Báo cáo thí nghiệm Vật liệu học

Báo cáo Thí nghiệm VLH&XL

1

Bài 1: ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI

Buổi sáng, Thứ 4 Ngày 13 tháng 5 năm 2015, Nhóm 3.

I- Mục đích thí nghiệm:

- Nắm vững nguyên lý đo độ cứng theo các phương pháp Brinell, Rockwell và Vicker.

- Làm quen và biết cách sử dụng các máy đo độ cứng thông dụng.

II- Cơ sở lý thuyết:

1. Đặc điểm và các phương pháp đo độ cứng:

Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của kim loại, dưới tác dụng của

tải trọng thông qua mũi đâm.

Độ cứng là một đặc trưng cơ tính quan trọng của vật liệu. Nó có thể dễ dàng đo được

thông qua các thiết bị đo mà không cần phải phá hủy mẫu.

Phương pháp đo độ cứng có ưu điểm:

a) Từ giá trị độ cứng đo được, có thể suy ra độ bền của kim loại dẻo. Vì độ cứng là sự

chống lại biến dạng dẻo cục bộ, còn độ bền là sự chống diến dạng dẻo toàn bộ. Từ giá trị

độ cứng Brinell, ta có thể gián tiếp tính được độ bền.

b) Đo độ cứng đơn giản, thời gian ngắn (từ vài giây đến vài phút). Mẫu thử không

phải chuẩn bị đặc biệt. Không phá hủy mẫu khi thử.

c) Có thể đo được chitiết rất lớn hoặc rất nhỏ, rất dày hoặc rất mỏng (các lớp mạ,

thấm…)

Tùy theo tác dụng của mũi đâm lên bề mặt mẫu, mà người ta chia ra làm nhiều

phương pháp đo độ cứng khác nhau:

- Phương pháp đâm: dùng 1 tải trọng xác định đặt lên mũi đâm (hình côn, hình tháp,

hình cầu..) có độ cứng rất cao (kim cương, hợp kim cứng, thép tôi..) để mũi đâm tác dụng

lên bề mặt mẫu, gây ra biến dạng tại vị trí đâm. Sau đó, căn cứ cào diện tích hoặc chiều

sâu vết lõm ứng với tải trọng tác dụng mà tính ra số đo của độ cứng. Phương pháp này

được dùng phổ biến nhất.

- Phương pháp nảy lại: dùng để đo độ biến dạng đàn hồi bằng cách thả viên bi từ độ

cao xác định lên bề mặt vật liệu. Sau đó, căn cứ vào chiều cao trước và sau khi thả bi mà

tính ra số đo độ cứng.

- Phương pháp đo độ xước: là phương pháp đo khả năng chống lại phá hoại bề mặt

của vật liệu. Nội dung của phương pháp này là vừa ấn mũi kim cương lên bề mặt mẫu,

vừa kéo cho mũi kim cương chuyển động với tốc độ xác định, để tạo thành vết xước. Căn

cứ vào lực ấn, chiều sâu, chiều rộng vết xước mà tính ra số đo độ cứng.


2

2. Phương pháp đo độ cứng Brinell:

Nguyên lý của phương pháp này là ấn một viên bi bằng thép đã được tôi cứng, lên bề

mặt mẫu, dưới tác dụng của tải trọng, trên bề mặt mẫu có vết lõm hình chỏm cầu. Nếu

gọi tải trọng tác động là P(N), diện tích vết lõm là S(mm2), thì số đo Brinell được tính

bằng biểu thức:

( √ )

Thông thường ta biết trước P, D nên dễ dàng tính giá trị độ cứng khi đo, người ta lập

ra các bảng tra độ cứng khi đo được d.

Để có thể dùng một bảng cho các tảitrọng và đường kính D của các viên bi khác nhau,

người ta phải đảm bảo giá trị P/D = const.

Các bi thường dùng có D =10; 5; 2,5 mm và tải trọng tương ứng là 30000; 7500 và

1875N. Lúc này tỉ số P/D2=300 (tỉ số này bằng 30 khi đơn vị đo là kG).

Điều kiện để đo độ cứng Brinell:

- Chiều dày mẫu thí nghiệm không được nhỏ hơn 10 lần chiều sâu vết lõm, xác định

theo công thức

Trong đó: t là chiều dày của mẫu thử (mm), P là tải trọng tác dụng (kG), D là đường

kính viên bi (mm), HB là độ cứng dự đoán.


3

- Bề mặt mẫu thử phải sạch, phẳng, không có khuyết tật. Nếu bề mặt cong phải gia

công cho vị trí cần đo thành mặt phẳng. Chiều rộng, dài của vùng cần đo phải lớn hơn

2D. Khoảng cách giữa hai vết đocũng phải lớn hơn 2D.

- Chỉ cho phép đo các vật liệu có độ cứng nhỏ hơn 450HB để tránh biến dạng cho

viên bi. Lúc này độcứng viên bi theo thang Vicker không được bé hơn 850HV.

- Thời gian tác động tải trọng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo. Thông

thường thời gian này có thể tra trong các bảng.

3. Phương pháp đo độ cứng Rockwell:

Phương pháp này tiến hành bằng cách ấn mũi đâm kim cương hoặc hợp kim cứng

hình côn, có góc ở đỉnh là , hoặc viên bi thép có đường kính 1/16”, 1/8”, 1/4”, 1/2”

lên bề mặt vật liệu. Số đo độ cứng Rockwell đượcxác định bằng hiệu số chiều sâu, khi tác

dụng tải trọng sơ bộ P0 = 100N và tải trọng chính P1 xem hình 2.

Người ta qui ước khi mũi đâm đi xuống 0,002mm thì số đo độ cứng giảm đi một đơn

vị. Vì giá trị h này cóthể đo trực tiếp, nên người ta dùng đồng hồ so, chia vạch theo các

thang qui ước, ta dễ dàng đọc được ngay saukhi bỏ tải trọng.

Tùy theo dạng mũi đâm và tải trọng ta chia ra các thang sau đây:

- Độ cứng Rockwell C – mũi kim cương, tải trọng 1500N – HRC.

- Độ cứng Rockwell A – mũi kim cương, tải trọng 600N – HRA.

- Độ cứng Rockwell B – mũi bi ∅1,588mm, tải trọng 1000N – HRB.

Giá trị độ cứng được tính theo công thức:

Khoảng cách giữa hai vết đo, hoặc giữa vết đo với cạnh mẫu không nhỏ hơn 1,5mm

khi dùng mũi kim cươngvà 4mm khi dùng mũi bi. Mỗi mẫu đo ba lần, không kể lần đầu,

rồi lấy giá trị trung bình.


4

Phương pháp đo Rockwell cho phép đo các mẫu có độ cứng cao hơn 450HB, hoặc các

mẫu mỏng, nhỏ hơn1,2mm. Nó cho phép thay đổi tải trọng trong một pham vi rộng mà

vẫn không làm thay đổi giá trị đo được của độ cứng, vì nó bảo đảm qui luật đồng dạng

của mũi đâm. Ngoàira thời gian đo rất nhanh (từ 6 – 10 giây).

Trong phương pháp đo Rockwell, cần chú ý các yếu tố gây kết quả đo sai như:

- Giá trị của các vạch chia không tương ứng với sự dịch chuyển của mũi đâm.

- Do người sử dụng chưa thành thạo.

- Bề mặt mẫu đo quá cong, mẫu được đặt không đúng và không được kẹp cứng, bề mặt

mẫu bẩn.

4. Phương pháp đo độ cứng Vicker:

Phương pháp Vicker về nguyên lý đo giống như phương pháp Brinell, nhưng thay

mũi bi bằng mũi kim cương hình tháp, có góc giữa hai mặt bên là 1360. Tải trọng sử

dụng P = 50 ÷ 1500N, phụ thuộc vào chiều dàymẫu đo. Đo theo phương pháp Vicker có

thể áp dụng cho các chi tiết rất cứng hoặc mềm, và số đo độ cứng không

phụ thuộc vào tải trọng (xem sơ đồ hình 4).

Gọi tải trọng là P, diện tích bề mặt vết lõm là S, ta có:

Để thuận tiện, người ta có thể tính S thông qua đường chéo d và α =

Trong đó P tính bằng kg


5

Đường chéo d được đo băng kính hiển bi gắn ngay trên máy, người ta cũng lập sẵn

các bảng giá trị Vicker với P và d tương ứng.

Phương pháp đo Vicker thường dùng đo độ cứng các vật mỏng, các lớp thấm…

III- Tiến hành thí nghiệm:

1. Mỗi nhóm nhận một mẫu phôi, nếu là phôi mới chưa phẳng cần mài nhẵn mặt cần đo

độ cứng và mài sơ mặt còn lại.

2. Tiến hành đo HRA 3 lần rồi lấy giá trị trung bình.

Cách đo độ cứng theo HRA:

- Đặt phôi lên Đế đặt phôi.

- Kiểm tra Núm đặt lực, Mũi đo phù hợp với chế độ đo (HRA, HRB, HRC). Ở đây chế

độ đo là HRA nên P là 60kg và mũi đo kim cương hình côn.

Thang

đo Loại mũi đâm

Tải

trọng

Giới hạn đo cho

phép

HRB Bi thép 1000 25-100

HRC Kim cương hình

côn 1500 20-67

HRA Kim cương hình

côn 600 70-85

- Quay Tay quay cùng chiều kim đồng hồ nâng lên sao cho phôi chạm vào mũi đo. Tiếp

tục quay lên thì Kim nhỏ bắt đầu quay sao cho kim nhỏ quay sang điểm màu đỏ thì

ngừng lại. Xoay mặt đồng hồ xoa sao cho Kim lớn chỉ ngay C-B

- Ấn nút Start vào chờ máy đo trong 10s (thời gian giữ lực). Sau khi đồng hồ thời gian

đếm về 0 và trở lại 10 sẽ phát ra tiếng “Bíp”. Khi đó kim dài chỉ đâu đó là giá trị đo

của chế độ đang đo.

- Lưu ý, Vòng đen bên ngoài là giá trị của HRA, HRC còn màu đỏ bên trong là HRB.

Các giá trị làm tròn 0.5.

- Quay ngược Tay quay lại để lấy phôi và tiếp tục đo ở vị trí khác cho đủ 3 lần đo. (các

vị trí đo phải nằm gần nhau để tránh sai số do phôi có độ cứng không đồng đều).


6

Máy đo HRA, HRB, HRC

3. So sánh giá trị HRA với 60:

- > 60 thì tạm gọi là vật cứng, sau đó tiến hành đo HRC 3 lần và chuyển qua đo HV

3 lần.

- < 60 thì tạm gọi là vật mềm, sau đó tiến hành đo HRB 3 lần và chuyển qua đo HB

3 lần.

Cách đo tương tự HRA ở trên, lưu ý điều chỉnh lực mà mũi đo thích hợp.

4. Đo HB hoặc HV:

Thao tác đo HB, HV:

- Đặt phôi lên đế để phôi.

- Quay Tay quay cùng chiều kim đồng hồ để phôi đi lên chạm vào mũi đo, tiếp tục

quay sau cho cây thước trên mặt hiển thị di chuyển đến cuối cây thước.

- Hạ nhẹ nhàng cần lực đến hết cần lực và chờ khoản 10s sau đó nâng cần lực lên nhẹ

nhàng.

- Quay Tay quay ngược lại để lấy phôi ra. Lưu ý điểm vừa đo, lấy viết đánh dấu lại vị

trí lỗ vừa đo. Tương tự như vậy đo 3 lần (3 mũi đo trên phôi).

- Đem 1 trong 3 lỗ đi đo bằng kính quang xác định chiều dài đường chéo D đối với HV

hoặc đường kính lõm D đối với HB. 2 lỗ còn lại sẽ được đo trên kính hiển vi và úp số

liệu lên trang Web bộ môn, các nhóm lên lấy để hoàn thiện số liệu bài thực hành.


7

- Tính toán HV hoặc HB theo công thức.

5. So sánh số liệu đo với số liệu bảng tra, tính toán sai số, nhận xét đánh giá kết quả thí

nghiệm.

Đo bằng kính quang học D1, D2 đo tương tự, xoay lỗ đo hoặc kính 900


8

IV- Số liệu đo và tính toán:

1. Đo HRA, HRC:

Tải trọng(N) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình

HRA 600 73.5 73 74 73.5

HRC 1500 47 47 46.5 46.83

2. Đo HV:

- Đo bằng kính quang lỗ 1:

P = 980N

1

2

6 9,60,5 0,656

100 1000,649

6 8,20,5 0,642

100 100

d

d

d

(mm)

2

1362 sin

2439,81

9,81.th

P

HVd

Trong đó: P tính bằng N

d tính bằng mm

- Đo bằng kính hiển vi lỗ 2,3:

Lỗ ̅ HV

2 0.667 0.666 0.6665 417.02

3 0.665 0.660 0.6625 422.07

- Tính HV trung bình:

Bảng tra:

HV HRC HRA

470 46.8 74.0

460 46.0 73.6

450 45.2 73.2

Nội suy với HRA = 73.5, suy ra


9

- Tính sai số:

| |

| |

Tra bảng:

HV HRC

440 44.4

430 43.5

420 42.7

410 41.8

Từ HV ta nội suy ra HRC:

HRC1 = 44.3829

HRC2 = 42.4318

HRC3 = 42.8656

=> HRCtb = (44.3829+42.4318+42.8656)/3= 43.2268

V- Nhận xét:

- Từ kết quả đo được ta có thể nhận thấy kết quả giữa tính toán dựa theo HRA và phép

đo trực tiếp HV có sai số, nhưng sai số không đáng kể và chấp nhận được.

- Nguyên nhân sai số có nhiều lý do như:

+ Do thiết bị: thiết bị không chính xác, mũi đo mòn, rơ…

+ Do người vận hành: trong quá trình đo bằng thước quang học là quá trình dễ gây sai

số nhất, bởi vì việc đo đạt dựa trên mắt nhìn. Ngoài ra, trong quá trình vận hành máy

đo HV, việc nâng cần, hạ cần không đều tay, nhịp nhàng thì sẽ ảnh hưởng đến phép

đo. Bề rộng lỗ đo có thể thay đổi do gia tốc.


10

Bài 2: XEM CẤU TRÚC TẾ VI

Buổi sáng, Thứ 2 Ngày 11 tháng 05 năm 2015


- Phương pháp làm mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi gồm các khâu: chọn mẫu, cắt mẫu,

mài, đánh bóng và tẩm thực.

- Tầm quan trọng của công tác chuẩn bị mẫu và ảnh hưởng của nó đến kết quả nghiên

cứu.

- Làm quen với những vật liệu và thiết bị cần thiết cho công việc làm mẫu.


1. Chọn và cắt mẫu:

Tùy theo nhiệm vụ nghiên cứu và thí nghiệm mà chúng ta chọn mẫu. Yêu cầu mẫu phải

đặc trưng cho vật cần nghiên cứu. Ví dụ: khi muốn quan sát sự thay đổi tổ chức từ bề mặt

vào lõi, ta phải cắt mẫu theo tiết diện ngang, còn muốn nghiên cứu tổ chức dạng thớ, sợi,

ta phải cắt theo dọc trục…

Khi cắt mẫu, có thể dùng các máy cắt kim loại như tiện, phay… hoặc cưa máy, cưa

tay… Các mẫu quá cứng, có thể dùng đá mài để cắt. Với các thép và gang đã qua nhiệt

luyện, yêu cầu đối với nhiệt độ nơi cắt không quá

Mẫu có dạng hình trụ với kích thước Ф 10 ÷ 15mm, chiều cao h= 15 ÷20mm, hoặc hình

hộp có kích thước 10x10x10mm và 15x15x15mm.

Nếu mẫu có kích thước nhỏ, mỏng, phải nhiên cứu lớp bề mặt (thấm cacbon, ăn mòn bề

mặt…) thì mẫu cần phải được kẹp vào các gá hoặc đổ khuôn bao quanh. Chất đổ khuôn

thường là các hợp kim có nhiệt độ chảy thấp như hợp kim:

Bi = 50% Cd = 10% Pb = 27% Sn = 13%

Bi = 56% Cd = 18% Pb = 14% Sn = 14%

hoặc các chất nhựa dẻo, bakelit…

2. Mài mẫu:

a) Mài thô

Mẫu sau khi cắt được màithô 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.


11

Đề tránh làm rách giấy nhám khi mài, người ta thường vát mép mẫu.

Giấy nhám phải được đặt trên bề mặt thật phẳng hoặc một tầm kính dày. Bề mặt mẫu

phải áp sát vào giấy.

Khi mài tiến hành theo 1 chiều. Yêu cầu là tạo trên bề mặt tương đối phẳng, có các vết

xước song song và đều nhau. Sau đó, ta quay mẫu đi 90o và mài tiếp, cho đến khi tạo ra

bề mặt phẳng mới, hệ xước mới xóa hết các vết của hệ xước cũ. Mỗi loại giấy nhám, ta

mài nhu thế 3-5 lần, và lặp lại ở các số giấy nhám mịn hơn, cứ như

vậy, cho đến tờ giấy nhám mịn nhất.

Mài thô cũng có thể tiến hành trên máy. Máy đơn giản là một môtơ thẳng đứng, trên có

gắn 1 đĩa kim loại phẳng. Người ta lần lượt dán các giấy nhám có số từ thô đến mịn lên

đĩa cho môtơ quay rồi mài. Chú ý không để nhiệt độ tăng quá nhiệt độ chuyển biến pha

của mẫu mài.

b) Đánh bóng

Để đánh bóng mẫu, người ta tiến hành trên máy đánh bóng. Cũng tương tự như ở máy

mài thô, thay vì dán tờ giấy nhám lên đĩa, người ta gắn một miếng dạ hay nỉ lên trên, khi

đánh bóng, người ta phải cho dung dịch mài nhỏ liên tục lên miếng nỉ. Thành phần của

dung dịch đánh bóng nêu ở bảng 1. Với các vật liệu mềm như kim loại màu, nên dùng

các loại dung dịch mịn. Để tránh bị oxy hóa khi đánh bóng, người ta pha vào dung dịch

các chất thụ động hóa như NaNO2, KNO2

Bảng 1. Dung dịch dùng đánh bóng

Tên gọi các chất Dung dịch oxit crôm (%) Dung dịch oxit nhôm (%)

Mịn Trung bình Thô Mịn Trung bình Thô

Cr2 O3 72 76 86 32 35 37

Al2 O3 - - - 32 35 37

Paraphin 24 20 12 30 24 20

Axit ôleic C17H33CO2H 1,8 1,8 - 3 2 3

Dầu hỏa 2 2 2 2 2 2

Na2 CO3 0,2 0,2 - 1 1 1

Đánh bóng kéo dài cho dến khi bề mặt không còn vết xước nào. Không nên đánh bóng

quá lâu, dễ làm tróc các pha quá cứng hoặc quá mềm. Sau khi đánh bóng, đem rửa sạch

và sấy khô. Nếu quan sát trên kính hiển vi thấy vẫn còn nhiều vết xước, thì phải đánh

bóng lại.


12

3. 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 trên mẫu có cá vết xước nhỏ do đánh bóng chưa tốt, các vết nứt tế vi, rỗ

khí, xỉ tạp chất, một số pha và tổ chức như cacbit, graphit, chì…

Muốn nghiên cứu nền kim loại, phải tẩm mực mẫu. Tẩm thực là quá trình ăn mòn bề mặt

mẫu bằng các dung dịch háo học thích hợp, gọi là dung dịch tẩm thực. Khi tẩm thực, biên

giới các pha, các vùng tổ chức sẽ bị ăn mòn, nhưng với những tốc độ khác nhau. Sau khi

tẩm thực bề mặt mẫu sẽ lồi, lõm tương ứng với cácpha và tổ chức. Do đó, có thể nhận

biết được hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha.

Trên hình 2 nêu lên sơ đồ phản xạ ánh sáng của thép cùng tích peclit tấm trước (H2a)

và sau (H2b) tẩm thực.

Khi tẩm thực, có thể nhúng bề mặt mẫu vào dung dịch, hoặc lấy que tre, đục thủy tinh

có quấn bông ở đầu rồi nhúng vào dung dịch tẩm thực và bôi đều lên bề mặt mẫu. Thời

gian tẩm thực tùy thuộc vào tổ chức và trạng thái của vật liệu, có thể từ vài giây cho đến

vài giờ. Cũng có thể tẩm thực dựa vào kinh nghiệm. Sau khi bôi dung dịch tẩm thực, bề

mặt mẫu sẽ ngả từ màu sáng sang màu xám thì ta có thể kết thúc tẩm thực. Để lâu quá,

mẫu sẽ có màu đen và không quan sát được.

Tẩm thực xong, phải dùng bông nõn rửa sạch bề mặt ở vòi nước chảy, sau đó rửa lại

bằng cồn và đem sấy khô.

Nếu quan sát sau tẩm thực, ta thấy các đường biên giới nhỏ, đứt đoạn là tẩm thực

chưa đủ thời gian, phải đem tẩm thực lại. Ngược lại, các đường biên giới quá to, đậm, độ


13

tương phản bề mặt kém, đó là do thời gian tẩm thực quá dài, hoặc nồng độ dung dịch cao.

Ta phải đem đánh bóng và tẩm thực lại.

Thường khi quan sát với độ phóng đại bé thì thời gian dài hơn khi quan sát với độ

phóng đại lớn.

Thành phần và chế độ tẩm thực nêu trong bảng 3

Bảng 3. Các dung dịch tẩm thực thông dụng



14

1. Tiến hành mài mẫu lần lượt với các mẫu giấy nhám từ thô tới tinh như P100, P180,

P320, P600, P1000.

Cách mài mẫu:

- Đặt giấy nhám lên bề mặt phẳng, sạch.

- Dùng tay cầm mẫu di chuyển dọc theo giấy nhám lên xuống 5 lần.

- Dùng tay cầm mẫu di chuyển ngang theo giấy qua lại xuống 5 lần.

- Lặp lại chu trình trên 10 lần cho giấy P100, P180, P320, P600 và P1000.

Hướng di chuyển mẫu

Lưu ý:

-Giấy càng mịn thì thao tác càng nhẹ nhàng.

-Mẫu đạt yêu cầu khi bề mặt sáng, phẳng, ít vết xước – vết

xước mãnh.

2. Đánh bóng bằng máy đánh bóng:

Thao tác đánh bóng: Di chuyển mẫu theo hình tam giác hoặc xoay mẫu

tại chỗ.


15

Sau khi đánh bóng xong dùng cồn rửa sạch mặt đánh bóng sau đó dùng bông lau khô

rồi sấy khô bằng máy sấy.

Xem dưới kính hiển vi rồi lưu hình ảnh lần 1

3. Lưu ảnh lần 1 mẫu đánh bóng đã đạt.

4. Tẩm thực bằng dung dịch axit.

5. Lưu ảnh lần 2 sau khi tẩm thực.


16

IV- Kết quả quan sát tổ chức kim loại:

1. Mẫu trước khi tẩm thực:

2. Mẫu sau khi tẩm thực:


17

V- Nhận xét:

Dựa trên tổ chức tế vi của mẫu được nhận(ảnh mẫu sau khi tẩm thực), ta có thể đưa ra

kết kết quả như sau:

Mẫu là thép trước cùng tích với tỉ lệ cacbon vào khoảng 0.6%

Theo tính toán từ qui tắc đòn bẩy, khi lượng cacbon tang lên thì tỷ lệ phần Peclit (màu

tối) trong tổ chức tang lên, còn ferric (phần sang) giảm đi. Nếu không chứa cacbon hay

quá ít cacbon (0.02-0.05) tức là màu sang hoàn toàn. Với 0.1% C thì tỷ lệ phần tối là 1/8,

với 0.4% C thì tỷ lệ phần sáng là 1/2 và với 0.6% C là 3/4, cuối cùng với 0.8% là tối hoàn

toàn.

Ảnh từ sách “VẬT LIỆU HỌC- Lê Công Dưỡng” trang 87


18

Bài 3: TÔI VÀ RAM THÉP

Buổi sáng, Thứ 3 Ngày 19 tháng 05 năm 2015


- Nắm được quá trình tôi thép: cách chọn nhiệt độ tôi, thời gian nung và môi trường làm

nguội.

- Xác định được mối quan hệ của tốc độ làm nguội tức môi trường làm nguội đến độ

cứng của thép.


1. 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.

Tổ chức nhận được sau khi tôi là mactenxit. Kết quả sau khi tôi phụ thuộc vào nhiều

yếu tố, sau đây ta xét mấy yếu tố cơ bản:

Cách chọn nhiệt độ tôi

Nhiệt độ tôi có ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính của thép sau khi tôi. Đối với thép

cacbon, có thể dựa vào giản đồ trạng thái sắt cacbon để chọn nhiệt độ tôi. Xem hình 1.

Đối với thép cùng tích và thước cùng tích (%C≤ 0.8%)

Ta chọn nhiệt độ tôi cao hơn AC3, tức nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn ôstenit.

Cách này gọi là tôi hoàn toàn.

T0

tôi= AC3 + (30 - 50)0C

Trong khoảng 0,1-0,8%C điểm AC3 của thép giảm xuống. Ta có thể xác định trực tiếp

điểm AC3 của thép căn cứ vào giản đồ trạng thái sắt cacbon hoặc tra cứu trong các sổ tay

nhiệt luyện.


19

Hình 1. Phạm vi nhiệt độ tôi thích hợp của thép cacbon

Như ta đã biết, nhiệt độ tôi càng cao, thì hạt ôstenit nhận được khi nung càng thô và sau

khi tôi, ta nhận được các kim mactenxit thô, dài, vì vậy, ta không nên nung cao quá AC3.

Còn nếu nung thấp hơn AC3, ta sẽ có tổ chức α + γ, khi làm nguội, chỉ có γ→M, còn

ferit vẫn giữ nguyên, và như vậy, ta không thể nhận được độ cứng cao.

Đối với thép sau cùng tích (%C > 0,8%), nhiệt độ tôi cao hơn AC1, nhưng thấp hơn

ACcm, tức nung lên trạng thái không hoàn toàn ôstenit. Tổ chức nung để tôi là γ + XeII.

Đây là phương pháp tôi không hoàn toàn. Nhiệt độ tôi được chọn: t0

tôi = AC1+ ( 30 +

50)0C.

Như vậy, tất cả các thép sau cùng tích đều có nhiệt độ tôi giống nhau, khoảng 760

÷7800C, không phụ thuộc vào thành phần cacbon. Sở dĩ ta không nung lên cao quá ACcm

vì cacbon hòa tan nhiều, nhiệt độ tôi cao, sau khi tôi, nhận được nhiều ostenit dư, kim

mactenxit lớn, ứng suất nhiệt cao. Trong khi đó, nếu chỉ nung lên trạng thái γ + XeII, ta

không cần nhiều nhiệt, sau khi làm nguội, vẫn được tổ chức là mactenxit + XeII, tận dụng

được độ cứng của XeII, chi tiết ít bị ứng suất nhiệt làm cong vênh, oxi hóa bề mặt.


20

Thời gian nung nóng

Bao gồm thời gian nung đến nhiệt độ tôi và thời gian giữ để hoàn tất các chuyển biến và

đồng đều nhiệt dộ trên toàn bộ chi tiết. Thời gian nung có thể chọn theo các định mức

kinh nghiệm tra trong các sổ tay nhiệt luyện, với các hệ số hiệu chỉnh về hình dáng chi

tiết, cách sắp xếp và môi trường nung. Cũng có thể tính thời gian nung theo các công

chức về truyền nhiệt. Dưới đây, giới thiệu định mức thời gian nung và giữ nhiệt trong các

lò thí nghiệm.

Bảng 1. Thời gian nung nóng và giữ nhiệt khi tôi trong lò thí nghiệm

Hình

dạng chi tiết

Nhiệt độ

nung

Tròn Vuông Tấm

Thời gian nung (phút)

Cho 1mm đường

kính Cho 1mm chiều dày

600 2 3 4

700 1,5 2,2 3

800 1 1,5 2

900 0,8 1,2 1,6

1000 0,4 0,6 0,8

Chọn môi trường tôi

Phải bảo đảm nhận được mactenxit sau khi tôi, nghĩa là khả năng làm nguội của môi

trường phải bằng hoặc lớn hơn tốc độ nguội tới hạn.

Nếu tốc độ nguội nhỏ hơn tốc độ nguội tới hạn, một phần ôstenit sẽ bị phân hủy thành

các tổ chức khác, độ cứng sau khi tôi bị giảm. Mỗi số hiệu thép có tốc độ nguội tới hạn

khác nhau, và nó cũng đòi hỏi mội trường tôi khác nhau. Tốc độ nguội tới hạn của thép

có thể tìm trong các giản đồ chữ “C” của chúng. Các môi trường tôi thường dùng là nước,

dung dịch muối, xút, dầu khoáng và polymer

2. Ram

Là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi có tổ chức mactenxit quá bão hòa và

ôstenit dư chuyển thành các tổ chức ổn định hơn phù hợp với yêu cầu đặt ra.

Ram còn làm giảm hoặc khử hoàn toàn ứng suất, cũng như tăng độ dẻo dai cho chi tiết

sau tôi.


21

Khi ram thép cabon, xảy ra sự chuyển biến của mactenxit tôi thành mactenxit ram,

nghĩa là cacbon quá bão hòa được tiết ra khỏi mạng dưới dạng cacbit ε, độ chính phương

c/a giảm dần và cacbit ε chuyển dần thành xementit Fe3C, con ôstenit dư lại phân hủy

thành mactenxit ram.

Tùy theo tổ chức nhỏ mịn của xementit và ferit tiết ra khi ram mà ta có các tổ chức

trustit ram hoặc xoobit ram. Các quá trình trên phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian ram.

Phụ thuộc vào nhiệt độ ram, người ta chia làm 3 loại ram:

Ram thấp ( )

Tổ chức nhận được là mactenxit ram, độ cứng hầu như không thay đổi, ứng suất giảm

chút ít, chi tiết có độ cứng và chịu mòn cao.

Ram trung bình ( )

Tổ chức nhận được là trustit ram. Độ cứng còn khá cao (40 - 45HRC), ứng suất giảm

mạnh, độ dẻo dai tăng, giới hạn đàn hồi đạt giá trị lớn nhất.

Ram cao ( )

Giòn ram

Giòn ram là hiện tượng độ dai va đập của chi tiết sau khi ram rất thấp (thấp hơn khi ram

ở nhiệt độ thấp hơn). Có hai loại giòn ram, giòn ram loại một xảy ra ở nhiệt độ

250÷3500C, bản chất quá trình nàychưa được tìm ra, nên hạn chế không ram chi tiết ở

vùng nhiệt độ này. Giòn ram loại hai xảy ra ở nhiệt độ đối với một số hợp

kim có chứa Cr, Mn, Cr-Ni, Cr-Mn… giòn ram loại hai có thể khắc phục bằng cách làm

nguội nhanh chi tiết sau khi ram, để chống giòn ram loại hai có thể khắc phục bằng cách

hợp kim W, hoặc Mo với lượng 1% và 0,3%.


1. Tôi

Chọn 15 mẫu thép C45 đem mài nhẵn 1 mặt và mặt còn lại mài bằng để đo độ cứng.

Đem 3 mẫu bất kỳ đi đo độ cứng HRA.

Cài đặt lò nung ở 7800C.

Đợi nhiệt độ lò đạt 7800C bỏ 15 mẫu thép C45 vào lò.

Đợi sau 30 phút lấy mẫu ra khỏi lò:

3 mẫu bỏ vào xô nước muối


22

3 mẫu bỏ vào xô dầu.

3 mẫu để ngoài không khí.

3 mẫu bỏ vào xô nước.

3 mẫu còn lại để nguội cùng lò.

Lấy các mẫu đem mài xơ bộ để loại lớp oxit bám trên mặt của mẫu rồi đem đi đo độ

cứng HRA.

2. Ram

− Thiết lập nhiệt độ lò ở 5500C

− Khi nhiệt độ lò đạt ở 5500C thì lấy 3 mẫu làm nguội trong nước bỏ vào lò.

− Đợi 30 phút rồi lấy mẫu ra làm nguội ngoài không khí sau đó đi mài lớp oxit rồi đem đo

độ cứng HRA.

− Thiết lập lò ở 2500C.

− Khi nhiệt độ lò đạt 2500C thì lấy 3 mẫu làm nguội trong nước muối bỏ vào lò.

− Đợi 30 phút rồi lấy mẫu ra làm nguội trong nước sau đó đi mài lớp oxit rồi đem đi đo độ

cứng HRA.


23

IV- Kết quả thí nghiệm:

Độ cứng của mẫu trước khi tôi (Đo HRA):

Mẫu

Lần 1 2 3

1 55 56 51

2 56 56 51

3 54 55 51

Độ cứng của mẫu khi làm nguội ở các môi trường khác nhau:

Môi

trường

làm

nguội

Tốc

độ

nguội

0C/s

Độ cứng HRA

Thép C45

Mẫu 1 TB

Mẫu 2 TB

Mẫu 3 TB

Cùng

lò

52 51.5 51

51.5 53 53 54

53.33 53 53 52

52.67

Không

khí

30 55 55 55

55 55 55 54

54.67 54 54 54

54

Dầu 150 62 61 62 61.67 60 60 61 60.33 55 54 55 54.67

Nước 600 72.5 71 73 72.17 76.5 79 76 77.17 68 69 70 69

Nước

muối

1100 76 79 78

76.67 72 76 73

73.67 77 76 77

76.67


24

Đồ thị quan hệ tốc độ nguội và độ cứng sau tôi:

Mẫu 1

Mẫu 2

51.5 55

61.67

72.17 76.67

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 200 400 600 800 1000 1200

HR

A

0C/s

53.33 54.67 60.33

77.17 73.67

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 200 400 600 800 1000 1200

HR

A

0C/s


25

Mẫu 3

Độ cứng mẫu sau khi ram

Nhiệt

độ

ram

(oC)

Độ cứng HRA

Thép C45

Mẫu 1 TB

Mẫu 2 TB

Mẫu 3 TB

Ram

thấp

( Tôi

môi

trường

muối)

72 73 73.5

72.83

72.5 74 73

73.17

72.5 73 73

72.83

Ram

cao

(Tôi

môi

trường

nước)

62 65 65.5

64.16

63 64 63.5

63.5

65 64.5 65

64.83

52.67 54 54.67

69

76.67

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 200 400 600 800 1000 1200

HR

A

0C/s


26

Đồ thị quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độ ram:

Mẫu 1

Mẫu 2

72.83

64.16

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

0 100 200 300 400 500 600

HR

A

0C

73.17

63.5

62

64

66

68

70

72

74

0 100 200 300 400 500 600

HR

A

0C


27

Mẫu 3

V. Nhận xét

Tôi :

- Với cùng nhiệt độ nung (750oC) và nung trong 30’, khi ta làm nguội ở các môi trường

khác nhau thì độ cứng của mẫu khác nhau, tăng hoặc giảm.

- Đối với làm nguội trong môi trường cùng lò, độ cứng của vật mẫu giảm (từ 53.89còn

52.5)

- Đối với làm nguội trong môi trường không khí, độ cứng của mẫu thay đổi không đáng

kể (từ 53.89 lên 54.56)

- Đối với các môi trường còn lại, độ cứng của mẫu tang theo thứ tự tăng dần là: dầu,

nước muối và nước.

- Khi làm nguội trong môi trường nước và nước muối, độ cứng của hai mẫu này xấp xỉ

bằng nhau (72.78 và 76). Do đó trong thực tế, người ta dung phương pháp làm nguội

trong nước để thu được tổ chức cần thiết thay vì làm nguội trong nước muối, mặc dù

làm nguội trong nước muối có tốc độ làm nguội nhanh, gần gấp đôi tốc độ làm nguội

trong nước.

- Trong quá trình làm nguội nhanh (trong nước, nước muối) với tốc độ cao hơn tốc

độ tới hạn vth : ostenit sẽ chuyển biến thành mactenxit.

- Trong quá trình làm nguội vừa ( trong dầu khoáng) với tốc độ nguội khoảng

150oC/s. Pha ostenit sẽ chuyển biến thành bainit.

- Trong quá trình làm nguội đủ chậm (cùng lò, không khí), ostenit sẽ chuyển biến

lại thành peclit.

72.83

64.83

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

0 100 200 300 400 500 600

HR

A

0C


28

Ram:

- Sau khi tôi, thép có tổ chức maxtenxit tôi và ostenit dư (từ quá trình làm nguội trong

nước và trong nước muối). Cả hai pha này đều không ổn định ở nhiệt độ thường.

- Đối với ram cao, maxtenxit tôi phân hủy hoàn toàn thành Ferit và xemantit. Phụ thuộc

vào kích thước của phân tử xementit mà ta có được trustit hoặc xocbit ram có độ

cứng, độ bền thấp hơn mactenxit, nhưng độ dẻo dai lại cao hơn.

- Đối với ram thấp, ostenit dư sẽ bị phân hủy, sản phẩm tạo thành giống sản phẩm của

chuyển biến trung gian bainit.

Bởi vậy: với ram cao ta thu được mẫu có tính dẻo dai, còn với ram thấp, ta thu được

mẫu có tính cứng của mactenxit tôi với ostenit đã bị khử hết, làm tăng tính ổn định.

Báo cáo thí nghiệm Vật liệu học

Engineering

Transcript of Báo cáo thí nghiệm Vật liệu học