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

Qua những buổi giảng và hướng dẫn, thầy đã truyềnđạt cho chúng tôi những kiến thức chuyên sâu về các loại vật liệu cơ khí, từ những khái niệm cơ bản đến những phương pháp nâng cao trong

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

BÁO CÁO THỰC HÀNH MÔN VẬT LIỆU CƠ KHÍ VÀ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC VẬT LIỆU

Giáo viên hướng dẫn : TS Huỳnh Xuân Khoa

TP Hồ Chí Minh, 10 tháng 5 năm 2024

Lời cảm ơn

Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và lòng biết ơn chân thành đến

TS Huỳnh Xuân Khoa - người thầy, người hướng dẫn và người đồnghành của chúng tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu môn "Vật liệu

Cơ khí và Thí nghiệm Cơ học Vật liệu"

TS Huỳnh Xuân Khoa không chỉ là một giảng viên xuất sắc mà còn

là một người thầy tận tâm, luôn sẵn lòng chia sẻ kiến thức và kinhnghiệm của mình Qua những buổi giảng và hướng dẫn, thầy đã truyềnđạt cho chúng tôi những kiến thức chuyên sâu về các loại vật liệu cơ khí,

từ những khái niệm cơ bản đến những phương pháp nâng cao trong thửnghiệm và đánh giá tính chất cơ học của chúng

Nhờ sự tận tâm và kỹ năng giảng dạy của thầy, chúng tôi đã có cơhội tiếp cận và áp dụng những kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, từ việclựa chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng cụ thể đến việc thực hiện cácthí nghiệm để kiểm tra và đánh giá tính chất của vật liệu đó

Ngoài ra, chúng tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn đến TS HuỳnhXuân Khoa vì sự hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi trong quátrình nghiên cứu và thực hiện bài báo cáo TS này Thầy luôn mở cửa chocác buổi thảo luận, giải đáp mọi thắc mắc của chúng tôi và tạo ra một môitrường học tập tích cực và tràn đầy cảm hứng

Cuối cùng, chúng tôi xin kính chúc TS Huỳnh Xuân Khoa sức khỏedồi dào, niềm vui và thành công trong mọi lĩnh vực cuộc sống và sựnghiệp Hy vọng rằng chúng tôi sẽ có cơ hội được tiếp tục học hỏi và làmviệc cùng với thầy trong tương lai

MỤC LỤC

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

I Cơ sở lý thuyết

I.1 Định nghĩa Nhiệt luyện

I.2 Phân tích tổ chức

I.3 Phương pháp đo độ cứng HRA

II Thực hành

II.1 Nhiệt luyện

II.2 Phân tích tổ chức

Bài 2 Thực nghiệm đo cơ tính của thép

I Phương pháp xác định độ dai va đập

I.1 Cơ sở lý thuyết

I.2 Thực hành

II Phương pháp căng kéo

II.1 Cơ sở lý thuyết

II.2 Thực hành

nung nung

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

I Cơ sở lý thuyết

I.1 Định nghĩa Nhiệt luyện

Nhiệt luyện: là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến

nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó trong một thời gian nhất 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 muốn

I.1.1 Quy trình nhiệt luyện

 Bản chất của nhiệt luyện là làm thay đổi tính chất thôngqua 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 nung ( t phụ thuộc vào kích thước chi tiết ).gn

 Tốc độ nguội vnguội: là độ giảm của nhiệt độ theo thời

gian sau thời gian giữ nhiệt, tính ra C/s (v0 chọn dựa vào

nguội

bản đồ )

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

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

Theo giản đồ pha Fe-Fe3C ta phân loại các phương pháp dựa vào

%C và nhiệt

độ 0C:

- Khoảng thấp hơn A1 là phương pháp ủ cầu hóa

- Khoảng từ A3-Acm là phương pháp thường hóa

- Khoảng từ cao hơn A1 và sau Acm là phương pháp ủ và tôi

- Dựa vào giản đồ pha Fe-Fe3C ta chọn được nhiệu độ nung

luyện cho thép:

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 là Peclit thô và Ferit gần như

là Fe nguyên chất, có độ dẻo cao nhất, và có độ cứng thấp

I.1.4 Tôi – Ram thép

I.1.4.1 Tôi thép

 Định nghĩa: Tôi thép là phương pháp nung nóng thép lên

cao quá nhiệt độ tới hạn để làm xuất hiện tổ chức Austenitgiữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thích hợp để austenit chuyểnthành mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác với độcứng 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 (≤0,8%C):

+ T0 = At c3 + (30÷500C); trạng thái hoàn toàn)  ;

+ Tổ choc sau tôi là M(mactenxic) + Austenite dư) + ƯS dư;(

+ Tôi hoàn toàn?;

 Đối với thép sau cùng tích (≥0,9%C)

+ T0 = At c1 + (30÷500C); trạng thái ( +  XeII);

+ Tổ chức sau tôi là M XeII + + dư+ ƯS dư;

+ Tôi không hoàn toàn ?

Giữ nhiệt và làm nguội nhanh hợp lý (làm nguội trong nhiềumôi trường khác nhau) Chi tiết cứng cả trong lẫn ngoài Đểđánh giá hiệu quả của các phương pháp tôi người ta đưa vào chỉtiêu độ thấm tôi

 Cấu trúc mong muốn đạt được sau tôi: hình cấu trúc

 Mục đích của ram thép:

Là làm giảm hoặc làm mất các ứng suất dư sau khi tôi đến mứccần thiết để đáp ứng điều kiện làm việc lâu dài của sản phẩm

cơ khí mà vẫn duy trì cơ tính sau khi tôi

 Lựa chọn nhiệt độ ram:

+ Ram thấp: phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng

150 - 2500C tổ chức đạt được là Mactenxit ram

+ Ram trung bình: phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 300 - 4500C tổ chức đạt được là trustit ram, có độ cứng cao chống mài mòn tốt

 Kết quả ram mong muốn:

Hình 5: Cấu trúc Mactenxit ram Hình 6: Cấu trúc trustit ram

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

Hình 7: Mô tả nguyên lí phương pháp hiển vi quang học

+ Ngoài ra khi ta đánh bóng và xử lý bề nặt bằng dung dịchtới một mức đô nhất định ta có thể thông qua phản xạ ánh sáng

quan sát được ranh giới giữa các hạt kim loại.

+Kính hiển vi quang học là một loại kính hiển vi sử dụngánh sáng khả kiến để quan sát hình ảnh các vật thể nhỏ đượcphóng 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 phảiquan sát hình ảnh trực tiếp bằng mắt nhìn qua thị kính, nhưngcác kính hiện đại hiện nay còn được gắn thêm các CCD camerahoặc các phim ảnh quang học để chụp ảnh

Hình 8: Kính hiển vi quang học

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

tẩm thực)

Mài mẫu: Đây là bước làm cần thiết để loại bỏ các tổn hại cấu

trúc mẫu trước đó Quy trình mài thô mẫu giúp tiếp cận nhanhđến vị trí cần phải phân tích trên mẫu, tạo ra bề mặt phảng banđầu cần thiết cho các bước mài và đánh bóng tiếp theo Quátrình mài có thể thực hiện bằng cách ướt hoặc khô bằng cách

sử dụng giấy nhám trên các đĩa quay Trong giai đoạn này đểđạt hiệu quả tốt nhất cần phải chọn đúng loại giấy mài và bộtmài phù hợp

Đánh bóng mẫu: Quá trình đánh bóng được chia thành hai

giai đoạn là đánh bóng thô và đánh bóng tinh.

Đánh bóng thô: Quá trình đánh bóng thô giúp xử lý bề

mặt giảm thiểu các vết xước để quá trình đánh bóng tinhđạt hiệu quả tốt và nhanh hơn, sử dụng các hạt tinh thể kimcương

Đánh bóng tinh: thông dụng nhất là sử dụng nhôm oxit để mài

mòn mẫu vì độ

cứng và độ bền cao của nó

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 trênmẫu có các vết xước nhỏ do đánh bóng chưa tốt, các vếtnứt tế vi, rỗ khí, xỉ tạp chất, một số pha và tổ chức nhưcacbit, graphit, chì, …

+ Tẩm thực là quá trình ăn mòn bề mặt mẫu bằng cácdung dịch hóa học thích hợp, gọi là dung dịch tẩm thực khi tẩmthực, biên giới các pha, các vùng tổ chức sẽ bị ăn mòn nhưngvới những tốc độ khác nhau Sau khi tẩm thực bề mặt mẫu sẽlồi, lõm tương ứng với các pha và tổ chức Do đó, có thể nhậnbiết được hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha

I.3 Phương pháp đo độ cứng HRA

+ Trên máy đo độ cứng Rockwell có hai thang chia

Thang chia C, khi thử bằng mũi đo kim cương với lực ấn

150kgf và thang chia B khi dùng viên kim cương với lực ấn100kgf Viên bi (ứng với thang chia B) được dùng để thử độcứng Rockwell của thép chưa tôi, đồng, đồng thau, còn các vậtliệu thật cứng thì phải thử bằng mũi đo kim cương như ở thangchia C, nhưng với lực ấn 60kgf, đọc trên thang chia kí hiệu bằng

chữ A Do đó, khi ghi độ cứng Rockwell ta phải ghi rõ đơn vị

của độ cứng là: HRC, HRB hay HRA

Hình 9: Phân loại độ cứng theo phương pháp HR

+ k: là hằng số (dùng bi k= 130,dùng mũi kim cương thì k = 100.)

+ e: là giá trị một độ chia của e Đối với đo cứng e = 0,002mm

Đối với đo mềm hay còn gọi là đo cứng bế mặt e = 0,001mm

+ 0,002 hay 0,001 là giá trị của vạch chia đồng hồ hay khi mũi

thử ấn sâu thêm 0,002 mm hay 0.001 mm thì kim dịch đi một

vạch

+ h: là hiệu độ sâu hai lần ấn (mm) h = h2-h1

II Thực hành

II.1 Nhiệt luyện

II.1.1 Vật liệu sử dụng, phân công nhóm

0 C45 (tròn) 875 ˚C - Ủ (cùng lò)

5 C45 875 ˚C – Tôi nước + Ram trung bình (350˚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’)

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

Nhận xét:

Ta sử dụng 2 mẫu thép Cacbon là: thép C45 và thép C20 Xử

lí nhiệt chúng qua các quá trình tôi, ram và sau đó thử độ bền va

đập và độ bền kéo nhằm đánh giá cơ tính của chúng

Mẫu thép C45 có %C trung bình có độ bền, độ cứng, độ dẻo,

độ dai đều cao (có cơ tính tổng hợp cao), hiệu quả tôi + ram cao,

Dùng làm chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập

Thép C20 có %C thấp nên có độ dẻo, độ dai rất cao, nhưng độ

bền, độ cứng rất thấp nên hiệu quả nhiệt luyện tôi và ram không cao

II.1.2 Quy trình thực hành tôi + ram thép (quy trình tổng hợp)

Biểu đồ qui trình tôi-ram thép

+ Ta nung nóng các mẫu lên khoảng nhiệt độ 875 , sau đó 𝑜𝐶

thực hiện các phương pháp Tôi nước, tôi dầu, thường hóa, ủ

trong lò, và Ram TB350 (15 phút), Ram thấp 200 (15 phút).𝑜 𝑜

+ Tiến hành quan sát các mẫu dưới kính hiển vi và thử độ cứng các mẫu, sau đó tiến hành đánh giá.

II.1.3 Mô tả quá trình thực hành nhiệt luyện

Bước 3: Giữ nhiệt

875oC 10 phút

Bước 4: Làm nguội

Sau khi mẫu được

nung và giữ nhiệt, lấy

ra khỏi lò nung

Ta cho mẫu vào nước,

dầu tôi theo thời gian

Sau khi tôi dầu được 1 phút gấp mẫu lên

Sau khi tôi nước được 1 phút gấp mẫu lên

Đặt mẫu như hình, điều chỉnh độ sáng phù hợp, chụp ở 400x

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

(các mẫu có độ phóng đại X400 lần)

M

Vật liệu: thép C45

Xử lý nhiệt: Ủ

875𝑜𝐶 trong lò mai2000-db-tt- chụp

ở x400

Tổ chức tế vi: gồm 2phần ferrit(vùng trắng), pearlite (vùng đen)

1

Vật liệu: thép C45

Xử lý nhiệt: 875𝑜𝐶_ Thường hóa, mai2000-db-tt- chụp

ở x400

Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức Pearlite (mảng vùngđen mịn) ferrit (vùng trắng ít)

2

Vật liệu: thép C45

Xử lý nhiệt: 875𝑜𝐶_ Tôi dầu, mai2000-db-tt- chụp ở x400

Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic (có hình kim) và Pearlite (mảng vùng đen)

Vật liệu: thép C45

Xử lý nhiệt: 875𝑜𝐶_ Tôi nước, mai2000-db-tt chụp

ở x400

Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic (có hình kim) và Austenite

dư (vùng sáng ít)

4

Vật liệu: thép C45

Xử lý nhiệt: 875𝑜𝐶tôi nước_ Ram thấp200°, mai2000-db-tt- chụp ở x400

Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic ram

5

Vật liệu: thép C45

Xử lý nhiệt: 875𝑜𝐶tôi nước _ Ram trung bình 350°, mai2000-db-tt- chụp

ở x400

Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức Troxit ram (những hạt bị bo tròn)

Tổ chức tế vi: : gồm

2 phần ferrit (vùng trắng) , pearlite (vùng đen) khá ít

7

Vật liệu: thép C20

Xử lý nhiệt: 875𝑜𝐶_ Tôi nước, mai2000-db-tt- chụp

ở x400

Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic và Austenite dư (vùng sáng nhiều)

II.3 Đo độ cứng, kết quả

BẢNG ĐO ĐỘ CỨNG HRA

Mẫu 4: Thép C45 sau khi nung, tôi nước và ram thấp thu được tổ chức

tế vi gồm mactenxit ram, độ cứng hầu như không thay đổi

Mẫu 5: Thép C45 sau khi nung, tôi nước và ram trung bình thu được

cấu trúc có tổ chức troxit ram, độ cứng tuy giảm nhưng vẫn còn khá cao,

độ dẻo và độ dai tăng lên

I.1 Cơ sở lý thuyết

- Khái niệm, ý nghĩa

Khái 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 phương pháp 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 mẫuthử 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 nhiệt độ, 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:

+ Đầu tiên: ta đưa búa lên vị trí có chiều cao là H

 = 130°, H = l + l Sin(-90) Khi đó: E1=m.g.H

+ Sau đó ta đặt mẫu thử vào vị trí thử, và thả chốt cho đầu búa rơixuống đập vào mẫu thử, năng lượng thế năng còn dư đẩy đầu búa đến vịtrí thứ 2 và có chiều cao là : h

β ta đo được: h = l – l cos(β) Khi đó: E2=m.g.h Nên: ΔE = m.g.(H-h) (*)m: 27,57 kg

l: 0.75m g: 10m/s2

I.2 Thực hành

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

Thông số máy:

- Khối lượng búa: m=27.5

kg

- Chiều dài búa: l = 0.75 m: khoảng cách

từ tâm trục tới lưỡi búa

- g = 10 m/s².Cấu tạo máy:

1 Khung máy

2 Bộ kẹp mẫu

3 Hệ thống tạolực va đập (búa, bộ kẹp búa, tay quay, phanh búa)

4 Bộ đo năng lượng hấp thụ

5 Đồng hồ đo

và hiển thị

Máy đo cơ tính

I.2.2 Phân công nhóm

Bước 1 Kiểm tra máy: Lê Quốc Huy

Bước 2 Kẹp búa: Lê Quốc Huy

Bước 3 Gá mẫu: Mạnh

Bước 4 Quay búa lên góc alpha: Nguyễn Bá Hùng

Bước 5 Tiến hành va đập: Nguyễn Gia Khang

Bước 6 Dừng búa, đọc góc β: Thạch

I.2.3 Các bước tiến hành

Bước 1 Kiểm tra máy: Mở 2 cánh cửa,

nhìn bên trong máy quan sát kiểm tra sơ

bộ, đóng cửa

Bước 2 Kẹp búa: Quay tay ngược chiều

kim đồng hồ cho đến cần gạt quay vào

búa

Bước 3 Gá mẫu: Quay tay cùng chiều

kim đồng hồ 2 vòng cho búa hở ra, cầm

mẫu tay trái rảnh hướng về bên phải sau

đó quay tay ngược chiều kim đồng hồ

cho lưỡi búa áp sát mẫu chỉnh mẫu ra

vào sao cho rảnh trùng lưỡi búa

Bước 4 Quay búa lên một góc alpha

quay kim đỏ về bên trái cần gạt

Bước 5 Tiến hành va đập: mở cửa kiểm

tra mẫu gạt chốt

Bước 6 Dừng búa: Phanh búa lấy mẫu ra

và đọc góc beta

I.2.4 Kết quả và phân tích

Đối với mẫu ram trung bình: cấu trúc là trustit có các hạt tin thể rấtnhỏ, tròn rất nhỏ nên độ dai cao

Đối với mẫu ủ: cấu trúc peclit hạt mịn nên cũng có độ deo tương đối

df

d0

l0 Δl/2

Đối với mẫu tôi nước: cấu trúc mactenxit có độ giòn, độ cứng cao nhất Đối với mẫu ban đầu: khác với các phương pháp trên do bị biến cứng,phương pháp hóa bền bằng biến dạng

II Phương pháp căng kéo

II.1 Cơ sở lý thuyết

- Khái niệm: Phương pháp thử kéo là quá trình thử để xác định được độ bền, độ đàn hồi và độ dẻo 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 xuất và độ biến dạng

Một số đặc điểm phổ biến: là mẫu bị biến dạng, thường đến phá hủy, bằng tải trọng kéo tăng dần áp vào dọc trục của mẫu thử, mặt cắt ngang của mẫu thường là tròn, vuông hoặc mẫu tấm

- Nguyên lý PP thử kéo và giản đồ thử kéo