2 GIỚI THIỆU Trong kỉ XX đầu kỉ XXI, ngành vật liệu ngành khác tạo cách mạng đại cách mạng công nghệ, bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu Trong lĩnh vực vật liệu khí, từ vật liệu kim loại, polymer, ceramic, vật liệu composite phát triển mạnh mẽ với tính chất ngày tốt hơn, dễ gia công hơn, giá thành cạnh tranh đáp ứng ngày tốt yêu cầu cách mạng khoa học cơng nghệ Mơn Thí nghiệm Vật liệu học song hành với môn Vật liệu học môn tảng cho ngành khí, cung cấp cho người họccác kiến thức cấu trúc tính chất nhóm vật liệu để q trình gia cơng chế tạo, xử lý, sử dụng vật liệu đạt hiệu tối đa Cuốn sách dùng cho sinh viên trường nghề, trường cao đẳng, đại học chun ngành khí Cơng nghệ Chế tạo máy, Cơng nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp,… nhằm củng cố phần lý thuyết vật liệu khí rèn luyện kỹ làm việc phịng thí nghiệm, gồm nội dung chính: - Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi kim loại hợp kim - Nghiên cứu tổ chức tế vi hợp kim sắt – carbon trạng thái cân thép, gang trắng tổ chức tế vi gang graphite - Đo độ cứng thép trước sau tơi; nghiên cứu q trình tơi thép - Nghiên cứu q trình ram thép Tài liệu có phần sau viết tiếng Anh theo xu hướng hội nhập quốc tế Cuốn sách tài liệu tham khảo bổ ích cho kỹ thuật viên, kỹ sư công tác lĩnh vực khí, vật liệu Nhóm tác giả MỤC LỤC BÀI 1: CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA KIM LOẠI 1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 1.2 LÝ THUYẾT 1.2.1 Cấu tạo kim loại hợp kim 1.2.2 Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi 10 1.2.3 Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi kính hiển vi kim loại 11 1.3 THÍ NGHIỆM 12 1.3.1 Chọn cắt mẫu 12 1.3.2 Mài mẫu 13 1.3.3 Đánh bóng 14 1.3.4 Tẩm thực 15 1.3.5 Quan sát kính hiển vi 16 1.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 17 BÀI 2: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM Fe – C 18 2.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 18 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18 2.2.1 Các dạng thù hình sắt 18 2.2.2 Các dạng thù hình C 19 2.2.3 Tương tác Fe C 20 2.2.4 Giản đồ trạng thái Fe-C 21 2.2.5 Các tổ chức 23 2.2.6 Phân loại thép gang trắng 27 2.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 29 2.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 29 BÀI 3: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC GANG GRAPHITE 30 3.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 30 3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30 3.2.1 Khái niệm 30 3.2.2 Điều kiện hình thành graphite 31 3.2.3 Hình dạng graphite phân loại gang graphite 32 3.2.4 Gang xám 32 3.2.5 Gang dẻo (gang rèn) 33 3.2.6 Gang cầu (gang có độ bền cao) 34 3.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 35 3.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 36 ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TƠI THÉP 37 4.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 37 4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 37 4.2.1 Độ cứng 37 4.2.2 Tôi thép 44 4.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 47 4.3.1 Nhận mẫu sau ủ 47 4.3.2 Đóng số 48 4.3.3 Đo độ cứng HRB/HB 48 4.3.4 Tôi mẫu thép 48 4.3.5 Đo độ cứng sau 49 4.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 49 BÀI 4: BÀI 5: RAM THÉP CARBON SAU KHI TÔI 50 5.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 50 5.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 50 5.2.1 Ram thấp (150°C÷250°C) 51 5.2.2 Ram trung bình (300°C÷450°C) 51 5.2.3 Ram cao (500°C÷650°C) 51 5.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM 52 5.4 NỘI DUNG BÁO CÁO 52 Lesson PREPARING SPECIMENS FOR RESEARCHING MICROSTRUCTURE OF METALS AND ALLOYS 53 1.1 PURPOSE 53 1.2 THEORETICAL BACKGROUND 53 1.2.1 The structure of metals and alloys 53 1.2.2 Principles of microstructure research 54 1.2.3 Metal microscope 55 1.3 MANUFACTURING SAMPLES 56 1.3.1 Select and sectioning the sample 56 1.3.2 Grinding sample 57 1.3.3 Polishing 58 1.3.4 Etching 59 1.3.5 Observing on optical metallurgical microscope 60 1.4 REPORT 62 Lesson MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF IRON - CARBON ALLOYS 63 2.1 PURPOSE 63 2.2 THEORETICAL BACKGROUND 63 2.2.1 Allotropes of iron 63 2.2.2 Allotropes of carbon 64 2.2.3 Interaction between Fe and C 65 2.2.4 The Fe-C phase diagram 66 2.2.5 Fundamental microstructures 67 2.2.6 Classification of steel and white cast iron 71 2.3 EXPERIMENTAL CONTENT 73 2.4 REPORT 73 Lesson MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF GRAPHITE - CAST IRON 74 3.1 PURPOSE 74 3.2 THEORETICAL BACKGROUND 74 3.2.1 Definition 74 3.2.2 Graphite forming conditions 74 3.2.4 Classification in graphite cast iron 75 3.2.5 Gray cast iron 76 3.2.6 Malleable cast iron 77 3.2.7 Nodular cast iron 78 3.3 EXPERIMENTAL CONTENT 79 3.4 REPORT 80 Lesson HARDNESS TESTING AND QUENCHING STEEL PROCESS 81 4.1 PURPOSE 81 4.2 THEORETICAL BACKGROUND 81 4.2.1 Hardness 81 4.2.2 Quenching 89 4.3 EXPERIMENTAL CONTENT 93 4.3.1 Receive samples 93 4.3.2 Numbering 93 4.3.3 Hardness testing of HRB/HB 93 4.3.4 Quenching sample steel 93 4.3.5 Hardness measurement after quenching 94 4.4 REPORT 94 Lesson TEMPERING QUENCHED – STEEL 95 5.1 PURPOSE 95 5.2 THEORETICAL BACKGROUND 95 5.2.1 Low tempering (150°C ÷ 250°C) 96 5.2.2 Medium tempering (300°C ÷ 450°C) 96 5.2.3 High tempering (500°C ÷ 650°C) 97 5.3 EXPERIMENTAL CONTENT 97 5.4 REPORT 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 BÀI CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA KIM LOẠI 1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU - Đánh giá tầm quan trọng công tác chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi - Tìm hiểu tổ chức tế vi kim loại hợp kim - Thực hành 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 vật tư cho việc làm mẫu nghiên cứu 1.2 LÝ THUYẾT 1.2.1 Cấu tạo kim loại hợp kim Hình 1.1 Hạt biên giới hạt Vật 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 cịn gọi cấu trúc (tổ chức) hạt (Hình 1.1) Các nguyên tử hạt tinh thể luôn xếp cách có trật tự Cịn ngun tử biên giới hạt thường xếp không trật tự tác động hạt xung quanh Hợp kim cấu tạo từ nhiều pha Các pha khác có tính chất đặc trưng khác (cơ tính, lý tính, hóa tính) Mục đích công tác 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 1.2.2 Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi Nghiên cứu tổ chức tế vi công việc quan sát hình ảnh phóng đại bề mặt mẫu chuẩn bị, thơng qua kính hiển vi Hình ảnh thể cấu tạo tổ chức kim loại hợp kim, mà tính lý tính vật liệu có liên quan đến tổ chức quan sát Hình 1.2 Phản xạ ánh sáng mẫu tẩm thực Để có hình ảnh tổ chức tế vi, ta cần thực bước: cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát Sau bước đánh bóng, chiếu chùm tia sáng vng góc vào mặt mẫu đánh bóng, chùm tia phản xạ tồn phần Lúc mẫu sáng bóng quan sát kính hiển vi Sau sử dụng dung dịch thích hợp để ăn mịn mặt mẫu 10 đánh bóng (tẩm thực) Do mẫu tạo pha có tính chất hóa học khác nên pha mức độ ăn mịn, hạt tinh thể biên giới hạt khác nhau, từ làm xuất độ mấp mơ khác Sự tương phản sáng tối pha, hạt biên giới hạt, làm rõ tổ chức tế vi kim loại – hợp kim (Hình 1.2) 1.2.3 Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi kính hiển vi kim loại Hình 1.3 Ngun lý phản xạ kính hiển vi kim loại Nguyên lý quan sát: Phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu chuẩn bị kính hiển vi, tín hiệu sử dụng ánh sáng phản xạ từ bề mặt mẫu (Hình 1.3) Độ phóng đại kính hiển vi kim loại 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 hơn, ta phải dùng kính hiển vi điện tử a) Vết nứt tế vi b) Rỗ khí Hình 1.4 Khuyết tật tế vi vật liệu 11 Dial Indenter Anvil Knob for changing loads Rotary wheel Bar Figure 4.6 Rockwell hardness tester Table 4.2． Scales of the Rockwell Hardness Method Scale Indenter Weight P (N) K Application Measure ment limit HRA Diamond – cone α = 120˚ 600 100 Very hard materials (alloy steel, hard alloy, WC, TiC, ) 70÷85 HRC Diamond – cone α = 120˚ 1500 100 Hard materials (chilled steel, martensite) 20÷67 HRB Balls d =1/16”= 1,588 mm 1000 130 Soft materials, thick materials, thin materials 25÷100 Vickers hardness The Vickers test method, as defined in E 384 for microhardness materials Vickers hardness number, HV, a number related to the applied load and the surface area of a permanent impression made by square based pyramid diamond indenter Vickers’ method of measuring has the same principle as the Brinell method but replacing the steel ball with the pyramid diamond tip, Figure 86 4.1c, the angle between the two sides is 136˚ Usable weight P = (50÷ 1500) N, depends on sample thickness The Vickers hardness is determined by: HV = x0,1 In which: P is the weight (N), S is the surface area of the indentation (mm2) Figure 4.7 Vickers testing method For convenience, we can count S through diagonal d and α = 136˚ x0,1= 1,854x x0,1 (N/mm2) HV= x0,1= Table 4.3 Conversion table for metals with the relationship of hardness number Brinell (DBrinell =10mm) - Rockwell - Vickers Brinell dmm HB 2.00 Rockwell HRB HRC Vickers HRA HV Brinell Rockwell Vickers dmm HB HRB HRC HRA HV 946 3.70 269 - 28 65 272 2.05 898 3.75 262 - 27 64 261 2.10 857 3.80 255 - 26 64 255 2.15 817 3.85 248 - 25 63 250 2.20 782 - 72 89 1220 3.90 241 100 24 63 240 2.25 744 - 69 87 1114 3.95 235 99 23 62 235 2.30 712 - 67 85 1021 4.00 229 98 22 62 226 2.35 683 - 65 84 940 4.05 223 97 21 61 221 2.40 652 - 63 83 867 4.10 217 97 20 61 217 87 Brinell Rockwell Vickers Brinell Rockwell Vickers dmm HB HRB HRC HRA HV dmm HB HRB HRC HRA HV 2.45 627 - 61 82 803 4.15 212 96 19 60 213 2.50 600 - 59 81 746 4.20 207 95 18 60 209 2.55 578 - 58 80 694 4.25 201 94 - 59 201 2.60 555 - 56 79 649 4.30 197 93 - 58 197 2.65 532 - 54 78 606 4.35 192 92 - 58 190 2.70 512 - 52 77 587 4.40 187 91 - 57 186 2.75 495 - 51 76 551 4.45 183 89 - 56 183 2.80 477 - 49 76 534 4.50 179 88 - 56 177 2.85 460 - 48 75 502 4.55 174 87 - 55 174 2.90 444 - 47 74 474 4.60 170 86 - 55 171 2.95 429 - 45 73 460 4.65 167 85 - 54 165 3.00 415 - 44 73 435 4.70 163 84 - 53 162 3.05 405 - 43 72 423 4.75 159 83 - 53 159 3.10 388 - 41 71 401 4.80 156 82 - 52 154 3.15 375 - 40 71 390 4.85 152 81 - 52 152 3.20 363 - 39 70 380 4.90 149 80 - 51 149 3.25 352 - 38 69 361 4.95 146 78 - 50 147 3.30 341 - 37 69 344 5.00 143 76 - 50 144 3.35 331 - 36 68 335 5.05 140 76 - - - 3.40 321 - 35 68 320 5.10 137 75 - - - 3.45 311 - 34 67 312 5.15 134 74 - - - 3.50 302 - 33 67 305 5.20 131 72 - - - 3.55 293 - 31 66 291 5.25 128 71 - - - 3.60 285 - 30 66 285 5.30 126 69 - - - 3.65 277 - 29 65 287 5.35 123 69 - - - Vickers method is often used to measure the hardness of thin objects, micro phases, and be able to measure very soft or hard materials 88 4.2.1.2 Advantages of hardness measurement methods - Hardness is the resistance to local plastic deformation and the strength is the resistance to plastic deformation It is possible to calculate the strength of the metal through hardness calculation, especially steel - Hardness measurement is relatively simple, less time consuming (less than minute / nose) - Be able to measure thick or thin parts - Be able to identify the working ability of the part 4.2.1.3 The hardness of common details - Hardness suitable for cutting: (160 ÷ 180) HB - Springs part, hot molds: (40 ÷ 45) HRC - Small, slow-speed gears (machine tools): (52 ÷ 58) HRC - All gears with high load, high speed; all cutting tools; cold stamping molds; rolling bearings; friction discs; and other similar parts need greater hardness (60 ÷ 62) HRC 4.2.2 Quenching 4.2.2.1 Definition Figure 4.8 Schematic diagram of the heat treatment process Quenching is a part of the heat treatment method by heating the specimen the temperature of γ state, holding until several time t, and cooling down with the cooling rate faster than the critical cooling rate by dipping into the quenching medium The schematic diagram for quenching process is depicted in Figure 4.8 89 The critical cooling rate is the minimum cooling rate that the Austenite will transform into 100% martensite, the microstructure of martensite is shown in Figure 4.9b Different steel grades have different critical cooling rate, depending on the chemical composition a) AISI 1045 steel (Annealed) b) AISI 1045 steel (after quenching) Figure 4.9 Microstructure of 1045 steel before and after quenching (4% Nital) 4.2.2.2 Some quenching media - Water: + Hot water (40÷60)°C + Normal water (25 ÷30)°C + Cold water (5÷ 15)°C - NaOH or NaCl solution - Oils - Gas/air (least severe) - Molten salt - Emulsion: oil + water - Liquid nitrogen Cooling rate: Vcooling = Vcritical+ (30 ÷ 50)0C/s 4.2.2.3 Temperature The temperature directly affects the mechanical properties of the steel after quenching With carbon steel, it can be based on the Fe-C diagram and %C to determine heating temperature 90 Dial Figure 4.10 Heat treatment furnace For hypo-eutectoid steel (%C ≤ 0.8%) Figure 4.11 Phase diagram of Fe-C Determine a temperature higher than AC3, which means heating the steel to a fully austenite state This method is called austenitization quenching t° = AC3 + (30 ÷ 50)0C 91 In the range of 0.1 ÷ 0.8%C line AC3 of steel reduce slowly Slow heating AC3 = A3 For hyper- eutectoid and eutectoid steel (0.8% < %C ≤ 2.14%) The austenitization temperature for hyper-eutectoid steel is higher than AC1, but lower than Accm, means to heat up to the state of intermediate phase austenite + cementite t° = AC1 + (30 ÷ 50)0C Slow heating AC1 = A1, about (760 ÷ 780°C)°C, it does not depend on carbon content We can identify AC3 and AC1 either by relying on the carbon-iron state diagram or by using a heat treatment handbook Table 4.4． Time and temperature quenching of specimens Shape Cylinder Square Plate Time (minutes) Heating For 1mm diameter For mm thickness temperatures 600°C 700°C 1.5 2.2 800°C 1.0 1.5 900°C 0.8 1.2 1.6 1000°C 0.4 0.6 0.8 Holding time τ: Depends on many factors: - Temperature range - Part size - Machine part shape - How to arrange the part Experience: calculate the minimum thickness in the largest section, or check the following table: 92 Note: Because these samples are small, they are cooled down fastly after opening the furnace Therefore, we must rapidly; the time between opening the door and pull the sample into water/oil must be less than three seconds 4.3 EXPERIMENTAL CONTENT 4.3.1 Receive samples Sample TCVN C45/AISI 1045/ alloy steel 4.3.2 Numbering AB A: Group numbers B: Sample numbers 4.3.3 Hardness testing of HRB/HB - Measure three times - Calculate the average hardness number and write on Table 4.5 Table 4.5． Hardness of samples Sample Steel Alloy C45 C45 C45 C45 C45 Average (before quenching) Average (after quenching) 4.3.4 Quenching sample steel Table 4.6 Temperature and quenching media Sample Steels Temperature Cooling (˚C) environment Cooling rate (oC/s) Alloy 780 Oi 150 C45 730 Water 600 C45 780 Water 600 C45 830 Water 600 C45 830 Oil 150 C45 830 Still air 30 Holding time ~1 minute/ mm 93 Note: Small samples must be pulled out rapidly and the time between opening the door and dropping samples into water/oil must be less than three seconds because these samples are small and are quickly cool down when opening the door 4.3.5 Hardness measurement after quenching Using Rockwell method with C or B scale, calculate the average hardness number and write on Table 4.5 4.4 REPORT Summarize the theoretical background Record the hardness of the steel after measuring Draw 02 diagrams the relationship between temperature and cooling rate compared to the hardness of the sample Conclusion 94 Lesson TEMPERING QUENCHED – STEEL 5.1 PURPOSE - Understand how to temper carbon steel, choose a suitable temperature and time - Determine the effect of tempering temperature on the hardness 5.2 THEORETICAL BACKGROUND a) Before quenching Martensite (dark) residual austenite (bright) b) After quenching Figure 5.1 Microstructure of high-carbon steel (4% Nital) 95 Tempering quenched-steel is a method of heat treatment of saturated martensite and residual austenite into more stable microstructure, in accordance with the requirements Tempering also reduces or eliminates the residual stress, as well as increased flexibility for the mechanical part When quenching-steel carbon, the conversion of martensite to ferrite and pearlite, saturated carbon is released from the network forming of carbide ε, then the carbide ε is gradually converted to Fe3C, and austenite residuals are transferred into tempered-Martensite For high-carbon and alloy steels after hardening, they could have a large amount of residual Austenite Depending on the size of the microstructure of the cementite and ferrite while tempering, we can have troostite or sorbite These process depends on the temperature and heating time Depending on temperature, can divides into: 5.2.1 Low tempering (150°C ÷ 250°C) The microstructure received is tempered martensite; the hardness is almost unchanged; the stress is slightly reduced; the hardness resistance and abrasion resistance are still high Applications: For products with high hardness or abrasion resistance such as metal cutting tools, cold dies, roller bearings, carburizing parts,… Figure 5.2 Microstructure of tempered martensite (4% Nital) 5.2.2 Medium tempering (300°C ÷ 450°C) Microstructure received is troosite The hardness is rather high; the stress decreases; the toughness increases; the elastic modulus reaches the maximum value 96 Applications: For mechanical parts that require high elasticity, high stiffness such as hot stamping molds, forging, springs 5.2.3 High tempering (500°C ÷ 650°C) Microstructure received was sorbite, which has the optimal impact strength The hardness decreases quite a lot, it is necessary to have surface-treatment to achieve high hardness in some necessary positions Applications: For parts that need durability, high yield strength, high impact strength such as axles, gears… Figure 5.3 Microstructure of troosite (4% Nital) Figure 5.4 Microstructure of sorbite (4% Nital) 5.3 EXPERIMENTAL CONTENT Determine the effect of tempering temperature and tempering time on the hardness Each group receives some AISI 1045 steel samples, quenching at 830°C/water, tempering Measure the average hardness 97 Table 5.1 Tempering carbon steel Temperature (°C) Time (min) 250 45 450 45 650 45 650 20 650 80 Hardness (HRC) 5.4 REPORT Summarize the theory Draw the diagram representing the dependence of hardness on temperature and time Comment on the results Determine the effect of temperature and time on hardness 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Vũ Ngoạn –Thí nghiệm vật liệu học xử lý– NXB ĐHQG TP HCM, 2008 [2] V.M Zuyev, A Laboratory Manual for Trainess in Heat Treatment, Mir Publishers, 1985 [3] Lê Công Dưỡng (chủ biên) - Vật liệu học đại cương – NXB KHKT – Hà Nội, 2002 [4] Nghiêm Hùng - Kim loại học nhiệt luyện – NXB Giáo Dục - Hà Nội, 1993 [5] Trần Thế San – Giáo trình Vật liệu đại cương – NXB ĐHQG TP HCM, 2013 [6] Krauss, G., (1995): Steels: Heat Treatment and Processing Principles, ASM International, Ohio [7] ASM Handbook, (1990): Vol 4, Heat Treating, ASM International Committee [8] Thelning, K.E., (1981): Steel and Its Heat Treatment, Butterworth, London [9] Wilson, R., (1975): Metallurgy and Heat Treatment of Tool Steels, McGraw Hill, London 99 ... kỉ XXI, ngành vật liệu ngành khác tạo cách mạng đại cách mạng công nghệ, bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu Trong lĩnh vực vật liệu khí, từ vật liệu kim loại,... song hành với môn Vật liệu học mơn tảng cho ngành khí, cung cấp cho người họccác kiến thức cấu trúc tính chất nhóm vật liệu để q trình gia cơng chế tạo, xử lý, sử dụng vật liệu đạt hiệu tối đa... ceramic, vật liệu composite phát triển mạnh mẽ với tính chất ngày tốt hơn, dễ gia công hơn, giá thành cạnh tranh đáp ứng ngày tốt yêu cầu cách mạng khoa học cơng nghệ Mơn Thí nghiệm Vật liệu học song