Báo cáo đo độ cứng và quan sát TCTV của thép

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ
----------------------

BÁO CÁO THỰC HÀNH

THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU KỸ THUẬT

Họ và tên:
Mã số SV:
Lớp:

Hà Nội, 2022


Bài thí nghiệm:
ĐO ĐỘ CỨNG CỦA KIM LOẠI
I- Mục đích và yêu cầu
- 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. 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 trong những đặc trưng cơ tính quan trọng của vật liệu, dễ dàng đo được thông
qua các thiết bị đo mà không cần phải phá hủy mẫu.
Một số phương pháp đo độ cứng thường được sử dụng:
- Phương pháp đâm: dùng tải trọng xác định đặt lên mũi đâm (hình cơn, 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. Căn cứ cào diện tích hoặc chiều sâu vết lõm trên bề mặt mẫu ứng với tải trọng tác dụng để tính
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. Với
phương pháp này mũi kim cương vừa được ấn lên bề mặt mẫu, vừa bị kéo chuyển động với tốc độ xác
định, để tạo thành vết xước. Căn cứ vào lực ấn, chiều sâu, chiều rộng vết xước để tính số đo độ cứng.
Trong bài thí nghiệm này, tiến hành đo độ cứng của kim loại bằng các phương pháp đâm như:
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 P, trên bề mặt mẫu có vết lõm hình chỏm cầu. Số đo Brinell được tính bằng biểu thức:


HB =

2P

(

πD  D − D 2 − d 2


)

0.5




Trong đó:
D: Đường kính viên vi, mm
d: Đường kính vết lõm, mm

Hình 1: Đo độ cứng Brinell
Phương pháp này chỉ cho phép đo các vật liệu có độ cứng nhỏ hơn 450 HB để tránh biến dạng cho viên
bi. Độcứng viên bi theo thang Vicker không được bé hơn 850 HV.
3. Phương pháp đo độ cứng Rockwell
Phương pháp này tiến hành bằng cách dùng mũi đâm kim cương có dạng hình nón, góc ở đỉnh bằng 120
hoặc dùng mũi đâm bi thép có đường kính d = (1.6  12.7) mm đâm lên bề mặt vật liệu.
Số đo độ cứng Rockwell được xác định bằng hiệu số chiều sâu như công thức dưới đây:

HRX = M −

h
0.002

X: Chỉ thang đo sử dụng (A, B, C, D, E, R, M)
M: Giới hạn trên của thang đo.
M = 100 → mũi đâm kim cương (thang A, C, D).
M = 130 → mũi đâm bi thép (thang B, E, R, M).
h = h2 – h1: Chiều sâu vết lõm, mm.
(Hiện nay đo trên máy → kết quả ngay).
h1: Độ sâu tải phụ, mm.
h2: Độ sâu tải chính, mm.

Hình 2: Đo độ cứng Rockwell
Đo bằng phương pháp Rockwell cho phép đo các mẫu có độ cứng cao hơn 450 HB hoặc các mẫu mỏng,
nhỏ hơn 1.2 mm. Phương pháp này cho phép thay đổi tải trọng trong một pham vi rộng mà không làm
thay đổi giá trị đo được của độ cứng, vì nó bảo đảm quy luật đồng dạng của mũi đâm. Ngoài ra thời gian
đo rất nhanh (từ 6 – 10 giây)

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
dày mẫu 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.

HV =

2P
 1.854P
.sin =
kG / mm 2
2
2
2
d
d

Trong đó:
d: Đường chéo vết lõm, mm

Hình 3: Đo độ cứng Vicker
Đo bằng phương pháp Vicker thường dùng để đo độ cứng các vật mỏng, các lớp thấm…

III- Nội dung thí nghiệm
1. Đo độ cứng sử dụng máy HR 400
- Đo độ cứng bằng phương pháp Brinell (HB) và Rockwell (HR)
- Sử dụng các mẫu thép carbon C45 được nhiệt luyện ở nhiệt độ khác nhau
- Mài và đánh bóng mẫu trước khi đo
- Sử dụng đầu đo kim cương

- Tiến hành đo:
+ Đặt mẫu lên đế
+ Cài đặt chương trình đo
+ Đo 3 lần rồi lấy giá trị trung bình.
2. Đo độ cứng sử dụng máy HM 200
- Đo độ cứng bằng phương phápVicker (HV)
- Sử dụng các mẫu thép carbon C45 nhiệt luyện ở nhiệt độ khác nhau


- Sử dụng đầu đâm kim cương
- Mài và đánh bóng mẫu trước khi đo
- Tiến hành đo:
+ Đặt mẫu lên đế
+ Cài đặt chương trình đo
+ Đo 3 lần rồi lấy giá trị trung bình.
IV- Báo cáo thí nghiệm

1. Đo độ cứng của Thép (HRA):
Mẫu thép C25, 20X nhiệt luyện
Tải trọng(N)

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Trung bình

Tải trọng(N)

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Trung bình

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Trung bình

HRA
HRC
(quy đổi từ HRA)

HRA
HRC
(quy đổi từ HRA)

Mẫu thép C45, 40X nhiệt luyện
Tải trọng(N)
HRA
HRC
(quy đổi từ HRA)

Tải trọng(N)

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Trung bình

HRA
HRC
(quy đổi từ HRA)

Nhận xét:

2. Đo độ cứng Nhôm, đồng (HV):
Nhôm
HV

Tải trọng(N)

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Trung bình

HV

Tải trọng(N)

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Trung bình

d1
d2

Đồng

d1
d2


Nhận xét:


Bài thí nghiệm:
QUAN SÁT CẤU TRÚC TẾ VI
I- Mục đích và yêu cầu
- Thực hành mài mẫu, đánh bóng, tẩm thực và quan sát tổ chức tế vi của các mẫu gang, thép bằng kính

hiển.
- Tầm quan trọng của cơng tác chuẩn bị mẫu và ảnh hưởng của các quá trình này đến kết quả thu được.
- Nhận biết và phân biệt các loại gang.
- Phân biệt tổ chức tế vi của thép sau nhiệt luyện ở các nhiệt độ khác nhau.
II- Cơ sở lý thuyết
Phân biệt tổ chức tế vi và sự chuyển pha của thép sau khi đã nhiệt luyện
•

Thép Cacbon

Thép Cacbon gồm các nguyên tố:
+ C ≤ 2,14%; Mn ≤ 0,8%; Si ≤ 0,4%; P ≤ 0,05%; S ≤ 0,05%
+ Cr, Ni, Cu ≤0,3%; Mo, Ti ≤ 0,05%.
Ảnh hưởng của Carbon đến tổ chức tế vi:
- C < 0,76% tổ chức Ferit + Peclit – thép trước cùng tích
- C = 0,76% tổ chức Peclit – thép cùng tích
- C > 0,76% tổ chức Peclit + XeII – thép sau cùng tích
Sau khi nhiệt luyện ở nhiệt độ khác nhau sẽ cho tổ chức tế vi khác nhau.
•

Thép hợp kim

Thép hợp kim gồm các nguyên tố:
Mn = 0,8 - 1,0%; Si = 0,5 - 0,8%; Cr = 0,5 - 0,8%;
Ni = 0,5 - 0,8%; W = 0,1 - 0,5%; Mo = 0,05 - 0,2%;
Ti ≥ 0,1%; Cu ≥ 0,3%; B ≥ 0,0005%.
Cứ 1% nguyên tố hợp kim làm giảm điểm Ms (nhiệt độ bắt đầu) :
Mn – 45o; Cr – 35o; Ni – 26o; Mo – 25o
III- Nội dung thí nghiệm
1. Mài mẫu

Chuẩn bị mẫu: các mẫu thép C25, 20X, C45, 40X (đã đo độ cứng ở bài trước)
a) Mài thô
- Sử dụng máy mài
- Sử dụng các loại giấy nhám từ 100 đến 1000 để mài mẫu từ thô đến mịn.
- 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 900 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 3-5 lần, và lặp lại ở các số giấy nhám mịn hơn, cho đến tờ giấy nhám mịn
nhất.
- Chú ý không để nhiệt độ tăng quá nhiệt độ chuyển biến pha của mẫu mài.
b) Đánh bóng
- Sử dụng nỉ để đánh bóng mẫu
- Khi đánh bóng, sử dụng dung dịch đánh bóng nhỏ liên tục lên miếng nỉ.
Thành phần của dung dịch đánh bóng được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1: Dung dịch dùng đánh bóng
Hóa chất
Cr2 O3
Al2 O3
Paraphin
Axit ơleic C17H33CO2H
Dầu hỏa
Na2 CO3

Dung dịch oxit crơm (%)
Mịn
Trung bình
Thơ
72

76
86
24
20
12
1,8
1,8
2
2
2
0,2
0,2
-

Dung dịch oxit nhơm (%)
Mịn
Trung bình
Thơ
32
35
37
32
35
37
30
24
20
3
2
3

2
2
2
1
1
1

- Đánh bóng cho dến khi bề mặt khơng cịn vết xước nào (khơng nên đánh bóng q lâu, dễ làm tróc các
pha quá cứng hoặc quá mềm).
- Sau khi đánh bóng, mẫu được rửa sạch và sấy khơ.
- Nếu quan sát trên kính hiển vi thấy vẫn cịn nhiều vết xước, thì phải đánh bóng lại.
2. Tẩm thực
Để hạn chế các 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… tiến hành tẩm mực mẫu.

- Khi tẩm thực, nhúng bề mặt mẫu vào dung dịch. Một số loại dung dịch tẩm thực thường dùng cho
gang và thép được trình bày trong Bảng 2.


Bảng 2: Các dung dịch tẩm thực thông dụng sử dụng cho gang và thép
Thành phần dung dịch
4 % dung dịch axit HNO3 trong cồn

Công dụng
Gang, thép carbon

Axit HCl/Axit HNO3 tỷ lệ 3/1

Thép hợp kim

- Sau khi tiếp xúc với dung dịch tẩm thực, bề mặt mẫu sẽ ngả từ màu sáng sang màu xám thì có thể kết
thúc tẩm thực. Tránh để mẫu quá lâu, mẫu sẽ có màu đen và không quan sát được.
- Tẩm thực xong, sử dụng bơng gịn rửa sạch bề mặt ở vịi nước chảy, sau đó rửa lại bằng cồn và đem
sấy khơ.

3. Quan sát tổ chức tế vi của thép
Quan sát tổ chức tế vi của các loại gang bằng kính hiển vi soi kim tương nghịch đảo có camera chụp ảnh
tổ chức tế vi: Model GX41-Olympus-Philipin.
Quan sát mẫu trước và sau khi tẩm thực dưới kính hiển vi với độ phóng đại 50X, 100X, 200X.
Mẫu xuất hiện 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 tương phản bề mặt kém do thời gian tẩm thực quá dài,
hoặc nồng độ dung dịch cao nên phải đem đánh bóng và tẩm thực lại.
IV- Báo cáo thí nghiệm