cấu trúc thô

II.3 Đo độ cứng, kết quả (2) - Bảng kết quả

- SS m6 m7: – độ cứng HRA mẫu 6< mẫu 7

- SS m6 m0 và m 7 m3: – – độ cứng HRA mẫu 6< mẫu 0, mẫu 7 < mẫu 3

Bài 2 Thực nghiệm đo cơ tính của thép I Phương pháp xác định độ dai va đập I.1 Cơ sở lý thuyết

❖ Khái niệm, ý nghĩa

Độ dai va đập: Khả năng chịu tải trọng đột ngột, khả năng hấp phụ năng lượng va đập

Ý nghĩa: Độ dai và độ đập của vật liệu có ý nghĩa quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp

- Tính an toàn: Độ dai và độ đập giúp đảm bảo tính an toàn của sản phẩm và cấu trúc, ngăn ngừa hỏng hóc và tai nạn

- Chất lượng sản phẩm: Độ dai và độ đập cũng liên quan đến chất lượng của sản phẩm, đảm bảo rằng nó không bị nứt gãy hoặc hỏng hóc ❖ 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

- H= l+lsin(𝛼-90°)=1.125

- h= l-lsin(90°-𝛼)= 0.0345

Hình 2.1 Nguyên lý đo độ va đập

❖ Độ dai va đập - ak=  E/S

- S: Diện tích mặt cắt ngang

I.2 Thực hành

I.2.1 Thiết bị (mô tả cấu tạo) và mẫu (vật liệu, đk xử lý nhiệt)

• Cấu tạo- Bệ máy

- Thân máy gắn lên bệ

- Đồng hồ gồm kim đỏ, kim đen và con lắc của búa - Búa gắn vào thân máy

- Tay quay - Cần gạt búa- Chốt- Phanh

Hình 2.2 Thiết bị thử độ va đập Charpy

• Bước 1: Kiểm tra máy: mở cửa kiểm tra bên trong • Bước 2: Kẹp búa: quay tay quay ngược chiều kim đồng hồ

• Bước 3: Gá mẫu: mở cửa trái, quay tay quay cùng chiều kim đồng hồ 2

vòng, cầm mẫu bằng tay trái cho vạch phấn hướng lên, rãnh hướng sang phải, đặt sát vào gối, quay búa ngược chiều kim đồng hồ 1 vòng cho lưỡi búa áp sát vào mẫu, điều chỉnh cho vạch phấn trùng lưỡi búa, đóng cửa

• Bước 4: Quay búa lên góc va đập (k): Quay kim đỏ về phía bên trái của

cần gạt 1 vòng, quay búa cùng chiều kim đồng hồ lên góc (k) + 7ᴼ, trả kim đen về góc (k) chính xác

• Bước 5: Tiến hành va đạp: Kiểm tra mẫu xem rãnh có hướng sang phải là

đúng, kéo chốt cho búa đập

• Bước 6: Dừng búa: kéo phanh, đọc góc theo thang đỏ, mở cửa lấy mẫu

I.2.4 Kết quả và phân tích

Bảng đầy đủ

Nhóm Mẫu k (ᴼ) E t ᵞ (ᴼ) E s ΔE ak

2 - 1 8 – Tôi dầu 124 322 95 225 97 1.212 2 - 2 9 – Tôi nước 107 267 11 3.799 263 3.287

2 - 3 10 - Ủ lò 128 334 61 106 227 2.837 2 - 4 11 – Ban đầu 92 212 3.5 0.386 211.614 2.645

2 - 5 12 – Tôi nước+Ram

trung bình 120 310 5.5 1.102 308.897 3.861

Nhận xét Dựa vào bảng kết quả ta thấy rằng :

- Độ dai va đập lớn nhấy là mẫu vuông (875°C- tôi nước +ram trung bình) với độ dai 3.861 J/mm2

- Độ dai va đập nhỏ nhất là mẫu vuông (tôi dầu) với độ dai 1.212 J/mm 2

- Sau khi tính kết quả độ dai của các phương pháp nhiệt luyện ta thấy được thứ tự tăng dần là: tôi dầu< phôi ban đầu< ủ lò< tôi nước< tôi nước +ram trung bình

II Phương pháp căng kéo II.1 Cơ sở lý thuyết

- Khái niệm:

Xác định đường cong ứng suất biến dạng-

Để xác định một số đặc tính cơ học của vật liệu rất quan trọng trong thiết kế: Độ cứng vững (mô đun đàn hồi, E), độ bền (đàn hồi, tới hạn, phá hủy ), tính dẻo - giòn (độ giãn dài, độ giảm diện tích ), độ dai (tĩnh)

Mẫu bị biến dạng, thường đến phá hủy, bằng tải trọng kéo tăng dần áp vào dọc trục của mẫu thử

- Nguyên lý PP thử kéo và giản đồ thử kéo

+Nguyên lý thử kéo:

Quá trình kéo gây biến dạng trên vật

Độ ứ c ng: E b

Độ ền: σY, σb

Độ dai: K = σ × ε Độ ẻ d o:

• Theo độ giãn dài: δ =𝑙 −𝑙𝑓 𝑜

𝑙𝑜• Theo độ co thắt: ᴪ =𝑑 −𝑑𝑜 𝑓

Hình 2.5 Mẫu thử

- Cấu tạo của máy • Trục trơn • Kẹp mẫu • Ngàm dưới • Ngàm đo nén • Trục vít • Ngàm đo uốn • Đế máy • Cảm biến lực • Piston • Bàn máy

• Công tắc ngàm trên • Ngàm trên • Công tắc ngàm dưới • Phầm mềm • Phần điều khiển

Hình 2.6 Thiết bị thử kéo

- Nguyên lý

M u sau khi k p vào má k p thì khẫ ẹ ẹ ởi động máy, lúc này bơm thủy lực sẽ bơm dầu từ bình chứa sang piston, tạo lực đẩy đẩy bàn nâng đi lên Ngàm trên do c u tấ ạo cũng bị đẩy lên theo bàn nâng, ngàm dưới đứng yên, t o lạ ực kéo lên m u, khi mẫ ẫu đứt, dừng máy

- Bảng phân công nhóm

2-1 13-bđ 8.2 44.4 2-2 14- ủ 8.2 45.2 2-3 15-tôi nước 8.1 45.2 2-4 16-Rtb 7.9 44.5

2-5 17-tôi dầu 8.2 44.6

II.2.2 Các bước tiến hành

Bước Công việc

Mô t ả Hình ảnh

1 Gá m u ẫ

Đưa mẫu sát vào bộ kẹp ngàm trên (sâu vào ¾ phía trên của mẫu) sau đó bấmnút xanh ở bộ điều khiển ngàm trên để ngàm trên tự động kẹp chặt mẫu.Sau đó tiếp tục bấm nút xanh ở bộ điều khiển ngàm dưới để ngàm dưới tự động kẹp chặt phần dưới của mẫu

2 Thi t ếlập chương trình

Mở phần mềm điều khiển trên máy tính > Chọn New >Setup các thôngsố

mình muốn lấy lần lượt từ Start-System Sensor – –Testing –Speccimem Dat– Processing Chart –Report - Finish

3 Tiến hành đo

Bấm Begin Test trênphần mềm để tiến hành đo

4 Xử lý kết qu ả

Xử lý k t qu máy ế ảđo được và lưu kết quả dưới d ng pdf ạ

5 Lấy m u ra ẫ

Lấy m u ra khẫ ỏi máy đo và tiên hành đo df và lf

II.2.3 Kết quả phân tích

II.2.3.1 Trình bày kq (reports) ❖ Mẫu 13

❖ Mẫu 14

❖ Mẫu 15