(Đề tài NCKH) thiết lập bộ 20 mẫu gang thép dùng cho nghiên cứu tổ chức tế vi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT LẬP BỘ 20 MẪU GANG THÉP DÙNG CHO NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI MÃ SỐ: T2014-98 SKC005500 Tp Hồ Chí Minh, 11/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG THIẾT LẬP BỘ 20 MẪU GANG THÉP DÙNG CHO NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI Mã số: T2014-98 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Nguyễn Văn Thức TP HCM, Tháng 11 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG THIẾT LẬP BỘ 20 MẪU GANG THÉP DÙNG CHO NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI Mã số: T2014-98 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Nguyễn Văn Thức TP HCM, Tháng 11 năm 2014 DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA ĐỀ TÀI STT Họ tên Đơn vị công tác Nhiệm vụ giao ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH STT Tên đơn vị nước Nội dung phối hợp MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ngồi n Tính cấp thiết Mục tiêu Cách tiếp cận Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Chương - HỢP KIM FE-C Hợp kim Fe-C 1.1 Khái niệm thép 1.2 Khái niệm thép hợp kim 1.2.1 Mục đích hợp kim hóa Phân loại thép 2.1 Phân loại thép cacbon 2.2 Phân loại thép hợp kim 2.2.1 Phân loại theo tổ chức tế vi 2.2.2 Phân loại theo nguyên tố hợp kim Nguyên lý hợp kim hóa thép 3.1 Sự hòa tan nguyên tố hợp kim vào sắt 3.2 Kí hiệu thép hợp kim Thép cacbon chất lượng thường Thép kết cấu Thép dụng cụ Thép có cơng dụng riêng Gang nhiệt luyện gang Chương – THÍ NGHIỆM Cấu tạo kim loại hợp kim Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi Kính hiển vi kim loại Thí nghiệm chế tạo mẫu Kết thí nghiệm Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kiến nghị Định hướng nghiên cứu tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại thép theo phương pháp khử oxy… …………………………… 12 Bảng 1.2 Phân loại loại thép theo tổ chức tế vi trạng thái cân bằng……… … 13 Bảng 1.3 Phân loại loại thép theo tổ chức tế vi trạng thái thường hóa……… 14 Bảng 1.4 Phân loại loại thép hợp kim theo tổng lượng nguyên tố hợp kim….15 Bảng 1.5 Kí hiệu thép theo tiêu chuẩn SAE (Mỹ)………………………….……… 17 Bảng 1.6 Cơ tính thép cacbon chất lượng thường phân nhóm A (TCVN 176575).18 Bảng 1.7 Thành phần hóa học thép cacbon chất lượng thường phân nhóm B 19 Bảng 1.8 Thành phần hóa học tính nhóm thép cacbon kết cấu 20 Bảng 1.9 So sánh tính chất thép cacbon thép hợp kim đem thấm cacbon.22 Bảng 1.10 So sánh thép làm khuôn dập nguội thép làm khn dập nóng…….…26 Bảng 1.11 Thành phần hóa học nhóm thép cacbon dụng cụ (TCVN 1822 – 76).27 Bảng 1.12 Phân loại mác thép dụng cụ theo tiêu chuẩn AISI-SAE 28 Bảng 1.13 Thành phần hóa học tiêu biểu thép Hadfield…………………… ….30 Bảng 1.14 Tính tốn lượng Cr Ni quy đổi mác thép không rỉ………… … 33 Bảng 1.15 Các mác gang xám công dụng………………………………….… 38 Bảng 1.16 Các mác gang dẻo công dụng…………………………………… …39 Bảng 1.17 Các mác gang dẻo công dụng…………………………….… … ….41 Bảng 2.1 – Thành phần hỗn hợp đánh bóng thơng dụng……………….……….…47 Bảng 2.2 - Dung dịch tẩm thực thơng dụng………………………………… ……48 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: Tên đề tài: Thiết lập 20 mẫu gang thép phục vụ mơn thí nghiệm Vật liệu học - Mã số: T2014 – 98 - Chủ nhiệm: Nguyễn Văn Thức - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM - Thời gian thực hiện: 01/2014 – 12/2014 Mục tiêu: Tạo 20 mẫu gang thép chuẩn bị bề mặt để đem nghiên cứu tổ chức tế vi Nội dung chính: Tìm kiếm mẫu, cắt, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát, chụp hình để làm liệu Kết nghiên cứu: Tạo 20 mẫu gang thép chuẩn bị bề mặt để đem nghiên cứu tổ chức tế vi Sản phẩm: Bộ 20 mẫu gang thép, hình ảnh tổ chức kèm theo Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Giúp hỗ trợ mơn học thí nghiệm vật liệu học Trƣởng Đơn vị (ký, họ tên, đóng dấu) INFORMATION OF RESEARCH RESULTS General information: - Tittle: “building 20 iron, steel samples for materials experiment” - Code number: T2014 – 98 - Author: Nguyen Van Thuc - Organization: HCMC University of Technology and Education - Date: 01/2014 – 12/2014 Purpose: Building 20 iron, steel samples for materials experiment Main content: Searching, cutting, polishing, etching, and observing, taking photograph Results: Building 20 iron, steel samples for materials experiment Product: 20 iron, steel samples Effectivity, delivery method of research results and application ability: Support for materials experiment Nov, 28 ,2014 Head of Faculty Author MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nƣớc: Nghiên cứu tiến hành trường đại học có trang bị phịng thí nghiệm kim tương Ờ Việt Nam có trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, ĐH Bách Khoa TP.HCM, ĐH Bách Khoa Hà Nội Nghiên cứu tiến hành rộng rãi trường có khoa Cơ khí hay Vật liệu giới, tiêu biểu Đại học Cambrige Tính cấp thiết: Bổ sung mẫu phịng thí nghiệm Vật Liệu Học, phục vụ chương trình 150 tín Mẫu phịng thí nghiệm bị mịn nhiều, hết sử dụng Mục tiêu: Tạo 20 mẫu gang thép chuẩn bị bề mặt để đem nghiên cứu tổ chức tế vi Cách tiếp cận: Tìm hiểu nhu cầu loại mẫu phịng thí nghiệm, từ tìm kiếm mẫu phù hợp với chương trình giảng dạy mơn Vật liệu học Phƣơng pháp nghiên cứu: Tìm kiếm mẫu phù hợp Chuẩn bị mẫu: mài, đánh bóng, tẩm thực.Quan sát, chụp ảnh, lưu trữ Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu loại gang thép Phạm vi nghiên cứu loại gang thép thông dụng Nội dung nghiên cứu: Tìm kiếm mẫu, cắt, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát, chụp hình để làm liệu CHƢƠNG I : HỢP KIM FE-C Thép hợp kim Fe với C (C chiếm 0.02÷2.14 % trọng lượng, tùy loại thép) Thép vật liệu thơng dụng nhất, đóng vai trị quan trọng ngành khí, giao thơng vận tải, xây dựng Chúng chiếm khoảng 90% tổng khối lượng kim loại sử dụng năm giới Năm 2014 giới sản xuất 1600 triệu thép (http://www.worldsteel.org) Tùy theo thành phần hóa học, thép chia làm thép cacbon thép hợp kim Hợp kim Fe-C: 1.1 Khái niệm thép : Thép hợp kim sở Fe với C Tùy loại thép, cacbon chiếm 0.02÷2.14 % trọng lượng Ngồi C ra, q trình nấu luyện, thép cịn có số tạp chất Mn, Si, P, S ;các tạp chất ẩn O 2, H2, N2; tạp chất ngẫu nhiên Cr, Ni, Cu, Ti, V, Mo, … Hình 1.1: Tháp Eiffel làm thép quặng nhiên liệu luyện thép Thơng thường chúng có thép với lượng: P ≤ 0.05 %, S ≤ 0.05% Thành phần hóa học thép cacbon, ngồi Fe ra, là: C < 2%, Mn ≤ 0.8 %, Si ≤ 0.5%, P, S ≤ 0.05 % CHƢƠNG II : THÍ NGHIỆM 1/ Cấu tạo kim loại hợp kim Vât liệu kim loại thường có cấu tạo gồm nhiều đơn tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau, gọi đa tinh thể Đơn tinh thể coi tinh thể hoàn chỉnh, đa tinh thể gồm nhiều đơn tinh thể Từng đơn tinh thể đa tinh thể gọi hạt tinh thể, cấu trúc đa tinh thể gọi cấu rúc (tổ chức) hạt * Các nguyên tử hạt tinh thể, ln ln xếp cách có trật tự Khối sở Mặt tinh thể Mạng tinh thể Hình 2.1 * Các nguyên tử biên giới hạt thường xếp không trật tự tác động hạt xung quanh Hạt Biên giới hạt Hình 2.2 Hợp kim cấu tạo từ nhiều pha Các pha có tính chất đặc trưng khác (cơ tính, lý tính, hóa tính) Mục đích chuẩn bị mẫu để nghiên cứu, phân biệt rõ cấu trúc (tổ chức) hạt, biên giới hạt, pha quan sát kính hiển vi kim loại Cơng việc gọi nghiên cứu tổ chức tế vi 2/ Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi Chiếu chùm tia sáng vng góc vào mặt mẫu mài bóng, chùm tia phản xạ tồn phần Vì vậy, mẫu có màu sáng trắng quan sát kính hiển vi 42 Tia tới Mắt Mẫu nghiên cứu Tia phản xạ Hình 2.3 - Phản xạ tồn phần Sử dụng dung dịch thích hợp để ăn mịn mặt mẫu mài bóng, mẫu tạo pha có tính chất hóa học khác nên ăn mịn pha, hạt tinh thể biên giới hạt khác nhau, từ làm xuất độ mấp mô khác Tia phản xạ toàn phần nên tạo màu sáng Tia khúc xạ nên tạo màu tối 2 Hình 2.4 Sự tương phản sáng tối pha, hạt biên giới hạt, làm rõ tổ chức tế vi kim loại – hợp kim 3/ Kính hiển vi kim loại Nguyên lý: Do kim loại không cho ánh sáng qua nên phải dùng ánh sáng phản xạ Ánh sáng Thị kính Vật kính Vật quan sát Hình 2.5 - Nguyên lý phản xạ kính hiển vi kim loại - Trong phịng thí nghiệm dùng kính hiển vi kim loại 43 Phim chụp Màn hình chụp ảnh Nguồn sáng Thị kính Vật kính Bàn mẫu chỉnh Núm điều thơ Núm điều chỉnh tinh Hình 2.6 - Kính hiển vi kim loại Độ phóng đại kính thường khoảng 80 ÷ 2000 lần (được tính theo tích số độ phóng đại vật kính, độ phóng đại thị kính, hệ số hiệu chỉnh) Muốn quan sát với độ phóng đại cao phải dùng kính hiển vi điện tử Nhờ kính hiển vi mà ta quan sát tổ chức pha, phân bố, hình dáng kích thước chúng Với gang graphite, dễ dàng xác định hình dáng, kích thước, phân bố graphite pha Ngồi ra, cịn thấy khuyết tật vật liệu như: vết nứt tế vi, rỗ tạp chất… THÍ NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 4.1 Chọn cắt mẫu Chọn mẫu: Tùy theo yêu cầu nhiệm vụ nghiên cứu thí nghiệm mà ta chọn mẫu cho phù hợp Chi tiết cần cắt Bàn kẹp mẫu Hình 2.7 - Máy cắt mẫu 44 .Cắt mẫu: Dựa vào mục đích quan sát mà ta cắt mẫu theo tiết diện ngang cắt theo dọc trục VD: Quan sát thay đổi tổ chức từ bề mặt vào lõi cắt theo tiết diện ngang Muốn nghiên cứu tổ chức dạng thớ, sợi cắt theo chiều dọc trục  - Kích thước mẫu:10x10; 10x10 Nếu mẫu quan sát nhỏ cần phải dùng kẹp để giữ mẫu đổ khuôn cố định mẫu Mẫu Nhựa ( Mica) Hình 2.8 - Các kiểu kẹp mẫu 4.2 Mài mẫu a/ Mài thô Mẫu mài máy mài đánh giấy nhám hạt thô cho hai mặt đối diện (AB) song song với nhau, sau vát mép 45 Mặt B Vát mép Mặt A Hình 2.9 - Máy mài Giấy nhám: Giấy nhám có số 180; 240; 320; 400; 600 v v…Con số số hạt mài cm Đầu tiên mài giấy nhám 180: Giấy nhám đặt mặt bàn phẳng (tấm kính), dùng tay nắm chặt mẫu, tì nhẹ mặt mẫu vào mặt giấy nhám vị trí 1, đẩy mẫu tới vị trí 2, nhấc mẫu lên khỏi bề mặt giấy nhám, đưa vị trí lặp lại động tác thực Hình 2.10 - Mài mẫu Sau mài đến lần, bề mặt mẫu đường song song Đường song song Hình 2.11 Sau quay mẫu 90 , tiếp tục mài giấy nhám, khử đường song song cũ tạo đường song song Quan sát mắt thường, thấy đường song song sâu chuyển sang giấy nhám cỡ 240, sau 320 cuối cỡ 400 46 Chú ý: Khi chuyển từ giấy mài thô sang giấy mịn phải lau mẫu để tránh hạt mài thô bám mẫu chuyển sang giấy nhám mịn b/ Mài bóng Sau hồn tất mài thơ, ta tạo bề mặt tương đối phẳng bề mặt tồn vết xước lớn→ đem rửa → đánh bóng để xóa vết xước bề mặt mẫu Mài bóng miếng hay vải nỉ kết hợp với số hỗn hợp đánh bóng Một số hỗn hợp dùng để đánh bóng mẫu Bảng 2.1 – Thành phần hỗn hợp đánh bóng thơng dụng Tên Cr2O Al2O AxitoleicC17H33CO2H Dầu h Na2C Nếu sau mài bóng, quan sát kính hiển vi thấy cịn vết xước phải tiến hành mài bóng lại Sau mài bóng xong, phải rửa mẫu lại cho thật sấy khô mẫu 4.3 Tẩm thực Muốn nghiên cứu tổ chức tế vi cần phải tẩm thực mẫu Tẩm thực q trình ăn mịn bề mặt kim loại dung dịch hóa học thích hợp Dung dịch hóa học gọi dung dịch tẩm thực Một số dung dịch tẩm thực thông dụng: 47 Bảng 2.2 - Dung dịch tẩm thực thông dụng Thành phần dung dịch - 4% acid HNO3 cồn - 4% acid picric cồn - Dung dịch picrat natri 3 - 20 cm HCl đậm đặc + 5g CuSO4+ 20 cm H2O - phần HCl + phần HNO3 - Dung dịch 0.5% HF nước - 1% HF + 2.5%HNO3 + 1.5%HCl + 95%H2O - 3% FeCl2 dung dịch 10% HCl - (2 ÷4)% HNO3 cồn Ở ta sử dụng dung dịch 4%HNO3 cồn >90 , nhúng mẫu vào dung dịch giữ thời gian từ vài giây tới vài chục giây Bơng tẩm dung dịch Rửa nước Hình 2.12 - Tẩm thực rửa mẫu Sau rửa bề mặt vịi nước chảy để tránh ăn mịn hóa học sâu vào bề mặt kim loại, cuối rửa lại cồn đem sấy khô 4.4 Quan sát kính hiển vi Quan sát mẫu kính hiển vi kim loại 48 5.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Hình 2.13 – Tổ chức tế vi mẫu 1, 2, 3, Các mẫu hình 1, 2, 3, loại thép cacbon, tổ chức tế vi bao gồm phần: pha ferit màu sáng tổ chức Peclit màu tối Hàm lượng cacbon lớn tỉ lệ pha Peclit lớn Hình 2.14 – Tổ chức tế vi mẫu 5, 6, 7, 49 Các mẫu hình 6, loại thép cacbon, tổ chức tế vi bao gồm phần: pha ferit màu sáng tổ chức Peclit màu tối Mẫu gang cầu F-P, graphite bao bọc ferit chưa có hình cầu tốt Mẫu gang cầu F-P, graphite cầu hóa tốt Hình 2.15 – Tổ chức tế vi mẫu 9, 10, 11, 12 Các mẫu hình 10, 11, 12 loại gang xám Cùng độ phóng đại tổ chức tế vi mẫu 12 thơ to mẫu 10, dẫn tới tính Hình 2.16 – Tổ chức tế vi mẫu 13, 14, 15, 16 50 Hình 2.17 – Tổ chức tế vi mẫu 17, 18, 19, 20 Mẫu 20 loại thép hạt nhỏ 51 CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN: Nghiên cứu tập hợp, chuẩn bị mẫu quan sát tổ chức tế vi 20 loại gang thép Bổ sung cho mẫu phịng thí nghiệm VLH KIẾN NGHỊ: Bổ sung thêm 20 mẫu gang thép để hoàn thiện mẫu cho PTN Chú ý bổ sung mẫu gang dẻo, hợp kim cứng, thép hợp kim ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƢƠNG LAI: Kết hợp máy quang phổ để xác định thành phần hóa học xác mẫu 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vật liệu học sở - Nghiêm Hùng –NXB KHKT, 2008 [2] Nguyễn Văn Dán - Công Nghệ Nhiệt Luyện & Xử Lý Bề Mặt – NXB ĐHQG [3] Kim loại học nhiệt luyện – Nghiêm Hùng – 1993 [4] Sách tra cứu gang thép thông dụng – Nghiêm Hùng [5] Fundamentals of Materials Science and Engineering 5th ed – William Calister 53 ... Kết nghiên cứu: Tạo 20 mẫu gang thép chuẩn bị bề mặt để đem nghiên cứu tổ chức tế vi Sản phẩm: Bộ 20 mẫu gang thép, hình ảnh tổ chức kèm theo Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG THIẾT LẬP BỘ 20 MẪU GANG THÉP DÙNG CHO NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI Mã số: T2014-98... chuẩn bị mẫu để nghiên cứu, phân biệt rõ cấu trúc (tổ chức) hạt, biên giới hạt, pha quan sát kính hiển vi kim loại Cơng vi? ??c gọi nghiên cứu tổ chức tế vi 2/ Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi Chiếu