NGHIÊN cứu xác ĐỊNH độ CỨNG của THÉP c45 được tôi CAO tần sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU xạ x QUANG

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học

i

Lời cam đoan

ii

Lời c m ơn

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

vi

Danh sách các ký hiệu

ix

Danh sách các hình

xii

Danh sách các b ng

xv

Ch

1

ng 1. TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên c u, các kết qu nghiên c u

1

trong và ngoài nước đã công bố
1.1.1 Tầm quan trọng c a công nghệ nhiệt luyện

1

1.1.2 Các kết qu nghiên c u trong và ngoài nước

2

1.2 Mục đích c a đề tài

10

1.3. Nhiệm vụ c a đề tài và giới h n đề tài

10

1.3.1 Nhiệm vụ

10

1.3.2 Giới h n đề tài

10

1.4. Phương pháp nghiên c u
Ch

ng 2. C

10

SỞ LÝ THUYẾT

11

2.1 Các phương pháp đo độ c ng hiện nay

11

2.1.1 Độ c ng Brinell

11

2.1.2.Độ c ng Vickers

14

2.1.3 Độ c ng Rockwell

16

2.2. Lý thuyết về nhiễu x tia X

18

vi


2.2.1. Định luật Bragg và điều kiện nhiễu x

18

2.2.2. Các yếu tố nh hưởng đến cường độ nhiễu x LPA (Lorenz, hệ

19

số phân cực, hàm h p thu)
2.2.3. Sự mở rộng đường nhiễu x

23

2.3 Lý thuyết nhiệt luyện về tôi cao tần

33

2.3.1 Tôi cao tần (tôi c m ng điện từ)

33

2.3.2 Những đặc điểm ch yếu c a austenit t o thành khi nung nóng

35

bằng dòng điện tần số cao
2.3.3 Chọn chế độ tôi tần số
Ch

35

ng 3. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

37

3.1. Mẫu thực nghiệm

37

3. 1.1. Kích thước c a mẫu

37

3.1.2. Vật liệu

37

3.1.3. M ng tinh thể

37

3.1.4 Nhiệt luyện mẫu đo

38

3.1.5. Số mẫu chế t o

38

3.2. Làm s ch bề mặt

38

Ch ng 4. PH
NG PHÁP ĐO, SỐ LIỆU ĐO VÀ X
LIỆU THỰC NGHIỆM

LÝ SỐ

4.1. Phương pháp đo và số liệu đo

39

4.1.1. Đo mẫu bằng phương pháp nhiễu x tia X

39

4.1.2. Đo độ c ng mẫu bằng phương pháp đo Rockwell (HRC)

41

4.2. Xử lý số liệu thí nghiệm
4.2.1.

43

ng dụng phần mềm Origin Pro 8.0 vào xử lý số liệu

4.2.2. Xử lý số liệu
Ch

39

43
44

ng 5. KẾT QU THỰC NGHIỆM

5.1. Biểu đồ mối quan hệ giữa đo độ c ng bằng phương pháp Rocwell

53
53

và thời gian tôi cao tần

5.2 Biểu đồ mối quan hệ giữa Bề rộng trung bình B và thời gian tôi

vii

54


cao tần
5.3. Mối quan hệ giữa độ c ng Rockwell và bề rộng trung bình B

55

5.4 So sánh độ c ng thực nghiệm và nội suy

58

Ch

ng 6. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ

60

6.1 Kết luận

60

6.2 Kiến nghị

60

TÀI LIỆU THAM KH O

61

Phụ lục 1

63

Phụ lục 2

64

Phụ lục 3

65

Phụ lục 4

66

Phụ lục 5

67

Phụ lục 6

68

Phụ lục 7

69

Phụ lục 8

70

Phụ lục 9

71

Phụ lục 10

73

Phụ lục 11

75

Phụ lục 12

77

Phụ lục 13

79

Phụ lục 14

81

Phụ lục 15

83

Phụ lục 16

85

Phụ lục 17

87

viii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
P: là lực tác dụng
F: Diện tích vết lõm
D: Đường kính bi thép
d: Đường kính vết lõm
P0: t i trọng sơ bộ
HB: độ c ng Brinell
HV: độ c ng Vickers
HRA: độ c ng Rocwell thang A
HRB: độ c ng Rocwell thang
HRC: độ c ng Rocwell thang
 : bước sóng
SWL : giới h n bước sóng ngắn
2 : góc nhiễu x
d : kho ng cách giữa các mặt ph ng phân tử (hkl )

n : bậc b c x
(P) : mặt ph ng ch a ống phát và ống thu tia X ( mặt ph ng nghiêng )
(Q) : mặt ph ng vuông góc với trục hình trụ ch a hướng đo ng su t
Ψ : góc t o bởi phương pháp tuyến c a mẫu đo với phương pháp tuyến c a họ mặt
ph ng nguyên tử nhiễu x
Ψo : góc t o bởi phương pháp tuyến c a mẫu đo và tia tới X
 : là góc phân giác c a tia tới và tia nhiễu x X
o : là góc t o bởi phương pháp tuyến c a họ mặt ph ng nhiễu x và tia tới X

 : góc t o bởi tia tới X và phương ngang
 : góc t o bởi tia nhiễu x và phương ngang
 : góc t o bởi phương pháp tuyến c a mẫu đo với mặt ph ng nghiêng
 : góc t o bởi trục đ ng mẫu đo hình trụ với ( P )
a : hệ số tính ch t c a vật liệu ( phụ thuộc lo i vật liệu )

ix


b : thể tích phần năng lượng tia tới trên một đơn vị thể tích ( phụ thuộc vào đặc tính
c a tia X như Cr-K, Cr-K, Cu-K, Co-K . . .)

 : hằng số h p thụ ( phụ thuộc vào đặc tính c a tia X và lo i vật liệu mẫu đo)
AB : chiều dài tia tới th m th u đến phân tố bị nhiễu x
BC : chiều dài nhiễu x từ phân tố bị nhiễu x đến ra ngoài mẫu đo
R : bán kính c a mẫu đo hình trụ
r : bán kính t i phân tố bị nhiễu x
dr : chiều dày phân tố bị nhiễu x

 : góc giới h n vùng nhiễu x
d : bề rộng phân tố bị nhiễu x

L : chiều dài phân tố bị nhiễu x
Lc : chiều dài th m th u c a tia tới và nhiễu x đi ra ngoài mẫu đo.
dV = Ldrd : thể tích phân tố bị nhiễu x
B: bề rộng trung bình đường nhiễu x .
BI: bề rộng tích phân c a hàm Gaussian.
w: là sai lệch chu n, đặc trưng cho độ mở rộng c a đường nhiễu x
xc: giá trị trung bình c a hàm Gaussian.
Ix: mật độ dòng điện ở cách bề mặt một kho ng là x.
Im: mật độ dòng điện ở bề mặt.
e: cơ số logarit tự nhiên.
δ: kho ng cách từ bề mặt vào đến chỗ có mật độ dòng điện gi m đi e lần so với Im
ρ - Điện trở su t c a kim lo i nung.
µ- Độ từ th m c a kim lo i nung.
f- Tần số c a dòng điện.
ρ0 : là điện trở su t ở nhiệt độ t0

x


α: hệ số thay đổi điện trở su t su t theo nhiệt độ
N: Số thí nghiệm cần làm.
k: Tổng các yếu tố xét được kiểm soát trong thí nghiệm.
n0: Thí nghiệm cần thực hiện thêm.

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1:

Đường nhiễu x cho mẫu chu n sau khi hiệu chỉnh LP.

3

Hình 1.2:

Phương pháp hiệu chỉnh góc ψ

4

Hình 1.3:

Phương pháp hiệu chỉnh góc η

4

Hình 1.4:

Đường biểu diễn độ c ng Vickers trên mặt cắt c a thép C45

5

Hình 1.5:

Đường biểu diễn nhiệt độ - thời gian với điều kiện tôi c m ng

6

khác nhau
Hình 1.6:

Mối quan hệ độ từ th m c a điện từ trường và nhiệt độ

7

Hình 1.7:

So sánh sự gi m phân phối ng su t mô phỏng, là kết qu c a

9

các phương pháp khử lớp khác nhau trong một t m phằng
Hình 2.1:

Máy kiểm tra độ c ng Brinel

11

Hình 2.2:

Kích thước bi tròn làm mũi thử Brinel

11

Hình 2.3:

Đo hình d ng, kích thước vết lõm

12

Hình 2.4:

Đo độ c ng bằng phương pháp th công

13

Hình 2.5:

Biểu đồ lõm

13

Hình 2.6:

Biểu đồ xác định độ c ng theo chiều sâu vết lõm

14

Hình 2.7:

Máy kiểm tra độ c ng Vickers

14

Hình 2.8:

Hình d ng vết lõm

15

Hình 2.9:

Kích thước vết lõm và giá trị độ c ng

15

Hình 2.10:

Góc độ không gian c a mũi thử

16

Hình 2.11:

Độ c ng Vickers c a một số vật liệu

16

Hình 2.12:

Thiết bị đo độ c ng Rockwell

17

Hình 2.13:

Kích thước vết lỏm đo độ c ng Rockwell

17

Hình 2.14:

Định luật Bragg

18

Hình 2.15:

Mối quan hệ giữa góc 2theta và đỉnh nhiễu x

20

Hình 2.16:

Nhiễu x trên một phân tử

20

Hình 2.17:

Hệ số Lorent

22

Hình 2.18:

Sự phát tán từ một electron đến điểm M

23

xii


Hình 2.19:

Đường nhiễu x c a vật liệu Al 2024-T3

24

Hình 2.20:

Hiệu chỉnh đường phông c a đường nhiễu x

24

Hình 2.21:

nh hưởng c a kích thước tinh thể đến nhiễu x

28

Hình 2.22:

Đường nhiễu x chung và các đường nhiễu x thành phần

29

Hình 2.23:

Độ rộng scherrer đường nhiễu x

30

Hình 2.24:

Độ rộng Laue đường nhiễu x

30

Hình 2.25:

Đường nhiễu x X quang được nội suy bằng đường cong

32

Gauss
Hình 2.26

Tôi cao tần(tôi c m ng điện từ)

33

Hình 3.1:

Kích thước mẫu thử

37

Hình 3.2:

Kiểu m ng tinh thể thép C45

37

Hình 4.1:

Phương pháp đo kiểu  cố định 

39

Hình 4.2:

Mặt nhiễu x c a thép C45

41

Hình 4.3:

Phương pháp đo

42

Hình 4.4:

Máy đo độ c ng Rockwell model HRC-150

42

Hình 4.5:

Biểu tượng c a phần mềm Origin pro 8.0

43

Hình 4.6:

Hàm nội suy Gauss Amp

44

Hình 4.7:

Đường nhiễu x mẫu không nhiệt luyện

45

Hình 4.8:

Đường nhiễu x mẫu tôi cao tần với t = 10 giây

46

Hình 4.9:

Đường nhiễu x mẫu tôi cao tần với t = 15 giây

47

Hình 4.10:

Đường nhiễu x mẫu tôi cao tần với t = 20 giây

48

Hình 4.11:

Đường nhiễu x mẫu tôi cao tần với t = 25 giây

49

Hình 4.12:

Đường nhiễu x mẫu tôi cao tần với t = 30 giây

50

Hình 4.13:

Đường nhiễu x mẫu tôi cao tần với t = 40 giây

51

Hình 4.14:

Đường nhiễu x mẫu tôi cao tần với t = 50 giây

52

Hình 5.1:

Mối quan hệ độ c ng (HRC) và thời gian tôi cao tần

53

Hình 5.2:

Mối quan hệ giữa bề rộng trung bình B và thời gian tôi cao tần

54

Hình 5.3:

Đồ thị mối quan hệ giữa độ c ng Rockwell và Bề rộng trung

56

xiii


bình B theo d ng đường th ng
Hình 5.4:

Đồ thị mối quan hệ giữa độ c ng Rockwell và Bề rộng trung

57

bình B theo d ng đường cong
Hình 5.5

So sánh phép nội suy

58

Hình 5.6

So sánh độ c ng nội suy và thực nghiệm

59

xiv


DANH SÁCH CÁC B NG
B NG

TRANG

B ng 1.1:

Mẫu thử và điều kiện xử lý nhiệt.

6

B ng 1.2:

Đặc tính c a thép C45 t i nhiệt độ phòng.

8

B ng 2.1:

Hằng số h p thu  phụ thuộc vào kim lo i.

22

B ng 2.2:

D ng tổng bình phương c a một số chỉ số Miller cho hệ m ng lập

26

phương
B ng 3.1:

Thành phần hóa học thép C45

37

B ng 4.1:

Kho ng cách nguyên tử c a một số vật liệu và kiểu m ng

40

B ng 4.2:

Các lo i ống phong tia X và đặc tính

40

B ng 4.3:

Điều kiện thí nghiệm bằng nhiễu x X quang

41

B ng 4.4:

Giới h n đo c a các thang Rockwell

42

B ng 4.5 :

Số liệu các mẫu đo độ c ng bằng Rockwell

43

B ng 4.6:

Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu không nhiệt luyện

45

B ng 4.7:

Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu tôi cao tần với t = 10 giây

46

B ng 4.8:

Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu tôi cao tần với t = 15 giây

47

B ng 4.9:

Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu tôi cao tần với t = 20 giây

48

B ng 4.10:

Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu tôi cao tần với t = 25 giây

49

B ng 4.11:

Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu tôi cao tần với t = 30 giây

50

B ng 4.12:

Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu tôi cao tần với t = 40 giây

51

B ng 4.13:

Giá trị tham số c a hàm nội suy mẫu tôi cao tần với t = 50 giây

52

B ng 5.1:

Số liệu đo độ c ng Rockwell c a các mẫu đo

53

B ng 5.2:

Số liệu đo bề rộng trung bình B c a nhiễu x các mẫu đo

54

B ng 5.3:

Số liệu đo độ c ng Rockwell và bề rộng trung bình B các mẫu

55

thực nghiệm
B ng 5.4

So sánh độ c ng nội suy và thực nghiệm

xv

59


Ch

ng 1

T NG QUAN
1.1 T ng quan chung về lĩnh v c nghiên c u, các k t qu nghiên c u trong vƠ
ngoƠi n ớc đƣ công b .
1.1.1 Tầm quan trọng c a công ngh nhi t luy n
Có nhiều ph ơng pháp nhiệt luyện chi tiết nh μ tôi cao tần (tôi c m ng), sử
dụng khí gas, tấm mu i, tia hồng ngo i, điện v.v.. εỗi ph ơng pháp có một thuận
lợi riêng. Nh ng không có ph ơng pháp nào là t t nhất cho mọi tr

ng hợp c a

việc gia nhiệt và xử lý nhiệt c a kim lo i.
Hệ th ng thiết bị tôi cao tần th

ng có th i gian bắt đầu và kết thúc t ơng đ i

nh và chi phí vận hành t ơng đ i thấp. Những yếu t quan trọng c a thiết bị tôi
cao tần là đ m b o chất l ợng, tự động, độ tin cậy cao và b o trì hệ th ng dễ dàng
[4].

Tôi cao tần là sự liên kết ph c t p c a điện từ tr

ng, truyền nhiệt, nhiệt luyện

liên quan đến nhiều yếu t . Thành phần chính c a hệ th ng tôi cao tần là lõi, nguồn
cung cấp, hệ th ng nâng, hệ th ng làm nguội và phôi. δõi c a hệ th ng tôi cao tần
đ ợc thiết kế đặc biệt cho các lo i hình dáng và kích cỡ khác nhau.
Độ c ng là một thuộc tính cơ b n c a vật liệu, thuật ngữ độ c ng ph n ánh
tính chịu u n, độ bền, mài mòn, trầy x ớc c a vật liệu. Cùng với sự phát triển c a
khoa học vật liệu đư có rất nhiều ph ơng pháp đo độ c ng ra đ i. Một s ph ơng
pháp đo độ c ng th

ng đ ợc biết đến, đặc biệt ng dụng cho lĩnh vực vật liệu kim

lo i
Độ c ng là kh năng ch ng l i biến d ng dẻo cục bộ và có liên quan chặt chẽ
đến độ bền kéo. Độ c ng đ ợc xác định bằng cách đo m c độ ch ng l i lực ấn c a
mũi đâm có d ng chuẩn lên bề mặt vật liệu. Vật liệu mũi đâm có thể là thép đư nhiệt

1


luyện hoặc kim c ơng, có thể có hình cầu hoặc hình tháp. Độ c ng đ ợc xác định
theo kích th ớc c a vết lõm mũi đâm để l i trên bề mặt vật kiểm. Đó cũng là m c
ch ng l i lực ấn c a mũi đâm có d ng chuẩn lên bề mặt vật liệu.
Ph ơng pháp nhiễu x tia X đ ợc sử dụng để xác định ng suất d , tính ng
suất m i, xác định pha tinh thể... mà không phá h y chi tiết mẫu. Nhiều nghiên c u
tr ớc đây cho thấy, bất c sự thay đổi nào trong cấu trúc c a vật liệu tinh thể (nh
biến d ng dẻo, xử lý nhiệt, quá trình hợp kim hóa,…) đều nh h
tr ng c a đ

ng đến các đặc

ng nhiễu x X quang, bao gồm ba thông s quan trọng là vị trí đỉnh

nhiễu x , hình d ng và độ lớn c a đ

ng nhiễu xa

1.1.2 Các k t qu nghiên c u trong vƠ ngoƠi n ớc
1.1.2.1 Trong n ớc
- Ths.δê Hoàng Anh ” Phân tích các yếu tố nh h ởng đến độ rộng đ ờng
nhiễu x tia X – quang”, Thực hiện năm β008 t i đ i học SPKT TP HCε.[9]
Dựa trên cơ s lý thuyết vật lý tia X, lý thuyết phân tích cấu trúc tia X, lý
thuyết phân tích đ
đ

ng nhiễu x (δPA), đặc biệt là ph ơng pháp phân tích Fourier

ng nhiễu x , lý thuyết về lệch m ng kết hợp với xử lý, phân tích, lập trình tính

toán và vẽ đồ thị các dữ liệu nhiễu x bằng ngôn ngữ εatlab.
Nghiên c u tổng hợp mô hình tính toán cho việc tách đ
f(x) từ đ

ng hiễu x đo đ ợc (mẫu nghiên c u) h(x) và đ

ng nhiễu x vật lý
ng nhiễu x chuẩn

(mẫu chuẩn) g(x) dựa trên ph ơng pháp phân tích điều hòa c a Stokes.
Áp dụng tính toán biến d ng tế vi, kích th ớc hat c a vật liệu tinh thể nano đư
và đang đ ợc nghiên c u và ng dụng trong nhiều lĩnh vực nh luyện kim, g m,
th y tinh, xúc tác, vật liệu phát quang, xử lí chất th i ô nhiễm môi tr
CeO2.

2

ng,… là


Hình 1.1: Đ

ng nhiễu x cho mẫu chuẩn sau khi hiệu chỉnh LP.

- Ths. D ơng Công C

ng, Nghiên cứu và xác định độ cứng của thép cacbon

nhiệt luyện bằng ph ơng pháp nhiễu x tia X, thực hiện năm β01γ t i đ i học SPKT
Tp.HCM.[10]
Độ c ng là một chỉ tiêu cơ tính quan trọng c a vật liệu cơ khí, và th

ng đ ợc

xác định bằng các ph ơng pháp phá h y truyền th ng dùng mũi đâm. Bài báo này
nghiên c u m i liên hệ giữa độ c ng c a thép Cη0 tôi-ram
rộng c a đ

nhiều nhiệt độ và bề

ng nhiễu x , thể hiện thông qua độ rộng c a đ

ng cong Gauss. Kết

qu cho thấy một m i liên hệ tuyến giữa bề rộng trung bình c a đ

ng nhiễu x , từ

đó m ra kh năng xác định độ c ng c a vật liệu tinh thể bằng ph ơng pháp nhiễu
x X quang.
1.1.2.2 NgoƠi n ớc
- PGS. TS. δê Chí C ơng ”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”.[12]
Trong ph ơng pháp đo ng suất bằng tia X, đ

ng nhiễu x ph i đ ợc hiệu

chỉnh bằng hệ s δPA (δorentz – polarization and absorption) để xác định giá trị
ng suất. Hệ s hấp thu cho ph ơng pháp điều chỉnh góc ψ và góc ψ0 sử dụng cho
độ nghiêng tiêu chuẩn, và ph ơng pháp điều chỉnh
ngoài độ nghiêng tiêu chuẩn. Thông th

and

0

sử dụng ph ơng pháp

ng ph ơng pháp đo ng suất bằng nhiễu

x tia X, thì vùng nhiễu x tia X trên bề mặt mẫu thử thì gia tăng với việc tăng góc
ψ. Sử dụng mẫu thép đ ợc tôi và ram sẽ có bề rộng đ

3

ng nhiễu x khác nhau, nh


h

ng c a hệ s δPA đ i với giá trị ng suất đư đ ợc kh o sát. Hệ s δPA có nh

h

ng lớn đ i với giá trị ng suất là đ

ng nhiễu x đ ợc m rộng. Trong ph ơng

pháp điều chỉnh ngoài độ nghiêng tiêu chuẩn thì hệ s δPA có nh h

ng ít đ i với

giá trị c a ng suất và điều đó đ ợc b qua. Công th c để tính sai s chuẩn giữa
những ng suất khác nhau với ngoài việc hiệu chỉnh hệ s δPA đư đ ợc thiết lập.

Hình 1.2: Ph ơng pháp hiệu chỉnh góc ψ [12]

Hình 1.3: Ph ơng pháp hiệu chỉnh góc

4

[12]


- I. Magnabosco *,P. Ferro,A. Tiziani,F. Bonollo, Induction heat treatment of
a ISO C45 steel bar: Experimental and numerical analysis, Elsevier B.V,2005[13]
Nghiên c u thực nghiệm và phân tích s c a xử lý nhiệt c m ng áp dụng
cho thép ISO C4η đư đ ợc thực hiện với hai mẫu bình th

ng và nhiệt luyện. Các

thông s c a quá trình đ ợc thực hiện trong một mư s (Sysweld β000) Với mục
đích dự đoán lịch sử nhiệt và luyện kim c a vật liệu. εục đích c a việc này là t o ra
một mô hình nhiệt luyện c a xử lý nhiệt c m

ng xác nhận b i kết qu thực

nghiệm. Kết qu thực nghiệm (vi cấu trúc và vi độ c ng cấu hình) đ ợc so sánh với
các giá trị c a ph ơng pháp s .

Hình 1.4μ Đ

ng biểu diễn độ c ng Vickers trên mặt cắt c a thép C4η [13]

- Daisuke Suzuki, Koji Yatsushiro, Seiji Shimizu, Yoshio Sugita,Motoki
Saito, Katsuhiko Kubota, Development of induction surface hardening process for
small diameter carbon stell, JCPDS-International Centre for Diffraction Data 2009
ISSN 1097-0002, p 569-576.[14]

Trong tr
m ng

ng hợp tôi c m ng, máy phát có tần s cao làm cho một lớp c ng

khu vực kh o sát. Ngoài ra, độ c ng cho mẫu có đ

ng kính nh hơn đ ợc

thử nghiệm. Trong nghiên c u này, quá trình làm c ng các bề mặt bằng tôi c m ng
b i các máy phát tần s cao (βεHz), kết qu mang l i cho điều kiện xử lý nhiệt rất
t t, chiều sâu độ c ng (chiều sâu lớp thấm) c a mẫu thử là 0,4mm và độ c ng
kho ng θ00HV. Hơn nữa, kết qu t t nhất trong mẫu thử có đ
chiều sâu lớp thấm kho ng 0,0λmm và độ c ng kho ng θ00HV.

5

ng kính γmm thì


B ng 1.1μ mẫu thử và điều kiện xử lý nhiệt [14]

- A. Zabett, S.H. Mohamadi Azghandi, Simulation of induction tempering
process of carbon steel using finite element method, Materials and Design 36 (2012)
415–420. [15]

Hình 1.5: Đ

ng biểu diễn nhiệt độ - th i gian với điều kiện tôi c m ng khác nhau[15]

- T. Zedler, A. Nikanorov, B. Nacke, Investigation of relative magnetic
permeability as input data for numerical simulation of induction surface hardening,
International Scientific ColloquiumModelling for Electromagnetic Processing
Hannover, October 27-29, 2008, p. 119-126.[16]
εột mô hình s đư đ ợc phát triển để mô ph ng một quá trình tôi c m ng
để gi i quyết vấn đề về điện từ tr

ng. Sự phân b nhiệt độ bên trong hợp kim c a

thép đư đ ợc tính toán và độ c ng cu i cùng đư đ ợc dự đoán sử dụng m i quan hệ

6


theo Jaffe và Gordon. Các thí nghiệm đ ợc thực hiện với thiết lập quá trình tôi c m
ng khác nhau

một s điều kiện trong công nghiệp.

Độ từ thẩm t ơng đ i c a thép không chỉ phụ thuộc vào các thông s nh
c

ng độ từ tr

ng và nhiệt độ quá trình, mà còn về thành phần hóa học thực tế c a

thép. Thông tin trong sách tham kh o hiện nay là giới h n dữ liệu về thép carbon ví
dụ C4η ..Những đặc tính này có thể khác nhau đáng kể từ các thuộc tính c a thép
thực sự đ ợc sử dụng và do đó có thể không luôn luôn đ ợc khuyến khích để thực
hiện một mô hình s .εột ph ơng pháp xác định độ từ thẩm t ơng đ i đư đ ợc phát

triển và áp dụng để tăng độ chính xác và độ tin cậy c a dữ liệu vật liệu. Cùng một
lúc, vì một s tính năng đặc biệt c a nhiệt c m ng cho c ng bề mặt, phân tích độ
nh y đư đ ợc thực hiện để đánh giá chính xác cần thiết trong việc xác định các đặc
tính để thực hiện mô hình s .

Hình 1.6: M i quan hệ độ từ thẩm c a điện từ tr

ng và nhiệt độ[16]

- K. Rajanna, B. H. Kolsters and B. Pathiraj, Fatigue Fracture surface analysis in
C45 steel specimens using X-ray fractography,Engineering Frocrure MechanicsVol.
39, No. I, pp. 147-157, 1991.[17]
Nhiễu x X-quang là một kỹ thuật hữu ích để phân tích các cơ chế ho t động
về m i trong cơ khí và liên quan đến việc kiểm tra bề mặt m i. Trong việc kh o sát
hiện nay, kỹ thuật này đư đ ợc sử dụng để nghiên c u độ bền m i c a thép cacbon
trung bình C4η trong điều kiện xử lý nhiệt khác nhau. Những h ớng quan sát khác

7


nhau c a ng suất d (a) và bề rộng c a đ

ng nhiễu x toàn bộ t i một nửa c

độ t i đa (E) các m i quan hệ với các yếu t c

ng

ng độ ng suất cực đ i (K) trên bề

mặt gưy đư đ ợc t ơng quan với sự khác biệt về đặc điểm ch y c a các các vật
liệu.[17]
B ng 1.2μ Đặc tính c a thép C4η t i nhiệt độ phòng [17]

- Douglas J. Hornbach, Paul S. Prevéy, and Perry W. εason , X-Ray
diffraction characteriza of

the residual stress and hardness distribution

in

induction harded gears, First International Conference on Induction Hardened
Gears and Critical Components, May 15-17, 1995, Indianapolis, IN, Gear Research
Institute, pp. 69-76[18]
ng suất d d ới lớp bề mặt đ ợc đo bằng XRD yêu cầu lo i b lớp và hiệu
chỉnh cho kết qu phục hồi ng suất. Sự điều chỉnh có thể chi ph i kết qu thu đ ợc
chiều sâu gần giao diện c a lớp/c t lõi. Hình th c hiệu chỉnh truyền th ng có thể
là không đ khi áp dụng đ i với răng c a bánh răng. Kỹ thuật phân tích phần tử hữu
h n (FEA) hiệu chỉnh áp dụng cho hình dáng hình học bất kỳ và phân b

ng suất

thì đ ợc trình bày và mô t . Ví dụ về xác định ng suất d và phân b độ c ng
thông qua các lớp c a bánh răng đ ợc tôi c m ng.

8


Chiều sâu (gia s x10-3)

ng suất d

(εPA)

ng suất d (Psi)

Chiều sâu
Hình 1.7: So sánh sự gi m phân ph i ng suất mô ph ng, là kết qu c a
các ph ơng pháp khử lớp khác nhau trong một tấm phằng [18]
a. Phân ph i ng suất tuyến tính ban đầu
b. Ph ơng pháp FEA c a dưi vuông góc với ng suất
c. FEA lớp đầy đ
d. δo i lớp đầy đ theo εoore và Evans
e. H c FEA, γD

Vấn đề còn tồn tạiμ thép C4η đ ợc tôi cao tần có ng dụng nhiều trong lĩnh
vực cơ khí (trục, bánh răng, trục khuỷu…) nên việc kiểm tra độ c ng c a chi tiết là
rất cần thiết. Nh ng việc kiểm tra bằng cách truyền th ng (Vickers, Brinel,
Rocwell) sẽ làm chi tiết bị phá huỷ. Việc xác định độ c ng c a thép C4η đ ợc tôi
cao tần bằng ph ơng pháp nhiễu x X-quang thực nghiệm là ph ơng pháp mới để
xác định độ c ng c a thép C4η đ ợc tôi cao tần.
Ngoài ra, việc kiểm tra chi tiết

các điều kiện tôi cao tần khác nhau cũng

cần thiết để xác định độ c ng nhất định c a chi tiết khi đó sẽ hiệu qu hơn cho việc
sử dụng chi tiết vào các mục đích khác nhau.

9

1.2 Mục đích c a đề tƠi
Đề tài này nhằm xác định m i quan hệ giữa bề rộng trung bình và độ c ng
c a thép đ ợc tôi cao tần, từ đó đề xuất ph ơng pháp đo độ c ng cho các vật liệu
tinh thể bằng ph ơng pháp không phá h y.
1.3. Nhi m vụ c a đề tƠi vƠ giới h n đề tƠi
1.3.1 Nhi m vụ
- Thu thập tài liệu nghiên c u.
- Chế t o mẫu thử.
- Thí nghiệm tôi cao tần.
- Đo độ c ng mẫu đư thí nghiệm.
- Thí nghiệm nhiễm x x quang để xác định bề rộng trung bình.
- Xây dựng m i quan hệ giữa độ c ng và bề rộng trung bình.
1.3.2 Giới h n đề tƠi
Trong đề tài này chỉ giới h n xác định độ c ng từ 1θ-61 HRC cho vật liệu thép
C45. εẫu thí nghiệm đ ợc tôi cao tần với th i gian khác nhau.
1.4. Ph

ng pháp nghiên c u

Dựa trên cơ s lý thuyết về vật lý tia X, lý thuyết nhiệt luyện và ph ơng
pháp phân tích đ

ng nhiễu x , lý thuyết hàm Gaussian, lý thuyết xác xuất

th ng kế, lý thuyết quy ho ch thực nghiệm.

10

Ch

C
2.1 Các ph

S

ng 2

LÝ THUY T

ng pháp đo độ c ng hi n nay

Hiện nay độ c ng đ ợc đo theo ba ph ơng pháp thông dụngμ
- Theo thang Brinell – Dùng mũi đâm bằng bi thép hoặc wolfram.
- Theo thang Vickers – dùng mũi đâm kim c ơng d ng hình tháp vuông.
- Theo thang Rockwell – dùng mũi đâm hình côn bằng kim c ơng hoặc bi
thép.Kích th ớc vết lõm đ ợc dùng để xác định giá trị độ c ng - vết lõm
càng nh thì vật liệu càng c ng.
2.1.1 Độ c ng Brinell [8]
Độ c ng Brinell có ký hiệu là HB do nhà nghiên c u ng

i Sweden có tên

Dr. Johan August Brinell đề xuất.

Hình 2.1: εáy kiểm tra độ c ng Brinel [8]

Hình 2.2: Kích th ớc bi tròn làm mũi thử Brinel [8]

11


Độ c ng Brinell cho kết qu không chính xác khi kh o xát vùng nh h

ng

nhiệt. Vì vậy đ ợc dùng ch yếu cho kim lo i cơ b n. Đơn vị đo Độ c ng Brinellμ
HB [kG/mm2].
Để đo độ c ng Brinell máy thuỷ lực đ ợc dùng để ép viên bi thép trên bề
mặt mẫuthử tác dụng lực xác định trong 1η giây. Đ

ng kính vết lõm trên bề mặt

kim lo i đ ợc đo với kính hiển vi Brinell chia v ch theo milimet. Áp dụng công
th c sau để xác định độ c ng Brinellμ
;
εặt khácμ

Vậy μ

√

F=

HB=

√

Trong đó:

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

Hình 2.3: Đo hình d ng, kích th ớc vết lõm [8]

12

(2.1)


Ph ơng pháp đo độ c ng Brinell th

ng dùng để đo vật liệu có độ c ng thấp,

thang đo d ới 4η0HB. Quá giới h n này thì không thực hiện đ ợc chính xác vì viên
bi đo bị biến d ng.
- Trong một s tr

ng hợp đơn gi n có thể dùng ph ơng pháp th công để

kiểm tra nh hình vẽ sauμ

Hình 2.4: Đo độ c ng bằng ph ơng pháp th công [8]
- Độ c ng Brinell có thể xác định theo biểu đồ vết lõm sauμ

Hình 2.5: Biểu đồ lõm [8]

13


Hình 2.6: Biểu đồ xác định độ c ng theo chiều sâu vết lõm [8]
2.1.2.Độ c ng Vickers (HV)[8]
2.1.2.1 Đ nh nghĩa
Để đo độ c ng Vickers vết lõm đ ợc t o ra bằng mũi kim c ơng hình chóp,
sử dụng lực tác dụng phù hợp với độ c ng c a vật liệu. Th i gian tác dụng lực
th

ng đ ợc chuẩn hoá là 10 giây.

Hình 2.7: εáy kiểm tra độ c ng Vickers [8]
- Vết lõm có d ng hình vuông sẫm trên nền sáng

14


Hình 2.8: Hình d ng vết lõm [8]
2.1.2.2 Tính toán
Các đo đ c đ ợc thực hiện theo đ

ng chéo vết lõm, giá trị độ c ng t ơng

ng đ ợc quy chiếu từ b ng mẫuhoặc tính toán bằng công th cμ

Hình 2.9: Kích th ớc vết lõm và giá trị độ c ng [8]

HV  1,8544

P
d2

Trong đó:
HV : Độ cứng Vickers
P: Lực tác dụng
d: kính th ớc vết lõm (d = 0,5( d1 + d2 ))

15

(2.2)