Cơ sở lý thuyết I.1 Định nghĩa nhiệt luyện: Là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ để nhận được đổ chức, do tính chất
Nhiệt luyện, phân tích cấu trúc và đo độ cứng
Cơ sở lý thuyết
Quy trình nhiệt luyện thép bao gồm việc nung nóng đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt trong khoảng thời gian thích hợp, và sau đó làm nguội với tốc độ nhất định để đạt được cấu trúc mong muốn, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật.
Sơ đồ công nghệ của một qui trình nhiệt luyện.
Nhiệt độ nung (Tn): là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung nóng (nhiệt độ nung chọn dựa vào bản đồ)
Thời gian giữ nhiệt (Tgn): là thời gian cần thiết để duy trì kim loại ở nhiệt độ nung (thời gian phụ thuộc vào kích thước chi tiết).
Tốc độ nguội (Vng) được định nghĩa là sự giảm nhiệt độ theo thời gian sau khi đã giữ nhiệt, được đo bằng độ C trên giây (0C/s) Việc xác định vùng nhiệt độ cho các phương pháp nhiệt luyện khác nhau được thực hiện dựa vào bản đồ nhiệt.
Theo giản đồ pha Fe-C 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-C ta chọn được nhiệu độ nung luyện cho thép:I.1.3 XĐ tốc độ nguội dựa vào giản đồ T-T-T (giản đồ 2C)
Đường A (full anneal) là quá trình ủ hoàn toàn với tốc độ nguội chậm nhất, giúp đạt được cấu trúc tế vi là Peclit thô và Ferit gần như là Fe nguyên chất Quá trình này mang lại độ dẻo cao nhất và độ cứng thấp cho vật liệu.
- Đường B là thường hóa, tốc độ nguội chậm, đạt tổ chức tế vi là Peclit hạt mịn.
- Đường C là làm nguội trong dầu, tốc độ nguội khá nhanh, đạt tổ chức tế vi Mactenxit và Peclit.
- Đường D là làm nguội trong nước, tốc độ nguội nhanh nhất, đạt tổ chức tế vi Mactenxit, có độ cứng cao nhất.
I.1.4 Tôi – Ram thép a Tôi thép: Tôi là nguyên công nhiệt luyện rất thông dụng gồm nung nóng thép lên nhiệt độ xác định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian cần thiết và làm nguội nhanh trong môi trường thích hợp Mục đích của tôi nhằm nhận được độ cứng và độ chịu mài mòn cao của thép
Mục đích của tôi thép là:
- Nhận được độ cứng và độ chịu mài mòn cao của thép
- Nắm được quá trình tôi thép: cách chọn nhiệt độ tôi, thời gia nung và môi trường làm nguội
- Xác định được mối quan hệ của nhiệt độ tôi, tốc độ làm nguội đến độ cứng của thép o Chọn nhiệt độ tôi:
- Đối với thép trước cùng tích (0,8%C):
+ Tºt = Ac3 + (30-50ºC); trạng thái hoàn toàn ;
+ Tổ chức sau tôi là M(mactenxic)
+ (Austenite dư) + ứng suất dư;
+ Tôi hoàn toàn Đối với thép sau cùng tích (0,8.%C)
+ Tºt = Ac1 + (30+50ºC); trạng thái ( + XeII)
+ Tổ chức sau tôi là M + XeII + dư+ ƯS dư
Giữ nhiệt và làm nguội nhanh là rất quan trọng trong quá trình tôi thép, giúp đạt được cấu trúc mong muốn là mactenxit Phương pháp ram thép là một kỹ thuật nhiệt luyện, trong đó thép được nung nóng đến nhiệt độ tới hạn (AC1), giữ nhiệt trong một khoảng thời gian nhất định và sau đó làm nguội Quá trình này giúp mactenxit và austenit dư phân hóa thành các tổ chức thách hợp, phù hợp với điều kiện làm việc yêu cầu Để đánh giá hiệu quả của các phương pháp tôi, người ta thường sử dụng chỉ tiêu độ thấm.
- Mục đích của ram thép: là làm giảm hoặc làm mất các ứng suất dư, không gây ra nứt, cong vênh gẫy và hư hỏng khi làm việc.
- Lựa chọn nhiệt độ ram:
Khi nhiệt độ ram thấp (150 - 250ºC), tổ chức của vật liệu chuyển thành mactenxit ram, giúp độ cứng gần như không thay đổi Mặc dù ứng suất giảm một chút, nhưng chi tiết vẫn duy trì được độ cứng và khả năng chịu mòn cao.
Ram trung bình (300-450ºC) tạo ra trustit ram, với độ cứng cao từ 40-50 HRC Quá trình này giúp giảm đáng kể ứng suất, tăng cường độ dẻo dai và đạt giới hạn đàn hồi tối đa.
Ram cao (500-650ºC) tạo ra cấu trúc xoocbit ram, mang lại tính chất cơ học tổng hợp cao với độ bền, độ dẻo và độ dai tốt, mặc dù độ cứng giảm mạnh Kết quả mong muốn từ quá trình ram này bao gồm manxetit ram, trustit ram và xoocbit ram.
I.2.1 Nguyên lý phản xạ ánh sáng quan sát tổ chức kim loại bằng HVQH
Để nghiên cứu bề mặt kim loại, cần phải tẩm thực mẫu Quá trình này sẽ tạo ra các vùng lồi, lõm trên bề mặt, phản ánh các pha và tổ chức của kim loại Nhờ đó, ta có thể xác định hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha trên bề mặt mẫu.
Nguyên lý phản xạ ánh sáng là quá trình ánh sáng từ nguồn sáng chiếu song song lên bề mặt mẫu, giúp chúng ta quan sát hình dạng của tổ chức qua ánh sáng phản xạ Khi mẫu kim loại mới được mài bóng, ánh sáng phản xạ sẽ có sự thay đổi do quá trình ăn mòn, khiến cho ánh sáng bị chệch đi và tạo ra cảm giác tối cho mắt người quan sát.
I.2.2 Quá trình chuẩn bị mẫu để quan sát tổ chức a Mài mẫu
-Mẫu sau khi cắt xong được mài thô trên đá mài hoặc 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 Ví dụ: 80, 100, 150, 180 400 là các số thông dụng.
Quá trình mài giấy nhám cần được thực hiện trên một bề mặt phẳng hoặc kính dày, đảm bảo mẫu tiếp xúc chặt chẽ với giấy Khi mài, cần tiến hành theo một chiều để tạo ra bề mặt phẳng với các vết xước song song và đều nhau Sau khi mài xong, bước đánh bóng là cần thiết để hoàn thiện bề mặt.
-Đánh bóng mẫu có 2 cách làm:
Đánh bóng thô là quá trình tương tự như mài thô, nhưng thay vì sử dụng giấy nhám, người ta gắn một miếng dạ hoặc nỉ lên đĩa để thực hiện việc đánh bóng.
Đánh bóng điện phân là quá trình sử dụng dòng điện một chiều để hòa tan anod trong dung dịch điện phân, giúp cải thiện bề mặt mẫu Phương pháp này không chỉ tạo ra độ bóng cao mà còn làm sạch bề mặt, mang lại hiệu quả tối ưu cho các sản phẩm kim loại.
Sau khi đánh bóng mẫu, chúng ta cần rửa sạch, thấm khô và sấy khô trước khi quan sát dưới kính hiển vi Qua quan sát, có thể nhận thấy mẫu xuất hiện các vết xước nhỏ do quá trình đánh bóng chưa đạt yêu cầu, cùng với các vết nứt vi mô, rỗ khí, xỉ tạp chất, và một số pha tổ chức như cacbit, graphit, và chì.
Tẩm thực là quá trình ăn mòn bề mặt mẫu bằng dung dịch hóa học phù hợp, được gọi là dung dịch tẩm thực Trong quá trình này, các biên giới pha và vùng tổ chức bị ăn mòn với tốc độ khác nhau, dẫn đến bề mặt mẫu có sự lồi lõm tương ứng với các pha và 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
Thực hành
II.1.1 Vật liệu sử dụng, phân công nhóm
Mẫu Vật liệu Điều kiến xử lí nhiệt
5 C45 875 ˚C – Tôi nước + Ram trung bình (350˚C/15’)
Xác định độ dai va đập
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)
- Vật liệu: Cả hai loại thép là théo chế tạo trong đó
Thép C45: Là thép chế tạo với 0.45% cacbon.
Thép C20: Là thép chế tạo với 0.2% cacbon.
Phương pháp nhiệt luyện: phương pháp tôi, phương pháp ram, phương pháp ủ.
Phương pháp tôi có: Tôi nước, tôi dầu.
Phước pháp ram: Ram trung bình, thấp.
Phương pháp ủ có: Ủ thường hóa, ủ cùng lò.
Các loại mẫu: Có ba loại mẫu là mẫu vuông, mẫu tròn và mẫu dài. II.1.2 Quy trình thực hành tôi + ram thép (quy trình tổng hợp)
-Bước 1: Xếp mẫu nung vào lò như hình
Bước 3: Giữ nhiệt 860oC 10 phút
Bước 4: Lấy mẫu ra khỏi lò nung và tôi với nước 10 giây
Bước 5: sau khi tôi xong đưa mẫu vào lò để thực hiện quá trình ram
Ram thấp nung 200 độ C và giữ 15 phút
Ram cao nung 350 độ C và giữ 15 phút
II.1.3 Mô tả quá trình thực hành nhiệt luyện:
Bước Công việc Mô tả Hình ảnh
1 Xếp phôi vào lò nung
Mở cửa lò, xếp phôi theo thứ tự các nhóm
Mở công tắc điện, điều chỉnh nhiệt độ của máy:
Khi máy đến nhiệt độ thiết lập chúng ta, đong cửa lò nung và giữ nhiệt khoảng
Mở cửa lò, gắp phôi ra theo thứ tự các nhóm, thực hiện các phương pháp nhiệt luyện tiếp theo
Sau khi lấy phôi ra khỏi lò nung thì cho ngay vào dầu, ngâm trong dầu (khoảng
1-3 phút), sau đó lấy phôi ra vệ sinh.
Sau khi lấy phôi ra khỏi lò nung thì cho ngay vào nước ngâm trong nước (khoảng 10 giây).
II.2 Phân tích tổ chức:
II.2.1 Thực hành quá trình chuẩn bị (mài, đánh bóng, tẩm thực)
Bôi đều dung dịch lên một nửa bề mặt mẫu:
II.2.2Ảnh chụp của mẫu
Mẫu Tổ chức tế vi (cỡ ảnh 6x6) Giải thích, phân tích
- XLN và chuẩn bị: ủ lò 875ºC, mai2000-db-tt- chụp ở x400
- TCTV: gồm 2 phần ferrit (vùng trắng) , pearlite (vùng đen).
- XLN và chuẩn bị: thường hóa 875ºC, mai2000-db-tt- chụp ở x400
TCTV: Cấu trúc có tổ chức Pearlite (mảng vùng đen mịn) ferrit (vùng trắng ít)
- XLN và chuẩn bị: tôi dầu 875ºC,mai2000-db-tt- chụp ở x400TCTV: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic (có hình kim) và Pearlite (mảng vùng đen)
- XLN và chuẩn bị: tôi nước 875ºC, mai2000-db-tt- chụp ở x400 TCTV: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic (có hình kim) và Austenite dư (vùng sáng ít)
- XLN và chuẩn bị: ram thấp(200) 875ºC, mai2000-db-tt- chụp ở x400TCTV: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic ram
- XLN và chuẩn bị: ram tb(350) 875ºC, mai2000-db-tt- chụp ở x400 TCTV: Cấu trúc có tổ chức Troxit ram (những hạt bị bo tròn)
- XLN và chuẩn bị: ủ lò 875ºC, mai2000-db-tt- chụp ở x400 TCTV: gồm 2 phần ferrit (vùng trắng) , pearlite (vùng đen) khá ít.
- XLN và chuẩn bị: tôi nước 875ºC,mai2000-db-tt- chụp ở x400TCTV: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic và Austenite dư (vùng sáng nhiều)
Kết quả nhiệt luyện có tổ chức tế vi như chúng ta mong muốn
- Xử lý nhiệt: 875𝑜𝐶_tôi dầu
- Tổ chức tế vi: cấu trúc có tổ chức Mactenxic( có hình kim) và Perlite ( mảng vùng đen)
+ Xử lý nhiệt: Ủ 875𝑜𝐶 trong lò
+ Tổ chức tế vi: gồm 2 phần ferrit (vùng trắng) , pearlite (vùng đen) khá ít.
+ Xử lý nhiệt: Ủ 875𝑜𝐶 trong lò
+ Tổ chức tế vi: gồm 2 phần ferrit (vùng trắng) , pearlite (vùng đen).
+ Xử lý nhiệt: 875𝑜𝐶 _ Tôi nước
+ Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic và Austenite dư (vùng sáng nhiều) + Vật liệu: thép C45
+ Xử lý nhiệt: 875𝑜𝐶 _ Tôi nước
+ Tổ chức tế vi: Cấu trúc có tổ chức Mactenxic (có hình kim) và Austenite dư (vùng sáng ít)
Thực nghiệm đo cơ tính của thép
Phương pháp xác định độ dai va đập
Độ dai va đập là khả năng của kim loại trong việc chống lại biến dạng khi bị tác động bởi lực va đập Độ dai va đập được ký hiệu là ak và được đo bằng đơn vị J/cm2 (jun trên xăng ti mét vuông).
Xác định khả năng chịu va đập của kim loại.
- Nguyên lý PP charpy xác định năng lượng phá hủy mẫu:
+ Năng lượng va đập: dentaE= m*g*(H-h)
+ Độ dai va đập: ak= dentaE/S
S: diện tích mặt cắt ngang (80mm ) 2
- Tính độ dai va đập: (mẫu 10-ủ lò) m2757kg l=0.75m gm/s 2 anpha18 o tính E1=m*g*H'57*10*(l+sin(128-90)*l)34N
I.2.1 Thiết bị (mô tả cấu tạo) và mẫu (vật liệu, đk xử lý nhiệt) a Thiết bị
- Tên thiết bị: Máy đo va đập kiểu Charpy (Charpy impact testing machine.)
- Thông số: năng lượng tác động tối đa: 300J.
+ Bệ máy: thép rất dày:
+ Thân máy: Đồng hồ đo lực va đập:
Kim đen: dùng để đọc góc trước va đập ( góc ) Cách đọc: đọc theo thang 𝛼1 màu đen từ trên xuống.
Kim đỏ: dùng để đọc góc sau va đập ( góc ) Cách đọc: đọc theo thang 𝛼2 màu đỏ từ dưới lên.
Búa va đập: treo tại tâm Đồng hồ đo lực va đập.Hình ảnh lưỡi búa:
+Các cơ cấu để thực hiện quá trình đo: Cần kẹp búa:
Hộp số: được nối với búa qua bộ truyền xích b.Mẫu
Vật liệu: C45 (vuông) Điều kiến xử lí nhiệt: 875 ˚C - Ủ (lò)
- Mẫu được gá trên bệ máy
Bước Công việc Tiến hành Hình ảnh
Mở 2 cửa bên trái và bên phải kiếm tra có dị vật bên trong hay không
Quay tay quay ngược chiều kim đồng hồ đến khi máy phát ra tiếng
Quay tay quay ngược chiều kim đồng hồ hai vòng, đặt mẫu sao cho rãnh 2mm hướng ngược lại với vị trí bị búa va đập.
(cùng chiều kim đồng hồ) và đóng cửa.
Quay tay quay cùng chiều kim đồng hồ tới khi kim đen tới góc α
= 128 độ (Alpha – kim đen) cho trước.
Kiểm tra lại vị trí phôi, cách gá đặt phôi Kéo chốt màu đỏ qua phải.
Kéo cần phanh về phía bên phải cho đến khi búa dừng, đọc kết quả
I.2.4 Kết quả và phân tích
NX: Với cùng 1 loại vật liệu thép C45 có lượng cacbon trung bình thì với các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau cho ra độ dai khác nhau.
- tôi dầu: có độ dai thấp nhất với 1.2375J/mm2
- Ramtrb : có độ dai cao nhất với 3.5775J/mm2
Phương pháp căng kéo
II.1 Cơ sở lý thuyết
Thử kéo là phương pháp kiểm tra cơ tính của vật liệu bằng cách kéo căng mẫu thử được kẹp chặt ở hai đầu theo hướng dọc trục Quá trình này bao gồm việc đo lực kéo (F) và độ dãn dài (delta l) tương ứng Từ mối quan hệ giữa lực kéo và độ dãn dài, ta có thể xác định các đặc tính cơ học của vật liệu.
- Nguyên lý phương pháp thử kéo và giản đồ thử kéo: a Nguyên lý thử kéo:
Nguyên lý thực hiện thí nghiệm kéo mẫu vật liệu bắt đầu bằng việc kẹp chặt mẫu vào hai đầu kẹp với chiều dài (L) và đường kính (d) ban đầu Quá trình kéo được tiến hành chậm rãi và liên tục, theo dõi biểu đồ điều khiển bởi máy tính Lực tác động (F) tăng nhanh chóng trên trục tung, trong khi biến dạng dẻo (ΔL) hiển thị trên trục hoành Khi lực đạt mức tối đa, hiện tượng cổ (Neck) xuất hiện tại một điểm trên mẫu, nơi mà tất cả biến dạng dẻo tập trung, dẫn đến sự xuất hiện của vết nứt.
l0: Chiều dài ban đầu của vật liệu (mm)
lf: Chiều dài sau khi kéo (mm)
d0: Đường kính ban đầu vật liệu (mm)
df: Đường kính lúc sau của vật liệu
Δl=lf 0-l : Độ biến thiên chiều dài (mm)
F: Lực kéo của máy (N) b Giảng đồ thử kéo:
Giảng đồ biểu diễn mối quan hệ của
Trong giảng đồ có hai giai đoạn chính của vật liệu khi bị kéo đó là: Giai đoạn đàn hồi và giai đoạn biến dạng dẻo
Giai đoạn đàn hồi là giai đoạn mà khi kéo vật đến vị trí σy và thả ra, vật liệu sẽ trở về trạng thái ban đầu Đoạn thẳng trong đồ thị kết thúc tại giá trị giới hạn đàn hồi σy, được tính bằng công thức σy = F/A.
A: Diện tích mẫu ban đầu (A=xd0 2/2)
Ngoài ra chúng ta cũng có thể biểu diễn bằng ε: ε= Δl/l0
l0: Là chiều dài ban đầu của vật liệu.
Giai đoạn thứ hai trong quá trình biến dạng vật liệu là biến dạng dẻo, diễn ra khi vật liệu vượt qua giới hạn đàn hồi Ở giai đoạn này, biến dạng trở thành vĩnh cửu, có nghĩa là vật liệu không thể trở về trạng thái ban đầu sau khi bị kéo vượt quá giới hạn đàn hồi, ký hiệu là σb Bên cạnh đó, trong biến dạng dẻo còn xuất hiện biến dạng cục bộ (hay biến dạng đồng đều), tập trung tại vị trí cao nhất của giai đoạn này.
Sau khi thực hiện thử kéo, chúng ta thu được bốn loại cơ lý tính quan trọng của vật liệu, bao gồm độ cứng (E), độ bền (σ), độ dẻo (δ, Ψ) và độ dai (K) Những thông số này giúp đánh giá khả năng chịu lực và tính chất cơ học của vật liệu, từ đó phục vụ cho các ứng dụng kỹ thuật và thiết kế.
Độ dẻo: Ở độ dẻo ta có hai cách đo đó là độ dẻo δ (dãn dài) và độ dẻo ψ (co thắt) Trong đó:
Độ dẻo dãn dài: δ = (lf-l )/l %0 0
II.2.1 Thiết bị và mẫu thử, phân công nhóm
- Cấu tạo : Máy kéo nén UH – F500kNI
Khi thực hiện thử kéo, mẫu được kẹp 3/4 vào giữa hai ngàm (ngàm trên và ngàm dưới) Sau khi thiết lập thông số trên phần mềm, tiến hành khởi động để bơm dầu điều khiển piston, khiến bộ ngàm di chuyển lên và xuống Ngàm trên sẽ đi lên trong khi ngàm dưới giữ nguyên vị trí, kéo căng mẫu thử cho đến khi mẫu bị đứt, lúc này quá trình thử kéo sẽ dừng lại.
N M do lo df lf delta psi
II.2.2 Các bước tiến hành
2 Mở chương trình thiết lập chương trình đo
II.2.3 Kết quả phân tích
(reports) Mẫu 13: Thép C45, ban đầu
II.2.3.2 Tính độ dẻo (bảng đầy đủ)
II.2.3.3 Phân tích kết quả, so sánh:
- Ủ -> dầu -> tôi nước: do tốc độ nguội tăng dần dẫn đến biến đổi cấu trúc: cứng tăng, bền tăng, dẻo giảm, dai giảm.
- Tôi nước - Rtb: Độ bền giảm, độ dai tăng lên rất mạnh
- Ban đầu: Độ cứng cao độ bền cũng cao, độ dai độ dẻo thấp.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Huỳnh Xuân Khoa, chúng em đã nắm vững lý thuyết và kỹ năng cần thiết trong quá trình nhiệt luyện thông qua thực hành trên lò nung Thầy đã tạo điều kiện cho chúng em có cơ hội thực hành thực tiễn, giúp chúng em bám sát quy trình nhiệt luyện và nâng cao khả năng sử dụng lò nung hiệu quả.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Huỳnh Xuân Khoa, chúng em đã tiếp thu kiến thức lý thuyết về chụp tổ chức tế vi và thực hành quan sát mẫu trên máy Qua quá trình mài, đánh bóng và tẩm thực, chúng em nhận ra tầm quan trọng của sự chuẩn bị kỹ lưỡng để có được hình ảnh sắc nét Nhờ vào bài học này, chúng em có khả năng quan sát tổ chức tế vi của các mẫu đã chuẩn bị sẵn.
Trong các buổi hướng dẫn, chúng em đã học được lý thuyết về phương pháp đo va đập, bao gồm nguyên tắc hoạt động và những lưu ý quan trọng khi sử dụng máy Thầy đã tạo điều kiện cho chúng em thực hành trên các thiết bị đo va đập hiện đại, giúp chúng em rèn luyện kỹ năng thao tác và hiểu rõ hơn về ứng dụng của phương pháp này.
