Đặt vấn đề Độ cứng là một thuộc tính cơ bản của vật liệu, thuật ngữ độ cứng phản ánh tính chịu uốn, độ bền, mài mòn, trầy xước của vật liệu. Cùng với sự phát triển của khoa học vật liệu đã có rất nhiều phương pháp đo độ cứng ra đời. Một số phương pháp đo độ cứng thường được biết đến, đặc biệt ứng dụng cho lĩnh vực vật liệu kim loại.1: Máy kiểm tra độ cứng Brinel Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ và có liên quan chặt chẽ đến độ bền kéo. Độ cứng được xác định bằng cách đo mức độ chống lại lực ấn của mũi đâm có dạng chuẩn lên bề mặt vật liệu.
Vật liệu mũi đâm có thể là thép đã nhiệt luyện hoặc kim cương, có thể có hình cầu hoặc hình tháp. Độ cứng được xác định theo kích thước của vết lõm mũi đâm để lại trên bề mặt vật kiểm. Đó cũng là mức chống lại lực ấn của mũi đâm có dạng chuẩn lên bề mặt vật liệu. Các phƣơng pháp đo độ cứng hiện nay Hiện nay độ cứng được đo theo ba phương pháp thông dụng: - Theo thang Brinell – Dùng mũi đâm bằng bi thép hoặc wolfram.
- Theo thang Vickers – dùng mũi đâm kim cương dạng hình tháp vuông. Trang 1 - Theo thang Rockwell – dùng mũi đâm hình côn bằng kim cương hoặc bi thép.Kích thước vết lõm được dùng để xác định giá trị độ cứng - vết lõm càng nhỏ thì vật liệu càng cứng. Độ cứng Brinell: (Brinell Hardness Test có ký hiệu là HB) do nhà nghiên cứu người Sweden có tên Dr. Johan August Brinell đề xuất.2: Máy kiểm tra độ cứng Brinel Hình A.3: Kích thước bi tròn làm mũi thử Độ cứng Brinell cho kết quả khôngBrinel chính xác khi khảo xát vùng ảnh hưởng nhiệt.
Vì vậy được dùng chủ yếu cho kim loại cơ bản. Đơn vị đo Độ cứng Brinell: HB [kG/mm2]. Trang 2 Để đo độ cứng Brinell máy thuỷ lực được dùng để ép viên bi thép trên bề mặt mẫuthử tác dụng lực xác định trong 15 giây. Đường kính vết lõm trên bề mặt kim loại được đo với kính hiển vi Brinell chia vạch theo milimet.
Áp dụng công thức sau để xác định độ cứng Brinell: ; Mặt khác: F= Vậy : HB= Trong đó: P: là lực tác dụng vào bi thép F: Diện tích vết lõm D: Đường kính bi thép d: Đường kính vết lõm Hình A.4: Đo hình dạng, kích thước vết lõm mũi thử Phương pháp đo độ cứng Brinell thường dùng để đo vật liệu có độ cứng thấp, thang Brinel đo dưới 450HB. Quá giới hạn này thì không thực hiện được chính xác vì viên bi đo bị biến dạng. Trang 3 - Trong một số trường hợp đơn giản có thể dùng phương pháp thủ công để kiểm tra như hình vẽ sau: Hình A.5: Đo độ cứng bằng phương pháp thủ công mũi thử - Độ cứng Brinell có thể xác định theo biểu đồ vết lõm sau: Brinel Hình A.6:Biểu đồ lõm Brinel Trang 4 Hình A.7:Biểu đồ xác định độ cứng theo chiều sâu vết lõm Brinel 2. Định nghĩa Để đo độ cứng Vickers vết lõm được tạo ra bằng mũi kim cương hình chóp, sử dụng lực tác dụng phù hợp với độ cứng của vật liệu.
Thời gian tác dụng lực thường được chuẩn hoá là 10 giây.8: Máy kiểm tra độ cứng Vickers Trang 5 - Vết lõm có dạng hình vuông sẫm trên nền sáng Hình A.9:Hình dạng vết lõm 2. Tính toán Các đo đạc được thực hiện theo đường chéo vết lõm, giá trị độ cứng tương ứng được quy chiếu từ bảng mẫuhoặc tính toán bằng công thức: Hình A.10: Kích thước vết lõm và giá trị độ cứng P HV 1,8544 2 d Trong đó: Hv : Độ cứng Vickers P: Lực tác dụng d: Đường kính mũi thử (d = 0,5( d1 + d2 )) Trang 6 Hình A.11:Góc độ không gian của mũi thử Hình A.12:Độ cứng Vickers của một số vật liệu Độ cứng HV có thể rất chính xác trong khoảng rộng vật liệu, do mũi đâm kim cương không bị biến dạng. Các vết lõm khi đo độ cứng HV nhỏ hơn nhiều so với HB do đó cần chuẩn bị bề mặt cẩn thận trước khi đo độ cứng. Độ cứng Rockwell (HR): Một số loại máy kiểm tra độ cứng Rockwell: Hình A.13:Thiết bị đo độ cứng Rockwell Máy đo độ cứng Rockwell sử dụng mũi đâm bằng thép để đo độ cứng các vật liệu mềm và mũi đâm hình nón bằng kim cương cho các vật liệu cứng.
Sư đo bắt đầu bằng tác dụng tải trọng sơ bộ để định vị mũi đâm trên bề mặt cần đo độ cứng. Sau đó tác dụng tải trọng chính. - Tải trọng sơ bộ Po = 10 kG. - Tải trọng chính P: + Bi thép : P = 100 kG + Mũi kim cương: P = 150 kG.
Sau khi kim đồng hồ ổn định, tải trọng chính được loại bỏ nhưng vẫn giữ tải sơ bộ. Số độ cứng HR dựa trên hiệu số giữa các chiều sâu mũi đâm với tải trọng chính và tải trọng sơ bộ, được đọc trực tiếp trên đồng hồHR = E - e Trang 8 Hình A.a:Kích thước vết lỏm đo độ cứngRockwell Hình A.b:Kích thước vết lỏm đo độ cứngRockwell Có nhiều thang đo độ cứng HR, phổ biến nhất là HRB và HRC: - Thang B: giá trị đo được ký hiệu HRB (P = 100 kG) - Thang C: giá trị đo được kí hiệu HRC (P = 150 kG) - Thang A: giá trị đo được kí hiệu HRA (P = 60 kG). Giá trị độ cứng ghi trong báo cáo thử gồm một số theo sau là chữ cho biết phương pháp thử: 240 HV10: đô ̣ cứng 240, phương pháp Vickers, tải đầu đo 10 kG (≈ 10 daN). 22 HRC: đô ̣ cứng 22, phương pháp Rockwell , đầ u đo kim cương côn góc đỉnh 120o (thang C).
Nguồn: Ths Tô Thanh Tuần, Giáo trình kiểm tra chất lượng mối hàn theo tiêu chuẩn quốc tế, Trường CĐ nghề Lilama 2, 2012. Trang 9 Tuy vậy thì các phương pháp xác định độ cứng trên thường vẩn phải phá hủy hay làm trầy xước vật liệu đo nên sau khi đo xong bề mặt vật liệu đo bị hư hại. Hƣớng nghiên cứu Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng để xác định ứng suất dư, tính ứng suất mỏi, xác định pha tinh thể. mà không phá hủy chi tiết mẫu.
Nhiều nghiên cứu trước đây cho thấy, bất cứ sự thay đổi nào trong cấu trúc của vật liệu tinh thể (như biến dạng dẻo, xử lý nhiệt, quá trình hợp kim hóa,…) đều ảnh hưởng đến các đặc trưng của đường nhiễu xạ X quang, bao gồm ba thông số quan trọng là vị trí đỉnh nhiễu xạ, hình dạng và độ lớn của đường nhiễu xa theo luận văn của Tác giả:TS. Lê Chí Cương ”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 tố Ảnh hưởng đến độ rộng đường nhiễu xạ tia X – quang”, Thực hiện năm 2008 tại đại học SPKT TP HCM. Mặt khác độ cứng của vật liệu liên quan đến cấu trúc tinh thể của vật liệu. Vậy độ rộng của đường nhiễu xạ này thì suy ra được mối quan hệ với độ cứng của vật liệu.
Bởi vậy hướng nghiên cứu đề tài là dựa vào bề rộng trung bình đường nhiễu xạ để nghiên cứu và xác định độ cứng. Độ cứng là thước đo sức bền của vật liệu khi bị va chạm hay bị trầy xước và được đo bằng các kỹ thuật thực nghiệm khác nhau. Tuy nhiên, các kết quả thu được thường biến đổi tùy theo phương pháp đo. Hướng nghiên cứu đo độ cứng bằng nhiễu xạ tia X thì Trên thế giớ đã có một số nhà khoa học nghiên cưu về lĩnh vực này: 1.
Jing Shi and C. Richard Liu, Decomposition of Thermal and Mechanical Effects on Microstructure and Hardness of Hard Turned Surfaces, School of Industrial Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN 47907, pp. Trang 10 Jing Chi Và C.Richard Liu đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và tính chất cơ học đến cấu trúc tế vi và độ cứng trên bề mặt vật liệu., X-ray Diffraction Chacracterization of the Residual Stress and Hardness Distributions, First Int. on Induction Hardened Gears and Critical Components, May 15-17, Indianapolis Gear Research Institute, 1995, pp.Hornbach, nghiên cứu sự phân bố độ cứng và ứng suất dư dựa vào đặc tính nhiễu xạ tia X., 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., đo ứng suất bởi phương pháp đường cong Gaussian và nghiên cứu nứt bằng nhiễu xạ tia X.
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. Kurita, Nghiên cứu sự ảnh hưởng và hấp thụ của hệ số LPA đến ứng suất và bề rộng của đường nhiễu xạ bằng phương pháp nhiễu xạ tia X với phương pháp đo không giới hạn phạm vi nhiễu xạ. Điểm mới của luận văn và giá trị thực tiển. Đề tài này nhằm xác định sự thay đổi pha của thép tôi và ram, thể hiện qua độ cứng, với bề rộng trung bình của đường nhiễu xạ tia X, từ đó đề xuất phương pháp đo độ cứng cho các vật liệu tinh thể bằng phương pháp không phá hủy.
Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 1. Nhiện vụ Nghiên cứu kết quả bề rộng đường nhiễu xạ tia X khi chiếu vào vật liệu, đo độ cứng của vật liệu với phương pháp đo độ cứng Rockwell (HRC). Xử lý số liệu đo, Trang 11 từ đó lập mối quan hệ tuyến tính giữa độ cứng và bề rộng trung bình của đường nhiễu xạ(B). Giới hạn đề tài Trong đề tài này chỉ giới hạn xác định độ cứng cho vật liệu thép C50.
Số lượng mẫu thí nghiệm là 11. Tôi 10 mẫu ở nhiệt độ 8300giữ nhiệt trong thời gian 15 phút. Sau đó lấy 9 mẫu trong số 10 mẫu đem ram ở các nhiệt độ khác nhau: 2500 , 3000, 3500 , 4000, 4500 , 5000, 5500 6000, 6500 trong thời gian 45 phút. Phƣơng pháp nghiên cứu Dựa trên cơ sở lý thuyết về vật lý tia X, lý thuyết nhiệt luyện và phương pháp phân tích đường nhiễu xạ, lý thuyết hàm Gaussian, lý thuyết xác xuất thống kế, lý thuyết quy hoạch thực nghiệm.
Trang 12 Phần B: NỘI DUNG Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Lý thuyết về nhiễu xạ tia X-ray[9]. Định luật Bragg và điều kiện nhiễu xạ.