Nghiên cứu và xác định đo độ cứng của thép cacbon nhiệt luyện bằng phương pháp nhiễu xạ tia x

Trang iv




  -
ng



 
cong Gauss.

ABSTRACT

The hardness is a significant issue of mechanical materials, and usually
determined by conventional destructive methods using pointers. This paper
studied on the relation between the hardness of quenched and temperred steel
C50 and the broadness of the diffraction line, represented by the width of the
Gaussian curve method. The experimental result has determined a
proportional relation to the line half-width, thus showing a posibility of
evaluating the hardness of crystalline materials using X-ray diffraction.
Keywords: X-ray diffraction, Hardness, Quenched Steel, Half-width,
Gaussian curve.
Trang v


TRANG




i

ii

iii

iv

v

ix
Danh sách các hình
xi
Danh sách các 
xiii

1
t v
1
II. Các p cng hin nay
1

2

5

8

10


12

12

12
2. 
12

12

13

13
-ray.
13

13

15
Trang vi
1.1.
16
)
17
1.1.2.3. ảệ số phân cực trên mẫu phẳng P(2θ
19

19

19

-polarization(LP)
20
1.2.3. C
20

21

24

24

26
 
27

30

30
1.4.2. Tôi
31

31

31

31
1.4.2.4. Chn nhi tôi
31
1.4.2.5. Thi gian Tôi
32

1.4.3. Ram
32
1.4.3.1. Phân loi ram
33
1.4.3.1.1. 
33
1.4.3.1.2. 

:
33
1.4.3.1.3. Ram cao
33

33

34

34
Trang vii

34

34

34

35

35
2.2.2. Ram

36

36

36

36

37

38
 
40

40

40
Rockwell (HRC)
41

43

43

43

44
3.2.2.2. 
45
3.2.2.3. 

0
C
45
3.2.2.4. 
0
C
46
3.2.2.4. 
0
C
47
3.2.2.6. 
0
C
48
3.2.2.7. 
0
C
49
3.2.2.8. 
0
C
50
3.2.2.9. 
0
C
51
3.2.2.10. 
0
C

52
3.2.2.11. 
0
C
54
Trang viii

56
4.            

56
         
ram
57

58

58

I

60

62
O
63

65
Phụ lục 1: 
65

Phụ lục 2: 
68
Phụ lục 3:  
0
C.
71
Phụ lục 4: 
0
C
74
Phụ lục 5: 
0
C
77
Phụ lục 6: ram 400
0
C
80
Phụ lục 7: 
0
C
83
Phụ lục 8: 
0
C
86
Phụ lục 9: 
0
C
89

Phụ lục 10: 0
0
C
92
Phụ lục 11: 
0
C
95



Trang ix


 : 





SWL
: 







n

2

: 
d : ( hkl )
n : 
h : 
V : 








( P ) : 









( 



)

( Q ) : 



 
















: 










o
: 
 :  

o
: 

: 

: 
 : 
 : ( P )
a : 









( )
b : 












 



( 
-K, Cr-K, Cu-K, Co-K . . .)

: (  









)
AB : 













BC : 


















 : 






 = 0
o

R : 
Trang x
r : 
dr : 









: 








d


: 








L : 








Lc : 


















.
dV = Ldrd

: 











B
I
, 
W, là sai lch chun,  m rng cng nhiu x

Trang xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình A.1:

(Máy ki cng Brinel)
1
Hình A.2:
(Máy ki cng Brinel)
2
Hình A.3:
()
2
Hình A.4:
(c vt lõm)
3
Hình A.5:
 cng b công)
4
Hình A.6:
(Bi lõm)
4
Hình A.7:
( Bi  cng theo chiu sâu vt lõm)
5
Hình A.8:
(Máy ki cng Vicker: Brinel)
5
Hình A.9:
(Hình dng vt lõm)
6
Hình A.10:
(c vt lõm và giá tr  cng)
6
Hình A.11:

( không gian c)
7
Hình A.12:
( cng Vickers ca mt s vt liu)
7
Hình A.13:
( thit b  cng Rockwell)
8
Hình A.14.a:
(c vt l cng Rockwell)
9
Hình A.14.b:
c vt l cng Rockwell)
9
Hình B1.1:
(nh lut Bragg)
13
Hình B1.2:
(mi quan h gi nhiu x I)
14
Hình B1.3:
(mi quan h giu x)
15
Hình B1.4:
(Mi quan h ginh nhiu x)
16
Hình B1.5:
(Nhiu x trên mt phân t)
17
Hình B1.6:

(H s lorent)
18
Hình B.1.7:
ng nhiu x ca vt liu Al 2024-T3)
19
Hình B.1.8:
(S phát tán t mm M)
20
Hình B1.9:
(Chung phông cng nhiu)
21
Hình B1.10:
(ng cc tinh th n nhiu)
25
Hình B1.11:
ng nhiu x ng nhiu x)
25
Hình B1.12:
 rng nhiu x)
26
Trang xii
Hình B1.13:
 rng nhiu x)
27
Hình B1.14:
ng nhiu x c ni suy bng cong
Gauss)
28
Hình B1.15:
(












)
30
Hình B2.1:
(Kiu mng tinh th thép C50)
34
Hình B2.2:
(Thc hin nhit luyn ti DH SPKT TP)
35
Hình B2.3:
(u  c nh )
36
Hình B2.4:
u x ti trung tâm ht nhân)
38
Hình B3.3:

39
Hình B3.4:


41
Hình B3. 5:
model HRC-150
41
Hình B3.6:
(Hàm Gaussian amp)
41
Hình B3.7:
ng nhiu x mu không nhit luyn)
42
Hình B3.8:
ng nhiu x mu Tôi )
43
Hình B3.9:
ng nhiu x mu nhit luyn (tôi + ram 250
0
C)
44
Hình B3.10:
ng nhiu x mu nhit luyn (tôi +ram 300
0
C)
45
Hình B3.11:
ng nhiu x mu nhit luyn (tôi +ram 350
0
C))
46
Hình B3.12:
ng nhiu x mu nhit luyn tôi +ram 400

0
C)
47
Hình B3.13:
ng nhiu x mu nhit luyn (tôi +ram 450
0
C)
48
Hình B3.14:
(ng nhiu x mu nhit luyn tôi +ram 500
0
C)
50
Hình B3.15:
ng nhiu x mu nhit luyn (tôi +ram 550
0
C)
51
Hình B3.16:
ng nhiu x mu nhit luyn tôi +ram 600
0
C)
52
Hình B3.17:
ng nhiu x mu nhit luyn (tôi +ram 650
0
C)
53
Hình B4.1:
(Bi mi quan h  cng b

(HRC) và nhi ram)
56
Hình B4.2:
(Bi gia b rng trung bình B và nhi ram)
57
Hình B4.3:
 th mi quan h ging Rockwell và B rng
trung bình B các mu thc nghim)
59
Trang xiii
Hình B4.4:
 th biu din mi quan h ging Rockwell và b
rng trung bình (B) và b rng nhiu x B
I
.)
60

Trang xiv

NG TRANG
Bng B1.1:
(Hng s hp thu  ph thuc vào kim loc tính tia X)
17
Bng B1.2:
(Dng ta mt s ch s Miller cho h mng
lt)
24

Bng B1.3:
(nh mc thi gian nung nóng mu thép trong lò thí nghim)

32
Bng B2.1:
(Thành phn hóa hc thép C50)
34
Bng B2.2:
(Nhi tôi thép C50)
35

()
37

()
38

(thép C50)
40
B3.4:
(u kin thí nghim bng nhiu x X quang)
40
B3.5 :
()
42
Bng B3.6:
(S liu các m ng Rockwell)
42
Bng B3.7:
(Giá tr tham s ca hàm ni suy mu không nhit luyn)
44
Bng B3.8:
(Giá tr tham s ca hàm ni suy mu Tôi)

46
Bng B3.9:
(Tham s và giá tr tham s ca hàm ni suy mu tôi+ram 250
0
)
47
Bng B3.10:
(Giá tr tham s ca hàm ni suy mu tôi+ram 300
0
)
48
Bng B3.11:
(Giá tr tham s ca hàm ni suy mu tôi+ram 350
0
)
49
Bng B3.12:
(Giá tr tham s ca hàm ni suy mu tôi+ram 400
0
)
50
Bng B3.13:
Giá tr tham s ca hàm ni suy mu tôi+ram 450
0
)
51
Bng B3.14:
Giá tr tham s ca hàm ni suy mu tôi+ram 500
0
)

52
Bng B3.15:
Giá tr tham s ca hàm ni suy mu tôi+ram 550
0
)
53
Bng B3.16:
Giá tr tham s ca hàm ni suy mu tôi+ram 600
0
)
54
Bng B3.17:
Giá tr tham s ca hàm ni suy mu tôi+ram 650
0
)
55
Bng B4.1:
(S li cng Rockwell ca các m
56
Bng B4.2:
(S li rng trung bình B ca nhiu x các m
57
Bng B4.3:
(S ling Rockwell và b rng trung bình B )
58
Bng B4.4:
(Kt qu tính toán b rng trung bình, b  
60
Trang xv
cng Rockwell ca các mu thép)

Trang 1
: 

Độ cứng là một thuộc tính cơ bn của vật liệu, thuật ngữ độ cứng phn ánh
tính chịu un, 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 đi. Một s phương
pháp đo độ cứng thưng được biết đến, đặc biệt ứng dụng cho lĩnh vực vật liệu kim
loi.


Độ cứng là kh năng chng li biến dng dẻo cục bộ và có liên quan chặt chẽ
đến độ bền kéo. Độ cứng được xác định bằng cách đo mức độ chng li lực ấn của
mũi đâm có dng 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 li trên bề mặt vật kiểm. Đó cũng là mức
chng li lực ấn của mũi đâm có dng chuẩn lên bề mặt vật liệu.
II. Các 
Hiện nay độ cứng được đo theo ba phương pháp thông dụngμ
- Theo thang Brinell – Dùng mũi đâm bằng bi thép hoặc wolfram.
- Theo thang Vickers – dùng mũi đâm kim cương dng hình tháp vuông.
Hình A.1: εáy kiểm tra độ cứng Brinel

Trang 2
- 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 nh thì vật liệu
càng cứng.
1μ (Brinell Hardness Test có ký hiệu là HB) do nhà nghiên cứu
ngưi Sweden có tên Dr. Johan August Brinell đề xuất.

Độ cứng Brinell cho kết qu không chính xác khi kho xát vùng nh hưng
nhiệt. Vì vậy được dùng chủ yếu cho kim loi cơ bn. Đơn vị đo Độ cứng Brinellμ
HB [kG/mm
2
].
Hình A.2: εáy kiểm tra độ cứng Brinel
Hình A.3: Kích thước bi tròn làm mũi thử

Trang 3
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 1η giây. Đưng kính vết lõm trên bề mặt
kim loi được đo với kính hiển vi Brinell chia vch theo milimet. Áp dụng công
thức sau để xác định độ cứng Brinellμ
;
εặt khácμ F=


Vậy μ HB=
Trong đó:

P: là lực tác dụng vào bi thép
ạ: Diện tích vết lõm
D: Đường kính bi thép
d: Đường kính vết lõm

Phương pháp đo độ cứng Brinell thưng dùng để đo vật liệu có độ cứng thấp, thang
đo dưới 4η0HB. Quá giới hn này thì không thực hiện được chính xác vì viên bi đo
bị biến dng.
Hình A.4: Đo hình dng, kích thước vết lõm
mũi thử

Trang 4
- Trong một s trưng hợp đơn gin có thể dùng phương pháp thủ công để
kiểm tra như hình vẽ sauμ



- Độ cứng Brinell có thể xác định theo biểu đồ vết lõm sauμ


Hình A.5: Đo độ cứng bằng phương pháp thủ công
mũi thử
Hình A.6:Biểu đồ lõm

Trang 5



2 (HV):

Để đo độ cứng Vickers vết lõm được to ra bằng mũi kim cương hình chóp,
sử dụng lực tác dụng phù hợp với độ cứng của vật liệu. Thi gian tác dụng lực

thưng được chuẩn hoá là 10 giây.


Hình A.7:Biểu đồ xác định độ cứng theo chiều sâu vết lõm
Hình A.8: Máy kiểm tra độ cứng Vickers

Trang 6
- Vết lõm có dng hình vuông sẫm trên nền sáng



2.2. Tính toán
Các đo đc được thực hiện theo đưng chéo vết lõm, giá trị độ cứng tương
ứng được quy chiếu từ bng mẫuhoặc tính toán bằng công thứcμ



2
8544,1
d
P
HV 

Trong đó:
ảv : Độ cứng Vickers
P: Lực tác dụng
d: Đường kính mũi thử (d = 0,5( d
1
+ d
2

))
Hình A.9:Hình dng vết lõm
Hình A.10: Kích thước vết lõm và giá trị độ cứng

Trang 7





Độ cứng HV có thể rất chính xác trong khong rộng vật liệu, do mũi đâm
kim cương không bị biến dng. Các vết lõm khi đo độ cứng HV nh hơn nhiều so
với HB do đó cần chuẩn bị bề mặt cẩn thận trước khi đo độ cứng.
Hình A.11:Góc độ không gian của mũi thử
Hình A.12:Độ cứng Vickers của một s vật liệu

Trang 8

3
εột s loi máy kiểm tra độ cứng Rockwellμ



εáy 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 ti trọng sơ bộ để định vị mũi đâm trên bề mặt cần đo độ cứng.
Sau đó tác dụng ti trọng chính.
- Ti trọng sơ bộ P
o
= 10 kG.

- Ti trọng chính Pμ + Bi thép μ P = 100 kG
+ εũi kim cươngμ P = 1η0 kG.
Sau khi kim đồng hồ ổn định, ti trọng chính được loi b nhưng vẫn giữ ti sơ bộ.
S độ cứng HR dựa trên hiệu s giữa các chiều sâu mũi đâm với ti trọng chính và
ti trọng sơ bộ, được đọc trực tiếp trên đồng hồHR = E - e
Hình A.13:Thiết bị đo độ cứng Rockwell

Trang 9






Có nhiều thang đo độ cứng HR, phổ biến nhất là HRB và HRCμ
- Thang Bμ giá trị đo được ký hiệu HRB (P = 100 kG)
- Thang Cμ giá trị đo được kí hiệu HRC (P = 1η0 kG)
- Thang A: giá trị đo được kí hiệu HRA (P = θ0 kG).
Giá trị độ cứng ghi trong báo cáo thử gồm một s theo sau là chữ cho biết
phương pha

p thư
̉
:
240 HV10: đô
̣
cư

ng 240, phương pha


p Vickers, ti đầu đo 10 kG (ả 10 daN).
22 HRC: đô
̣
cư

ng 22, phương pha

p Rockwell , đâu đo kim cương côn góc đỉnh
120
o
(thang C).
Nguồn: Ths Tô Thanh Tuần, Ảiáo trình kiểm tra chất lượng mối hàn theo tiêu
chuẩn quốc tế, Trưng CĐ nghề δilama 2, 2012.
Hình A.14.a:Kích thước vết lm đo độ cứngRockwell
Hình A.14.b:Kích thước vết lm đo độ cứngRockwell

Trang 10
Tuy vậy thì các phương pháp xác định độ cứng trên thưng vẩn phi phá hủy
hay làm trầy xước vật liệu đo nên sau khi đo xong bề mặt vật liệu đo bị hư hi.
III. H
Phương pháp nhiễu x tia X được sử dụng để xác định ứng suất dư, tính ứng
suất mi, 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 dng dẻo, xử lý nhiệt, quá trình hợp kim hóa,…) đều nh hưng đến các đặc
trưng của đưng nhiễu x X quang, bao gồm ba thông s quan trọng là vị trí đỉnh
nhiễu x, hình dng và độ lớn của đưng nhiễu xa theo luận văn của Tác giμTS. 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 nh hưởng đến độ rộng đường nhiễu x tia

X – quang”, Thực hiện năm 2008 ti đi học SPKT TP HCM.
εặt khác độ cứng của vật liệu liên quan đến cấu trúc tinh thể của vật liệu. Vậy độ
rộng của đưng nhiễu x này thì suy ra được mi quan hệ với độ cứng của vật liệu.
Bi vậy hướng nghiên cứu đề tài là dựa vào bề rộng trung bình đưng nhiễu x để
nghiên cứu và xác định độ cứng.
Độ cứng là thước đo sức bền của vật liệu khi bị va chm hay bị trầy xước và
được đo bằng các kỹ thuật thực nghiệm khác nhau. Tuy nhiên, các kết qu thu được
thưng biến đổi tùy theo phương pháp đo. Hướng nghiên cứu đo độ cứng bằng
nhiễu x tia X thì Trên thế giớ đã có một s 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. 32-56.

Trang 11
Jing Chi Và C.Richard δiu đã nghiên cứu nh hưng của nhiệt độ và tính chất
cơ học đến cấu trúc tế vi và độ cứng trên bề mặt vật liệu.
2. D.J.Hornbach, et.al., X-ray Diffraction Chacracterization of the Residual Stress
and Hardness Distributions, First Int. Conf. on Induction Hardened Gears and
Critical Components, May 15-17, Indianapolis Gear Research Institute, 1995,
pp. 69-76.
D.J.Hornbach, nghiên cứu sự phân b độ cứng và ứng suất dư dựa vào đặc tính
nhiễu x tia X.
3. Kurita, M., 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.10, pp. 135-151, 1993.
Kurita, ε., đo ứng suất bi phương pháp đưng cong Gaussian và nghiên cứu
nứt bằng nhiễu x tia X.
4. L.C. Cuong and M. 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.
L.C. Cuong and M. Kurita, Nghiên cứu sự nh hưng và hấp thụ của hệ s δPA
đến ứng suất và bề rộng của đưng nhiễu x bằng phương pháp nhiễu x tia X
với phương pháp đo không giới hn phm vi nhiễu x.
IV. 
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 đưng nhiễu x tia X, từ đó đề xuất phương
pháp đo độ cứng cho các vật liệu tinh thể bằng phương pháp không phá hủy.
V. 
1. Nhin v
Nghiên cứu kết qu bề rộng đưng nhiễu x tia X khi chiếu vào vật liệu, đo độ
cứng của vật liệu với phương pháp đo độ cứng Rockwell (HRC). Xử lý s liệu đo,

Trang 12
từ đó lập mi quan hệ tuyến tính giữa độ cứng và bề rộng trung bình của đưng
nhiễu x(B).
2. Gii h tài
Trong đề tài này chỉ giới hn xác định độ cứng cho vật liệu thép C50.
S lượng mẫu thí nghiệm là 11. Tôi 10 mẫu  nhiệt độ 830
0
giữ nhiệt trong
thi gian 15 phút. Sau đó lấy 9 mẫu trong s 10 mẫu đem ram  các nhiệt độ
khác nhau: 250
0
, 300
0
, 350
0
, 400

0
, 450
0
, 500
0
, 550
0
600
0
, 650
0
trong
thi gian 45 phút.
VI. u
Dựa trên cơ s lý thuyết về vật lý tia X, lý thuyết nhiệt luyện và phương
pháp phân tích đưng nhiễu x, lý thuyết hàm Gaussian, lý thuyết xác xuất
thng kế, lý thuyết quy hoch thực nghiệm.

Trang 13

C 1: 
1.1. -ray[9].
1.1.1
Khi chiếu tia X có bước sóng (10
-4
– 10
2
0

) tương ứng với khong cách giữa
các mặt phẳng nguyên tử vào vật rắn tinh thể sẻ xuất hiện các tia nhiễu x với
cưng độ và các phương khác nhau, các phương nhiễu x phụ thuộc vào bước sóng
của bức x tới và bn chất của mẫu tinh thể. Định luật Bragg thiết lập mi quan hệ
giữa bước sóng tia X và khong cách giữa các mặt nguyên tử.
Các gi thuyết μ Các mặt phẳng nguyên tử phn x các bức x tới phi độc
lập, các tia tới phi tán x hoàn toàn.
Gi sử hai mặt phẳng nguyên tử song song A-A’ và B-B’ có cùng chỉ s
Millier h,k,l và cách nhau bi khong cách giữa hai mặt phẳng nguyên tử d
hkl
,
chúng ta xem mặt tinh thể của tâm tán x nguyên tử là các mặt tinh thể và phn x
ging như gương đi với tia X.

Gi sử hai tia a1 và a2 đơn sắc, song song và cùng pha với bước sóng  chiếu
vào hai mặt phẳng A-A’ và B-B’ dưới góc .
Hình B1.1: Định luật Bragg
Q