2 GIỚI THIỆU Trong thế kỉ XX và đầu thế kỉ XXI, ngành vật liệu và các ngành khác đã tạo ra một cuộc cách mạng trong cuộc đại cách mạng công nghệ, bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, và công nghệ vật liệu. Trong lĩnh vực vật liệu cơ khí, từ vật liệu kim loại, polymer, ceramic, cho đến vật liệu composite đang phát triển mạnh mẽ với các tính chất ngày càng tốt hơn, dễ gia công hơn, giá thành cạnh tranh hơn đáp ứng ngày càng tốt hơn các yêu cầu của cuộc cách mạng khoa học và công nghệ. Môn Thí nghiệm Vật liệu học song hành với môn Vật liệu học là một trong những môn nền tảng cho ngành cơ khí, cung cấp cho người họccác kiến thức về cấu trúc và tính chất của các nhóm vật liệu để quá trình gia công chế tạo, xử lý, sử dụng vật liệu đạt hiệu quả tối đa. Cuốn sách này dùng cho sinh viên các trường nghề, trường cao đẳng, đại học các chuyên ngành cơ khí như Công nghệ Chế tạo máy, Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp,… nhằm củng cố phần lý thuyết cơ bản về vật liệu cơ khí và rèn luyện kỹ năng làm việc trong phòng thí nghiệm, gồm các nội dung chính: - Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi kim loại và hợp kim.
- Nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim sắt – carbon ở trạng thái cân bằng như thép, gang trắng và tổ chức tế vi của gang graphite. - Đo độ cứng thép trước và sau khi tôi; nghiên cứu quá trình tôi thép. - Nghiên cứu quá trình ram thép. Tài liệu này có phần sau viết bằng tiếng Anh theo xu hướng hội nhập quốc tế.
Cuốn sách cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho các kỹ thuật viên, kỹ sư công tác trong lĩnh vực cơ khí, vật liệu. Nhóm tác giả 3 4 MỤC LỤC BÀI 1: CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA KIM LOẠI .1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .1 Cấu tạo của kim loại và hợp kim .2 Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi .3 Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim loại .1 Chọn và cắt mẫu .5 Quan sát trên kính hiển vi. 17 BÀI 2: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM Fe – C .1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .1 Các dạng thù hình của sắt .2 Các dạng thù hình của C .3 Tương tác giữa Fe và C .4 Giản đồ trạng thái Fe-C .5 Các tổ chức cơ bản .6 Phân loại thép và gang trắng .3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM. 29 BÀI 3: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC GANG GRAPHITE .1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .2 Điều kiện hình thành graphite .3 Hình dạng graphite và phân loại gang graphite .3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM.
36 BÀI 4: ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÔI THÉP .1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM .1 Nhận mẫu sau khi ủ .3 Đo độ cứng HRB/HB .4 Tôi mẫu thép .5 Đo độ cứng sau khi tôi. 49 BÀI 5: RAM THÉP CARBON SAU KHI TÔI .1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .2 Ram trung bình (300°C÷450°C) .3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM. 52 Lesson 1 PREPARING SPECIMENS FOR RESEARCHING MICROSTRUCTURE OF METALS AND ALLOYS .1 The structure of metals and alloys .2 Principles of microstructure research .1 Select and sectioning the sample .5 Observing on optical metallurgical microscope. 62 Lesson 2 MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF IRON - CARBON ALLOYS .1 Allotropes of iron .2 Allotropes of carbon .3 Interaction between Fe and C .4 The Fe-C phase diagram .6 Classification of steel and white cast iron.
73 Lesson 3 MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF GRAPHITE - CAST IRON .2 Graphite forming conditions .4 Classification in graphite cast iron .5 Gray cast iron .6 Malleable cast iron .7 Nodular cast iron. 80 7 Lesson 4 HARDNESS TESTING AND QUENCHING STEEL PROCESS .3 Hardness testing of HRB/HB .4 Quenching sample steel .5 Hardness measurement after quenching. 94 Lesson 5 TEMPERING QUENCHED – STEEL. 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO.
99 8 BÀI 1 CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA KIM LOẠI 1. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU - Đánh giá được tầm quan trọng của công tác chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi. - Tìm hiểu tổ chức tế vi của kim loại và hợp kim. - Thực hành các bước để chuẩn bị mẫu nghiên cứu: chọn mẫu, cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát.
- Chọn dung dịch tẩm thực thích hợp. - Sử dụng thiết bị và vật tư cho việc làm mẫu nghiên cứu. Cấu tạo của kim loại và hợp kim Hình 1. Hạt và biên giới hạt Vật liệu kim loại thường có cấu tạo gồm nhiều đơn tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau, được gọi là đa tinh thể.
Đơn tinh thể được coi là tinh thể hoàn chỉnh, đa tinh thể gồm nhiều đơn tinh thể. Từng đơn tinh thể trong đa tinh thể được gọi là hạt tinh thể, do đó cấu trúc đa tinh thể còn được gọi là cấu trúc (tổ chức) hạt (Hình 1. Các nguyên tử trong từng hạt tinh thể luôn luôn sắp xếp một cách có trật tự. Còn các nguyên tử ở biên giới hạt thường sắp xếp không trật tự do tác động của các hạt xung quanh.
9 Hợp kim được cấu tạo từ một hoặc nhiều pha. Các pha khác nhau đều có các tính chất đặc trưng khác nhau (cơ tính, lý tính, hóa tính). Mục đích của công tác chuẩn bị mẫu là để nghiên cứu, phân biệt rõ cấu trúc (tổ chức) hạt, biên giới hạt, các pha,… khi quan sát dưới kính hiển vi kim loại. Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi Nghiên cứu tổ chức tế vi là công việc quan sát hình ảnh phóng đại của bề mặt mẫu đã được chuẩn bị, thông qua kính hiển vi.
Hình ảnh này thể hiện cấu tạo và tổ chức của kim loại và hợp kim, mà cơ tính và lý tính của vật liệu đều có liên quan đến tổ chức quan sát được. Phản xạ ánh sáng của mẫu đã tẩm thực Để có được hình ảnh tổ chức tế vi, ta cần lần lượt thực hiện các bước: cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát. Sau bước đánh bóng, nếu chiếu chùm tia sáng vuông góc vào mặt mẫu được đánh bóng, chùm tia sẽ phản xạ toàn phần. Lúc này mẫu sáng bóng khi quan sát dưới kính hiển vi.
Sau đó sử dụng dung dịch thích hợp để ăn mòn trên mặt mẫu đã 10 đánh bóng (tẩm thực). Do mẫu tạo bởi các pha có tính chất hóa học khác nhau nên trên từng pha thì mức độ ăn mòn, cũng như giữa hạt tinh thể và biên giới hạt khác nhau, từ đó làm xuất hiện độ mấp mô khác nhau. Sự tương phản sáng tối giữa các pha, hạt và biên giới hạt, sẽ làm nổi rõ tổ chức tế vi của kim loại – hợp kim (Hình 1. Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim loại Hình 1.
Nguyên lý phản xạ của kính hiển vi kim loại Nguyên lý quan sát: Phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu đã được chuẩn bị bằng kính hiển vi, tín hiệu sử dụng là ánh sáng phản xạ từ bề mặt mẫu (Hình 1. Độ phóng đại của kính hiển vi kim loại thường trong khoảng 80 ÷ 2000 lần (được tính theo tích số độ phóng đại vật kính, độ phóng đại thị kính, và hệ số hiệu chỉnh). Muốn quan sát với độ phóng đại cao hơn, ta phải dùng kính hiển vi điện tử. a) Vết nứt tế vi b) Rỗ khí Hình 1.
Khuyết tật tế vi của vật liệu 11 Nhờ kính hiển vi mà có thể quan sát được tổ chức của các pha, sự phân bố, hình dáng và kích thước của chúng. Với gang graphite, có thể dễ dàng xác định được hình dáng, kích thước và sự phân bố của graphite trên pha nền. Ngoài ra, còn có thể thấy được các khuyết tật của vật liệu như vết nứt tế vi, rỗ và các tạp chất…(hình 1. Chọn và cắt mẫu Tùy theo yêu cầu và nhiệm vụ của nghiên cứu và thí nghiệm mà chọn vị trí và phương pháp cắt mẫu cho phù hợp.
Việc cắt mẫu phải được tiến hành cẩn thận để đảm bảo không bị ảnh hưởng đến tổ chức tế vi của mẫu trong quá trình cắt. Với các thép và gang đã nhiệt luyện thì yêu cầu nhiệt độ của vị trí cắt không quá 1000C. Kích thước mẫu thường là: 10x10 hoặc 10x10 (mm2), tối thiểu là 3 mm2 và ít nhất phải có một mặt phẳng để có thể quan sát tổ chức tế vi. Chi tiết cần cắt Bàn kẹp Đá cắt mẫu Đầu di động của máy Hình 1.
Máy cắt mẫu Abrasimatic 300 Buehler Dựa vào mục đích quan sát mà có thể cắt mẫu theo tiết diện ngang hoặc cắt theo dọc trục. Khi muốn quan sát sự thay đổi tổ chức từ bề mặt vào lõi thì cắt theo tiết diện ngang. Muốn nghiên cứu tổ chức dạng thớ, sợi nên cắt theo chiều dọc trục (Hình 1. a) Cắt theo tiết diện ngang b) Cắt theo tiết diện dọc Hình 1.
Các kiểu cắt mẫu 12 Nếu mẫu quan sát nhỏ cần phải dùng kẹp để giữ mẫu hoặc đổ khuôn cố định mẫu (Hình 1. Các kiểu kẹp mẫu 1. Mài thô Mẫu được mài trên máy mài hoặc đánh bằng giấy nhám hạt thô sao cho hai mặt trên dưới là mặt A và mặt B song song với nhau, sau đó vát mép. Mặt B Vát mép Mặt A Hình 1.
Máy mài đá hai đầu Makita 1. Mài giấy nhám Giấy nhám có các số 180, 240, 320, 400, 600… Con số này chỉ số hạt mài trên 1 cm2. Khi mẫu là nhôm hoặc đồng và các hợp kim của chúng thì giấy nhám phải mịn hơn, từ tờ thứ tư trở đi phải có độ mịn từ 600 đến 1500. Đầu tiên mài trên giấy nhám 180.
Giấy nhám đặt trên mặt bàn phẳng (tấm kính), dùng tay nắm chặt mẫu, tì nhẹ mặt mẫu vào mặt giấy nhám ở vị trí 1, đẩy mẫu tới vị trí 2, sau đó nhấc mẫu lên khỏi bề mặt giấy nhám, rồi đưa về vị trí 1 và lặp lại động tác đã thực hiện. Đường song song 1 2 Hình 1. Mài mẫu trên giấy nhám 13 Sau khi mài khoảng 50 đến 70 lần, bề mặt mẫu chỉ còn các đường song song. Sau đó xoay mẫu 900, tiếp tục mài trên giấy nhám nhằm khử các xước cũ và tạo các vết xước mới.
Lặp đi lặp lại bước mài và xoay mẫu từ ba đến năm lần. Quan sát bằng mắt thường, nếu thấy các vết xước đều và sâu như nhau thì xoay 900, rồi lần lượt chuyển sang giấy nhám cỡ 240, sau đó 320 và cuối cùng là cỡ 400. Chú ý: Khi chuyển từ giấy mài thô sang giấy mịn hơn phải lau sạch mẫu để tránh hạt mài thô bám trên mẫu chuyển sang giấy nhám mịn hơn.