BÀI GIẢNG bộ môn vật LIÊU học, xử lý NHIỆT và bề mặt

Mục đích và yêu cầu - Biết và thực hành các giai đoạn chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của kim loại; - Bước đầu làm quen với kính hiển vi kim loại, quan sát và vẽ lại tổ chức tế

Trang 1

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

bμi thí nghiệm số 1

chuẩn bị mẫu tế vi và xác định cấp hạt

1 Mục đích và yêu cầu

- Biết và thực hành các giai đoạn chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của kim loại;

- Bước đầu làm quen với kính hiển vi kim loại, quan sát và vẽ lại tổ chức tế vi của mẫu thép vừa chuẩn bị xong;

- Xác định cấp hạt của kim loại

2 Nội dung thí nghiệm

2.1 Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi

thứ tự từ mịn đến thô (Hiện nay phòng thí nghiệm đang dùng giấy ráp của Nhật với độ mịn hạt nhỏ được đánh số tử 100, 200, 400, 800, 1000.v.v)

Giấy ráp được đặt lên kính dày để mặt mài được nhẵn và phẳng Khi mài chú ý nhấn mạnh vừa phải, đều tay để mặt mẫu được mài đều trên giấy ráp cho đến khi các vết sước trên mặt mẫu song song với nhau theo một hướng nhất định Sau đó quay mẫu 900 và mài tiếp cho đến khi hết vết sước của lần mài trước và trên mặt mẫu chỉ có các vết sước song song nhau thì chuyển sang mài trên tờ giấy ráp mịn hơn và cứ tiếp tục như vậy cho đến tờ giấy ráp mịn nhất (hình 1.1)

Trang 2

được bọc bằng 1 lớp dạ mềm hoặc vải bông Trong thời gian đánh bóng, miếng dạ luôn luôn được tẩm ướt bằng dung dịch mài với các bột cứng mịn Cr2O3 hoặc Al2O3 Mẫu được đánh bóng cho đến khi mặt mẫu không còn các vết sước Yêu cầu bề mặt

đánh bóng phải phẳng và nhẵn

d) Tẩm thực

Mục đích của tẩm thực: Để hiện rõ tổ chức của kim loại hoặc hợp kim khi quan

sát trên kính hiển vi quang học Dung dịch tẩm thực thường dùng là dung dịch axit trong nước hoặc cồn Đối với thép và gang, dung dịch tẩm thực thường là dung dịch 1-3% HNO3 trong cồn

Cách tiến hành: Mẫu sau khi đánh bóng được rửa sạch bằng nước và tốt nhất bằng

cồn (nếu có điều kiện), thấm và sấy khô Dùng dung dịch tẩm thực bôi nhẹ lên mặt mẫu, giữ vài giây để dung dịch xâm thực lên bề mặt mẫu Khi bề mặt mẫu vừa đổi màu thì rửa sạch bằng nước, thấm và sấy khô, đưa đi quan sát trên kính hiển vi kim loại

2.2 Quan sát tổ chức tế vi và xác định cấp hạt

a) Kính hiển vi kim loại

Kính hiển vi kim loại được cấu tạo gồm một hệ thống các thấu kính quang học nhằm mục đích phóng đại tổ chức tế vi của kim loại và hợp kim lên thường từ 50

đến 1000 lần Hệ thống chiếu sáng và kính màu giúp ta quan sát một cách rõ ràng

Trang 3

LK = LT x LV (1.1) Như vậy là chúng ta chỉ cần chọn hệ vật kính và thị kính thích hợp là có thể xác

định độ phóng đại theo yêu cầu

b) Xác định cấp hạt

Thông thường người ta xác định cấp hạt bằng ba cách:

- Xác định đường kính trung bình của hạt tinh thể (d): dùng thị kính gắn

đường thẳng chia thành 100 vạch và thước đo chuẩn có chiều dài 1mm được chia thành 100 vạch bằng nhau ta xác định được chiều dài 1 vạch trên thị kính với độ phóng đại cần sử dụng Dùng thước đo thị kính để xác định kích thước trung bình của hạt (xem hình 1.2)

thước đo trên thị kính thước đo chuẩn dài 1 mm

F: Diện tích thực mà ta cần tính số hạt (mm2)

Z: Số hạt tính gần đúng trong diện tích cần đo

Z = Z1 + 1/2 Z2Trong đó Z1 là số hạt nguyên, Z2 là số hạt bị cắt So sánh giá trị S với bảng 1.1

để xác định cấp hạt

Trang 4

- Xác định cấp hạt theo bảng chuẩn với cùng một độ phóng đại 100 lần Trong thí nghiệm chúng ta dùng phương pháp này

2.3 Thực nghiệm

Vật liệu và thiết bị dùng trong thí nghiệm: Mỗi sinh viên được phát một mẫu

thép C20 hoặc C40, C45 đã qua ủ hoàn toàn, giấy ráp các loại, tấm kính phẳng,

dung dịch tẩm thực, máy đánh bóng

Sinh viên cần mài mẫu, tẩm thực, quan sát trên kính hiển vi, vẽ tổ chức quan sát

được, xác định cấp hạt theo bảng chuẩn

Bảng 1.1 Cấp hạt và diện tích trung bình của hạt

Diện tích thực của hạt ( μ m2) Cấp hạt

3 Báo cáo thí nghiệm

3.1 Tóm tắt nội dung thí nghiệm và thứ tự công việc (trong 5-10 dòng)

Trang 5

3.2 Vẽ tổ chức tế vi vào hình tròn (Hình 1.3) Ghi các pha và độ phóng đại

Hình 1.3 Tổ chức của thép

3.3 Xác định cấp hạt theo bảng chuẩn

Trang 6

Hình 1.4 Atlat chuẩn về cấp hạt (theo ASTM), ứng với độ phóng đại 100 lần Chú ý: Kích thước atlat chuẩn đ∙ kiểm tra, copy không được thay đổi tỷ lệ, cấp 1 hạt 2-3 cm, cấp 8 hạt 2 mm.

Trang 7

xác định độ cứng của kim loại

- Biết nguyên lý đo độ cứng Brinen, Rockwen, Vicker;

- Biết sử dụng máy đo độ cứng Brinen, Rockwen;

- Chuyển đổi các loại độ cứng;

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Khái niệm về độ cứng

Định nghĩa: độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu

dưới tác dụng của tải trọng thông qua mũi đâm có hình dáng, kích thước nhất định

Phân loại độ cứng: các phương pháp đo độ cứng được phân loại dựa theo tải

trọng sử dụng, hình thái và vật liệu chế tạo mũi đâm, phù hợp với độ cứng mẫu cần xác định như: Brinen(HB), Rockwen(HR), Vicker(HV), tế vi, v.v

ý nghĩa và phạm vi ứng dụng:

Độ cứng là phương pháp thử cơ tính được áp dụng rộng rãi trong sản xuất vì những lý do sau:

+ Là phương pháp thử không phá huỷ mẫu nên nó được sử dụng để kiểm tra

độ cứng trực tiếp trên chi tiết thực trước khi xuất xưởng;

+ Có thể thử cho nhiều loại chi tiết có hình dáng, chiều dày khác nhau như dạng trụ, tấm và hình thù phức tạp;

+ Thông qua giá trị đo độ cứng, có thể xác định gần đúng giới hạn bền, khả năng chịu mài mòn, tuổi thọ của chi tiết, khả năng gia công như: cắt gọt, dập và cán, kéo nguội;

+ Thời gian thử ngắn, thông thường thời gian thử chỉ một vài phút cho một mẫu

2.2 Các phương pháp đo độ cứng

a) Độ cứng Brinen

+ Độ cứng Brinen được xác định bằng cách dùng lực P(kG) thông qua mũi

đâm là viên bi bằng thép đã được tôi cứng đường kính D(mm) lên bề mặt

Trang 8

+ P = 10 D2 và P = 2,5 D2 đối với hợp kim màu

Cùng loại vật liệu có độ cứng HB khoảng 100, nếu mẫu thử lớn có thể chọn P = 30

D2 nhưng nếu mẫu nhỏ thì chỉ nên chọn P = 10 D2

Sau khi thử, dùng kính lúp đo đường kính vết lõm d0(mm) để tính diện tích F0 theo công thức (2.2):

) (

2

2 0

2 d D D D

P HB

b) Độ cứng Rockwen

Trang 9

hoặc viên bi thép đã qua tôi cứng có đường kính 1,58 mm để nén lên bề mặt mẫu, tạo ra vết lõm Căn cứ vào chiều sâu vết lõm mà xác định trị số độ cứng (hình 2.2) Quy ước khi mũi đo sâu thêm 0,002 mm thì độ cứng giảm đi 1 đơn vị

Tuỳ theo hình dáng mẫu và độ cứng dự báo, thường sử dụng ba thang đo HRA, HRB, HRC với tải trọng P khác nhau tương ứng là 60, 100 và 150 kG

Đối với mũi đâm hình nón:

002 , 0

100 002 , 0 100

130 002 , 0

HRB= ư ư = ư (2.5) Trong đó chiều sâu h đo bằng mm

c) Độ cứng Vicker và độ cứng tế vi

Độ cứng Vicker được xác định bằng cách tác động tải trọng P(kG) thông qua mũi

đâm kim cương hình tháp, có góc ở đỉnh là 1360, nén lên bề mặt mẫu cần thử tạo ra vết lõm có đường chéo d(mm) (hình 2.3)

Trang 10

Độ cứng Vicker được xác định theo đường chéo vết lõm d(mm) bằng công thức

2

854 , 1

d

P

HV = (kG/mm2,N/mm2) (2.6) Tải trọng P thường dùng từ 5 đến 120 kG

Giá trị tương đương giữa các loại độ cứng Brinen, Rockwen, Vicker được nêu trong bảng 2.2

+ Giới thiệu cấu tạo và cách sử dụng các máy đo độ cứng Brinen, Rockwen hiện có ở phòng thí nghiệm:

- Sơ đồ nguyên lý và chức năng các bộ phận chính;

- Vận hành thiết bị đo;

- Giới thiệu các thang đo và cách sử dụng

+ Giới thiệu các thang đo và ứng dụng

+ Giới thiệu phương pháp đo độ cứng gần đúng bằng dụng cụ Poldi và bộ dũa chuẩn

+ Thực hành đo độ cứng Brinen, Rockwen trên thiết bị đo cho các mẫu thép

Trang 11

4 Bỏo cỏo thớ nghiệm

4.1 Tóm tắt nội dung trước khi làm thí nghiệm

4.2 Xác định độ cứng HB theo công thức (2.3) khi biết D và d0

4.3 So sánh kết quả với số liệu ở bảng 2.1

4.4 Tra cứu các giá trị độ cứng tương đương theo bảng 2.2

Trang 12

d 10 hay 2d 5 hay 4d 2,5

Trang 13

HB

HRC

150 (kG)

HRB

100 (kG)

HRA

60 (kG)

Độ cứng Vicker

HV

Đườg kính vết lõm (mm)

Số độ cứng

HB

HRC

150 (kG)

HRB

100 (kG)

HRA

60 (kG)

Trang 14

-Bộ môn: Vật liệu học & NHiệt luyện

Tổ chức tế vi CủA THéP Và GANG theo giản đồ Fe - Fe 3 C

- Bước đầu làm quen với tổ chức tế vi của thép và gang trắng ở trạng thái giả cân bằng (Fe-Fe3C)

- Nhận biết và phân biệt được các pha như: ferit, xêmentit, peclit, lêđêburit

Gang theo giản đồ pha giả ổn định được gọi là gang trắng, cũng bao gồm ba loại: gang trắng trước cùng tinh, gang trắng cùng tinh và gang trắng sau cùng tinh

ở nhiệt độ thường có thể quan sát thấy các pha có trong thép và gang theo giản đồ pha:

• Ferit(F) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα Ferit là pha mềm, dẻo, độ cứng HB khoảng 80, có tính sắt từ Khi quan sát trên kính hiển vi, ferit là những hạt sáng đa cạnh

• Xêmentit(Xe) là hợp chất hoá học của sắt và cacbon, công thức hoá học là

Fe3C Xêmentit là pha rất cứng và giòn Độ cứng khoảng 63,5 HRC

Xêmentit có thể có dạng tấm hay hạt Xêmentit được tạo thành theo giản đồ pha gồm 3 loại: XeI - tạo thành từ pha lỏng, XeII - tiết ra khi làm nguội austenit, XeIII - tiết ra khi làm nguội Ferit Xe có thể nằm trong hỗn hợp cùng tích (Peclit) hoặc trong hỗn hợp cùng tinh (Lêđêburit) Trên kính hiển

Trang 15

Bộ môn: Vật liệu học & NHiệt luyện

trong các peclit tấm) Khi xêmentit ở dạng hạt lớn hoặc hoặc các tấm to, ta thấy chúng có màu trắng sáng ở gang trắng sau cùng tinh

• Peclit(P) là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit Lượng xêmentit trong

peclit là 12% Có hai loại peclit là peclit tấm (Xe dạng tấm) và peclit hạt (Xe dạng vòng tròn) Hàm lượng cacbon trong peclit là 0,8% Cơ tính của peclit phụ thuộc vào độ phân tán và nhỏ mịn của xêmentit Xêmentit càng nhỏ mịn, càng phân tán thì độ bền độ cứng càng cao Với độ phóng đại không lớn, chỉ nhìn thấy Peclit có màu sẫm

Hình 3.1 Giản đồ Fe-C (Fe-Fe 3 C)với các khu vực tổ chức khác nhau

• Lêđêburit(Le) ở nhiệt độ thường là hỗn hợp cơ học của peclit và xêmentit

cùng kết tinh do đó khi cắt ngang có dạng da báo, trong đó có thể peclit có màu đen, nền sáng còn lại là xêmentit Lêđêburit là tổ chức rất cứng và giòn (2/3 là xêmentit)

Trang 16

- Các mẫu thép đã được mài và tẩm thực trước khi đưa lên kính hiển vi

Chú ý: Khi quan sát tổ chức tế vi của thép trước cùng tích trên kính hiển vi, căn cứ

vào diện tích của các pha, có thể xác định một cách tương đối hàm lượng cacbon trong thép theo công thức gần đúng (coi tỷ trọng của các pha trong thép xấp xỉ bằng nhau):

%C = %P x 0,8 + %F x 0,006 (3.1) Trong đó P, F lần lượt là tỷ lệ diện tích peclit (màu sẫm) và ferit (màu sáng) trong

tổ chức quan sát được trên kính hiển vi (%)

Vì hàm lượng cacbon trong ferit rất bé (0,006%) nên có thể tính:

%C = %P x 0,8 (3.2) Vì vậy, chỉ cần xác định đúng %P trong tổ chức, chúng ta có thể xác định được %C trong thép

b) Thép cùng tích (0,8%C):

Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi chỉ gồm P

Quan sát tổ chức tế vi của hai loại: peclit tấm và peclit hạt

c) Thép sau cùng tích:

Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi gồm P + XeII Quan sát tổ chức tế vi của thép CD100: peclit có hạt màu sẫm, xêmentit có dạng lưới sáng bao quanh hạt

Chú ý: Dựa vào lưới Xe bao quanh hạt cũng có thể dự đoán hàm lượng cacbon có

trong thép sau cùng tích, chẳng hạn, nếu lưới Xe đứt đoạn thì lượng cacbon nhỏ, còn lưới Xe liên tục và dày thì lượng cacbon lớn

3.3 Quan sát tổ chức tế vi của gang trắng

a) Gang trắng trước cùng tinh:

Trang 17

b) Gang trắng cùng tinh (4,3%C):

Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi chỉ gồm Le

Quan sát tổ chức tế vi của gang trắng %C = 4.3%: Ta cũng quan sát thấy vùng sẫm

là P trong cùng tinh, vùng sáng là Xe, một phần Le có dạng da báo

c) Gang trắng sau cùng tinh:

Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi gồm Le + XeI

Quan sát tổ chức tế vi của gang trắng %C > 4.3%: Le cùng tinh có cả vùng có dạng

da báo, XeI là những dải rộng màu sáng

3.4 Thực nghiệm

Mỗi sinh viên cần quan sát kỹ và nhận dạng tổ chức trên kính hiển vi, so sánh với bảng ảnh, vẽ lại tổ chức tế vi và báo cáo

4 Báo cáo kết quả thí nghiệm

4.1 Tóm tắt nội dung thí nghiệm trước khi làm thí nghiệm (5-10 dòng)

4.2 Theo công thức (2), hãy tính diện tích phần màu sẫm trong thép cacbon có hàm

lượng cacbon lần lượt là 0,2; 0,4; 0,6 và 0,8%

TT Hàm lượng cacbon (%) Diện tích Peclit (phần sẫm -%)

Trang 18

Bé m«n: VËt liÖu häc & NHiÖt luyÖn

4.3 VÏ tæ chøc tÕ vi t−¬ng øng vµo c¸c h×nh trßn sau

Trang 19

Bμi thí nghiệm số 4

Nghiên cứu tổ chức tế vi của gang

- Phân biệt tổ chức của các loại gang trắng, gang xám, gang dẻo, gang cầu So sánh các tổ chức này,

- Xác định được nền kim loại của các loại gang xám, gang dẻo và gang cầu,

2 Cơ sở lý thuyết

Gang là hợp kim của sắt với cacbon khi hàm lượng chứa cacbon trên 2,14% Trong thực tế công nghiệp thường gặp các loại gang trắng, gang xám, gang dẻo và gang cầu Sau đây sẽ trình bày vắn tắt các loại gang đó

2.1 Gang trắng

Gang trắng có tổ chức tương ứng với giản đồ pha Fe-C Căn cứ vào lượng chứa cacbon, gang trắng chia làm 3 loại: gang trắng trước cùng tinh (%C < 4,3), gang trắng cùng tinh (%C = 4,3) và gang trắng sau cùng tinh (%C > 4,3)

Tổ chức của các gang trắng như sau:

Gang trắng trước cùng tinh gồm P + Le + Xe Tổ chức của gang trắng trước cùng tinh trình bày ở hình 4.1 Gang trắng cùng tinh chỉ có Le Gang trắng sau cùng tinh

tổ chức gồm Le + XeI Tổ chức của nó xem ở hình 4.2

Hình 4.1 Tổ chức gang trắng trước cùng tinh Hình 4.2 Tổ chức gang trắng sau cùng tinh.

Trang 20

2.2 Gang xám

Gang xám nhận được ngay sau khi đúc Lượng silic trong gang xám tương đối cao

để qua trình graphit hoá có thể xảy ra Khi làm nguội chậm xêmentit phân hoá tạo thành graphit (G): Fe3C → Feγ(C) + G và khi nhiệt độ nhỏ hơn 7230 C có sự phân hoá Fe3C → Feα(C) + G Trong gang xám graphit nằm ở dạng tấm Phụ thuộc vào mức độ graphit hoá mà nền kim loại có thể là ferit, ferit + peclit và peclit Dựa vào nền kim loại người ta chia ra:

a) Gang xám ferit:

Tổ chức nền kim loại gồm ferit và graphit dạng tấm (hình 4.3)

Hình 4.3 Tổ chức gang xám ferit Hình 4.4 Tổ chức gang xám ferit-peclit.

b) Gang xám ferit+peclit:

Tổ chức gồm nền ferit + peclit và graphit dạng tấm (hình 4.4),

Trang 21

c) Gang xám peclit:

Tổ chức gồm nền peclit và graphit dạng tấm (hình 4.5),

d) Graphit: Có thể quan sát ở mẫu không tẩm thực Khi nền kim loại như nhau thì

kích thước và sự phân bố của graphit có ảnh hưởng đến tính chất của gang, graphit càng nhỏ mịn và phân bố càng đồng đều thì cơ tính của gang xám càng cao

2.3 Gang dẻo

Gang dẻo nhận được bằng cách ủ từ gang trắng Tổ chức của gang dẻo cũng gồm

có nền kim loại và graphit, nhưng trường hợp này graphit ở dạng cụm Phụ thuộc vào mức độ graphit hoá khi ủ mà nền kim loại cũng có thể là ferit, ferit+peclit và peclit Tổ chức của gang dẻo nền ferit có thể xem ở hình 4.6

2.4 Gang cầu (còn gọi là gang độ bền cao)

Gang cầu sản xuất bằng cách biến tính gang xám

có hàm lượng silic 2-3% Nhờ quá trình biến tính

mà graphit tạo thành có dạng cầu Tổ chức của

gang cầu cũng gồm nền kim loại và graphit ở

dạng cầu Tuỳ theo quá trình graphit hoá mà nền

cũng có thể là ferit, ferit + peclit và peclit Trong

gang cầu ferit + peclit thì ferit thường bao quanh

graphit

Nhờ graphit có dạng cầu nên cơ tính cao hơn

gang xám và gang dẻo Tổ chức của gang cầu ferit-peclit trình bày ở hình 4.7

Qua phân tích ở trên ta thấy khi có cùng nền kim loại thì hình dáng của graphit cũng có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của gang- graphit tấm có ảnh hưởng không tốt

đến cơ tính của gang, dạng cụm ít ảnh hưởng hơn còn tốt nhất là dạng cầu vì bề mặt tiếp xúc với nền kim loại nhỏ nhất đồng thời không có chỗ tập trung ứng suất Chính vì thế mà gang dẻo có tính chất nằm giữa gang xám và gang cầu Ngoài ra kích thước và sự phân bố của graphit cũng có ảnh hưởng đến tính chất của gang Kích thước của graphit có thể được đánh giá theo cấp tiêu chuẩn

3 Nội dung thực nghiệm

- Vẽ giản đồ Fe-C, nghiên cứu sự hình thành tổ chức của gang trắng

- Quan sát về vẽ lại tổ chức tế vi của các loại gang: gang trắng trước cùng tinh, gang trắng cùng tinh và gang trắng sau cùng tinh; gang xám ferit, gang

xám ferit-peclit, gang xám peclit, mẫu gang dẻo và gang cầu chưa tẩm thực

Hình 4.7 Tổ chức gang cầu

Định dạng
Số trang	40
Dung lượng	6,69 MB