NGHIÊN cứu xác ĐỊNH độ CỨNG lớp THẤM CARBON NITƠ THỂ rắn CUẢ THÉP KHÔNG gỉ SUS 304 BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG PHÁ hủy

không phá hủy nhiễu x tia X đãăđư c nghiên cứu một s các công trình khoa họcănhưăsau:  Dươngă Côngă Cư ng “Nghiên cứuă vàă xácă định độ cứng của thép cacbon nhiệt luyện bằngăphươngăph

M C L C

Quyết định giao đề tài

Xác nhận c a cán bộ h ớng dẫn

1.1 T ng quan chung về lĩnh v c nghiên c u, các k t qu nghiên

1.1.1 Tầm quan trọng c a công nghệ nhiệt luyện 1

1.1.3 Các kết qu nghiên c u trong và ngoài n ớc đ ợc công bố 2 1.1.3.1 Các kết qu nghiên c u liên quan kiểm tra không phá h y 2 1.1.3.2 Các kết qu nghiên c u tăng bền cho thép không gỉ 4

2.1.2 Các yếu tố nh h ởng đến c ờng độ nhiễu x LPA 13

2 2 S m rộng đ ng nhi u x 18

3.5 Nhiệt độ và thời gian thấm thép không gỉ SUS 304 52

Ch ng 4: PH NG PHÁP ĐO,S LI U ĐO VÀ X Lụ S

4.1.1 Đo mẫu bằng ph ơng pháp nhiễu x tia X 54

4.2.2.7 Mẫu thấm cacbon-nitơ trong 9 giờ 64

4.4.2 Mối quan hệ giữa độ c ng Vickers và bề rộng trung bình B kết

Phụ lục 3: Số liệu đo mẫu ch a thấm cacbon-nitơ 82

Phụ lục 4: Số liệu đo mẫu thấm cacbo-nitơ trong 4 giờ 84

Phụ lục 5: Số liệu đo mẫu thấm cacbon-nitơ trong 5 giờ 88

Phụ lục 6: Số liệu đo mẫu thấm cacbon-nitơ trong 6 giờ 92

Phụ lục 7: Số liệu đo mẫu thấm cacbon-nitơ trong 7 giờ 96

Phụ lục 8: Số liệu đo mẫu thấm cacbon-nitơ trong 8 giờ 100

Phụ lục 9: Số liệu đo mẫu thấm cacbon-nitơ trong 9 giờ 104

V : hiệu điện thế c a đĩa

( P ) : mặt phẳng ch a ống phát và ống thu tia X ( mặt phẳng nghiêng )

( Q ) : mặt phẳng vuông góc với trục hình trụ ch a h ớng đo ng suất

Ψ : góc t o bởi ph ơng pháp tuyến c a mẫu đo với ph ơng pháp tuyến c a họ mặt phẳng nguyên tử nhiễu x

Ψo : góc t o bởi ph ơng pháp tuyến c a mẫu đo và tia tới X

 : là góc phân giác c a tia tới và tia nhiễu x X

o : là góc t o bởi ph ơng pháp tuyến c a họ mặt phẳng nhiễu x và tia tới X

 : góc t o bởi tia tới X và ph ơng ngang

 : góc t o bởi tia nhiễu x và ph ơng ngang

 : góc t o bởi ph ơng pháp tuyến c a mẫu đo với mặt phẳng nghiêng

 : góc t o bởi trục đ ng mẫu đo hình trụ với ( P )

a : hệ số tính chất c a vật liệu ( phụ thuộc lo i vật liệu )

b : thể tích phần năng l ợng tia tới trên một đơn vị thể tích ( phụ thuộc vào đặc tính

c a tia X nh Cr-K, Cr-K, Cu-K, Co-K )

 : hằng số hấp thụ ( phụ thuộc vào đặc tính c a tia X và lo i vật liệu mẫu đo)

AB : chiều dài tia tới thẩm thấu đến phân tố bị nhiễu x

BC : chiều dài nhiễu x từ phân tố bị nhiễu x đến ra ngoài mẫu đo

 : chiều sâu thẩm thẩm thấu t i  = 0o

R : bán kính c a mẫu đo hình trụ

r : bán kính t i phân tố bị nhiễu x

dr : chiều dày phân tố bị nhiễu x

 : góc giới h n vùng nhiễu x

d : bề rộng phân tố bị nhiễu x

L : chiều dài phân tố bị nhiễu x

Lc : chiều dài thẩm thấu c a tia tới và nhiễu x đi ra ngoài mẫu đo

Hình 1.4: (Chiều dày lớp thấm cacbon-nitơ và tốc độ thấm theo thời

Hình 1.6: (Độ c ng bề mặt khi thấm cacbon-nitơ bằng Plasma) 8

Hình 1.7: (Độ c ng tr ớc và sau khi xử lý trong kho ng thời gian 180

Hình 2.2: (Mối quan hệ giữa góc 2theta và c ờng độ nhiễu x I) 12

Hình 2.14: (Đ ờng nhiễu x X quang đ ợc nội suy bằng đ ờng cong

Hình 2.18: (Quan hệ giữa thành phần cacbon và nitơ c a lớp bề mặt và

nhiệt độ thấm)

37

Hình 2.19: (Sự phân bố cacbon và nitơ trong lớp thấm xianua) 39

Hình 2.25: (Biểu đồ xác định độ c ng theo chiều sâu vết lõm 45

Hình 4.5: (Đ ờng nhiễu x mẫu thấm cacbon-nitơ 4 giờ nội suy hàm

Hình 4.11: (Mối quan hệ giữa độ c ng Vickers (HV) và thời gian thấm) 66

Hình 4.12: (Mối quan hệ giữa bề rộng trung bình B và thời gian thấm) 67

Hình 4.13: (Đồ thị mối quan hệ giữa đo độ c ng Vickers và bề rộng trung

B ng 4.1: (kho ng cách nguyên tử c a một số vật liệu và kiểu m ng) 55

B ng 4.5: (Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu ch a thấm cabon-nitơ) 59

B ng 4.6: (Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu thấm cacbon-nitơ 4 giờ) 60

B ng 4.7: (Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu thấm cacbon-nitơ 5 giờ) 61

B ng 4.8: (Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu thấm cacbon-nitơ 6 giờ) 62

B ng 4.9: (Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu thấm cacbon-nitơ 7 giờ) 63

B ng 4.10: (Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu thấm cacbon-nitơ 8 giờ) 64

B ng 4.11: (Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu thấm cacbon-nitơ 9 giờ) 65

B ng 4.12: (Số liệu đo độ c ng Vickers c a các mẫu đo theo thời gian thấm) 65

B ng 4.13: (Số liệu đo bề rộng trung bình B c a nhiễu x các mẫu đo ng

với từng thời gian thấm)

66

B ng 4.14: (Số liệu đo đô c ng Vicker và bề rộng trung bình B chỉ các mẫu

thấm cabon-nitơ )

67

B ng 4.15: (Giá trị tham số nội suy hàm mũ chỉ các mẫu thấm cabon-nitơ) 69

B ng 4.16: (Số liệu đo đô c ng Vickers và bề rộng trung bình B có mẫu ch a

thấm cacbon-nitơ)

69

B ng 4.17: (Giá trị tham số nội suy hàm mũ có mẫu ch a thấm cacbon-nitơ) 71

Ch ng 1

T NG QUAN

1.1 T ng quan chung v ề lĩnh v c nghiên c u, các k t qu nghiên c u trong và ngoƠi n c đư đ ợc công b

1.1.1 T ầm quan trọng của công ngh nhi t luy n

Trong chế t oăcơăkhí, nhiệt luyệnăđóngăvaiătròăquanătrọng vì không những nó

t o ra cho chi tiếtăsauăkhiăgiaăcôngăcơănhững tính chất cần thiếtănhưăđộ cứng, độ bền, độ dẻo dai, kh nĕngăch ng mài mòn, ch ngăĕnămòn… màăcònălàmătĕngătínhăcông nghệ của vật liệu.Vì vậy có thể nói, nhiệt luyện là một trong những yếu t công nghệ quan trọng quyếtăđịnh chấtălư ng của s n phẩmăcơăkhí[1]

Nhiệt luyện có nhăhư ng quyếtăđịnhăđến tuổi thọ của các s n phẩm cơăkhíă Máy móc càng chính xác, yếu t cơ tính càng cao thì s lư ng chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều Đ i vớiăcácănước công nghiệp phát triển,để đánhăgiáătrìnhăđộ của ngành chế t oăcơăkhí ph iăcĕnăcứ vàoătrìnhăđộ nhiệt luyện, vì rằngădùăgiaăcôngăcơăkhíăcóăchínhăxácăđếnăđâuănhưngănếu không qua nhiệt luyện hoặc chấtălư ng nhiệt luyệnăkhôngăđ m b o thì tuổi thọ của chi tiết củng gi m và mứcăđộ chính xác của máy móc không còn giữ đư c theo yêu cầu[1]

1.1.2 Ki ểm tra không phá hủy

Kiểmătraăkhôngăpháăhủy hay kiểmătraăkhôngătổnăh i (Non-Destructive

Testing-NDT),ăhayăcònăgọiălàăđánhăgiáăkhôngăpháăhủyă(Non-Destructive

Evaluation-NDE),ăkiểmăđịnhăkhôngăpháăhủyă(Non-Destructive Inspection-NDI), hoặcădòăkhuyếtătật làăviệcăsửăd ngăcácăphươngăphápăvậtălýăđểăkiểmătraăphátăhiệnăcácăkhuyếtătậtăbênătrongăhoặcă ăbềămặtăvậtăkiểmămàăkhôngălàmătổnăh iăđếnăkh ănĕngăsửă

d ngăcủaăchúngă

Kiểmătraăkhôngăpháăhủyădùngăđểăphátăhiệnăcácăkhuyếtătậtănhưăvếtănứt,ă rỗăkhí,ăngậmăxỉ,ătáchălớp,ă khôngăngấu,ă khôngăthấuătrongăcácăm iăhàn,ă kiểmătraăĕn mònăcủaăkimălo i,ătáchălớpăcủaăvậtăliệuăcomposit,ăđoăđộăcứngăcủaăvậtăliệu,ăkiểmătraăđộăẩm củaăbê tông,ăđoăbềădàyăvậtăliệu, xácăđịnhăkíchăthướcăvàăđịnhăvịăc tăthépătrongă

o Phươngăphápăch pă nhăphóngăx ădùngăfilm(RadiographicăTesting- RT),

o Phươngăphápăch pă nhăphóngăx ăkỹăthuậtăs ă(Digital Radiographic Testing- DR)

o Phươngăphápăkiểmătraăsiêuăâmă(UltrasonicăTesting- UT)

 Cácăphươngăphápăcóăkh ănĕngăphátăhiệnăcácăkhuyếtătậtăbềămặtă(vàăgầnăbềămặt)

o Phươngăphápăkiểmătraăthẩmăthấuăchấtăl ngă(δiquidăPenetrantăTesting- PT)

o Phươngăphápăkiểmătraăbộtătừă(εagneticăParticleăTesting- MT)

o Phươngăphápăkiểmătraădòngăxoáyă(EddyăCurrentăTesting- ET)

1.1.3 Các k t qu nghiên c u trong vƠ ngoƠi n c đ ợc công b

1.1.3 1 Các k t qu nghiên c u liên quan kiểm tra không phá hủy

Việcăxácăđịnh các thuộcătínhăcơăhọc của vật liệuănhưăđộ cứng, ứng suất … và các yếu t nhăhư ngăđến cấu trúc tế vi của vật liệu bằngăphươngăphápăkiểm tra

không phá hủy (nhiễu x tia X ) đãăđư c nghiên cứu một s các công trình khoa họcănhưăsau:

 Dươngă Côngă Cư ng “Nghiên cứuă vàă xácă định độ cứng của thép cacbon

nhiệt luyện bằngăphươngăphápănhiễu x tia X”

Luậnăvĕnăđư c thực hiện cho các mẫu thép C50 tôi và ram nộiăsuyăđư căđộ cứng và bề rộng trung bình có m i liên hệ tuyếnătínhăcóăphươngătrình [3]

of Industrial Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN 47907, pp

32-56[17] JingăChiăVàăC.Richardăδiuăđãănghiênăcứu nhăhư ng của nhiệt

độ và tính chấtăcơăhọcăđến cấu trúc tế viăvàăđộ cứng trên bề mặt vật liệu

Bàiăbáoăđề cậpăđến việc phá hủyăcơăhọc và việc hình thành nhiệt x y

ra khi tiện với t căđộ cao b i vì lực cắt và ma sát giữa dao và chi tiết gia công Việc sử d ng nhiễu x tia X chúng ta có thể quanăsátăđư c sự thayăđổi cơăhọc và nhăhư ng của nhiệt lên cấu trúc tế viăvàăđộ cứng Các tham s

đư ngăcongăGaussăđư c sử d ng cho việcăđánhăgiáăbề rộngăđư ng nhiễu x

là các sai lệch tiêu chuẩn của hàm mậtăđộ xác xuấtăđư c chuyển từ đư ng cong Gauss Các chi tiếtăđ qua xử lý nhiệt,hình d ng và cấuătrúcăđồng nhất thìăcóăcùngăđộ cứng.Tuy nhiên, các chi tiếtăcóăđộ cứng cao khi tiệnăthìăđỉnh nhiễu x thư ngăcaoăhơnăcácăchiătiết qua xử lý nhiệt

 D.J.Hornbach, et.al, “X-ray Diffraction Chacracterization of the Residual Stress and Hardness Distributions”, First Int Conf on Induction Hardened Gears and Critical Components, May 15-17, Indianapolis Gear Research

Institute, 1995, pp 69-76[15].D.J.Hornbach, nghiên cứu sự phân b độ cứng

và ứng suấtădưădựaăvàoăđặc tính nhiễu x tia X

Trong nghiên cứu này, việcăcóăđư c những hiểu biết sâu sắc về việc phân ph iăđộ cứng bề mặt và ứng suấtădưăđư c thực hiện bằng các phân tích

không phá hủy Nhiễu x tia X cung cấp những công c m nh mẽ cho việc xácăđịnh c ứng suấtădưătế vi và việc chi ph iăđộ cứng Quyătrìnhăxácăđịnh

m i quan hệ giữaăđỉnh nhiễu x vàăđộ cứngăcơăhọcăcũngăđư c thực hiện

 Kurita, M., “X-Ray Stress Measurement By The Gaussian Curve Method, X-Ray Diffraction Studies On The Deformation And Fracture Of Solids”, Current Japanese Materials Research, Vol.10, pp 135-151, 1993.Kurita, ε.[10].ăĐo ứng suất b iăphươngăphápăđư ng cong Gaussian và nghiên cứu nứt bằng nhiễu x tia X

 L.C Cuong and M Kurita,”Absorption Factor And Influence of LPA Factor

On Stress And Diffraction Line Width In X-Ray Stress Measurement With and Without Restriction Of X-Ray Diffraction Area”, The Japanese Society

for Experimental Mechanics, 2004, pp 7-14.L.C Cuong and M Kurita [8]

Trong nghiên cứu này, việcăđoăứng suấtăvàăđư ng nhiễu x ph iăđư c hiệu chỉnh qua hệ s LPA (hệ s Lorentz, phânăcưcăvàăhấp thu )ăđể xácăđịnh chính xác ứng suất Hệ s hấpăthuăđư c ghi nhậnăthôngăquaăβăphươngăphápăđóălàăphươngăphápănghiêngătiêuăchuẩn với việc c định góc và và phươngăphápănghiêngămặt bên bằng cách c địnhăgócăăăăăăvàăăăăăăă…thông thư ng, khiăđoăứng suất bằng nhiễu x tia X khu vực bức x của tia X lên bề mặt của chi tiếtătĕngăkhiătĕngăgócăăăăăă Hệ s hấp thu của việcăđoăcácăvùng giới h n của bức x tất c cácăgócăăăăăăcũngăđư c ghi nhận Các mẫuăthépăđãă

đư c tôi và ram có bề rộngăđư ng nhiễu x khác nhau, nhăhư ng của các hệ

s δPAăcũngăđư c thực hiện Hệ s LPA nhăhư ng m nh mẽ hơnălênăgiáătrị của ứng suất khi bề rộngăđư ng nhiễu x tĕng phươngăphápănghiêngămặt bên, hệ s LPA ít nhăhư ng đến ứng suất và nó có thể đư c b qua Việc hiệu chỉnh hệ s LPA không nhăhư ngăđến bề rộng củaăđư ng nhiễu x

1.1.3.2 Các k t qu nghiên c u tăng bền cho thép không g

Thép không gỉ Austeniticăđư c sử d ng trong công nghiệp xử lý hóa học, s n xuất sữa, công nghệ xử lý thực phẩm, cácănhàămáyănĕngălư ng h t nhân, các d ng

c và thiết bị thí nghiệm

Với cấu trúc phức t p của chúng, thép không gỉ đư căchiaăraălàmăγănhómăcơă

b nănhưălàăaustenitic, ferritic và martensitic… lo i thép không gỉ đư c sử d ng phổ biến nhất là austenitic ví d nhưăAISIăγ04ăvàăAISIăγ04δ, chúngăđư c sử d ng trên 50% s n phẩm toàn cầu, thépăferriticăcũngăđư c sử d ng rộngărãiănhưăAISIăγ1θăvàăAISI 316L Những lo i này chiếm kho ng 80% kh iălư ng thép không gỉ đư c sử

d ng trên thị trư ng

Ngày nay, việc sử d ng công nghệ hóa nhiệt luyệnăđể làmătĕngăđộ cứng và tính ch ngămàiămònăcũngăđãăđư c nghiên cứu rất nhiều các công trình khác nhau Bằng những kỹ thuật khác nhau, chẳng h nănhưăthấmănitơăbằng plasma, thấm nitơăthể khí, thấm cacbon-nitơăthể l ng…

Một s các công trình nghiên cứuăđãăđư c thực hiện ngoàiănướcănhưăsau:

 “Effectăofăannealingătemperatureăonăhardness,thickness and phase structure ofăcarbonitridedăγ04ăstainlessăstell”ăcủa tác gi EL-Hossary và S.Mänd[11], Điểm mới của phần trình bày này về kết qu và th o luận,có thể đư c kết luận với nhữngăýăchínhăsauăđâyμ

 Với nhiệtăđộ nhiệt luyện 8000C, giá trị độ cứng của khu vực sau lớp thẩm thấu gi m xu ng trong khi các giá trị có liên quan tới khu vực thẩm thấuătĕngălên

 Nitơăvàăcacbon thẩm thấu từ gần bề mặtăđếnăđộ sâu của mẫu xử lý khi nhiệt

độ nhiệt luyệnăgiaătĕngăvàăđiều này có thể gi i thích những kết luận trên

 “RFă plasmaă carbonitridingă ofă AISIă γ04ă austenitică stainlessă steel”ă của F.M.El-Hossary, N.Z.Negm, S.M.Khali, A.M.Abed Elrahman, D.N.McIlroy [12]

Trong nghiên cứu này, thấm cacbon- nitơăđư c thực hiện bằng việc

xử lý Plasma tần s vô tuyến.Với cấu trúc phức t p, độ cứng và thành phần hóa họcătươngăứng của lớp thấm cabon-nitơăcủa thép không ghỉ AISI 304

đư c kiểm tra bằng nhiễu x tia X, kính hiển vi quang học, quét kính hiển vi điện tử, các thí nghiệm thực hiện cho một s kết qu nhưăsauμ

 Sự chiếmă ưuă thế của các pha mới mà việc kết tủa t iă đư ng biên của h tăđ i với các mẫu thấm cacbon-nitơănóiălênăviệc gia tĕngăđángăkể về độ cứng ( 1715HV )

Hình 1.1: Độ cứng khi xử lý Plasma từng th iăđiểm khác nhau[12]

Hình 1.2: Độ cứng Vickers khi kiểm tra chiều sâu khác nhau

 “EffectăofărfăPlasmaăCarbonitringăonătheăBiocompatibilityăandă Mechanical Properties of AISI 321 Austenitic Stainless Steel” của F.M.El-Hossary, M.Raaif, A.A.Seleem, M.Abo El-Kassem A.M.Abd El-Rahman, D.N.McIlroy [13]

Nghiên cứu này cho thấy thấm cacbon-nitơădùngătần s vô tuyến Plasma cho thép AISI 321 có thể đ t chiều dày từ θ.η÷γ0 m Nó cho chúng ta thấy rằng dung dịch nitơ/cacbon c i thiệnăđộ cứng bề mặt sau kho ng th i gian 7 phút so với những mẫuăchưaăxử lý Sự thayăđổi cấu trúc hiển vi c i thiện đángă kể tính ch ng mài mòn của những mẫuă đư c xử lý Plasma trong kho ng th i gian 8 phút

Hình 1.4: Chiều dày lớp thấm cacbon-nitơăvàăt căđộ thấm theo th i gian [13]

Hình 1.5: Nhiễu x tiaăXăkhiăchưaăxử lý và sau khi thấm

cacbon- nitơăbằng Plasma[13]

 “SurfaceăhardeningăofăAISIăγ04,γ1θ,γ04δăandăγ1θδăSSăusingăCyanideăfreeăsaltă bathă nitridingă process”ă của T.Kumar, P.Jambulinggam, M.Gopal and A.Rajadural [14]

Trong nghiên cứu này, các lo i thép không ghỉ 340,316,304L vàă γ1θδăđư c tiến hành thấm cacbon-nitơă thể l ng , qua những thí nghiệm này cho chúng ta thấy

sự c i thiện đángăkể về tính ch ng mài mòn, độ cứng của thép không gỉ Những kết luậnăđư c thể hiện nhưăsauμ

 nhăhư ng của lớp thấm cacbon-nitơălàmăgiaătĕngăđộ cứng bề mặt của các lo i thép không ghỉ nhưăγ40, 316, 304L và 316L

 Độ cứng của thép không ghỉ 316 rất cao có thể đ t tới 1200 Hv, trong khi với thép 304 thì là 870 Hv

 Thép không ghỉ 304 và 316L khi xử lý nhiệtăđộ 5600c trong kho ng

th iăgiană180ăphútăđ tăđư c chiều sâu từ η0÷θ0 m

 Thuộc tính ch ngăĕnămònăvàătínhăch ng oxy hóa thì t tăhơnăcácămẫu chưaăđư c xử lý

Hình 1.6: Độ cứng bề mặt khi thấm Cacbon-nitơăbằng Plasma[13]

Hình 1.7: Độ cứngătrước và sau khi xử lý trong kho ng th i gian 180 phút[14]

 Vấn đề đặt ra: Tr ng thái bề mặt của thép không gỉ (độ cứng,tính ch ngăĕnă

mòn…)ăđãăđư c nghiên cứu nhiều trong quá khứ bằng nhiềuăphươngăphápăkhácănhau ( ủ, thấm Nitơăbằng plasma, thấmăcacbonăniătơăthể l ng…) điều này chứng t công nghệ hóa nhiệt luyệnăđóngăvaiătròărất quan trọng trong việcălàmătĕngăđộ cứng

và tính ch ng mài mòn của thép không gỉ Từ luậnăvĕnăcủaăDươngăCôngăCư ng,

“nghiên cứuăvàăxácăđịnhăđộ cứng của thép cacbon nhiệt luyện bằngăphươngăphápă

nhiễu x tia X ”, cho thấy nhiễu x X quang có kh nĕngăxácăđịnhăđộ cứng của

thép tôi bằngăphươngăphápăkhôngăpháăhủy.ăĐâyălàămột kết qu thú vị vàăcóăýănghĩaălớn trong việc ứng d ngăcácăphươngăphápăkhôngăphá hủyăđể đánhăgiáăcơătínhăcủa vật liệuăcơăkhí.ăTuyănhiênăđể có thể áp d ng rộng rãi cho nhiều lo i vật liệu, cần

m rộngă đánhăgiáă vàă kiểm nghiệmăphươngă phápăchoănhiều lo i vật liệu, lập hệ

th ng dữ liệu nhiễu x cho mỗi nhóm vật liệu nhiều tr ng thái nhiệt luyện khác nhauănhưăủ, thấmăniătơ, thấm cacbon-nitơ…

1.2 M ục đích của đề tài

Đề tài này nhằmăxácăđịnh m i quan hệ giữa bề rộngătrungăbìnhăvàăđộ cứng của thép không gỉ SUSăγ04ăđư c thấm cacbon-nitơ, từ đóăđề xuấtăphươngăphápăđoăđộ cứng cho các vật liệu tinh thể bằngăphươngăphápăkhôngăpháăhủy

Hình 1.8 :T căđộ ĕnămònălúcăchưaăxử lý và sau khi khuếch

tán của thép không gỉ [14]

1.3 Nhi m v ụ của đề tài và gi i h n đề tài

-Xây dựng lý thuyết tính toán

-Chế t o mẫu thí nghiệm

-Thí nghiệm thấm cacbon-nitơăthể rắn

- Đoăđộ cứng các mẫuăđãăthíănghiệm

-Thí nghiệm nhiễu x X quang để xác định bề rộng trung bình

-Xây dựng m i quan hệ giữaăđộ cứng và bề rộng trung bình

Trongăđề tài này chỉ giới h năxácăđịnhăđộ cứng cho vật liệu thép không ghỉ SUS 304 với chất thấm K4Fe(CN)6,Na2CO3,than gỗ các nhiệt 8500C trong kho ng

th i gian 4-9gi S lư ng mẫu thí nghiệm là 6 ứng với từng nhiệtăđộ và th i gian

c thể nhưăđư c trình bày b ng 3.3

1.4 Ph ng pháp nghiên c u

Nhiễu x tiaăXăđư c sử d ngăđể xácăđịnh ứng suấtădư,ătínhăứng suất m i, xác định pha tinh thể mà không phá hủy chi tiết mẫu Nhiều nghiên cứuătrướcăđâyăchoăthấy, bất cứ sự thayăđổi nào trong cấu trúc của vật liệu tinh thể (nhưăbiến d ng dẻo,

xử lý nhiệt, quá trình h păkimăhóa,…)ăđều nhăhư ngăđếnăcácăđặcătrưngăcủaăđư ng nhiễu x X quang, bao gồm ba thông s quan trọng là vị tríăđỉnh nhiễu x , hình d ng vàăđộ lớn củaăđư ng nhiễu xa theo luậnăvĕnăcủa Tác gi : PGS.TS δêăChíăCươngă

“Absorption factor and influence of lpa factor on stress and diffraction line width in x-ray stress measurement with and without restricsion of x-ray diffractin area”,

Ths.Hoàng Anh “Phân tích các yếu t nhăhư ngăđếnăđộ rộngăđư ng nhiễu x tia

X – quang”, thực hiệnănĕmăβ008ăt iăđ i học SPKT TP HCM

Mặtăkhácăđộ cứng của vật liệuăliênăquanăđến cấu trúc tinh thể của vật liệu

Vì vậy việcăcóăđư c độ rộng củaăđư ng nhiễu x này thì có thể suyăraăđư c m i quan hệ vớiăđộ cứng của vật liệu B i vậyăhướng nghiên cứuăđề tài là dựa vào bề rộngătrungăbìnhăđư ng nhiễu x để nghiên cứu và xácăđịnhăđộ cứng Dựaătrênăcơăs

lý thuyết về vật lý tia X, phươngăphápăphânătíchăđư ng nhiễu x , lý thuyết về thấm cacbon-nitơ,ălýăthuyết xác xuất th ng kê, lý thuyết quy ho ch thực nghiệm

Ch ng 2

C S LÝ THUY T

2.1 Lý thuy t v ề nhi u x tia X-ray

2.1.1 Đ nh lu t Bragg vƠ điều ki n nhi u x

Khi chiếuătiaăXăcóăbước sóng (10-4 – 1020 )ătươngăứng với kho ng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử vào vật rắn tinh thể sẽ xuất hiện các tia nhiễu x với

cư ngăđộ vàăcácăphươngăkhácănhau,ăcácăphươngănhiễu x ph thuộcăvàoăbước sóng của bức x tới và b n chất của mẫu tinh thể.ăĐịnh luật Bragg thiết lập m i quan hệ giữaăbước sóng tia X và kho ng cách giữa các mặt nguyên tử

Các gi thuyết : các mặt phẳng nguyên tử ph n x các bức x tới ph iăđộc lập, các tia tới ph i tán x hoàn toàn

Gi sử hai mặt phẳng nguyên tử song song A-A’ă vàă B-B’ă cóă cùngă chỉ s Millier h,k,l và cách nhau b i kho ng cách giữa hai mặt phẳng nguyên tử dhkl, chúng ta xem mặt tinh thể của tâm tán x nguyên tử là các mặt tinh thể và ph n x

gi ngănhưăgươngăđ i với tia X

Q

Hình 2.1μăĐịnh luật Bragg

Q

Gi sử haiătiaăa1ăvàăaβăđơnăsắc, song song và cùng pha vớiăbướcăsóngă ăchiếu vào hai mặt phẳng A-A’ăvàăB-B’ădướiăgócă ă

Hai tia này bị tán x b i 2 nguyên tử P và Q và cho hai tia ph n x a1’ăvàăaβ’ăcủng t o góc so với mặt phẳngăngangă ă(hìnhăβ.1) Sự giao thoa của hai tia tán x

x y ra nếu th aă mãnă điều kiện sau: Hiệu qu ngă đư ng a1-O-a1’ă vàă aβ-P-aβ’ă tức mP+Pk bằng s nguyên lầnăbước sóng Tứcălàăăn ă=ămPă+ăPk

Trongăđóăn=ă1,β,γ….đư c gọi là bậc bức x

Công thức (2.1)ăđư c gọi làăđịnh luật Bragg biểu thị m i quan hệ giữaăbước sóng tia tới, góc nhiễu x và kho ng cách giữa 2 mặt nguyên tử kề sát nhau Nếu điều kiện nhiễu x không thõa mãn thì sự giao thoa sẻ không x yăraăvàăcư ngăđộ nhiễu x thuăđư c rất nh [16]

Khi n = 1 bậc ph n x thứ nhấtăđịnh luật Bragg :

Khi n > 1 các ph n x đư c gọi là ph n x bậcăcao,ăđịnh luậtăBraggăđư c viết

l iănhưăsauμă

Với (dhkl/n) là kho ng cách giữa các mặtă(nh,ănk,ănl)ăđặtăd’=ă(dhkl/n) thay vào công thức (2.3) ta có:

M i quan hệ giữaăcư ngăđộ nhiễu x và góc nhiễu x

Hình 2.2: M i quan hệ giữaăgócăβthetaăvàăcư ngăđộ nhiễu x I[16]

2.1.2 Các y u t nh h ng đ n c ng độ nhi u x LPA (Lorenz, h s phân

c c, hàm h ấp thụ )

Việcăxácăđịnh chính xác vị tríăđỉnh nhiễu x làăđiều kiện tiên quyếtăđể xác định ứng suấtădư,ăvìăkhiăthực hiện nhiễu x ứng với một mặt phẳng nguyên tử hkl (mặt ph n x ) và một góc nhiễu x β ăsẽ cho mộtăđư ng nhiễu x nhấtăđịnhăvàăđỉnh nhiễu x là vị tríăcóăcư ngăđộ I cựcăđ i Bằng cách chúng ta thực hiện nhiễu x cho vật mẫu(là vật nhiễu x tr ng thái tự nhiên không tồn t i ứng suất) với thiết bị có cùng công suất,ăbước sóng chùm tia tới, mặt phẳng nhiễu x có chỉ s Millier h,k,l,

và cùng góc nhiễu x β ăsẽ thuăđư căđư ng nhiễu x cóăđỉnh nhiễu x Vớiăđiều kiệnănhưătrênăchúngătaăthực hiện nhiễu x trên mẫu cầnăđoăứng suất và thuăđư c

đư ng nhiễu x tươngătự tuyănhiênăđỉnh nhiễu x sẻ bị lệchăđiμ

łă=ă(dă– d0)/d0, với d là kho ng cách của các mặt nhiễu x hkl của vật cầnăđo,ăd0 là kho ng cách của mặt nhiễu x của mẫu [16]

Hình 2.4: M i quan hệ giữa góc βthetaăvàăđỉnh nhiễu x [16]

Hình 2.3: M i quan hệ giữaăgócăβthetaăvàăđỉnh nhiễu x [16]

Tuyănhiênăcư ngăđộ nhiễu x còn ph thuộc vào các yếu t sau: hệ s hấp

th (the absorption correction factor A), hệ s phân cực (the polarization factor P(β ))ăvàăhệ s δorentză(theăδorentzăfactorăδ(β )).ăSauăđâyăchúng ta sẻ kh o sát từng yếu t trên mẫu mặt phẳng[16]

2.1.2.1 H s h ấp thụ A trên m u phẳng:

Sự hấp th nhăhư ng tớiăcư ngăđộ nhiễu x , I ph thuộc vào chiều dài của tia tới và tia nhiễu x trên bề mặt mẫu.ăCullityăđãătiến hành thí nghiệm trên mẫu phẳngănhưăsauμ

Chiếu tia X lên bề mặt mẫu,ăkhiăđóăbênătrongăcủa vật mẫu sẽ nhiễu x t i một nguyên tử bất kỳ nàoăđóăcáchăbề mặt một kho ng x, có bề dày là dx và chiều dài phân tử làăl.ăCư ngăđộ nhiễu x trên bề mặt là:

  2

0

AB BC D

Với a : hệ s tính chất của vật liệu ( ph thuộc vào lo i vật liệu )

b : hệ s phầnănĕngălư ng tia tới trên mộtăđơnăvị thể tích (ph thuộcăvàoăđặc tính tia X chẳng h nănhưăμăCră– Kα,ăCră– K ,ăCuă– Kα,ăCoă– K …)

AB + BC : chiều dài tia tớiăđến phân tử và tia nhiễu x điăraăngoài

dV : thể tích phân t nhiễu x

đâyătaăcóăμ

Hình 2.5: Nhiễu x trên một phân tử[16]

  0

AB BC D

x x D

Co - K 445.3 202.1 685.3 618.8 1395.3

2.1.2.2 H s Lorentz L(2 θ):

Ta kí hiệu : B : là góc giữa mặt phẳng nhiễu x và tia tới th iăđiểmăbanăđầu

1 : là góc giữa mặt phẳng sau khi xoay và tia tới

a : là kho ng cách giữa 2 nguyên tử

Na : là tổng chiều dài của mặt nhiễu x Sau khi chúng ta chiếu chùm tia tớiăđến mặt nhiễu x vớiăgócălàă B, và thực hiện quay mẫu và tinh thể nhiễu x sau khi quay có góc tớiălàă 1, và góc nhiễu x

vẫnălàăβ B

Ta có quan hệ giữa các góc sau khi quay mẫu và trướcăkhiăquayănhưăsauμ

1=ăΔ ă+ B vàă 2=ă B - Δ ă

Ta xét trên mộtăđơnănguyênătử ( hình 2.6b) với 2 tia tớiăđơnăsắcă1’ăvàăβ’ăvàăsự khác nhau về chiều dài của 2 tia là :

Ł1’β’ = AD – CBă=ăa.cos 2 – a.cos 1 =ăa[cosă( B - Δ )ă– cos(Δ ă+ B )]

Ł1’β’ = a[cos ( B - Δ )ă– cos(Δ ă+ B )]ă=ăβa.sinΔ sin B

Hình 2.6: Hệ s Lorentz [16]

Doălư ng dịch chuyểnăquayăΔ ănh nênăμăsinΔ ăảăΔ ăvậyăμăŁ1’β’ =ăβa.Δ sin B

Xét tổng toàn bộ các nguyên tử nhiễu x kết h p vớiăđiều kiện nhiễu x ta có

1 tan cos cos

2.2 S m r ộng đ ng nhi u x

2.2.1 Khái ni m đ ng nhi u x

Đư ng cong phân b cư ngăđộ nhiễu x dọc theo tr căđoăgócă gọiălàăđư ng nhiễu x ăĐư ng nhiễu x có d ngăhìnhăchuôngănhưăhìnhăβ.7 với trị s cựcăđ i nằm gần trị s góc đ i với mặt nhiễu x hkl [16]

2.2.2 Chu ẩn hóa đ ng nhi u x

2.2.2.1 H s Lorentz-polarization(LP):

Thừa s δorentzăliênăquanăđến mọi yếu t hình học có nhăhư ngăđến tổng

cư ngăđộ củaăđư ng nhiễu x vàăđư căđịnhănghĩaăb i biểu thức[16]:

2 góc nhiễu x

Biểu thức 1 cos 2  2  đư c gọi là hệ s phân cực

Ta có thừa s Lorentz-polarization (LP):

2 2

1 cos 2

.sin cos

Lorentz polarization factor 

đư ng thẳng vẽ từ mép cựcă tráiă đến mép cực ph i củaă đư ng nhiễu x nhận

đư c từ thực nghiệmănhưăhìnhăβ.λ[16]

Hình 2.9: Đư ng phông củaăđư ng nhiễu x [16]

Hình 2.8:Sự phát tán từ mộtăelectronăđếnăđiểm M [16]

Gi sử ta có một tập các dữ liệu nhiễu x từ (x0 ,y 0 ) đến (x n ,y n ) đư c biểu diễn

trên hình 2.4.ă Cư ngă độ phôngă đư că địnhă nghĩaă làă đư ng thẳng n i từ điểm

(x 0 ,y 0 ) đến (x n ,y n ) củaăđư ng nhiễu x Ta có:

0

0 0

,

i

n n

x x AC

“Xácăđịnh chỉ s ”ălàăghiăchỉ s Miller chính xác cho mỗi nh nhiễu x trong

gi năđồ nhiễu x Các nh nhiễu x đóăcũngăđư c gọi là các ph n x và có thể sử

d ng c hai thuật ngữ nàyăchoănhau.ăĐặc biệtălưuăýărằngăxácăđịnh chính xác chỉ s nhiễu x đư c tiến hành chỉ khi tất c các nh nhiễu x trong gi nă đồ nhiễu x đềuđư cătínhăđến và không một nh nhiễu x nào của cấu trúc nghiên cứu bị mấtăđiătrên gi năđồ nhiễu x

Dướiăđâyătrìnhăbàiămột thí d tiêu biểu về cáchăxácăđịnh chỉ s nh nhiễu x nhậnăđư c từ vật liệu có cấu trúc lậpăphươngă(δP).ăTrìnhătự này là gi ng nhau cho kim lo i, bán dẫn hoặc g m

Kho ng cách giữa các mặt phẳng d, kho ng cách giữa các mặt lân cận trong tập (hkl) với thông s m ng a0 của vật liệu có cấu trúc LP, có thể đư căxácăđịnh từ phươngătrìnhμ

h k l =1,2 hoặc 3 Vì tỉ s của các giá trị 2

sin  có cùng tỉ lệ với tỉ s các giá trị 2 2 2

h k l cho các mặt khác nhau

và vì h, k, l luôn là s nguyên nên các giá trị 2 2 2

h k l có thể thuăđư c bằng cách chia các giá trị sin 2 của các ph n x khác cho một giá trị nh nhất (tức sin 2 của các ph n x bậc nhất) và nhân các tỉ s thuăđư c này với s nguyên thích h p

Doăđó,ăcácăgiáătrị sin 2 tính cho tất c nh nhiễu x đư c chia cho giá trị

nh nhất – ph n x nh nhất Các tỉ s này khi nhân với 2 hoặc 3 sẽ nhậnăđư c các

s nguyên (nếuăchúngăchưaălàăs nguyên) Các s nguyên nhậnăđư c tiếp sau này chính là các giá trị 2 2 2

h k l ăNhưăvậy, các giá trị h, k, l có thể dễ dàng suy ra từ

tổngăbìnhăphươngăănhưăđư c liệt kê trong b ng ph l c 2 d ng tổngăbìnhăphươngăcủa một s chỉ s Miller cho hệ m ng lậpăphươngătâmămặt

2.2.4 S m r ộng đ ng nhi u x

2.2.4.1 Các y u t nh h ng đ n s m rộng đ ng nhi u x

Gi sử ta có một tinh thể cóăđộ dàyălàătăđư căđoătheoăphươngăvuôngăgócăvới các mặt phẳng ph n x (hình 2.5) và có (n+1) mặtănhưăvậy Ta gọi là góc chính xác th aămãnăđịnh luật Bragg, ta có:

2 sind 

Trong hình 2.10, các tia A,D…M h p với các mặt ph n x đúngăbằng góc này.ăCácătiaăA’,D’…ε’ăcùngăphaăvàăcùngăđóngăgópăchoăbiênăđộ cựcăđ i nhiễu x Khi tia tớiăđư c t o b i góc khác chút ít so với góc thì t o ra sự dập tắt giao thoa

Ví d tia B t o b i góc1lớnăhơnmộtăchút.ăTiaăδ’ătừ mặt phẳng thứ n thì trễ pha

so vớiătiaăB’ătrênăbề mặtă(n+1)ăbướcăsóng.ăĐiềuănàyăcóănghĩaălàă giữaăquãngăđư ng trong tinh thể có một mặt phẳng tán x một tia trễ pha một-nữa (thực chất là một s nguyên cộng một-nữa)ăbước sóng vớiătiaăB’ Những tia này triệt tiêu lẫn nhau, cứ nhưăthế cho những cặp tia khác của các cặp mặt phẳngătươngătự trong tinh thể Vì thế các tia tán x nửa trên của tinh thể sẽ triệt tiêu những tia tán x nữaădưới Doăđóăcư ngăđộ của tia nhiễu x t i góc2 1sẽ bằngăkhông.ăCư ngăđộ của tia nhiễu

x t i góc2 2cũngăsẽ bằng không, với góc 2tươngăứng vớiătiaăN’ăcủa mặt phẳng thứ

n thì trễ pha so vớiătiaăC’ătrênăbề mặt (n-1)ăbước sóng

Hình 2.10: nhăhư ng củaăkíchăthước tinh thể đến nhiễu x [16]

Ta có hai góc giới h n là 2 và 1 2 mà t iăđóăcư ngăđộ nhiễu x bằng không Vì 2vậy,ăcư ngăđộ nhiễu x t i các góc gần2 (chưaălớn hơn2 và nh hơn1 2 ) có giá 2trị nằm giữaă0ăvàăcư ngăđộ lớn nhất của tia nhiễu x t i góc2 .ăĐộ dày t càng nh , hayăkíchăthước h t càng nh (không có nhiều mặt phẳng làm triệt tiêu hoàn toàn các giao thoa của tia tán x t i các góc gần2 ) thì kho ng2122càng rộng hay

đư ng nhiễu x bị m rộng.Ta có thể cho rằngăcư ngăđộ củaăđư ng nhiễu x chung (đoăđư c) là tổngăcư ngăđộ đư ng nhiễu x các thành phầnănhưăhìnhă(hìnhăβ.11)

Mỗiăđư ng nhiễu x thành phầnăđều dịch chuyển do tồn t i biến d ng c c bộ trong nó và có hình dáng tùy thuộcăvàoăkíchăthước của từngăvùng.ăDoăđó,ăhìnhădángăcủaăđư ng nhiễu x đoăđư c tùy thuộc vào kho ng biến d ng c c bộ và phân b kíchăthước M c tiêu của đề tài này là từ sự m rộng củaăđư ng nhiễu x ta có thể lấyăđư c thông tin về độ cứng của vật liệu[16]

2.2.4.2 Khái ni m độ rộng v t lý đ ng nhi u x

Mứcăđộ m rộng củaăđư ng nhiễu x đư căđánhăgiáătheoăđộ rộng Có hai cáchăxácăđịnhăđộ rộng:

Đư ng nhiễu x thành phần Đư ng nhiễu chung

x chung

Hình 2.11: Đư ng nhiễu x chungăvàăcácăđư ng nhiễu x thành phần[16]

- Độ rộng Scherrer (Full Width at Half Maximum-FWHM gọi tắt là bề rộng trung

bình),ălàăđộ rộng củaăđư ng nhiễu x t i vị trí 50% của chiềuăcaoăcư ngăđộ cực

đ iă(sauăkhiăđãăhiệu chỉnh nền)

- Độ rộng Laue ( integral breadth ) là tỷ s củaăcư ngăđộ tíchăphânăvàăcư ngăđộ

nhiễu x t iăđa.ăTuyănhiênăcư ngăđộ tích phân ph thuộc rất m nh vào ph m vi góc nhiễu x ,ănênăcóăđộ chính xác rất thấp

Sự m rộng củaăđư ng nhiễu x là do hai nhóm nguyên nhân chính gây nên:

- Tr ng thái cấu trúc gồmăkíchăthước h t bé, ứng suấtădưătế vi, khuyết tật xếp, sai lệch m ng Sự m rộng do tr ng thái cấu trúc của b n thân mẫunghiên cứu gọi là

sự m rộng vậtălý,ăcònăđộ rộng gọiălàăđộ rộng vật lý

Hình 2.12: Độ rộngăscherrerăđư ng nhiễu x [16]2 

Cư ng độ I

Hình 2.13: Độ rộngăδaueăđư ng nhiễu x [16]

- Điều kiện thực nghiệm gồmμăđộ rộng củaăbước sóng bức x ,ă độ phân kỳ của chùm tia và các yếu t hình học khác củaăsơăđồ ch p Sự m rộngădoăđiều kiện thực nghiệm gọi là sự m rộng d ng c tươngăứng vớiăđộ rộng d ng c [16]

2.2.5 Lý thuy t hàm Gaussian và b ề rộng trung bình đ ng nhi u x (B)

Có nhiềuăphươngăphápăcóăthể xácăđịnh bề rộngătrungăbìnhănhưăphươngăphápăbề rộng trung bình (tính toán từ baăđiểm dữ liệu xuang quanh vị tríătrungăbình),ăphươngăphápăGaussăvàăphươngăphápăparabolaă(nội suy từ cácăđiểm thực nghiệm bằng các

đư ngă congă tươngă ứng) Tuyă nhiên,ă phươngă phápă Gaussă đư că xácă địnhă làă cóă độ chínhăxácăcaoăhơnăcácăphươngăphápăkhác và có thể tínhăđư căđộ lặp l i hoặcăđộ tin cậy (reproducibility),ăđặc biệtălàăphươngăphápăs đư c sử d ng rất thông d ng hiện nay trên toàn thế giới PhươngăphápăhàmăGaussianăđãăđư c sử d ng trong tính toán ứng suấtădưăcủa tác gi εASANORIăKURITAă“ăX-ray stress measurement by the Gaussianăcurveămethod”[10] Doăđó,ănghiênăcứuănàyăxácăđịnh bề rộng trung bình của thép thấmăcacbonănitơ dùngăphươngăphápăđư ng cong Gauss Một cách tổng quát, hàm mậtăđộ xác xuất ngẫu nhiên (Gauss) có công thức[16]:

2

2 ( ) 2 12

Trongăđóμăăµălàăgiáătrị trung bình (mean) hàm Gauss, và w: là sai lệch chuẩn, cho

thấy mứcăđộ phân tán củaăhàm.ăTrư ng h p chuyển tr c tung về giá trị µ, ta có:

trongăđóăcácăthamăs A (đặc trưngăchoăgiáătrị cựcăđ i) và w đặcătrưngăchoăđộ m

rộng củaăđư ng nhiễu x , lầnălư tăđư căxácăđịnh bằng:

2

1

) (x Ae w x Ae ax

c

µ

Hình 2.14: Đư ng nhiễu x Xăquangăđư c nội suy bằngăđư ng cong Gauss16]

Tham s a đư căxácăđịnh bằngăphươngăphápăbìnhăphươngănh nhất từ n điểm dữ

liệu thực nghiệm (xi ,y i ) (i=1 n)cáchăđềuănhauăbước nhiễu x c,ăđư căxácăđịnh

i

i i i

i

i i

z x x

x

z x x

x

z x

n

D

a

2 3

2

21

2

3 2

2

i i

i

i i

i

i i

x x

x

x x

x

x x

i l y T

n n

n

c

w

ln 30

) 4 )(

2 ln

độ bền cao, còn lõi ( vớiăhàmălư ng cacbon thấp) vẫn dẻo và dai [1]

M căđíchăcủa thấm cacbon là làm cho bề mặt của thép cứng tới trên 60HRC,

có tính ch ng mài mòn cao, chịu m i t t, còn lõi vẫn giữ đư c tính dẻo,dai của thép banăđầuăđemăthấm Doăđóăchiătiếtăđemăthấm cacbon là chi tiết chịu t i trọngăvaăđập

độ cứng, tính ch ng mài mòn t t, vừaăđ tăđư căđộ bền lớn nhất

-Độ cứng của lớp bề mặt sau khi thấm cacbon và nhiệt luyện ph iăđ t 60HRC

58 Tổ chức tế vi của lớp bề mặt và lõi sau khi thấm,tôi và ram thấp ph iăđ t: bề mặt là mactenxit và các phần tử cacbit nh mịn, phân b đều,không cho phép cacbit

tích t lớn d ng liên t c quanh biên giới h t,lõi là mactenxit và không có ferit hoặc các tổ chức trung gian khác

Đặcăđiểm về thành phần hóa học:

-Về thành phần cacbon: để đ m b o lõi chi tiếtăcóăđộ daiăvaăđập cao,thành phần cacbon của thép ph i nằm trong giới h n 0,1-0,25%C Hiệnănayăcóăxuăhướng dùngăthépăcacbonătrênădướiă0,γ0%ăđể nângăcaoăđộ bền của lõi, nhất là với chi tiết lớn

-Về các nguyên t h păkimμăđ i với thép thấm cacbon, các nguyên t h p kim ngoài kh nĕngă làmă tĕngă tínhă thấm tôi còn ph i có tác d ngă thúcă đẩy (hoặc không c n tr ) sự khuếch tán cacbon vào thép và không làm h t lớn, thư ng là các nguyên t t o cacbit: Cr, Mn, Mo, εi… không dùng lo i thép chỉ h p kim bằng Mn

vì nó làm h t lớn(trongătrư ng h p này ph iăcóăthemăTiăđể giử cho h t nh ) Đặc biệt nguyên t Ni ngoài tác d ng làmătĕngăđộ thấm tôi còn có tác d ng giữ cho h t

nh vàătĕngăm nhăđộ daiăvaăđập; các thép thấm cacbon t t nhất có thể chứa tới 4%Ni

2-Các nguyên t nhưăSi,Coăkhôngăđư c coi là nguyên t h păkimăđ i với thép thấm cacbon, vìăchúngăngĕnăc n cacbon khuếch tán vào thép

Sự khác nhau về chấtă lư ng giữa thép cacbon và thép h pă kimă để thấm cacbon là thép h păkimăcóăđộ thấm tôi lớnăhơnănênăđộ bền củaălõiăcaoăhơn, ít biến

d ngăkhiătôiăvàălàmăđư c các chi tiếtăcóăkíchăthước lớnăhơn, có thể thấm nhiệtăđộ caoăhơn Khiăđộ cứng bề mặtănhưănhauătínhăch ng m i mòn của thép h p kim cao hơnădoăt o nên cacbit ổnăđịnh vớiăđộ phân tán cao[1]

Cơătính của các thép thấm cacbon sau khi thấm cacbon,tôi và ram thấpănhưăsau:

-Độ cứng bề mặt:59-63HRC;

-Độ daiăăvaăđập: ak =700-1200kj/m2; -Độ bền kéo: σb =600-1200MPa

Taăđãăbiết nhiệtăđộ càng cao quá trình khuếch tán x y ra càng m nh, càng chóngăđ t chiều sâu lớp thấm, do vậyăngư i ta tận d ng việc lựa chọn nhiệtăđộ thấm cacbon cao Tuyănhiênăkhuynhăhướng này bị giới h n, b iăvìăkhiătĕngănhiệtăđộ thấm

sẽ làm cho h t austenite lớn, doăđóălàmătĕngătínhădònăcủa thép

Thấmăcacbonăthư ngăđư c tiến hành 900-9500C tùy thuộc thép là lo i thép

di truyền h t lớn hay h t nh Đ i với lo iăthépăđư c h p kim hóa bằng các nguyên

t làm nh h t, có thể thấm 930-9500C mà không s làm h t lớn Đ i với thép di truyền h t lớn, thấm 900-9200C

Th i gian thấm cacbon ph thuộc chủ yếu vào chiều dày lớp thấm yêu cầu, nhiệtăđộ thấmăvàămôiătrư ng thấm

-Chiều dày lớp thấm yêu cầu càng lớn, th i gian thấm ph i càng dài

-Nhiệtăđộ càng cao, th i giann thấm càng ngắn Nhiệtăđộ thấm ph thuộc vào

lo iăthépăđemădùng

-εôiătrư ng thấm khác nhau th i gian thấmăcũngăkhácănhau.Thấm trong môi trư ng l ng th i gian thấm ngắn nhất, sauăđóăđến môi trư ng khí, dài nhất là thấm trongămôiătrư ng rắn

Khi thấmăcacbonăđầu tiên các nguyên tử cacbonăđư c t o thành bề mặt của thép có ho t tính cao bị hấp th và khuếch tàn vào lớp bề mặt chiều dày nhấtăđịnh Nguyên tử cacbon khuếch tán vào m ng tinh thể của austenite làm thành phần của phaănàyătĕngălên Nếu thấm cacbon tiến hành 9000C, thư ng nồngăđộ cacbonăđ t đến trên 1,2%C, tức là ứng với giới h n hòa tan của cacbon trong austenite

9000C[1]

Hình 2.15: Sơăđồ biểu diển sự thayăđổi của thành phần cacbon lớp bề mặt trong quá trình thấm[1]