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

Định nghĩa 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 là nguội với tốc độ quy định, nhằm thay

TRUONG DAI HQC CONG NGHIEP TP HO CHi MINH

KHOA CONG NGHE CO KHi

INDUSTRIAL UNIVERSITY OF HOCHIMINH CITY

BAO CAO THUC HANH MON: VAT LIỆU CƠ KHÍ VÀ THÍ NGHIỆM CO HOC VAT

LIỆU

LOP HOC PHAN: DHCKIS8BTT 1 - 4

GVHD: Huynh Xuan Khoa

LOI CAM ON Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy vì những kiến thức quý báu mà thây đã truyền đạt trong môn Vật liệu cơ khí và Thí nghiệm cơ học Qua những bài giảng đây tâm huyết, sự nhiệt tỉnh và cách truyền đạt dễ hiệu của thầy, chúng em không chỉ năm vững kiến thức lý thuyết mà còn hiệu rõ hơn về ứng dụng thực tế của môn học trong ngành kỹ thuật

Thây không chỉ giúp chúng em hiệu sâu hơn về các tinh chất cơ học của vật liệu mà còn rèn luyện cho chúng em kỹ năng làm việc nhóm, tư duy phân tích và sự cần trọng trong từng thí nghiệm Những điều này chắc chăn sẽ là hành trang quý giá trên con đường sự nghiệp sau này của chúng

em

Một lần nữa, chúng em xin cảm ơn thầy và kính chúc thầy luôn đồi dào sức khỏe, tràn đầy nhiệt huyết đê tiếp tục dân dắt nhiêu thê hệ sinh viên trên con đường học tập và nghiên cứu

\

MUC LUC

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

L CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Định nghĩa 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 là nguội với tốc độ quy định, nhằm

thay đổi tổ chức, do đó nhận được cơ tính và tính chất khác theo ý muôn

1.1.1 Quy trình nhiệt luyện

Hinh 1.1 Quy trinh nhiét luyén

+ Một quy trình nhiệt luyện bao gồm 3 giai đoạn: Nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm

L.1.2.Xác định vùng nhiệt độ nhiệt luyện cho các phương pháp nhiệt luyện khác nhau dựa vào giản đồ pha Fe-C

Hình 1.2 Giản đồ pha Fe-C

- Šress- relief temp : Vùng nhiệt độ khử ứng suất 500-550°C

- Recrytallisation temp : Vùng nhiệt độ tinh thê hóa 600-650°C

- Spherroidilizing temp: Vùng nhiệt độ cầu hóa 700-750°C

- Carburizing temp: vùng nhiệt độ thắm cacbon 950-1000°C

- Forging temp: vung nhiệt độ rèn 1000-1 100°C

- Full annealing + quenching: Ủ và tôi

L1.3 Xác định tốc độ nguội dựa vào giản đồ T-T-T (giản đồ 2C)

0 Tine, im seconds lo io* to"

Hinh 1.3 Gian d6 T-T-T (Time-Temperature Transformation Curve)

+ Giản đồ T-T-T mô tả mối quan hệ giữa nhiệt độ, thời gian và chuyên biến trong thép khi làm

nguội

+ Giản đồ T-T-T xây dựng cho thép cùng tích có hàm lượng cacbon đúng bằng 0,8

Người ta lay nhiéu mau thép nung lên đến nhiệt độ 750L sau đó làm nguội xuống với các tốc độ

- Oil quench: tôi dầu tốc độ nguội nhanh cấu trúc đạt được là 2 pha Martensite and pearlite (cứng)

- Water quench: tôi nước nguội rất nhanh cầu trúc đạt được là Martensite (rất cứng)

+ Từ bên phải sang bên trái tốc độ nguội tăng lên

Coarse pearlite: mat 27 gid dé lam ngudi

Fine pearlite: mat khoang tam 2 gid dé lảm nguội

Martensite and pearlite: mat khoảng tầm 100 giây đề làm nguội

Martensite: mất khoảng tầm 5 giây dé làm nguội

1.1.4 Xác định thời gian giữ nhiệt

- Thời gian nung có thể chọn theo các định mức kinh nghiệm tra trong các số tay nhiệt luyện với

các hệ số hiệu chỉnh về hình dáng chỉ tiết, cách sắp xép và môi trường nung

Công thức : Tự = 4" gy tn

11.5 Tôi - Ram thép

+ Tôi:

Định nghĩa: Tôi thép là phương pháp nung nóng thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn đề làm xuất hiện

tố chức Austenit giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thích hợp đề austenit chuyên thành mactenxit hay

các tô chức không én định khác với độ cứng cao

Mục đích của tôi thép là: Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của thép

Chọn nhiệt độ tôi:

- Đối với thép trước cùng tích (I0,8%C)

+ Ti = As + 300500); trang thai hoan toanO

+ Tổ chức sau tôi là M (mactenxic) + E(Austenite du) + Ung Suat a,

+ Tôi hoàn toàn

- Đối với thép sau cùng tích (F10,9%C)

+ THại = Ai + (30LI50LIC); trạng thái (+ Xen)

+ Tổ chức sau tôi là M + Xeu + H dư+ Ứng Suất a

+ Tôi không hoàn toàn

Giữ nhiệt và làm nguội nhanh hợp lý (làm nguội trong nhiều môi trường khác nhau) Chỉ tiết cứng

cả trong lần ngoài Đề đánh giả hiệu quả của các phương pháp tôi người ta đưa vào chỉ tiêu độ thâm tôi

- Cầu trúc mong muốn đạt được sau tôi: Cấu tric Mactenxit

Hình 1.4 Cầu trúc Maetenxitt

+ Ram:

Định nghĩa: Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi dưới

các nhiệt độ nhiệt độ tới hạn (AC1), giữ nhiệt độ ở một thời gian và làm nguội Nhằm

đề mactenxit và austenit dư phân hóa thành các tô chức thách hợp phù hợp với điều

kiện làm việc quy định

Mục đích của ram thép: là làm giảm hoặc làm mat cac ứng suât dư sau

khi tôi đên mức cân thiệt đề đáp ứng điều kiện làm việc lầu dài của sản phâm cơ khí

mà vẫn duy trì cơ tính sau khi tôi

Ket qua ram mong muon:

Ram thap Ram trung binh Ram cao

Dinh nghia Tổ chức nhận được là Tô chức đạt được là Tổ chức đạt được là

mactenxit ram, độ cứng hâu | trustit ram Có độ cứng Xoocbit ram, tao co tinh như không thay đổi, ứng cao (40-50 HRC) ứng tống hợp cao, độ bên, độ

suất giảm chút ít, chỉ tiết có | suất giảm mạnh, độ đẻo | dẻo, độ đai đều cao, còn

độ cứng và chịu mòn cao đai tăng, giới hạn đản hồi | độ cứng giảm mạnh

đạt giá trị lớn nhất

T°ram 150 + 250°C 350 + 450°C 550 + 650°C TCTV

Mactenxit ram -

Co tinh Cứng cao, dẻo-dai thập Cơ tính tông hợp (vừa) Cứng-bên thấp dẻo-dai

Cimg-bén voi déo-dai _ (đàn hồi)

+ Muốn quan sát được phản xạ ảnh sáng bẻ 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 phan trong hinh anh được tạo ra là do sự khác biệt vẻ hệ số phản xạ của

các vùng khác nhau của cầu trúc vi mô

+ Kính hiên vi quang học là một loại kính hiển vi sử dụng ánh sáng khả kiến đề quan sát hình ảnh

các vật thê nhỏ được phóng đại nhờ một hệ thống các thấu kính Kính hiển vi quang học là dạng

kính hiển vi đơn giản, lâu đời nhất và cũng là phô biển nhất Các kính hiện vi quang học cũ thưởng 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 đề chụp ảnh

L2.2 Quá trình chuẩn bị mẫu để quan sát tô chức (mài, đánh bóng, tâm thực)

+ Mài mẫu: là bước đầu tiên trong quá trình chuẩn bị mẫu để quan sát, cau trúc vi mô Đây là quá trình loại bỏ lớp bề mặt không đồng đều hoặc bị hư hỏng từ quá trình cắt, nhằm tạo ra một bề mặt phẳng và đồng đều trước khi đánh bóng và tâm thực

- Mục đích của mài mẫu

H Tạo bề mặt phẳng: Đảm bảo bề mặt mẫu đồng đều, không bị cong vênh hoặc gồ ghè

H Loại bỏ lớp hư hại: Xóa bỏ các vét xước hoặc lớp vật liệu bị biến dang do qua trinh cắt

H Chuẩn bị cho bước đánh bóng: Tạo bề mặt đủ mịn đề dễ dàng chuyên sang giai đoạn đánh bóng

+ Đánh bóng mẫu: là giai đoạn tiếp theo sau quá trình mài, nhằm loại bỏ hoàn toàn các vết xước

còn sót lại trên bề mặt mẫu, đồng thời tạo ra một bề mặt nhăn, sáng bóng và đồng đều Điều nảy giúp quan sát rõ ràng cau trúc vi mô của vật liệu dưới kính hiển vi mà không bị nhiễu bởi các khuyết điểm bề mặt

- Mục đích của đánh bóng mẫu

H Loại bỏ vết xước: Xóa sạch các vết xước còn lại từ bước mài tính

H Tạo bề mặt phản chiếu: Đảm bảo bề mặt đủ sáng bóng đề tối ưu hóa quan sát bằng kính hiển

* Đánh bóng thô : giúp xử lý bề mặt giảm thiêu các vết xước đề quá trình đánh bóng tinh đạt hiệu quả tốt và nhanh hơn, sử dụng các hạt tình thê kim cương

* Đánh bóng tỉnh: thông dụng nhất là sử dụng nhôm oxit đề mài mòn mẫu vì độ cứng và độ bền cao cua nd

+ Tâm thực: là quá trình xử lý bề mặt mẫu bằng dung dịch hóa học hoặc điện hóa nhằm làm nỗi

bật các đặc trưng của tô chức vi mô Dung dịch tâm thực sé tan công chọn lọc vào các pha, hạt,

hoặc vùng co tinh chat khác nhau trong mâu, tạo ra sự tương phản giúp quan sat cau trúc vi mô rõ ràng hơn dưới kính hiện vị

- Mục đích của tâm thực

+ Làm nỗi bật tổ chức vi mô:

H Tăng sự tương phản giữa các pha, hạt hoặc cầu trúc

H Giúp xác định rõ ràng ranh giới hạt, kích thước hạt, pha hoặc khuyết tật

+ Phân tích đặc tính vật liệu:

H Hiển thị các vùng có thành phan hóa học hoặc tính chất cơ học khác nhau

H Phát hiện các pha, hợp chất hoặc cấu trúc đặc biệt trong vật liệu (như cacbit, graphit, hoặc

các hạt oxIt)

13 Phương pháp đo độ cứng HRA

I THUC HANH

H.1 Nhiệt luyện

HI.1.1 Vật liệu sử dụng, phần công nhóm

4 C45 875 °C — Téi nude + Ram thap (200°C/15’)

5 C45 875 °C — Téi nude + Ram trung binh (350°C/15’)

6 C20 875 °C - U (cùng lò)

7 C20 875 °C — Tôi nước

Xác định độ dai va đập

§ C45 (vuông) 875 °C Tôi dầu

9 C45 (vuông) 875 °C Tôi nước

10 C45 (vuông) 875 °C - Ủ (lò)

11 C45 (vuông) Ban đầu

12 C45 (vuông) 875 ˆC — Tôi nước + Ram trung bình (350°C/15`)

Thử kéo

13 C45 (dải) Ban đầu

14 C45 (dải) 875 °C - Ủ (lò)

15 C45 (đài) 875 °C Tôi nước

16 C45 (đài) 875 °C Tôi nước + Ram trung bình (giống mẫu 5)

17 C45 (đài) 875 °C Tôi dầu

Nhận xét :

- Vật liệu : sử dụng 2 loại thép trước cùng tích C20-C45, gồm 2 pha pearlite và fearlite

- Phương pháp nhiệt luyện: ủ , thường hóa, tôi , ram

- Các loại mẫu :

7 Tròn : đề thực hành nhiệt luyện

H Vuông : để đo độ dai va đập

H Dài : đề đo độ bền kéo

H.1.2 Quy trình thực hành tôi + Ram thép (quy trình tổng hợp)

+ Ta nung nóng các mẫu lên khoảng nhiệt độ 870°C, sau đó thực hiện các phương pháp Tôi nước, tôi dầu, thường hóa, ủ trong lò, và Ram Trung Bình 315°C (15 phút), Ram thấp 200°C (15 phút) + Tiến hành quan sát các mẫu dưới kính hiển vi và thử độ cứng các mẫu, sau đó tiễn hành đánh giá

H.1.3 Mô tả quá trình thực hành nhiệt luyện

Bước Công việc Mô tả

1 Xếp phôi vào lò | Mở cửa lò, xếp phôi theo thứ tự

nung của các nhóm

2 Thiết lập nhiệt | Mở công tắc điện điều chỉnh

độ nhiệt độ của máy đến khi nhiệt

độ màu xanh bằng mà đỏ

3 Giữ nhiệt Khi máy đến nhiệt độ thiết lập

chúng ta đóng cửa lò nung và giữ nhiệt 875°*Ÿ trong 5 phút

4 Làm nguội nhúng vào nước, dầu hoặc làm Tiên hành làm nguội băng cách

Bước l: Mài thô - P120: đánh gi,

tạo phăng bê mặt Mài 5 lần — kiêm

tra — xoay mat 90° - tiếp tục mai —

phang dimg

Bước 2: Mài thô — P400: đánh gỉ,

tạo phẳng bề mặt Mài 5 lần - kiểm

tra — xoay mat 90° - tiếp tục mai —

Bước 4: Mài tinh — P2000 : tạo

phang Mai 5 lần — kiểm tra — xoay mặt 90° - tiếp tục mài — phẳng dừng

Bước 5: Đánh bóng bằng kem AI2O3 Dùng vải + kem chà xát lên bề mặt đã mài — quan sát — vết xước mờ - dừng

Bước 6: Tâm thực Dùng dung dịch 4% HNO3 trong côn tâm vào tăm bông và bôi lên bề mặt đã đánh bóng sau đó dùng đầu tăm

bông còn lại để lau khô

Pha 21 giọt cén +1 giot axit,

dùng tăm bông bôi lên 2 bê mặt

đã đánh bóng, rửa lại bằng cồn sau

đó sây khô

Bước 7: Chụp Đặt mẫu, chọn ống kính (200x,400x), lây nét, chỉnh

sáng, chọn vùng đẹp đề chụp

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

Bước

1

Mô tả Hình ảnh Đặt mầu lên vùng sáng của thiết bị

sao cho trùng với vùng ăn mòn của

mầu kim loại

Lây nét rõ vùng ăn mòn của kim loại

Chỉnh độ sáng

Chọn vùng

Chọn ống kính

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

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

0 - Vật liệu: C45

- Xử lý nhiệt; Mẫu 0-C45- 875 °C -Ủ (cùng lò) - mài 2000-db-TT-200xbmp

- Tổ chức tế vi: gồm 2 phân Ferrit (vùng sáng) và Pratlite (vùng tối) Tĩnh thé to

~ Tôi dầu - mài 2000- -db-tt-400xbmp

- Tổ chức tế vi: Pearlite (những vùng tối) và Mactenxic (dang hinh kim), Austenite dư (vùng sang nhỏ)

- Xử lý nhiệt: Mẫu 7 -C20-875 °C tôi nước - mài 2000-db-tt-400x-bmp

- Tổ chức tế vi: cầu trúc tô chức Mactenxic tôi (dang hinh kim), Austenite du (vùng sáng nhỏ) Nhung cau tric Mactenxic thua va không mịn như

M3 do sự chênh lệch lượng Cacbon

Phân tích cấu trúc:

Mau 0 > Mau 1 > Mẫn 2 > Mẫu 3: Tốc độ nguội tăng lên cầu trúc biến đối từ hạt pelit thô biến đôi sang dạng mastersit rất nhỏ mịn

- Mau 3, Mau 4 va Mau 5: khi nung trở lại các mẫu đã tôi nước, cấu trúc biến đổi từ matersit

tôi sang master ¬ - - :

- Mau 0 va Mau 6: 2 mau đều là ủ lò nhưng đô mẫu 0 là mâu ít Cacbon hơn nên cầu trúc ít pha pearlit hơn

- _ Mẫu 3 và Mẫu 7: 2 mẫu đều là tôi nước, nhưng mẫu 7 ít các bon hơn ( c20) nên cau tric

masyersit cua no thua hơn, nó ít nhỏ mịn ( thô) hơn mẫu 3

H.3 Đo độ cứng, kết quả (2)

- Nguyên lý phương pháp Charpy xác định năng lượng phá hủy mẫu :

Cho một búa treo có trọng lượng [m] đã biết, chiều dài [I] Nảy búa lên một độ cao [H], ta tích năng

lượng cho búa một năng lượng [Et| Đặt vật liệu, khi búa được thả sẽ đập vào mâu khi búa dư năng

lượng [Es] chạy lên một độ cao [h] mà nó nâng lên sau khi làm bieng dang mau vật Nêu lượng

năng lượng mà vật hấp thụ càng lớn thì đao động hướng lên trên con lắc sẽ cảng nhỏ và vật liệu càng nhỏ, điều ngược lại đúng cho trường hợp còn lại

- Tính độ dai va đập

Hình 2.1 Nguyên ly do va dap

*Ghi chu:

1: Chiéu dai con lac (m)

ơ;: Góc nâng búa ( đọc kim đồng hồ đen )

ơ;: Góc sau va chạm ( doc kim đồng hồ đỏ )

H: Chiều đài con lắc rơi (m)

h: Chiều cao nâng (m)

ak: Độ dai va dap (J/mm’)

Et: Năng lượng búa lúc đầu (J)

Es: Năng lượng búa lúc sau (J)

AE: Năng lượng búa bị hấp thụ bởi vật liệu (J)

h=I— I*sin(90T- ơ,)

=> Lúc này năng lượng thé nang cua bua la