BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC

Nguyên lí quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim loại: - Phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu trong khoảng 80 ÷ 2000 lần, từ đó quan sátđược tổ chức tế vi, sự phân bố, hình dạng và kích t

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

SVTH: TRẦN QUỐC TOÀNMSSV: 22144424

Trang 2

TP Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2023BÀI 1: CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA KIM

đi vào nghiên cứu các tổ chức tế vi ở các bài thí nghiệm sau, bước đầu tiên taphải nắm chắc kiến thức lí thuyết cũng như thành thạo các thao tác trong quátrình chuẩn bị mẫu

1.2 Lí thuyết cơ bản:

1.2.1 Cấu tạo của kim loại và hợp kim:

- Vật liệu kim loại thường được cấu tạo từ nhiều đơn tinh thể liên kết với nhaugọi là đa tinh thể Các đơn tinh thể được gọi là hạt tinh thể vì vậy cấu trúc đatinh thể còn gọi là tổ chức hạt

- Các nguyên tử trong hạt tinh thể luôn sắp xếp theo trật tự nhất định nhưng ởbiên giới hạt thường sắp xếp không theo trật tự do tác động của các hạt xungquanh

- Hợp kim cấu tạo từ một hoặc nhiều pha Các pha khác nhau sẽ có tính chấtkhác nhau về cơ tính, lí tính, hóa tính

Trang 3

Hình 1.1. Hạt và biên giới hạt1.2.2 Nguyên lí nghiên cứu tổ chức tế vi:

- Nghiên cứu tổ chức tế vi là quan sát hình ảnh phóng đại của bề mặt mẫu đãchuẩn bị qua thông qua kính hiển vi Để có hình ảnh tổ chức tế vi phải lần lượtthực hiện các bước: cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát Do mẫu cấutạo bởi các pha có tính chất hóa học khác nhau nên sẽ bị dung dịch tẩm thực ănmòn khác nhau dẫn đến bề mặt mẫu có độ nhấp nhô khác nhau Sự tương phảnsáng tối của các hạt, các pha và biên giới hạt làm hiện lên tổ chức tế vi của mẫu

Hình 1.2. Phản xạ của ánh sáng đã tẩm thực1.2.3 Nguyên lí quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim loại:

- Phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu trong khoảng 80 ÷ 2000 lần, từ đó quan sátđược tổ chức tế vi, sự phân bố, hình dạng và kích thước của các pha Ngoài ra còn

có thể thấy các khuyết tật của vật liệu như vết nứt tế vi, rỗ và các tạp chất

Trang 4

Hình 1.3. Nguyên lí phản xạ của kính hiển vi kim loại

2 Vật liệu, thiết bị và quy trình thí nghiệm:

2.1 Vật liệu:

Mẫu kim loại (thép C45) có kích thước Ø10x10 hoặc☐10x10 (mm2), tốithiểu là 3 mm2và ít nhất phải có một mặt phẳng để có thể quan sát tổ chức tế vi. 2.2 Thiết bị:

- Máy mài đá hai đầu

- Giáy nhám các loại 180, 240, 320, 400… (hạt mài/cm2)

- Máy mài bóng mẫu

- Bước 3: Đánh bóng mẫu trên miếng dạ hay vải được gắn trên máy màibóng, kết hợp với hỗn hợp đánh bóng mẫu

- Bước 4: Dùng tăm bông nhúng vào dung dịch 4% Nital để tẩm thực mẫu

từ vài giây đến vài chục giây, sau đó rửa sạch dưới vòi nước chảy rồi lau khô bềmặt mẫu

- Bước 5: Cắm điện, bật đèn, điều chỉnh ánh sáng, chọn vật kính, thị kínhcủa kính hiển vi, điều chỉnh dãn cách mắt

Trang 5

- Bước 6: Đặt mẫu lên bàn mẫu, điều chỉnh sao cho mẫu nằm ở vị trí trực

diện với vật kính sau đó vừa quan sát vừa điều chỉnh núm thô để tổ chức tế vi

được một phần, độ nhấp nhô càng lớn thì màu quan sát được sẽ càng tối từ đó làmnổi rõ lên tổ chức tế vi của kim loại

4.2 So sánh, đánh giá:

Ferrite (màu sáng) Pearlite (màu tối)

Trang 6

- Dựa vào hình ảnh tổ chức tế vi của mẫu thép C45 sau khi tẩm thực, ta có thểthấy các đường biên giới hạt không bị đứt đoạn, bề mặt mẫu có độ tương phản giữacác pha sáng tối (thời gian tẩm thực vừa phải) Do đó công tác chuẩn bị mẫu đểnghiên cứu tổ chức tế vi tương đối đúng theo yêu cầu.

5 Kết luận:

- Dựa vào lí thuyết kết hợp với hình ảnh tổ chức tế vi của mẫu thép C45, ta cóthể kết luận được rằng mẫu có hai tổ chức: Màu sáng là tổ chức một pha Ferritecòn màu tối trong đó có lẫn màu sáng là tổ chức hai pha Pearlite (Ferrite +

Cementite) Do đó mẫu thép C45 chính là thép trước cùng tích có hàm lượngcarbon là 0,45%

- Các pha trong tổ chức bao gồm pha Ferrite (màu sáng) và pha Cementite (màutối) Từ đó kết luận rằng hợp kim có thể cấu tạo từ một pha cũng có thể cấu tạo từnhiều pha Do có độ tương phản khác nhau nên về cơ tính, hóa tính, lí tính cũng sẽ

có sự khác nhau

6 Tài liệu tham khảo:

-Giáo trình thí nghiệm vật liệu học – Nguyễn Văn Thức, Phạm Thị Hồng Nga,Nguyễn Tử Định – Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh

- Vật liệu học cơ sở - Nghiêm Hùng – Nhà xuất bản khoa học tự nhiên và côngnghệ

- Giáo trình vật liệu đại cương – Trần Thế San – Nhà xuất bản Đại học quốc gia

TP Hồ Chí Minh

- Kênh Youtube Tân Antaky:

https://www.youtube.com/watch?v=NIkXP5-ls5A&t=2s

Trang 7

BÀI 2: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM Fe – C

1 Giới thiệu, lí thuyết cơ bản:

1.1 Giới thiệu:

Như ta đã biết, hiện nay có rất nhiều loại hợp kim được con người chế tạo vàứng dụng chúng rộng rãi trong cuộc sống hằng ngày Chẳng hạn hợp kim nhômđược dùng làm các dụng cụ gia dụng như thau, chậu, nồi, chảo… hoặc cũng cóthể dùng trong sản xuất cánh máy bay, hợp kim đồng ứng dụng trong các hệthống khí đốt, dây truyền tải ở lĩnh vực điện tử - viễn thông Hợp kim sắt ngoàidùng trong các công trình xây dựng nó còn giữ một vai trò quan trong trong lĩnhvực cơ khí, đặc biệt là hợp kim của sắc với Carbon (Fe – C) dùng để chế tạo cácchi tiết máy, các dụng cụ cắt gọt… Với từng hàm lượng Carbon khác nhau hợpkim Fe – C sẽ có cơ tính (độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dại) tương ứng do đó chialàm các loại khác nhau như thép và gang trắng Muốn chọn đúng vật liệu cho chitiết cần chế tạo trước tiên phải biết được các loại thép và gang trắng có điểm nàokhác nhau về cơ tính đồng thời phải phân tích được giản đồ trạng thái Fe – C để

từ đó đưa ra được lựa chọn loại vật liệu phù hợp với nhu cầu

- Carbon cũng có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau:

+ Vô định hình: Than, khoáng sản, gỗ

+Graphite: Kiểu mạng lục giác xếp lớp

Trang 8

- Tạo Austenite: là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong Feγ, tồn tại ở nhiệt

độ lớn hơn 727oC, có độ bền cao, độ dẻo cao, độ cứng thấp Hàm lượngcarbon lớn nhất là 0,02% ở 727oC và 2,14% ở 1147oC Kí hiệu: A, As, γ,Feγ(C)

- Tạo pha Cementite: là pha trung gian giữa sắt và carbon, độ cứng cao,chống mài mòn tốt nhưng rất giòn Hàm lượng carbon là 6,67% Kí hiệu: Ce.1.2.3 Giản đồ trạng thái Fe – C:

Đây là loại giản đồ cân bằng giả ổn định, Fe-Fe3C được sử dụng rộng rãitrong thực tế Phụ thuộc vào hàm lượng cacbon trong hợp kim mà người tachia hợp kim Fe-C thành 2 loại: Thép (0,02% < C ≤ 2,14%) và gang trắng(2,14% < C < 6,67%)

Hình 2.1. Giản đồ trạng thái Fe - C

Trang 9

Điểm Nhiệt độ 0 C % C Điểm Nhiệt độ 0 C % C

+ Cementite thứ ba (CeIII) cũng được tạo thành từ trạng thái rắn nhưng là

từ Ferrite khi nhiệt độ bé hơn nhiệt độ đường PQ (nhiệt độ < 727oC), hàm lượngcarbon giảm từ 0,02% ở 727oC → 0,006%C ở nhiệt độ thường Số lượng CeIII rất ít,

có thể bỏ qua

- Ferrite (F, α) : Là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα, mạng lậpphương thể tâm, trên giản đồ trạng thái nó độc lập trong vùng GPQ, hàm lượng

Trang 10

carbon tối đa hòa tan ở 727oC là 0,02%, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 0oC là0,006%.

- Austenite (γ, As): Là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ, mạng lậpphương diện tâm, trên giản đồ nó độc lập trong vùng NJESG, hàm lượng carbon tối

đa hòa tan ở 1147oC là 2,14%, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 727oC là 0,8%.1.2.4.2 Các tổ chức hai pha:

- Pearlite ( P=[ F+ Ce] ) là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferrite và

Cementite, tạo thành ở nhiệt độ 727oC từ dung dịch rắn Austennite có nồng độcarbon 0,8%, Pearlite chứa 88%F và 12%Ce Tùy vào hình dạng của Ce trong hỗnhợp ta phân biệt Pearlite tấm và Pearlite hạt

- Ledeburite [ Le=(γ+ Ce), (P+Ce) ] : là hỗn hợp cơ học cùng tinh, tạo thành

từ dung dịch lỏng có 4,3%C ở 1147oC (điểm C) Lúc mới tạo thành gồm Le = (γ +Ce), tồn tại trong khoảng nhiệt độ 727oC ÷ 1147oC, khi làm nguội xuống dưới

727oC thì γ chuyển thành P nên lúc này Le = (P + Ce); Loại này tồn tại ở nhiệt độdưới 727oC

2 Phân loại thép và gang trắng

2.1 Thép:

- Định nghĩa: Thép là hợp kim của Fe và C mà 0,02 < C% ≤ 2,14

- Thép trước cùng tích: Hàm lượng carbon từ 0,02% - 0,8% Tổ chức tế vi ởtrạng thái cân bằng là F+P Tỉ lệ F(màu sáng) và P (màu tối) phụ thuộc vàohàm lượng cacbon Hàm lượng cacbon càng cao thì tỉ lệ P càng cao

- Thép cùng tích: Hàm lượng carbon 0,8% Tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng

là 100% Pearlite có hai dạng là Pearlite tấm và Pearlite hạt

- Thép sau cùng tích: Hàm lượng carbon từ 0,8% - 2,14% Tổ chức tế vi ở trạngthái cân bằng là P + CeII có 2 dạng: CeII dạng hạt và CeII dạng lưới

2.2 Gang trắng:

- Định nghĩa: Gang trắng là hợp kim của Fe và C mà 2,14% < C < 6,67%

- Gang trắng trước cùng tinh: Hàm lượng carbon từ 2,14% - 4,3% Tổ chức tế

vi ở trạng thái cân bằng là P + CeII + LeII

- Gang trắng cùng tinh: Hàm lượng carbon 4,3% Tổ chức tế vi ở trạng thái cânbằng là 100% LeII

Trang 11

- Gang trắng sau cùng tinh: Hàm lượng carbon từ 4,3% - 6,67% Tổ chức tế vi

- Bước 3: Quan sát mẫu, đưa ra suy đoán sau khi quan sát tổ chức tế vi củamẫu

- Bước 4: Chụp ảnh lưu lại mẫu dùng làm tài liệu hình ảnh khi viết báo cáo.Tiếp tục thực hiện các bước tương tự với các mẫu còn lại

3 Kết quả:

Hình ảnh tổ chức tế vi của các mẫu đã quan sát được:

Trang 12

Hình 2.2. Mẫu số 1

Mẫu số: 1 Tên mẫu: Thép trước cùng tích

Độ phóng đại kính: 200

Mẫu số: 2 Tên mẫu: Thép cùng tích

Ferrite (màu sáng)

Pearlite

(màu tối)

Pearlite

Trang 13

Mẫu số: 3 Tên mẫu: Gang trắng trước cùng tinh

Mẫu số: 4 Tên mẫu: Gang trắng cùng tinh

Cementite

(màu sáng)

Pearlite (màu tối)

Trang 14

4 Phân tích, đánh giá, so sánh:

4.1 Phân tích:

- Các mẫu đã quan sát được đều có các tổ chức tế vi khác nhau

- Hợp kim của sắt và carbon được chia làm nhiều loại khác nhau, phụ thuộcvào hàm lượng carbon có trong nó

4.2 Đánh giá, so sánh:

- Các mẫu chụp được hiện lên tương đối rõ nét, có thể quan sát dễ dàng

- So với hình ảnh các tổ chức tế vi trong lí thuyết thì mẫu vẫn có sự khác nhaunhưng sự khác nhau này không đáng kể, nằm trong khoảng chấp nhận được Tuynhiên vẫn còn thiếu một số mẫu mà trong lí thuyết có trình bày

5 Kết luận:

- Hợp kim Fe – C bao gồm thép: thép trước cùng tích, thép cùng tích, thép saucùng tích và gang trắng: gang trắng trước cùng tinh, gang trắng cùng tinh và gangtrắng sau cùng tinh Sự phân loại này là do sự khác nhau về hàm lượng carbon, vềcác tổ chức và các pha

Mẫu số: 5 Tên mẫu: Gang trắng sau cùng tinh

Đại lộ Cementite

Trang 15

- Mẫu số 1 là thép trước cùng tích, hàm lượng carbon từ 0,02% đến 0,8% Tổchức tế vi ở nhiệt độ thường là Ferrite (màu sáng) và Pearlite (màu tối).

- Mẫu số 2 là thép cùng tích, hàm lượng carbon 0,8% Tổ chức tế vi là 100%Pearlite

- Mẫu số 3 là gang trắng trước cùng tinh, hàm lượng carbon từ 2,14% đến 4,3%

TP Hồ Chí Minh

- Kênh Youtube Tân Antaky:https://www.youtube.com/watch?v=CB1r0Em4feo

Trang 16

BÀI 3: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC GANG GRAPHITE

1.1 Giới thiệu:

Gang graphite là một loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí,gang graphite bao gồm nhiều phân loại khác nhau với nhiều ứng dụng như chế tạo

bệ máy móc và thiết bị nặng, trục khuỷu, bánh răng hay thanh truyền, khớp nối ống

và các máy móc khác Ở bài thí nghiệm số 2 ta thấy được rằng trong giản đồ hợpkim Fe – C chỉ trình bày về gang trắng mà không có sự xuất hiện của gang

graphite Vậy gang graphite có tính chất gì khác với gang trắng và giữa các phânloại của gang graphite có gì khác nhau cũng như sự khác biệt về cơ tính của từngloại, bài thí nghiệm số 3 sẽ trình bày rõ về những vấn đề này

1.2.2 Điều kiện hình thành graphite:

- Khi có thêm >1% Si và được làm nguội chậm thì Cementite phân hủy thànhFerrite và Graphite

1.2.3 Hình dạng và phân loại gang graphite:

- Gang graphite có thể quan sát ngay sau khi đánh bóng mà không cần tẩmthực

- Gang xám: Graphite có dạng tấm, hai đầu nhọn Gang xáp giòn, độ bềnkéo thấp, độ bền nén thì tốt hơn, chịu mài mòn tốt, chống rung tốt Gồm ba loại:Gang xám Ferrite, gang xám Ferrite + Pearlite, gang xám Pearlite

- Gang dẻo: Graphite có dạng cụm, tạo thành bằng cách ủ gang trắng từ

1000oC với thời gian ủ dài Có độ bền cao hơn gang xám nhưng thấp hơn gang cầu.Gồm ba loại: Gang dẻo Ferrite, gang dẻo Ferrite + Pearlite, gang dẻo Pearlite

- Gang cầu: Graphite có dạng hình cầu, tạo thành bằng cách biến tính gangxám khi đúc với những nguyên tố cầu hóa như Mg, Ce… Có độ bền cao nhất trong

Trang 17

ba loại, cao gần bằng thép Gang cầu gồm ba loại: Gang cầu Ferrite, gang cầuFerrite + Pearlite, gang cầu Pearite.

2 Vật liệu, thiết bị, quy trình thí nghiệm:

- Bước 3: Quan sát mẫu, đưa ra suy đoán sau khi quan sát tổ chức tế vi củamẫu

- Bước 4: Chụp ảnh lưu lại mẫu dùng làm tài liệu hình ảnh khi viết báo cáo.Tiếp tục thực hiện các bước tương tự với các mẫu còn lại

3 Kết quả:

Hình ảnh tổ chức tế vi của các mẫu gang graphite đã quan sát được:

Trang 18

Mẫu số: 1 Tên mẫu: Gang xám nền F

Mẫu số: 2 Tên mẫu: Gang xám nền F + P

Graphite

Graphite (Dạng tấm) Pearlite

(màu tối)

Ferrite (màu sáng)

Trang 19

Mẫu số: 3 Tên mẫu: Gang dẻo nền F

Mẫu số: 4 Tên mẫu: Gang dẻo nền F + P

Trang 20

Mẫu số: 6 Tên mẫu: Gang cầu nền F + P

Trang 21

- Mỗi loại gang sẽ có một loại hình dạng Graphite nhất định (dạng tấm, dạngcụm bông, dạng cầu) kết hợp với các nền khác nhau, có thể thấy gang Graphite khá

đa dạng

4.2 So sánh, đánh giá:

- Các mẫu chụp được hiện lên tương đối rõ nét, có thể quan sát dễ dàng

- So với hình ảnh các tổ chức tế vi trong lí thuyết thì mẫu vẫn có sự khác nhaunhưng sự khác nhau này không đáng kể, nằm trong khoảng chấp nhận được Tuynhiên vẫn còn thiếu một số mẫu mà trong lí thuyết có trình bày

5 Kết luận:

- Các loại gang Graphite khác nhau là do được tạo thành bằng các phương thứckhác nhau (gang dẻo được ủ từ gang trắng, gang cầu được biến tính từ gang xámkết hợp với nguyên tố cầu hóa) Mỗi loại gang Graphite đều có những cơ tính đặctrưng của nó

- Mẫu số 1 và mẫu số 2 đều là gang xám với nền tương ứng là Ferrite và Ferrite+ Pearlite Hai mẫu đều có tính chất giòn, độ bền kéo thấp, độ bền nén cao hơn,chịu mài mòn và chống rung tốt Xét về độ cứng thì mẫu số 2 sẽ cứng hơn mẫu số1

- Mẫu số 3 và mẫu số 4 là gang dẻo với nền tương ứng là Ferrite và Ferrite +Pearlite Là loại gang có độ bền cao hơn gang xám, so về độ cứng thì mẫu số 4 sẽcứng hơn mẫu số 3

- Mẫu số 5 và mẫu số 6 là gang cầu với nền tương ứng là Ferrite và Ferrite +Pearlite Loại gang này cứng nhất trong ba loại gang Graphite và gần bằng thép.Mẫu số 6 sẽ có độ cứng lớn hơn mẫu số 5

TP Hồ Chí Minh

- Kênh Youtube Tân Antaky:https://www.youtube.com/watch?v=IoRc2AcMs9I

Trang 22

BÀI 4: ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÔI THÉP

1.1 Giới thiệu:

Độ cứng chính là thang đo cơ bản mà ta dựa vào để chọn được loại vật liệuthích hợp cho các loại chi tiết cần chế tạo Dụng cụ cắt gọt sẽ có độ cứng khác vớibánh răng các loại hay các chi tiết lò xo Do đó việc đo được độ cứng một cáchchính xác vô cùng quan trọng vì nó quyết định giá trị độ bền của chi tiết cần chế tạo.Như ta đã biết ở các bài thí nghiệm trước, thép là hợp kim giữa sắt và carbon, ởtrạng thái bình thường thép có độ cứng tương đối thấp trong khi nhiều loại chi tiếtkhông chỉ riêng trong cơ khí mà ở nhiều lĩnh vực khác yêu cầu phải có được độcứng cao để làm việc trong các môi trường chịu tải trọng lớn, chịu mài mòn cao, vìvậy thông qua nghiên cứu người ta tìm chỉ ra một phương pháp nhiệt luyện để khắcphục nhược điểm này, đó chính là quá trình tôi thép Ở bài thí nghiệm số 4 ta sẽ tìmhiểu về các phương pháp đo độ cứng vật liệu, quá trình tôi thép để biến đổi cơ tínhcủa thép, tạo ra vật liệu phù hợp với yêu cầu chịu tải, chịu mài mòn lớn mà thép ởtrạng thái bình thường chưa đạt được cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ và môitrường làm nguội đối với độ cứng của thép

1.2 Lí thuyết cơ bản:

1.2.1 Độ cứng và các phương pháp đo độ cứng:

Khái niệm: Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu dưới tácdụng của tải trọng thông qua mũi đâm

1.2.1.1 Phương pháp đo độ cứng Brinell (HB):

- Dùng để đo những vật liệu mềm (16HB – 627 HB) như kim loại màu, hợpkim màu, thép, các loại gang graphite, không đo được vật liệu mỏng

- Dùng mũi đâm bi thép có đường kính D = 2,5; 5; 10 (mm)

- Tải trọng tương ứng: P = 1875 7500, 30000 (N)

- Công thức tính HB = PS x0,1 (N/mm2)

- Điều kiện đo độ cứng Brinell:

+ Chiều dài mẫu thí nghiệm không nhỏ hơn 10 lần chiều sâu của vết lõm.+ Bề mặt mẫu thử phải sạch, phẳng, không có khuyết tật

Tiêu đề	Báo Cáo Thí Nghiệm Vật Liệu Học
Tác giả	Trần Quốc Toàn
Người hướng dẫn	Nguyễn Thanh Tân
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hcm
Thể loại	báo cáo
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	37
Dung lượng	3,05 MB