BÀI GIẢNG bộ môn vật LIÊU học, xử lý NHIỆT và bề mặt

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_1
2
bi thí nghiệm số 1
chuẩn bị mẫu tế vi và xác định cấp hạt

1. Mục đích và yêu cầu
- Biết và thực hành các giai đoạn chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi
của kim loại;
- Bớc đầu làm quen với kính hiển vi kim loại, quan sát và vẽ lại tổ chức tế vi
của mẫu thép vừa chuẩn bị xong;
- Xác định cấp hạt của kim loại.
2. Nội dung thí nghiệm
2.1. Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi
a) Chọn và cắt mẫu
Mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi cần phải mang tính đặc trng cho chi tiết hoặc loại
chi tiết cần nghiên cứu.
Thông thờng mẫu có dạng hình trụ, đờng kính 10-15mm, chiều cao 10-15 mm
hoặc có dạng hình hộp, kích thớc 12x12x10 mm.
Ngoài ra, ngời ta cũng dùng mẫu có hình thù đặc biệt cắt từ chi tiết cụ thể để hạn
chế việc phá hỏng chi tiết.
b) Mài thô
Trớc khi mài mẫu trên giấy ráp, nếu mặt mẫu quá xấu (mẫu gang sau khi đập,
mẫu thép sau khi cắt, ) có thể mài phẳng trên máy mài sau đó mới tiến hành mài
thô trên mặt giấy ráp từ thô đến mịn. Thờng thì ngời ta dùng từ 3 đến 4 loại giấy
ráp có độ hạt thô, mịn khác nhau. Giấy ráp Việt Nam đợc đánh số: 0, 1, 2, 3 theo
thứ tự từ mịn đến thô. (Hiện nay phòng thí nghiệm đang dùng giấy ráp của Nhật
với độ mịn hạt nhỏ đợc đánh số tử 100, 200, 400, 800, 1000.v.v).
Giấy ráp đợc đặt lên kính dày để mặt mài đợc nhẵn và phẳng. Khi mài chú ý

nhấn mạnh vừa phải, đều tay để mặt mẫu đợc mài đều trên giấy ráp cho đến khi
các vết sớc trên mặt mẫu song song với nhau theo một hớng nhất định. Sau đó
quay mẫu 90
0
và mài tiếp cho đến khi hết vết sớc của lần mài trớc và trên mặt
mẫu chỉ có các vết sớc song song nhau thì chuyển sang mài trên tờ giấy ráp mịn
hơn và cứ tiếp tục nh vậy cho đến tờ giấy ráp mịn nhất (hình 1.1).

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_1
3

Hình 1.1. Các vết sớc hình thành trong quá trình mài từ giấy ráp thô đến mịn.
c) Đánh bóng
Có nhiều phơng pháp đánh bóng mẫu nh đánh bóng cơ học, đánh bóng cơ hoá
học, đánh bóng điện phân. Trong thí nghiệm dùng đánh bóng cơ học, máy đánh
bóng thờng có một hoặc nhiều đĩa đợc quay tròn bằng động cơ điện. Đĩa mài
đợc bọc bằng 1 lớp dạ mềm hoặc vải bông. Trong thời gian đánh bóng, miếng dạ
luôn luôn đợc tẩm ớt bằng dung dịch mài với các bột cứng mịn Cr
2
O
3
hoặc Al
2
O
3
.
Mẫu đợc đánh bóng cho đến khi mặt mẫu không còn các vết sớc. Yêu cầu bề mặt
đánh bóng phải phẳng và nhẵn.

d) Tẩm thực
Mục đích của tẩm thực: Để hiện rõ tổ chức của kim loại hoặc hợp kim khi quan
sát trên kính hiển vi quang học. Dung dịch tẩm thực thờng dùng là dung dịch axit
trong nớc hoặc cồn. Đối với thép và gang, dung dịch tẩm thực thờng là dung dịch
1-3% HNO
3
trong cồn.
Cách tiến hành: Mẫu sau khi đánh bóng đợc rửa sạch bằng nớc và tốt nhất bằng
cồn (nếu có điều kiện), thấm và sấy khô. Dùng dung dịch tẩm thực bôi nhẹ lên mặt
mẫu, giữ vài giây để dung dịch xâm thực lên bề mặt mẫu. Khi bề mặt mẫu vừa đổi
màu thì rửa sạch bằng nớc, thấm và sấy khô, đa đi quan sát trên kính hiển vi kim
loại.
2.2. Quan sát tổ chức tế vi và xác định cấp hạt
a) Kính hiển vi kim loại
Kính hiển vi kim loại đợc cấu tạo gồm một hệ thống các thấu kính quang học
nhằm mục đích phóng đại tổ chức tế vi của kim loại và hợp kim lên thờng từ 50
đến 1000 lần. Hệ thống chiếu sáng và kính màu giúp ta quan sát một cách rõ ràng
tổ chức tế vi của mẫu. Ngoài ra còn có hệ thống chụp ảnh để chụp các tổ chức cần
nghiên cứu. Độ phóng đại của kính hiển vi L
K
đợc xác định bằng tích số giữa độ
phóng đại thị kính L
T
và độ phóng đại vật kính L
V
:

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_1

4
L
K
= L
T
x L
V
(1.1)
Nh vậy là chúng ta chỉ cần chọn hệ vật kính và thị kính thích hợp là có thể xác
định độ phóng đại theo yêu cầu.
b) Xác định cấp hạt
Thông thờng ngời ta xác định cấp hạt bằng ba cách:
- Xác định đờng kính trung bình của hạt tinh thể (d): dùng thị kính gắn
đờng thẳng chia thành 100 vạch và thớc đo chuẩn có chiều dài 1mm đợc
chia thành 100 vạch bằng nhau ta xác định đợc chiều dài 1 vạch trên thị
kính với độ phóng đại cần sử dụng. Dùng thớc đo thị kính để xác định kích
thớc trung bình của hạt (xem hình 1.2).

thớc đo trên thị kính
thớc đo chuẩn dài 1 mm


Hình 1.2. Cách xác định chiều dài 1 vạch trên thị kính
Trên hình ta thấy 11 vạch trên thị kính bằng 16 vạch trên chia trên thớc chuẩn.
Vậy 1 vạch chia trên thị kính bằng (16x10)/11 14,5 (m).
- Xác định theo diện tích hạt trung bình: dùng thị kính kẻ ô vuông, xác định
kích thớc thật của mỗi ô nhỏ (dùng thớc đo vật kính). Sau đó chọn một số
ô vuông trên thị kính, xác định số hạt nguyên và số hạt bị cắt trong một số ô
vuông đó. Tính diện tích trung bình của các hạt theo công thức:
Z

Fx
S
6
10
= (m
2
) (1.2)
S: Diện tích trung bình của một hạt (m
2
).
F: Diện tích thực mà ta cần tính số hạt (mm
2
).
Z: Số hạt tính gần đúng trong diện tích cần đo.
Z = Z
1
+ 1/2 Z
2

Trong đó Z
1
là số hạt nguyên, Z
2
là số hạt bị cắt. So sánh giá trị S với bảng 1.1
để xác định cấp hạt.

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_1
5

- Xác định cấp hạt theo bảng chuẩn với cùng một độ phóng đại 100 lần.
Trong thí nghiệm chúng ta dùng phơng pháp này.
2.3. Thực nghiệm
Vật liệu và thiết bị dùng trong thí nghiệm: Mỗi sinh viên đợc phát một mẫu
thép C20 hoặc C40, C45 đã qua ủ hoàn toàn, giấy ráp các loại, tấm kính phẳng,
dung dịch tẩm thực, máy đánh bóng.
Sinh viên cần mài mẫu, tẩm thực, quan sát trên kính hiển vi, vẽ tổ chức quan sát
đợc, xác định cấp hạt theo bảng chuẩn.
Bảng 1.1. Cấp hạt và diện tích trung bình của hạt
Diện tích thực của hạt (

m
2
)
Cấp hạt
Nhỏ nhất Trung bình Lớn nhất
1 40.000 64.000 80.000
2 20.000 32.000 40.000
3 10.000 16.000 20.000
4 5.000 8.000 10.000
5 2.500 4.000 5.000
6 1.200 2.000 2.500
7 600 1.000 1.200
8 300 500 600

3. Báo cáo thí nghiệm
3.1. Tóm tắt nội dung thí nghiệm và thứ tự công việc (trong 5-10 dòng).

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_1
6
3.2. Vẽ tổ chức tế vi vào hình tròn (Hình 1.3). Ghi các pha và độ phóng đại.

Hình 1.3. Tổ chức của thép.
3.3. Xác định cấp hạt theo bảng chuẩn.









Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_1

7

Hình 1.4. Atlat chuẩn về cấp hạt (theo ASTM), ứng với độ phóng đại 100 lần.
Chú ý: Kích thớc atlat chuẩn đ kiểm tra, copy không đợc thay đổi tỷ lệ, cấp 1 hạt 2-3 cm,
cấp 8 hạt 2 mm.


Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_2
8
bi thí nghiệm số 2
xác định độ cứng của kim loại

1. Mục đích và yêu cầu
- Biết nguyên lý đo độ cứng Brinen, Rockwen, Vicker;
- Biết sử dụng máy đo độ cứng Brinen, Rockwen;
- Chuyển đổi các loại độ cứng;
2. Cơ sở lý thuyết
2.1. Khái niệm về độ cứng
Định nghĩa: độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu
dới tác dụng của tải trọng thông qua mũi đâm có hình dáng, kích thớc nhất định.
Phân loại độ cứng: các phơng pháp đo độ cứng đợc phân loại dựa theo tải
trọng sử dụng, hình thái và vật liệu chế tạo mũi đâm, phù hợp với độ cứng mẫu cần
xác định nh: Brinen(HB), Rockwen(HR), Vicker(HV), tế vi, v.v.
ý nghĩa và phạm vi ứng dụng:
Độ cứng là phơng pháp thử cơ tính đợc áp dụng rộng rãi trong sản xuất vì
những lý do sau:
+ Là phơng pháp thử không phá huỷ mẫu nên nó đợc sử dụng để kiểm tra
độ cứng trực tiếp trên chi tiết thực trớc khi xuất xởng;

+ Có thể thử cho nhiều loại chi tiết có hình dáng, chiều dày khác nhau nh
dạng trụ, tấm và hình thù phức tạp;
+ Thông qua giá trị đo độ cứng, có thể xác định gần đúng giới hạn bền, khả
năng chịu mài mòn, tuổi thọ của chi tiết, khả năng gia công nh: cắt gọt,
dập và cán, kéo nguội;
+ Thời gian thử ngắn, thông thờng thời gian thử chỉ một vài phút cho một
mẫu.
2.2. Các phơng pháp đo độ cứng
a) Độ cứng Brinen
+ Độ cứng Brinen đợc xác định bằng cách dùng lực P(kG) thông qua mũi
đâm là viên bi bằng thép đã đợc tôi cứng đờng kính D(mm) lên bề mặt

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_2
9
mẫu thử. Sau khi thử tạo ra vết lõm hình chỏm cầu I diện tích F
0
(mm
2
)
(hình 2.1). Độ cứng Brinen đợc xác định theo công thức (2.1):
0
F
P
HB =
(kG/mm
2
) (2.1)
P - tải trọng: từ (187,5 ữ 3000) kG.

D - đờng kính bi: 10; 5; 2,5 m).
Theo TCVN 256-1: 2001 (ISO 6506
- 1:1999)
d0
P
F
0
d

Hình 2.1. Sơ đồ đo độ cứng Brinen.
+ Việc lựa chọn tải trọng P và đờng kính mũi đâm D là căn cứ vào độ cứng
của vật liệu cần xác định và kích thớc của mẫu thử sao cho đờng kính vết
lõm d
0
nằm trong khoảng (0,24ữ0,6) D. Từ thực nghiệm đã chọn đợc:
+ P = 30 D
2
đối với các vật liệu có độ cứng khá cao: gang, thép,
+ P = 10 D
2
và P = 2,5 D
2
đối với hợp kim màu.
Cùng loại vật liệu có độ cứng HB khoảng 100, nếu mẫu thử lớn có thể chọn P = 30
D
2
nhng nếu mẫu nhỏ thì chỉ nên chọn P = 10 D
2
.
Sau khi thử, dùng kính lúp đo đờng kính vết lõm d

0
(mm) để tính diện tích F
0
theo
công thức (2.2):
)(
2
1
2
0
2
0
dDDDF =

(2.2)
Thay (2.2) vào (2.1) ta có:
)(
2
2
0
2
dDDD
P
HB

=

(kG/mm
2
) (2.3)

Trên cơ sở công thức (2.3) đã xác định trị số HB theo giá trị d
0
và thành lập bảng tra
cứu (bảng 2.1), do đó trong thực tế chỉ cần đo d
0
và tra bảng là xác định đợc giá trị
độ cứng HB. Hiện nay, trên các thiết bị đo hiện đại nh Wilson-Worlbpert, các
bảng số liệu đợc đa vào bộ xử lý hiển thị số và giá trị độ cứng đợc hiển thị ngay
trên màn hình của máy khi đo.
b) Độ cứng Rockwen
Độ cứng Rockwen đợc xác định bằng tác động tải trọng P(kG) thông qua mũi
đâm bằng kim cơng hoặc hợp kim cứng có dạng hình nón, với góc ở đỉnh là 120
0
,

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_2
10
hoặc viên bi thép đã qua tôi cứng có đờng kính 1,58 mm để nén lên bề mặt mẫu,
tạo ra vết lõm. Căn cứ vào chiều sâu vết lõm mà xác định trị số độ cứng (hình 2.2).
Quy ớc khi mũi đo sâu thêm 0,002 mm thì độ cứng giảm đi 1 đơn vị.
Tuỳ theo hình dáng mẫu và độ cứng dự báo, thờng sử dụng ba thang đo HRA,
HRB, HRC với tải trọng P khác nhau tơng ứng là 60, 100 và 150 kG.
h0
P
h
P
0

Hình 2.2. Sơ đồ đo độ cứng Rockwen.
Để khắc phục ảnh hởng của bề mặt chi tiết thử, tải trọng tác động P đợc chia ra
làm hai phần: P
0
là tải trọng sơ bộ (P
0
= 10 kG) và P
1
là tải trọng chính có giá trị P
1
=
P - P
0
. Trên hình 2.2, ta có:
P: là tải trọng toàn bộ, P = P
0
+ P
1
.
h
0
: là chiều sâu mũi đâm dới tác dụng của tải trọng P
0
.
h: là chiều sâu mũi đâm dới tác dụng của tải trọng P.
h
1
: là chiều sâu mũi đâm dới tác dụng của tải trọng chính P
1
.

h
1
= h- h
0

Giá trị độ cứng đợc xác định nh sau:
Đối với mũi đâm hình nón:
002,0
100
002,0
100,
1
0
h
hh
HRCHRA =

=
(2.4)
Đối với mũi đâm là bi thép:
002,0
130
002,0
130
1
0
h
hh
HRB =

=
(2.5)
Trong đó chiều sâu h đo bằng mm.
c) Độ cứng Vicker và độ cứng tế vi
Độ cứng Vicker đợc xác định bằng cách tác động tải trọng P(kG) thông qua mũi
đâm kim cơng hình tháp, có góc ở đỉnh là 136
0
, nén lên bề mặt mẫu cần thử tạo ra
vết lõm có đờng chéo d(mm) (hình 2.3).

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_2
11
Độ cứng Vicker đợc xác định theo đờng chéo vết lõm d(mm) bằng công thức

2
854,1
d
P
HV =
(kG/mm
2
,N/mm
2
) (2.6)
Tải trọng P thờng dùng từ 5 đến 120 kG.
P
d

Hình 2.3. Sơ đồ đo độ cứng Vícke
Phơng pháp đo độ cứng tế vi về nguyên tắc giống Vicker. Tải trọng thờng dùng
nhỏ hơn, từ 1 đến 200G lực nên đợc áp dụng để đo độ cứng các lớp mỏng, độ
cứng các pha trong hợp kim, v.v.
Giá trị tơng đơng giữa các loại độ cứng Brinen, Rockwen, Vicker đợc nêu trong
bảng 2.2
3. Nội dung thí nghiệm
+ Giới thiệu cấu tạo và cách sử dụng các máy đo độ cứng Brinen, Rockwen
hiện có ở phòng thí nghiệm:
- Sơ đồ nguyên lý và chức năng các bộ phận chính;
- Vận hành thiết bị đo;
- Giới thiệu các thang đo và cách sử dụng.
+ Giới thiệu các thang đo và ứng dụng.
+ Giới thiệu phơng pháp đo độ cứng gần đúng bằng dụng cụ Poldi và bộ dũa
chuẩn.
+ Thực hành đo độ cứng Brinen, Rockwen trên thiết bị đo cho các mẫu thép.



Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_2
12
4. Bỏo cỏo thớ nghim
4.1. Tóm tắt nội dung trớc khi làm thí nghiệm.

4.2. Xác định độ cứng HB theo công thức (2.3) khi biết D và d
0
.




4.3. So sánh kết quả với số liệu ở bảng 2.1.




4.4. Tra cứu các giá trị độ cứng tơng đơng theo bảng 2.2.





Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_2
13
Bảng 2.1. Bảng giá trị độ cứng HB.
Số độ cứng Brinen khi tải trọng
P (kG)
Số độ cứng Brinen khi tải
trọng P (kG)
Đờng
kính vết

lõm(mm)
d
10
hay
2d
5
hay
4d
2,5
.
30D
2
10D
2
2,5D
2
Đờng
kính vết
lõm(mm)
d
10
hay
2d
5
hay
4d
2,5
.
30D
2

10D
2
2,5D
2

2,90 444 - - 4,55 174 58,1 14,5
2,95 429 - - 4,60 170 56,8 14,2
3,00 415 - 34,6 4,65 167 55,5 13,9
3,05 401 - 33,4 4,70 163 54,3 13,6
3,10 388 129 32,3 4,75 159 53,0 13,3
3,15 375 125 31,3 4,80 156 51,9 13,0
3,20 363 121 30,3 4,85 152 50,7 12,7
3,25 352 117 29,3 4,90 149 49,6 12,4
3,30 341 114 28,4 4,95 146 48,6 12,2
3,35 331 110 27,6 5,00 143 47,5 11,9
3,40 321 107 26,7 5,05 140 46,5 11,6
3,45 311 104 25,9 5,10 137 45,5 11,4
3,50 302 101 25,2 5,15 134 44,6 11,2
3,55 293 97,7 24,5 5,20 131 43,7 10,9
3,60 285 95,0 23,7 5,25 128 42,8 10,7
3,65 277 92,3 23,1 5,30 126 41,9 10,5
3,70 269 89,7 22,4 5,35 123 41,0 10,3
3,75 262 87,2 21,8 5,40 121 40,2 10,1
3,80 255 84,9 21,2 5,45 118 39,4 9,86
3,85 248 82,6 20,7 5,50 116 38,6 9,66
3,90 241 80,4 20,1 5,55 114 37,9 9,46
3,95 235 78,3 19,6 5,60 111 37,1 9,27
4,00 229 76,3 19,1 5,65 109 36,4 9,10
4,05 223 74,3 18,6 5,70 107 35,7 8,93
4,10 217 72,4 18,1 5,75 105 35,0 8,70

4,15 212 70,6 17,6 5,80 103 34,3 8,59
4,20 207 68,8 17,2 5,85 101 33,7 8,43
4,25 201 67,1 16,8 5,90 99,2 33,1 8,26
4,30 197 65,5 16,4 5,95 97,3 32,4 8,11
4,35 192 63,9 16,0 6,00 95,5 31,8 7,96
4,40 187 62,1 15,6
4,45 183 60,9 15,2
4,50 179 59,5 14,9


Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHI_2
14
Bảng 2.2. Bảng tra giá trị độ cứng HV, HRA, HRB và HRC.
Độ cứng
Brinen
P = 3000 kG
D = 10 mm
Độ cứng Rockwen Độ cứng
Brinen
P = 3000 kG
D = 10 mm
Độ cứng Rockwen Độ
cứng
Vicker
HV
Đờg
kính
vết

lõm
(mm)
Số độ
cứng
HB
HRC
150
(kG)
HRB
100
(kG)
HRA
60
(kG)
Độ
cứng
Vicker
HV
Đờg
kính
vết
lõm
(mm)
Số độ
cứng
HB
HRC
150
(kG)
HRB

100
(kG)
HRA
60
(kG)
1224 2,20 782 72 - 84 228 4,00 229 20 100 61
1116 2,25 744 70 - 83 222 4,05 223 19 99 60
1021 2,30 712 68 - 82 217 4,10 217 17 98 60
941 2,35 682 66 - 81 212 4,15 212 15 97 59
808 2,40 653 64 - 80 208 4,20 207 14 95 59
804 2,45 627 62 - 79 201 4,25 201 13 94 58
746 2,50 601 60 - 78 197 4,30 197 12 93 58
694 2,55 570 58 - 78 192 4,35 192 11 92 57
650 2,60 555 56 - 77 186 4,40 187 9 91 57
606 2,65 534 54 - 76 183 4,45 183 8 90 56
587 2,70 514 52 - 75 178 4,50 179 7 90 56
551 2,75 495 50 - 74 174 4,55 174 6 89 55
534 2,80 477 49 - 74 171 4,60 170 4 88 55
502 2,85 461 48 - 73 166 4,65 167 3 87 54
474 2,90 444 46 - 73 162 4,70 163 2 86 53
460 2,95 429 45 - 72 159 4,75 159 1 85 53
435 3,00 415 43 - 72 155 4,80 156 0 84 52
423 3,05 401 42 - 71 152 4,85 152 - 83 -
401 3,10 388 41 - 71 149 4,90 149 - 82 -
390 3,15 375 40 - 70 148 4,95 146 - 81 -
380 3,20 363 39 - 70 143 5,00 143 - 80 -
361 3,25 352 38 - 69 140 5,05 140 - 79 -
344 3,30 341 36 - 68 138 5,10 137 - 78 -
334 3,35 331 35 - 67 134 5,15 134 - 77 -
320 3,40 321 33 - 67 131 5,20 131 - 76 -

311 3,45 311 32 - 66 129 5,25 128 - 75 -
303 3,50 302 31 - 66 127 5,30 126 - 74 -
292 3,55 293 30 - 65 123 5,35 123 - 73 -
285 3,60 285 29 - 65 127 5,40 121 - 72 -
278 3,65 277 28 - 64 118 5,45 118 - 71 -
270 3,70 269 27 - 64 116 5,50 116 - 70 -
261 3,75 262 26 - 63 115 5,55 114 - 68 -
255 3,80 255 25 - 63 113 5,60 111 - 67 -
249 3,85 248 24 - 62 110 5,65 110 - 66 -
240 3,90 244 23 102 62 109 5,70 109 - 65 -
235 3,95 235 21 101 62 108 5,75 107 - 64 -


Bộ môn: Vật liệu học & NHiệt luyện

VLHI_3
15
bi thí nghiệm số 3
Tổ chức tế vi CủA THéP Và GANG theo giản đồ Fe - Fe
3
C.

1. Mục đích và yêu cầu
- Bớc đầu làm quen với tổ chức tế vi của thép và gang trắng ở trạng thái giả
cân bằng (Fe-Fe
3
C).
- Nhận biết và phân biệt đợc các pha nh: ferit, xêmentit, peclit, lêđêburit.
- Xác định hàm lợng cacbon trong thép cùng tích.
- Vẽ các nét đặc trng của tổ chức thép và gang trắng.

2. Cơ sở lý thuyết
Thép và gang là hợp kim cơ sở của sắt. Với hàm lợng cacbon nhỏ hơn 2,14%, hợp
kim đợc gọi là thép và khi hàm lợng cacbon lớn hơn 2,14% thì đợc gọi là gang.
Tổ chức của thép cacbon phù hợp với giản đồ pha Fe C (hay đúng hơn là giản đồ
pha Fe Fe
3
C, hình 3.1). Theo giản đồ pha, ngời ta chia làm ba loại thép: thép
trớc cùng tích (%C < 0.8%), thép cùng tích (%C = 0,8%) và thép sau cùng tích
(%C > 0,8%).
Gang theo giản đồ pha giả ổn định đợc gọi là gang trắng, cũng bao gồm ba loại:
gang trắng trớc cùng tinh, gang trắng cùng tinh và gang trắng sau cùng tinh.
ở nhiệt độ thờng có thể quan sát thấy các pha có trong thép và gang theo giản đồ
pha:
Ferit(F) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe

. Ferit là pha mềm,
dẻo, độ cứng HB khoảng 80, có tính sắt từ. Khi quan sát trên kính hiển vi,
ferit là những hạt sáng đa cạnh.
Xêmentit(Xe) là hợp chất hoá học của sắt và cacbon, công thức hoá học là
Fe
3
C. Xêmentit là pha rất cứng và giòn. Độ cứng khoảng 63,5 HRC.
Xêmentit có thể có dạng tấm hay hạt. Xêmentit đợc tạo thành theo giản đồ
pha gồm 3 loại: Xe
I
- tạo thành từ pha lỏng, Xe
II
- tiết ra khi làm nguội
austenit, Xe
III

- tiết ra khi làm nguội Ferit. Xe có thể nằm trong hỗn hợp
cùng tích (Peclit) hoặc trong hỗn hợp cùng tinh (Lêđêburit). Trên kính hiển
vi Xe trong peclit là các tấm mảnh, quan sát thấy chúng nh các vạch đen,
thực chất đó là các bóng chiếu xuống của các tấm xêmentit (quan sát thấy

Bộ môn: Vật liệu học & NHiệt luyện

VLHI_3
16
trong các peclit tấm). Khi xêmentit ở dạng hạt lớn hoặc hoặc các tấm to, ta
thấy chúng có màu trắng sáng ở gang trắng sau cùng tinh.
Peclit(P) là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit. Lợng xêmentit trong
peclit là 12%. Có hai loại peclit là peclit tấm (Xe dạng tấm) và peclit hạt
(Xe dạng vòng tròn). Hàm lợng cacbon trong peclit là 0,8%. Cơ tính của
peclit phụ thuộc vào độ phân tán và nhỏ mịn của xêmentit. Xêmentit càng
nhỏ mịn, càng phân tán thì độ bền độ cứng càng cao. Với độ phóng đại
không lớn, chỉ nhìn thấy Peclit có màu sẫm.

Hình 3.1. Giản đồ Fe-C (Fe-Fe
3
C)với các khu vực tổ chức khác nhau.
Lêđêburit(Le) ở nhiệt độ thờng là hỗn hợp cơ học của peclit và xêmentit
cùng kết tinh do đó khi cắt ngang có dạng da báo, trong đó có thể peclit có
màu đen, nền sáng còn lại là xêmentit. Lêđêburit là tổ chức rất cứng và giòn
(2/3 là xêmentit).
3. Nội dung thí nghiệm
3.1. Thiết bị thí nghiệm
- Kính hiển vi quang học Asiovert 25A, dùng với độ phóng đại thờng X100,
X200;
- Bảng ảnh chuẩn của các tổ chức tế vi theo giản đồ pha;

Bộ môn: Vật liệu học & NHiệt luyện

VLHI_3
17
- Các mẫu thép đã đợc mài và tẩm thực trớc khi đa lên kính hiển vi.
3.2. Quan sát tổ chức tế vi của thép
a) Thép trớc cùng tích:
Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi gồm F + P (hạt ferit đa cạnh màu sáng xen lẫn hạt
peclit màu sẫm).
Quan sát tổ chức tế vi của thép C20 (0,2%C).
Chú ý: Khi quan sát tổ chức tế vi của thép trớc cùng tích trên kính hiển vi, căn cứ
vào diện tích của các pha, có thể xác định một cách tơng đối hàm lợng cacbon
trong thép theo công thức gần đúng (coi tỷ trọng của các pha trong thép xấp xỉ
bằng nhau):
%C = %P x 0,8 + %F x 0,006 (3.1)
Trong đó P, F lần lợt là tỷ lệ diện tích peclit (màu sẫm) và ferit (màu sáng) trong
tổ chức quan sát đợc trên kính hiển vi (%).
Vì hàm lợng cacbon trong ferit rất bé (0,006%) nên có thể tính:
%C = %P x 0,8 (3.2)
Vì vậy, chỉ cần xác định đúng %P trong tổ chức, chúng ta có thể xác định đợc %C
trong thép.
b) Thép cùng tích (0,8%C):
Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi chỉ gồm P.
Quan sát tổ chức tế vi của hai loại: peclit tấm và peclit hạt.
c) Thép sau cùng tích:
Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi gồm P + Xe
II
. Quan sát tổ chức tế vi của thép
CD100: peclit có hạt màu sẫm, xêmentit có dạng lới sáng bao quanh hạt.

Chú ý: Dựa vào lới Xe bao quanh hạt cũng có thể dự đoán hàm lợng cacbon có
trong thép sau cùng tích, chẳng hạn, nếu lới Xe đứt đoạn thì lợng cacbon nhỏ,
còn lới Xe liên tục và dày thì lợng cacbon lớn.
3.3. Quan sát tổ chức tế vi của gang trắng
a) Gang trắng trớc cùng tinh:
Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi gồm Le + P + Xe
II

Quan sát tổ chức tế vi của gang trắng %C < 4.3%: P có dạng hạt màu sẫm, Xe màu
sáng, vùng có dạng da báo là một phần của Le.

Bộ môn: Vật liệu học & NHiệt luyện

VLHI_3
18
b) Gang trắng cùng tinh (4,3%C):
Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi chỉ gồm Le.
Quan sát tổ chức tế vi của gang trắng %C = 4.3%: Ta cũng quan sát thấy vùng sẫm
là P trong cùng tinh, vùng sáng là Xe, một phần Le có dạng da báo.
c) Gang trắng sau cùng tinh:
Theo giản đồ pha, tổ chức tế vi gồm Le + Xe
I

Quan sát tổ chức tế vi của gang trắng %C > 4.3%: Le cùng tinh có cả vùng có dạng
da báo, Xe
I
là những dải rộng màu sáng.
3.4. Thực nghiệm
Mỗi sinh viên cần quan sát kỹ và nhận dạng tổ chức trên kính hiển vi, so sánh với
bảng ảnh, vẽ lại tổ chức tế vi và báo cáo.

4. Báo cáo kết quả thí nghiệm
4.1. Tóm tắt nội dung thí nghiệm trớc khi làm thí nghiệm (5-10 dòng).









4.2. Theo công thức (2), hãy tính diện tích phần màu sẫm trong thép cacbon có hàm
lợng cacbon lần lợt là 0,2; 0,4; 0,6 và 0,8%.
TT Hàm lợng cacbon (%) Diện tích Peclit (phần sẫm -%)







Bộ môn: Vật liệu học & NHiệt luyện

VLHI_3
19
4.3. Vẽ tổ chức tế vi tơng ứng vào các hình tròn sau.

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHII_1
20
Bi thí nghiệm số 4
Nghiên cứu tổ chức tế vi của gang

1. Mục đích và yêu cầu
- Phân biệt tổ chức của các loại gang trắng, gang xám, gang dẻo, gang cầu. So
sánh các tổ chức này,
- Xác định đợc nền kim loại của các loại gang xám, gang dẻo và gang cầu,
2. Cơ sở lý thuyết
Gang là hợp kim của sắt với cacbon khi hàm lợng chứa cacbon trên 2,14%. Trong
thực tế công nghiệp thờng gặp các loại gang trắng, gang xám, gang dẻo và gang
cầu. Sau đây sẽ trình bày vắn tắt các loại gang đó.
2.1. Gang trắng
Gang trắng có tổ chức tơng ứng với giản đồ pha Fe-C. Căn cứ vào lợng chứa
cacbon, gang trắng chia làm 3 loại: gang trắng trớc cùng tinh (%C < 4,3), gang
trắng cùng tinh (%C = 4,3) và gang trắng sau cùng tinh (%C > 4,3).
Tổ chức của các gang trắng nh sau:
Gang trắng trớc cùng tinh gồm P + Le + Xe. Tổ chức của gang trắng trớc cùng
tinh trình bày ở hình 4.1. Gang trắng cùng tinh chỉ có Le. Gang trắng sau cùng tinh
tổ chức gồm Le + Xe
I
. Tổ chức của nó xem ở hình 4.2.
Hình 4.1.
T
ổ chức gang trắng trớc cùng tinh
.

H
ình 4.2. Tổ chức gang trắng sau cùng tinh.


Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHII_1
21
2.2. Gang xám
Gang xám nhận đợc ngay sau khi đúc. Lợng silic trong gang xám tơng đối cao
để qua trình graphit hoá có thể xảy ra. Khi làm nguội chậm xêmentit phân hoá tạo
thành graphit (G): Fe
3
C Fe

(C) + G và khi nhiệt độ nhỏ hơn 723
0
C có sự phân
hoá Fe
3
C Fe

(C) + G. Trong gang xám graphit nằm ở dạng tấm. Phụ thuộc vào
mức độ graphit hoá mà nền kim loại có thể là ferit, ferit + peclit và peclit. Dựa vào
nền kim loại ngời ta chia ra:
a) Gang xám ferit:
Tổ chức nền kim loại gồm ferit và graphit dạng tấm (hình 4.3)

Hình 4.3. Tổ chức gang xám ferit. Hình 4.4. Tổ chức gang xám ferit-peclit.
b) Gang xám ferit+peclit:
Tổ chức gồm nền ferit + peclit và graphit dạng tấm (hình 4.4),












Hình 4.6. Tổ chức gang dẻo.
Hình 4.5. Tổ chức gang xám peclit.

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHII_1
22
c) Gang xám peclit:
Tổ chức gồm nền peclit và graphit dạng tấm (hình 4.5),

d) Graphit: Có thể quan sát ở mẫu không tẩm thực. Khi nền kim loại nh nhau thì
kích thớc và sự phân bố của graphit có ảnh hởng đến tính chất của gang, graphit
càng nhỏ mịn và phân bố càng đồng đều thì cơ tính của gang xám càng cao.
2.3. Gang dẻo
Gang dẻo nhận đợc bằng cách ủ từ gang trắng. Tổ chức của gang dẻo cũng gồm
có nền kim loại và graphit, nhng trờng hợp này graphit ở dạng cụm. Phụ thuộc
vào mức độ graphit hoá khi ủ mà nền kim loại cũng có thể là ferit, ferit+peclit và
peclit. Tổ chức của gang dẻo nền ferit có thể xem ở hình 4.6.
2.4. Gang cầu (còn gọi là gang độ bền cao)
Gang cầu sản xuất bằng cách biến tính gang xám
có hàm lợng silic 2-3%. Nhờ quá trình biến tính
mà graphit tạo thành có dạng cầu. Tổ chức của
gang cầu cũng gồm nền kim loại và graphit ở
dạng cầu. Tuỳ theo quá trình graphit hoá mà nền
cũng có thể là ferit, ferit + peclit và peclit. Trong
gang cầu ferit + peclit thì ferit thờng bao quanh
graphit.
Nhờ graphit có dạng cầu nên cơ tính cao hơn
gang xám và gang dẻo. Tổ chức của gang cầu ferit-peclit trình bày ở hình 4.7.
Qua phân tích ở trên ta thấy khi có cùng nền kim loại thì hình dáng của graphit
cũng có ảnh hởng lớn đến cơ tính của gang- graphit tấm có ảnh hởng không tốt
đến cơ tính của gang, dạng cụm ít ảnh hởng hơn còn tốt nhất là dạng cầu vì bề mặt
tiếp xúc với nền kim loại nhỏ nhất đồng thời không có chỗ tập trung ứng suất.
Chính vì thế mà gang dẻo có tính chất nằm giữa gang xám và gang cầu. Ngoài ra
kích thớc và sự phân bố của graphit cũng có ảnh hởng đến tính chất của gang.
Kích thớc của graphit có thể đợc đánh giá theo cấp tiêu chuẩn.
3. Nội dung thực nghiệm
- Vẽ giản đồ Fe-C, nghiên cứu sự hình thành tổ chức của gang trắng.
- Quan sát về vẽ lại tổ chức tế vi của các loại gang: gang trắng trớc cùng
tinh, gang trắng cùng tinh và gang trắng sau cùng tinh; gang xám ferit, gang

xám ferit-peclit, gang xám peclit, mẫu gang dẻo và gang cầu cha tẩm thực.
Hình 4.7. Tổ chức gang cầu.

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHII_1
23
4. Nội dung báo cáo
Các tổ chức của gang vẽ ngay vào báo cáo ở phòng thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm
đánh giá ngay sau buổi thí nghiệm.


Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHII_2
24
Bi THí nghiệm số 5
Nghiên cứu tổ chức của kim loại và hợp kim màu

1. Mục đích và yêu cầu
Sinh viên làm quen với những đặc điểm về tổ chức của kim loại và hợp kim màu.
2. Cơ sở lý thuyết
2.1. Đồng và hợp kim đồng
a) Đồng
Đồng nguyên chất có nhiều đặc tính kỹ thuật quý nh dẻo, tính dẫn điện và tính
dẫn nhiệt cao, chống gỉ trong môi trờng không khí.
Những tạp chất có hại đối với đồng là Bismut (Bi) và Chì (Pb), Ôxy (O
2
), Hyđro
(H

2
). Bi và Pb thực tế không hoà tan vào đồng mà tạo thành những cùng tinh dễ
chảy nằm ở ranh giới gây ảnh hởng xấu đến cơ tính của đồng. Ôxy tạo thành với
đồng hợp chất Cu
2
O, hợp chất này cùng với đồng tạo thành cùng tinh có nhiệt độ
nóng chảy cao nên không làm cho đồng bị giòn nóng nhng lại gây ra hiện tợng
khác. Khi bị nung nóng, hyđrô từ không khí khuếch tán theo những ranh giới vào
đồng, chúng kết hợp với ôxy tạo thành hơi nớc. Hơi nớc có thể gây ra ứng suất
cao trong đồng làm cho nó bị nứt.
Tổ chức của đồng nguyên chất gồm những hạt phân cách nhau bằng các ranh giới.
Trong tổ chức của đồng có nhiều song tinh.
Do cơ tính thấp nên đồng nguyên chất chỉ dùng làm các vật liệu dẫn điện. Trong kỹ
thuật các hợp kim của đồng đợc ứng dụng rộng rãi. Dới đây sẽ giới thiệu một số
hợp kim đồng thông dụng.
b) Đồng thau
Đồng thau là hợp kim của đồng với
kẽm, giản đồ trạng thái của hợp kim
này trình bày ở hình 5.1.
Trong kỹ thuật thờng dùng hợp kim
với lợng kẽm không quá 45%, vì
khi lợng kẽm cao hơn thì hợp kim
rất giòn. Phụ thuộc vào lợng kẽm
mà ta phân ra đồng thau một pha
Hình 5.1. Giản đồ trạng thái Cu-Zn.

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHII_2
25

(%Zn < 39) và đồng thau hai pha (%Zn > 39).
Tổ chức của đồng thau một pha ở trạng thái ủ giống nh đồng nguyên chất, tức là
những hạt phân cách nhau bằng các ranh giới. Trong các hạt cũng có song tinh
(hình 5.2a.
Tổ chức của đồng thau hai pha gồm nền sáng (pha ) và màu tối (pha ) (hình
5.2b.
a) b)
Hình 5.2. Tổ chức tế vi của đồng thau một pha (a) và đồng thau hai pha (b).
Ngời ta cũng đa nhôm, sắt, niken, mangan vào đồng thau để tăng cơ tính của
chúng.
c) Đồng thanh
Đồng thanh là hợp kim của đồng với các nguyên tố hợp kim chính khác trừ kẽm.
Thờng dùng đồng thanh thiếc, đồng thanh nhôm, đồng thanh chì và đồng thanh
berili
Đồng thanh thiếc (Cu-Sn)
Giản đồ trạng thái trình bày
ở hình 5.3.
Thiếc có thể hoà tan trong
đồng đến 14% khi lợng
thiếc cao sẽ xuất hiện pha
cứng và giòn làm giảm
mạnh tính dẻo của hợp kim.
ở trạng thái ủ, tổ chức của
đồng thanh thiếc chỉ có dung
Hình 5.3. Giản đồ trạng thái Cu-Sn.

Bộ môn: Vật liệu học, xử lý NHiệt và bề mặt

VLHII_2
26

dịch đặc , nhng ở trạng thái đúc bên cạnh dung dịch đặc còn có những vùng
cùng tinh cứng và giòn (-). Do có vùng cùng tinh cứng và giòn nằm trên nền
tơng đối mềm nên có thể dùng làm hợp kim ổ trục mà không cần nhiệt luyện.
Trong đồng thanh thiếc cũng có thể đa vào một số nguyên tố khác nữa nh chì,
kẽm và phốt pho.
Đồng thanh nhôm: có thể dùng thay thế cho đồng thanh thiếc, nó chỉ thua đồng
thanh thiếc ở tính đúc. Đồng thanh nhôm có giới hạn bền, tính chống ăn mòn tơng
đối cao và rẻ tiền hơn đồng thanh thiếc.
Đồng thanh chì: là loại hợp kim ổ trục. ở trạng thái đặc đồng với chì chỉ tạo thành
hỗn hợp cơ học. Trong kỹ thuật thờng dùng hợp kim chứa 30% chì. Tổ chức của
hợp kim này gồm những hạt đồng (màu sáng) và những phần tử chì (màu đen)
(hình 5.4).

Hình 5.4. Tổ chức tế vi của brông chì.
Đồng thanh Berili: là hợp kim của đồng với berili (Be). Sau khi tôi từ nhiệt độ
800
0
C trong nớc và hoá già ở 300-350
0
C hợp kim này có độ cứng vào khoảng 350-
400 HB. Đồng thanh berili do có độ bền, tính đàn hồi cao cùng với khả năng chống
ăn mòn và tính hàn tốt nên thờng dùng để chế tạo những chi tiết quan trọng.
2.2. Nhôm và hợp kim nhôm
a) Nhôm nguyên chất
Những tính chất đặc trng của nhôm là trọng lợng riêng nhỏ (2,7g/cm
3
), nhiệt độ
nóng chảy tơng đối thấp (663
0
C), độ dẻo cao, độ bền tơng đối thấp. Mặc dầu

nhôm có hoạt tính hoá học lớn nhng có khả năng chống ăn mòn tơng đối cao vì
trên bề mặt tạo thành lớp ôxyt Al
2
O
3
có tổ chức sít chặt. Do cơ tính thấp nên trong
công nghiệp chủ yếu dùng hợp kim nhôm chứ không phải nhôm nguyên chất. Tất