thiết kế, chế tạo thiết bị đo độ thấm tôi của thép xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐỘ THẤM
TÔI CỦA THÉP. XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM
ĐO ĐỘ THẤM TÔI
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2009 - 37

S KC 0 0 3 0 0 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Thiết kế, chế tạo thiết bị đo độ thấm tôi của thép
Xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi
Mã số: T 2009 – 37

Chủ nhiệm đề tài: ThS. GVC. TRẦN THẾ SAN

Tp. HCM, 12/2010


MỤC LỤC
Trang

ĐỀ CƢƠNG NGHIÊN CỨU ................................................1
I – LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ...................................................................................... 1
II – MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ................................................... 1
1 – Mục tiêu ............................................................................................................ 1
2 – Nhiệm vụ .......................................................................................................... 1

III – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI .............................................. 1
1 – Lý thuyết ........................................................................................................... 1
2 – Thiết kế và chế tạo thiết bị làm nguội nhanh ..................................................... 2
3 – Thí nghiệm đo độ thấm tôi của thép .................................................................. 2
IV – KẾ HOẠCH THỰC HIỆN .............................................................................. 2

PHẦN I - LÝ THUYẾT

.......................................................................... 3
I – Định nghĩa tôi và ram thép ................................................................................. 3
1 – Tôi thép ............................................................................................................ 3
2 – Ram thép ........................................................................................................... 3
II – Tính chất của Martensite .................................................................................. 3
Định nghĩa .............................................................................................................. 3
Tính chất ................................................................................................................. 3
3 – Các đặc điểm của chuyển biến Ms .................................................................... 3
III - Các phƣơng pháp tôi và ram thép ..................................................................... 4
1 - Các phƣơng pháp tôi ......................................................................................... 4
2 - Các phƣơng pháp ram ........................................................................................ 6
IV- Độ thấm tôi và các yếu tố ảnh hƣởng đến độ thấm tôi của thép ......................... 7
1 – Định nghĩa ........................................................................................................ 7
2 – Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ thấm tôi của thép ................................................ 8
V – Các phƣơng pháp đo độ thấm tôi của thép ...................................................... 12
1 - Quan sát tổ chức tế vi ..................................................................................... 12
2 - Đo từ tính ....................................................................................................... 12
3 - Đo độ cứng ..................................................................................................... 12

PHẦN II - THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ..............14
I – Chế tạo mẫu thí nghiệm ................................................................................... 14
II – Chất làm nguội ............................................................................................... 14

III – Thiết kế mô hình thí nghiệm ......................................................................... 14
1 – Cấu tạo phôi .................................................................................................... 14
2 – Thanh giữ phôi ................................................................................................ 14
3 – Vòng đệm dẫn hƣớng phôi .............................................................................. 15
4 – Khối hợp định vị thanh giữ phôi ...................................................................... 15
5 – Thanh định vị vòi phun ................................................................................... 15
6 – Thùng chứa nƣớc sau khi tƣới nguội ............................................................... 16
7 – Thùng cấp nƣớc tƣới nguội ............................................................................. 16
8 – Máy bơm nƣớc ................................................................................................ 17
9 - Lắp ghép ......................................................................................................... 17
Trang 1


PHẦN III CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM .......19
I - Chọn mẫu thép làm thí nghiệm ......................................................................... 19
1 - Thép CT3 ( Theo tiêu chuẩn ГOCT) ................................................................. 19
2 - Thép C45 ( Tiêu chuẩn Việt Nam) ................................................................... 20
3 - Thép CD 100( Theo tiêu chuẩn Việt Nam) ...................................................... 22
II - Chế độ tạo mẫu theo quy cách ......................................................................... 23
III - Tôi mẫu ......................................................................................................... 23
IV - Tôi đầu mút ................................................................................................... 25
V- Làm sạch bề mặt sau khi tôi ............................................................................. 28
VI - Đo độ cứng, vẽ đồ thị quan hệ giữa độ cứng và chiều sâu .............................. 28

 Đo độ cứng ............................................................................................ 28
 Vẽ đồ thị quan hệ giữa độ cứng và chiều sâu ......................................... 31
VII - Mài mẫu trƣớc và sau khi tôi,soi và chụp tổ chức tế vi ....................... 33
 Mài mẫu trƣớc và sau khi tôi .......................................................................... 33

 Quan sát tổ chức tế vi ............................................................................ 39

 Chụp hình tổ chức tế vi ................................................................................... 41

VIII - Kiểm tra , thảo luận ........................................................................... 46



Kiểm tra kết quả thí nghiệm ......................................................................... 46
Thảo luận ................................................................................................... 50

PHẦN IV KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ...............................51



Kết luận
Đề nghị

................................................................................................... 51
................................................................................................... 51

Tài Liệu Tham Khảo ..........................................................52

Trang 2


ĐỀ CƢƠNG NGHIÊN CỨU
I – LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI :
- Đất nước ngày càng phát triển mạnh mẽ trên tất cả các lĩnh vực khoa học , công
nghệ và dịch vụ ..., trong đó cơ khí được xem là ngành then chốt , là một trong
những ngành mũi nhọn giúp phát triển nhanh nền kinh tế đất nước. Để ngành cơ
khí phát triển trên một bước chuyển dài cả về chất lẫn lượng , cả về công nghệ lẫn

đào tạo thì cần có sự đầu tư lớn, có trọng điểm về lĩnh vực giáo dục chuyên ngành ,
từng bước đuổi kịp đà phát triển của thế giới .
- Từ yêu cầu của thực tế mà cụ thể là lĩnh vực cơ khí , đòi hỏi chất lượng đào tạo
các môn chuyên ngành phải có sự đổi mới, mang tính thực tiễn cao , học phải đi
đôi với hành , đáp ứng được nhu cầu của thực tế sản xuất .
- Trong chương trình đào tạo bậc đại học và cao đẳng các ngành cơ khí thuộc
trường ĐHSP KT, các môn vật liệu học bao gồm : vật liệu học 1, vật liệu học 2, thí
nghiệm vật liệu học, trong đó thí nghiệm vật liệu học cơ khí đang là môn học cần
được đầu tư thêm về trang thiết bị dạy học , thiết bị thí nghiệm, bổ sung thêm các
bài thí nghiệm, để sinh viên có cái nhìn trực quan hơn về nội dung lý thuyết của
các bài học vật liệu trên lớp , qua đó nắm vững bài học , và ứng dụng kiến thức vào
thực tế dễ dàng hơn .
II – MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU :
1 – Mục tiêu :
- Mục tiêu trước mắt : Ứng dụng kiến thức lý thuyết trong chương trình môn vật
liệu học để xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi của thép.
- Mục tiêu cụ thể : Thiết kế và chế tạo thiết bị làm nguội nhanh trong bài thí
nghiệm tôi đầu mút. Thực hiện phần thí nghiệm đo độ thấm tôi , đồng thời xác định
các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thépm, xây dựng bài thí nghiệm đo độ
thấm tôi của thép dựa trên thiết bị tôi đầu mút và trang thiết bị hiện có (kính hiển vi
kim loại học, máy đo độ cứng,...) tại phòng TN Vật liệu của bộ môn CNKL.
- Mục tiêu lâu dài : Hướng tới công nghệ dạy học theo khoa học hiện đại , học đi
đôi với hành. Cung cấp thiết bị thí nghiệm để việc dạy và học đạt hiệu quả hơn,
nâng cao chất lượng dạy và học cho các môn vật liệu học.
2 – Nhiệm vụ :
- Tham khảo các tài liệu liên quan đến môn vật liệu học, cụ thể là các phần về tôi
và ram thép , và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.
- Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài.
- Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị làm nguội nhanh trong tôi đầu mút , thực
hiện thí nghiệm về đo độ thấm tôi.

- Xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi.
III – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI :
1 – Lý thuyết :
- Định nghĩa tôi và ram thép.
- Tính chất của martensite.
- Các phương pháp tôi và ram thép.
- Độ thấm tôi và các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép.
- Các phương pháp đo độ thấm tôi của thép.
Trang 1


2 – Thiết kế và chế tạo thiết bị làm nguội nhanh :
* Các bước thí nghiệm chính :
- Chế tạo mẫu thí nghiệm.
- Chọn chế độ nhiệt luyện cho mẫu.
- Nung nóng trong lò tương ứng.
- Làm nguội bằng thiết bị thí nghiệm.
- Quan sát tổ chức tế vi của thép trên kính hiển vi.
- Đo độ cứng.
- Đánh giá kết quả.
* Thiết kế thiết bị tôi đầu mút:

Sơ đồ nguyên lý
* Chế tạo theo thiết kế :
3 – Thí nghiệm đo độ thấm tôi của thép :
a – Đo độ thấm tôi của thép
b – Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép
- Thành phần hóa học của thép : C, Cr , Mn , …
- Môi trường làm nguội : nước , dầu , không khí ,…
- Tốc độ làm nguội

c – Xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi của thép phục vụ cho môn học thí
nghiệm vật liệu học .
IV – KẾ HOẠCH THỰC HIỆN :
Tt
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Công việc
Hoàn chỉnh đề cương , nghiên cứu lý thuyết
Thiết kế mô hình
Hoàn chỉnh phần thiết kế
Chuẩn bị chế tạo thiết bị tôi đầu mút
Chế tạo thiết bị
Hoàn chỉnh thiết bị
Thí nghiệm, kiểm tra thiết bị
Xây dựng bài thí nghiệm
Thực hiện bài thí nghiệm
Kiểm tra, đánh giá kết quả

Ghi chú

Trang 2

PHẦN I

LÝ THUYẾT
I – Định nghĩa tôi và ram thép :
1 – Tôi thép :
Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép lên trên nhiệt
độ tới hạn Ac1 để có austenite đồng nhất, giữ nhiệt và làm nguội với tốc độ thích
hợp để thực hiện chuyển biến As thành Ms hoặc các tổ chức không ổn định
khác có độ cứng cao.
2 – Ram thép :
Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi có tổ chức Ms lên đến
các nhiệt độ dưới A1 để Ms và As dư phân hóa thành các tổ chức cân bằng hơn
về năng lượng, có cơ tính đáp ứng các yêu cầu cho trước .

II – Tính chất của Martensite :
1- Định nghĩa :
Martensite (viết tắt là Ms) là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Feα với
nồng độ C bằng nồng độ C hòa tan trong Austenite (viết tắt là As) , kiểu mạng
chính phương thể tâm, có độ cứng tùy thuộc vào hàm luongh75 C quá bão hòa.

Hình 1 : Mạng tinh thể của Ms
2- Tính chất :
- Ms có kiểu mạng chính phương thể tâm với độ chính phương c/a lớn hơn 1
.Thông số a và c phụ thuộc vào hàm lượng C trong Ms.
- Ms có độ cứng cao ≥ 50 HRC , có từ tính .
- Ms có tổ chức hình kim , hàm lượng C trong Ms bằng hàm lượng C hòa tan
trong As.
3 – Các đặc điểm của chuyển biến Ms :

- Chuyển biến Ms xảy ra theo cơ chế không khuếch tán nên thành phần hóa
học của nó tương ứng với pha ban đầu As.
- Chuyển biến xảy ra gần như tức thời với vận tốc phát triển tinh thể rất lớn,
khoảng 1.000 ÷ 7.000 m/s. Tinh thể có dạng hình kim hoặc tấm.
- Chuyển biến chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục trong khoảng nhiệt độ M đ
(điểm bắt đầu ) đến Mk ( điểm kết thúc) và vận tốc làm nguội v ≥ vth . Vị trí
của Mđ và Mk chỉ phụ thuộc vào thành phần , không phụ thuộc vào tốc độ

Trang 3


nguội. Khi hàm lượng nguyên tố hợp kim ( trừ Si , Al , Co ) hoặc thành
phần C trong thép tăng lên thì điểm Mđ và Mk đều bị hạ xuống thấp .

Hình 2 : Ảnh hưởng của C đến vị trí điểm Mđ và Mk
- Chuyển biến không xảy ra đến cùng và bao giờ cũng có một lượng Askhông
chuyển biến được gọi là As dư. Hàm lượng As dư phụ thuộc vào vị trí điểm
Mđ và Mk , có nghĩa là phụ thuộc vào thành phần hóa học của thép.
- Về cơ tính, Ms do mạng tinh thể bị xô lệch lớn , gây biến cứng mạng nên nó
có độ bền và độ cứng cao , độ dẻo và độ dai rất thấp. Độ cứng của Ms chỉ
phụ thuộc vào hàm lượng C quá bão hòa. Sự tồn tại của ứng suất nhiệt ( do
làm nguội nhanh và không đều ) và ứng suất tổ chức ( chuyển biến Mslàm
tăng thể tích ) nên sau chuyển biến, trong thép tồn tại ứng suất dư cao và
ảnh hưởng lớn đến độ giòn của Ms.

III - Các phƣơng pháp tôi và ram thép :
1 - Các phƣơng pháp tôi :

Hình 3 : Sơ đồ các phương pháp tôi
a)Làm nguội trong một môi trường, b) Trong hai môi trường

c) Tôi phân cấp,
d) Tôi đẳng nhiệt
1.1 Làm nguội trong một môi trƣờng ( đƣờng a ) :
- Đây là phương pháp tôi đơn giản nhất và thường được dùng , bằng cách
nhúng thép tôi vào một môi trường làm nguội nhanh thích hợp.
- Vấn đề chọn môi trường làm nguội – môi trường tôi – có ý nghĩa quan trọng
đặc biệt.

Trang 4


- Yêu cầu đối với môi trƣờng tôi : Về khả năng làm nguội thép , tức khả năng
nhận được Ms mà không bị nứt và với độ biến dạng nhỏ nhất, môi trường tôi
phải đạt được hai yêu cầu chủ yếu sau :
+ Làm nguội nhanh thép ở trong khoảng As kém ổn định nhất : 500
– 600oC để As không kịp phân hóa thành hỗn hợp Ferrite + Cementite.
Muốn vậy môi trường tôi phải có khả năng làm nguội thép với tốc độ
lớn hơn Vth. Đạt được yêu cầu này sẽ bảo đảm nhận được tổ chức Ms,
thép trở nên cứng. Đây là yêu cầu cơ bản đối với mọi môi trường tôi.
+ Làm nguội chậm thép ở ngoài khoảng nhiệt độ trên , đặc biệt là ở
trong khoảng nhiệt độ chuyển biến Ms ( 300 – 200oC ), điều này sẽ có
tác dụng làm giảm ứng suất tổ chức kèm theo chuyển biến này , bảo
đảm thép tôi không bị nứt và ít cong vênh.
Trong thực tế không môi trường tôi nào đạt được đồng thời cả hai yêu cầu
nêu trên.
1.2 - Tôi trong hai môi trƣờng ( nƣớc và dầu , đƣờng b ) :
- Cách tôi này lợi dụng được cả hai ưu điểm của nước và dầu. Thoạt tiên thép
tôi được làm nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh : nước, dung dịch nước
pha muối, pha kiềm ,… đến khi sắp xảy ra chuyển biến Ms ( 300 – 400oC )
nhấc ra chuyển sang làm nguội chậm trong môi trường tôi yếu : dầu hoặc

không khí cho đến khi nguội hẳn. Như vậy vừa bảo đảm cho thép cứng , vừa
ít gây biến dạng , nứt.
- Nhược điểm về mặt công nghệ của cách tôi này là khó xác định thời điểm và
nhiệt độ chuyển môi trường, nếu quá sớm ( khi nhiệt độ của thép còn cao)
không thể đạt độ cứng cao do có chuyển biến thành hỗn hợp Ferrite +
Cementitevì làm nguội chậm tiếp theo , nếu quá muộn chuyển biến thành Ms
xảy ra gây trong môi trường tôi mạnh dễ gây nứt , biến dạng.Thường xác định
theo kinh nghiệm , ví dụ , thời gian giữ trong nước được tính theo mức là 2 –
3s cho 10 mm đường kính hay chiều dày, sau đó chuyển sang dầu. Cách tôi
này đòi hỏi tay nghề cao ( có kinh nghiệm ), khó cơ khí hóa , chỉ áp dụng cho
tôi đơn chiếc , cho thép C cao yêu cầu độ cứng cao.
1.3 - Tôi phân cấp ( đƣờng c ) :
- Cách tôi này khắc phục được khó khăn về mặt xác định thời gian chuyển môi
trường ở cách tôi trên. Trong cách này thép tôi được nhúng vào một trường
lỏng đang sôi hoặc đang nóng chảy có nhiệt độ cao hơn Mđ khoảng 50-100oC
, thép bị nguội đến nhiệt độ này và giữ nhiệt để đồng đều nhiệt độ trên tiết
diện (trong khoảng 3 – 5 phút) , sao đó nhấc ra làm nguội ngoài không khí để
chuyển biến Ms.
- Ưu điểm của cách tôi này là vẫn đạt độ cứng cao song gây ra ứng suất bên
trong rất nhỏ , độ biến dạng thấp nhất , thậm chí có thể sửa nắn sau khi làm
nguội phân cấp khi thép còn dẻo.
- Hạn chế của tôi phân cấp là chỉ áp dụng được cho các thép có Vth nhỏ (thép
hợp kim cao như thép gió) và với tiết diện mỏng như mũi khoan , lưỡi phay.
* Ba cách tôi vừa nêu đều đạt được tổ chức Ms.
1.4 - Tôi đẳng nhiệt ( đƣờng d ) :
- Phương pháp này chỉ khác tôi phân cấp ở chỗ giữ nhiệt đủ lâu trong muối
nóng chảy để As quá nguội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợp Ferrite
+Cementite nhỏ mịn có độ cứng tương đối cao và độ dai tốt. Tùy theo nhiệt

Trang 5

độ giữ đẳng nhiệt sẽ được các tổ chức khác nhau : 250 - 400oC sẽ nhận được
Bainite , 500 - 600oC được Trustite . Sau khi tôi đẳng nhiệt không phải ram.
- Tôi đẳng nhiệt có mọi ưu điểm của tôi phân cấp chỉ khác là có độ cứng thấp
hơn và độ dai cao hơn.
- Do năng suất thấp trong thực tế ít áp dụng cách tôi này . Một số dụng cụ có
yêu cầu cao về độ biến dạng , không yêu cầu độ cứng cao và gang cầu có áp
dụng cách tôi này.
1.5 - Gia công lạnh :
- Đối với nhiều loại thép dụng cụ hợp kim , do lượng C và nguyên tố hợp kim
cao, điểm Mđ và Mk quá thấp nên khi làm nguội đến nhiệt độ thường vẫn còn
nhiều As dư , làm cho độ cứng đạt được bị hạn chế. Để đạt được độ cứng cao
nhất , người ta có thể đem thép tôi tiếp tục làm nguội ( lạnh ) đến nhiệt độ âm
( -50 hay -70oC ) để As dư tiếp tục chuyển biến thành Ms. Quá trình đó được
gọi là gia công lạnh.
1.6 - Tôi tự ram:
- Là cách tôi với làm nguội không triệt để , chỉ trong thời gian ngắn từ vài đến
vài chục giây để sau đó nhiệt của lõi hay của các phần khác truyền đến, tiến
hành ram ngay phần vừa được tôi. Sau đó không phải đưa ra ram tiếp.
- Tôi tự ram được dùng rộng rãi khi tôi cảm ứng các chi tiết lớn ( băng máy,
trục dài…) tôi đục.
2 - Các phƣơng pháp ram :
2.1 - Ram thấp (150-250oC) :
- Ram thấp là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 150-250oC, tổ
chức đạt được là Ms ram.
- So với thép tôi , sau khi ram thấp nói chung độ cứng không giảm hoặc chỉ
giảm rất ít (1-2 HRC) cá biệt có trường hợp lại tăng lên ( do As dư chuyển
biến thành Ms) , còn ứng suất bên trong giảm đi do đó có tính dẻo , dai tốt
hơn , khó phá hủy giòn hơn.

- Ram thấp áp dụng cho dụng cụ và chi tiết máy cần độ cứng , tính chống mài
mòn cao, chẳng hạn dao cắt , khuôn dập nguội , bánh răng, chi tiết thấm C ,
vòng bi , trục , chốt ,… chúng có yêu cầu độ cứng cao tới 56 – 64 HRC.
2.2 - Ram trung bình ( 300 – 4500C) :
- Ram trung bình là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 300 –
4500C , tổ chức đạt được là Trôxtit ram.
- So với thép tôi , sau khi ram trung bình độ cứng của thép giảm đi rõ rệt ,
nhưng vẫn còn khá cứng , khoảng 40 – 45 HRC , song ứng suất bên trong
giảm mạnh , giới hạn đàn hồi đạt được giá trị cao nhất , độ dẻo , độ dai tăng
lên.
- Ram trung bình áp dụng cho các chi tiết máy , dụng cụ cần có độ cứng tương
đối cao và đàn hồi như lò xo , nhíp , khuôn dập nóng , khuôn rèn.
2.3 - Ram cao (500 - 650oC) :
- Ram cao là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 500-650oC , tổ
chức đạt được là Xoocbit ram.
- So với thép tôi , sau khi ram độ cứng giảm đi rất mạnh , thép trở nên tương đối
mềm , 20 - 25 HRC ( 200 – 300 HB ) , khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong ,
độ bền tuy có giảm đi một phần nhưng độ dẻo, độ dai tăng lên rất mạnh .

Trang 6


- Ram cao áp dụng rộng rãi cho các chí tiết máy cần giới hạn bền , giới hạn
chảy cao , chịu va đập như các loại trục , bánh răng làm bằng thép chứa 0.3
- 0.5 %C .
Ngoài ba phương pháp ram trên còn phải phân biệt ram màu và tự ram.

IV- Độ thấm tôi và các yếu tố ảnh hƣởng đến độ thấm tôi của thép :
1 – Định nghĩa :
Độ thấm tôi là chiều dày của lớp tôi cứng tính từ bề mặt đến lớp có tổ chức

50% Ms và 50% Trôxtit .

Thời gian
Hình 4 : Giản đồ phân hủy As khi làm nguội đẳng nhiệt: Nhiệt độ (T) ,
thời gian (T) , chuyển biến (T).
Giản đồ gồm có 5 vùng :
T ~ 700oC : Peclit tấm , HRC 10 ÷ 15
T ~ 650oC : Xoocbit tôi , HRC 25 ÷ 35
T ~ 500-600oC Trôxtit , HRC 40
T ~ 450-250oC Bainit , HRC 50 ÷ 55
T dưới (Mđ ~ 220oC ) : Mactenxit và Auxtenit dư , HRC ≥ 55
* Từ giản đồ này, có thể đưa ra các nghĩa về độ thấm tôi của thép :
- Lý thuyết : Độ thấm tôi là chiều dày lớp thép có chuyển biến Auxtenit
thành Mactenxit khi tốc độ làm nguội lớn hơn hoặc bằng tốc độ làm
nguội tới hạn, Vng ≥ Vth

Trang 7


Hình 5 : Sự phân bố độ cứng theo tiết diện mẫu tôi
D : Đường kính chi tiết
D1 : Lớp không được tôi
n : Lớp tôi ( Mactenxit )
- Thực tế : Không có ranh giới rõ rệt giữa các lớp thép có tổ chức khác
nhau . Do đó theo thực tế, độ thấm tôi là lớp thép có thành phần tổ chức
Ms lớn hơn hoặc bằng 50% và lượng trustite nhỏ hơn hoặc bằng 50% (
TCVN ).
- Thực nghiệm : Theo thực nghiệm, người ta định nghĩa độ thấm tôi là lớp
thép sau khi tôi tính từ bề mặt vào có độ cứng HRC ≥ 50 ‚ 55. Giữa 2
định nghĩa thực tế và thực nghiệm có phần tương đồng nhau.

* Ý nghĩa của độ thấm tôi :
- Biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng nhiệt luyện ( tôi + ram ), hay
nói đúng hơn là biểu thị tỉ lệ của chi tiết được hóa bền nhờ tôi + ram .
- Sau khi tôi , độ bền , độ cứng của thép tăng lên nhiều lần, song nếu lớp
tôi quá mỏng thì hiệu quả này không đáng kể , chỉ có tính cục bộ, song
khi lớp tôi dày , đặc biệt là khi tôi thấu, hiệu quả này sẽ trở nên rõ rệt
hơn , do đó sức chịu tải của chi tiết tăng lên rõ rệt, điều này đặc biệt quan
trọng đối với các chi tiết lớn , chịu tải trọng nặng.
- Trong thực tế chế tạo máy không yêu cầu thép có độ thấm tôi lớn càng
tốt, mà yêu cầu chọn thép có độ thấm tôi phù hợp với kích thước tiết
diện của chi tiết : chi tiết càng lớn phải làm bằng thép có độ thấm tôi
càng cao, hay nói khác đi mỗi mác thép phù hợp với một tiết diện nào đó
.
- Trong một số trường hợp có thể còn có yêu cầu hạn chế độ thấm tôi để
bảo đảm cho lõi không bị tôi , chi tiết sau khi tôi có độ cứng bề mặt và
độ dai cao.
2 - Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ thấm tôi của thép :
2.1 Nhiệt độ tôi :

Trang 8


t( C)

1539
1392
1200
1147
1000
911

800
727
600
400

1600

 L


A C3

L  XeI

  XeII   XeII  (  Xe) (  Xe)  XeI
A C1

FP

P  XeII

( P  Xe)  XeI

P  XeII  ( P  Xe)

200
0

0.8

2.14

4.3

6.67

%C

Hình 6 : Giản đồ trạng thái Fe - C

- Các kết quả tôi phụ thuộc rất nhiều vào việc chọn đúng chế độ tôi . Các
loại thép khác nhau có nhiệt độ tôi khác nhau .
- Nhiệt độ tôi của thép C được xác định theo giản đồ trạng thái Fe-C nhờ
các điểm tới hạn AC1 và AC3 ( hình 6 ).
+ Đối với thép trước cùng tích và cùng tích ( ≤ 0.8%C ) :
T  AC 3  (30  50o C )

Tạo ra trạng thái hoàn toàn  . Tổ chức đạt được sau khi tôi là
Mactenxit + Auxtenit dư.
+ Đối với thép sau cùng tích ( > 0.8%C ) :
T  AC1  (30  50o C )

Tổ chức đạt được sau khi tôi là Mactenxit + XeII + Auxtenit dư.
2.2 Các môi trƣờng tôi và tốc độ làm nguội :
- Môi trường làm nguội phải bảo đảm tốc độ làm nguội cao ở những nhiệt
độ ổn định nhất Auxtenit quá nguội ( 650 - 550oC) , để ngăn ngừa sự
phân rã có thành phần hỗn hợp Ferit + Xêmentit tức là làm sao để tốc độ
làm nguội lớn hơn hoặc bằng tốc độ làm nguội tới hạn Vln ≥ Vth . Các môi
trường tôi thường dùng :
a) Nước :

+ Nước là môi trường tôi mạnh , dể kiếm , an toàn nên thường dùng
nhiều. Nước lạnh ( 10 – 30oC ) có tốc độ nguội khá lớn (600 oC/s) ,
nên dễ gây cong vênh , nứt và biến dạng. Nước nóng (> 40oC ) làm
giảm mạnh tốc độ nguội ở nhiệt độ cao ( từ 600 giảm xuống còn
100oC/s ) nên làm giảm khả năng tôi cứng, khả năng bị biến dạng
và nứt vẫn không giảm do không giảm tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp.
Vì vậy phải luôn cung cấp nước lạnh vào bể tôi trong lúc tôi.
+ Nước là môi trường tôi cho thép C ( có Vth lớn ) , song không thích
hợp cho các chi tiết có hình dạng phức tạp (dễ gây biến dạng và
nứt).
Trang 9


+ Khi hòa tan vào nước một lượng 10% các muối NaCl , Na 2CO3,
NaOH, khả năng tôi cứng của thép tăng lên ( do tăng tốc độ nguội ở
nhiệt độ cao ) song không tăng khả năng nứt ( vì không tăng tốc độ
nguội ở nhiệt độ thấp ) so với nước. Dung dịch này được dùng để
tôi thép C có Vth lớn.
b) Dầu :
+ Dầu là môi trường tôi phổ biến , có các tính chất hầu như ngược lại
với nước.
+ Dầu làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ do đó ít gây
biến dạng , nứt nhưng khả năng tôi lại kém. Dầu nóng và dầu nguội
có khả năng tôi giống nhau , nên người ta thường tôi trong dầu
nóng 60 – 80oC để có tính loãng ( linh động ) tốt. Song nhược điểm
của dầu là khi quá nóng ( > 150 oC ) sẽ bị bốc cháy , nên trong bể tôi
dầu thường có ống xoắn nước làm nguội.
+ Dầu là môi trường tôi cho thép hợp kim ( có Vth nhỏ ) , các chi tiết
có hình dạng phức tạp , thép C mỏng.
c) Một số môi trường tôi khác :

+ Môi trường không phải chất lỏng như : khí nén , không khí tĩnh,
tấm thép , tấm đồng , muối nóng chảy ,...thích ứng với thép hợp
kim cao ( Vth nhỏ ).
2.3 – Các phƣơng pháp tôi :
- Như đã nói ở trên thì các phương pháp tôi khác nhau cũng ảnh hưởng
đến độ thấm tôi của thép.
2.4 – Tốc độ làm nguội tới hạn và độ ổn định Auxtenit quá nguội :
- Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép chính là tốc
độ làm nguội tới hạn. Tốc độ này càng nhỏ thì độ thấm tôi càng cao. Nếu
tốc độ này nhỏ tới mức Vth < Vnguội của lõi thì lõi cũng được tôi , tức là
toàn tiết diện cũng được tôi và gọi là tôi thấu . Nếu
Vth < Vnguội của
không khí thì thường hóa cũng đạt được tổ chức Mactenxit , đó là hiện
tượng tự tôi.
- Độ ổn định Auxtenit quá nguội và tốc độ tới hạn có tính tương tác. Độ ổn
định Auxtenit quá nguội càng lớn thì tốc độ tới hạn càng nhỏ , và do đó
độ thấm tôi sẽ càng lớn.
2.5 – Thành phần hóa học của thép :

Trang 10


Hình 7
- Hàm lượng C trong Auxtenit có ảnh hưởng rất lớn đến độ thấm tôi.
Auxtenit có C càng cao , càng đồng nhất tính tôi cứng càng lớn, độ thấm
tôi càng cao.
- Tất cả các nguyên tố hợp kim hóa hòa tan trong Auxtenit (trừ Co ) đều
làm tăng độ ổn định Auxtenit quá nguội , tức là làm đường cong chữ ‘C’
dịch sang phải ( hình 7 ), làm giảm Vth , và tất nhiên làm tăng độ thấm
tôi. Cho nên tất cả các loại thép hợp kim đều có độ thấm tôi cao hơn thép

C. Ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim thường dùng :
+ Man gan : Mangan hoà tan vào Ferrit và hoá bền pha này.
Mangan có tác dụng hạ thấp nhiệt độ chuyển biến dẻo - giòn khi
hàm 1ượng nhỏ (<0,2 %) và làm tăng nhiệt độ này khi hàm lượng
tương đối cao (>0,5 %). Mn có tác dụng tăng độ thấm tôi mạnh vói
hệ số tăng độ thấm tôi là 4 (nghĩa là đường kính tôi tới hạn 1ý
thuyết khi cho thêm 1% Mn tăng gấp 4 lần so với thép không có
Mn). Mn là nguyên tố tạo Cacbit yếu, không tạo Cacbit riêng biệt
mà thay thế Fe tạo thành Xêmentit hợp kim. Mn không có tác dụng
đáng kể vào chuyển biến khi ram. Trong thực tế, Mn thường được
sử dụng để tăng cơ tính cho thép không thông qua nhiệt luyện, để
tăng độ thấm tôi cho thép cần nhiệt luyện và đặc biệt để nâng cao
giới hạn đàn hồi cho các loại thép dùng để chế tạo các chi tiết đàn
hồi. Mn thường được sử dụng như một nguyên tố hợp kim độc lập
vì thép có Mn dễ tạo hạt tinh thể thô khi nung, có xu hướng giòn
ram và giảm độ dẻo, độ bền .
+ Silic: Silic không tạo Cacbit và có xu hướng làm thoát Cacbon có
trong thép. Khi nung thép có chứa Si, cần chú ý các biện pháp bảo
vệ tránh thoát Cacbon. Si có tác dụng làm tăng độ thấm tôi là 1,7.
Si còn có tác dụng chống ôxi hóa cho thép ở nhiệt độ cao. Si có tác
dụng tăng tính đàn hồi cho thép. Vì vậy, Si thường có mặt trong các
mác thép đàn hồi.
+ Crôm: Trong thép, Crôm liên kết với Cacbon tạo Cacbit phức tạp
dễ hòa tan vào Auxtenit khi nung lên trên 900o C. Giống như Mn và
Si, Cr cũng có tác dụng tăng độ thấm tôi với hệ số 3,2. Do tạo các
loại Cacbit phân tán nhỏ mịn nên Cr có tác dụng chống ram, nâng
cao độ bền nóng cho thép. Cũng với nguyên nhân này, Cr có tác
dụng làm tăng mạnh khả năng chống mài mòn cho thép.
+ Niken: Ni là nguyên tố không tạo Cacbit. Ni được hợp kim hóa
Trang 11

cho thép với mục đích chủ yếu là nâng cao độ thấm tôi cho thép ở
mức trung bình (hệ số 1,4). Ni giữ hạt nhỏ cho thép thấm Cacbon.
- Kích thước hạt cơ bản cũng có ảnh hưởng đến độ thấm tôi . Độ thấm tôi
của thép hạt lớn cao hơn thép hạt mịn. Tuy nhiên , mặc dù thép hạt lớn
có độ thấm tôi cao hơn , trên thực tế người ta vẩn sử dụng thép hạt mịn
để chế tạo các chi tiết quan trọng vì thép hạt mịn có độ dai va đập cao
hơn.
- Các tạp chất không hòa tan trong Auxtenit gồm các Ôxit , Cacbit , các
tạp chất phi kim loại , các hợp chất giữa các kim loại , chúng thúc đẩy
chuyển biến thành hỗn hợp Ferit - Cacbit , làm tăng Vth, nếu với số
lượng đáng kể chúng có khả năng làm giảm độ ổn định Auxtenit quá
nguội , nghĩa là làm giảm độ thấm tôi của thép.

V – Các phƣơng pháp đo độ thấm tôi của thép :
- Để đo độ thấm tôi chủ yếu người ta dựa vào cách phân biệt giữa vùng tôi và
vùng không tôi. Có rất nhiều cách để phân biệt được sự khác nhau này , từ đó đo
được độ thấm tôi , dưới đây là một số phương pháp phổ biến :
1 - Quan sát tổ chức tế vi :
- Sau khi tôi, những vùng có tốc độ nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn của
thép thì Auxtenit sẽ chuyển biến hoàn toàn thành Mactenxit, những vùng
có tốc độ nguội nhỏ hơn tốc độ tới hạn sẽ có tổ chức không hoàn toàn là
Mactenxit, mà nó còn có thêm các tổ chức khác như : Xoocbit, Trustit,
Bainit … khi đó, thông qua việc quan sát các mẫu thử trên kính hiển vi
với độ phóng đại cao, người ta có thể phân biệt được ranh giới các tổ
chức khác nhau của thép, từ đó xác định được tốc độ thấm tôi của thép.
2 - Đo từ tính :
- Ở phương pháp này, người ta phân biệt giữa hai vùng bằng cách đo từ
tính , vùng nào có Mactenxit nhiều thì vùng đó sẽ có từ tính mạnh hơn.

Cách đo này ít được dùng tới , vì sự khác nhau giữa hai vùng rất khó
phân biệt.
3 - Đo độ cứng :
- Như đã biết, Mactenxit là tổ chức có độ cứng rất cao, cao hơn các tổ
chức khác như ( Xoocbit, Trustit, Bainit … ) sau khi tôi. Người ta dựa
vào đặc điểm này của thép để xác định độ thấm tôi của thép.
a) Độ cứng trong tiết diện mẫu tôi:
- Xác định bằng thực nghiệm độ thấm tôi bằng cách đo độ
cứng trong tiết diện của mẫu tôi .

Trang 12


HRC

1000 C

60

900 C

50

850 C

40
800 C

30
20

10
10

5

0

5

10

Hình 8 : Độ thấm tôi theo tiết diện của một loại thép dụng cụ
b) Theo đầu mút:

Hình 9 : Sơ đồ nguyên lý tôi đầu mút
- Phần này sẽ được nghiên cứu trong phần thí nghiệm đo độ thấm
tôi của thép.

Trang 13


PHẦN II

THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
I – Chế tạo mẫu thí nghiệm :
* Các loại mẫu thí nghiệm:
- Phôi trụ tròn :
+ 25, L  100
+ 15, L  80
+ 20, L  90

- Phôi trụ vuông :
+ Vuông 25 , L = 100
+ Vuông 20 , L = 90
+ Vuông 15 , L = 80
- Vật liệu làm phôi :
+ Thép ( < 0.3%C ) : thép xây dựng.
+ Thép (0.45 – 0.55%C ) : C45.
+ Thép (0.6 – 0.9%C ) : thép lò xo.
+ Thép ( 1%C ) : thép ổ lăn.

II – Chất làm nguội :
- Nước lạnh ( 25 ± 5oC ) : như phần trên đã đề cập, nước là môi trường tôi mạnh
, dễ kiếm , an toàn nên thường dùng nhiều , tuy nhiên để tăng khả năng làm nguội có
thể sử dụng dung dịch NaCl 5% , NaOH 5% ,… trong nước

III – Thiết kế mô hình thí nghiệm :
1 – Cấu tạo phôi :

Phôi vuông

Phôi tròn

2 – Thanh giữ phôi :
- Do phải tiếp xúc
trực tiếp với phôi
nóng ( >700oC ) nên thanh
Trang 14


giữ phôi được làm bằng thép để chịu nhiệt. Để tiện cho việc chế tạo , vật liệu làm

thanh này theo thiết kế là C45 vừa dể kiếm , vừa chịu được nhiệt theo yêu cầu.
3 – Vòng đệm dẫn hƣớng phôi :
- Cũng như thanh giữ phôi chi tiết này cũng tiếp xúc
trực tiếp với phôi nóng , nên vật liệu làm chi tiết này
cũng được thiết kế là C45. Đường kính ngoài của lỗ
sẽ được lắp lỏng với thanh giữ phôi , đường kính
trong sẽ thay đổi phụ thuộc vào kích thước của phôi.

4 – Khối hợp định vị thanh giữ phôi :

Phôi được làm nguội diễn ra bên trong chi tiết này , vì đây là mô hình dùng cho
việc thí nghiệm nên vật liệu làm nó được thiết kế là mica để trắng, trong suốt
tiện cho việc quan sát thí nghiệm của sinh viên.
5 – Thanh định vị vòi phun :

-

Bộ phận định vị vòi phun sẽ có cấu
tạo như hình bên.

Trang 15


-

Toàn bộ phần này sẽ được gá lên hai thanh ngang đã được cố định ở
thùng nước bên dưới như hình vẽ .

6 – Thùng chứa nƣớc sau khi tƣới nguội :

- Cũng với mục đích là cho sinh viên dễ quan sát quá trình diễn ra thí
nghiệm , nên vật liệu làm thùng chứa nước này cũng được làm bằng
mica trắng, trong suốt .
7 – Thùng cấp nƣớc tƣới nguội :
- Để chiều cao cột nước phun ra khỏi vòi phun ( có đường kính
12mm ) là 70 mm thì sau nhiều lần thí nghiệm nhóm làm đề tài đã
chọn được thể tích của bình cấp nước là 50l , với chiều cao mực
nước của thùng so với vòi phun là 400mm.
- Để điều chỉnh chiều cao cột nước phun lên theo yêu cầu , nhóm
làm
đề tài đã sử dụng 2 van nước , một van điều chỉnh cột nước đặt
ở gần vòi
phun và một van cung cấp nước đặt ở thùng cấp.
- Để ổn định áp lực nước lên phôi khi tưới nguội thì
trong khi tưới nguội máy bơm nước từ thùng dưới (thùng
Trang 16


chứa nước sau khi tưới nguội) sẽ bơm liên tục lên thùng cấp , đồng thời trên
thùng cấp có khoét một lỗ  30 gần miệng thùng , khi đó nước sẽ được giữ gần
như ổn định trong suốt quá trinh tưới nguội.
8 – Máy bơm nƣớc :
- Để bơm được nước từ thùng dưới lên thùng cấp , bù lại lượng
đã dùng cho việc tưới nguội thì máy bơm nước phải có khả
bơm lên cao hơn 2m. Từ đó nhóm làm đề tài đã sử dụng máy bơm
công suất 60W, có khả năng bơm nước lên cao tới 4m , đáp ứng
được
cầu của bài thí nghiệm.

nước

năng
có
yêu

9 - Lắp ghép :
- Mô hình sản phẩm :

-

Mô hình lắp ghép:

-

Sản phẩm đang làm việc :

Trang 17


Trang 18


PHẦN III

CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
I. Chọn mẫu thép làm thí nghiệm :
-Việc đầu tiên khi tiến hành thí nghiệm là chọn mẫu .Bài thí nghiệm sẽ tiến
hành trên một số loại thép có nồng độ C như sau :
o Thép CT3 ( Theo tiêu chuẩn ГOST), tương đương với thép CT 38
đến CT 42 theo TCVN.
o Thép C45 ( Theo tiêu chuẩn TCVN).

o Thép CD100 ( Theo tiêu chuẩn TCVN).
* Lý do để chọn các loại thép trên để làm thí nghiệm như sau :
 Dễ tìm vì có sẵn ở phòng thí nghiệm.
 Do hàm lượng Cacbon trong thép ảnh hưởng đến độ thấm tôi , nên
ta chọn các loại thép có thành phần Cacbon tăng dần để phân tích
,đánh giá ảnh hưởng nói trên.
* Bảng vật liệu được chọn làm mẫu :
1 - Thép CT3 ( Theo tiêu chuẩn ГOCT – tiêu chuẩn nhà nƣớc của Liên
Xô cũ)
a) Thành phần hóa học (%):

Tiêu
chuẩn
ГOCT

Số
hiệu
thép

CT3

C,
~

Mn,
~

Cr,
~

Ni,
~

0.21
0,35-0,65
b) Cơ tính ở trạng thái ban đầu :
бb, *
kG/
mm2

380490

б0.2,
min,MPa
≤20

250

20-40

240

Mo,
~

P,
max

S,
max

Khác,
max

-

0,07

0,06

-

Độ giãn dài δS min % , cho độ dày mm
40-100

23

>100

21

≤ 20

26

20-40

25

Uốn gập cho độ

dày,mm
≤20

>20

Đường
kính
gối uốn
d=0.5a tăng lên
theo độ
dày của
mẫu
Trang 19


c) Tổ chức tế vi ở trạng thái ban đầu :

Tổ chức tế vi

Phân tích
 Theo giản đồ Fe-C thì thép trước
cùng tích có tổ chức là ferit và peclit
và thép cùng tích chứa 100% là
peclit . Có nghĩa là 0.8%C thì có
100% peclit , vậy thép chứa 0.2%C
thì sẽ có 25% là peclit . 75% còn lại
sẽ là ferit .
 Trong đó ferit có màu sáng và peclit
có màu tối

d) Công dụng và chế độ nhiệt luyện tổng quát :


Công dụng .

Có độ dẻo ,độ dai cao, độ bền độ cứng thấp , hiệu quả tôi + ram không
cao. Được sử dụng chủ yếu trong các kết cấu xây dựng , làm thép lá, tấm để
dập nguội , muốn nâng cao độ bền ,độ cứng phải qua thấm Cacbon.


Chế độ nhiệt luyện tổng quát.

Vì CT3 có thành phần Cacbon khoảng 0.21%, tương đối thấp ,để chế
tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao nhưng bề mặt bị mài mòn
mạnh như bánh răng, cam. Để đạt đươc yêu cầu đó thép phải qua thấm
Cacbon, tôi + ram thấp .
2- Thép C45 ( Tiêu chuẩn Việt Nam):
a) Thành phần hóa học (%) :

Tiêu
chuẩn

C,
~

Mn,
~

Cr,
~

Ni,
~

Mo,
~

P,
max

S,
max

Khac,
max

TCVN

0.45

0.7

-

-

-

0.04

0.04

Trang 20


b) Cơ tính ở trạng thái ban đầu :
бbk
MPa

бbch
MPa

δ,
%

Ψ,
%

ak102.
kJ/m2

610

360

16

40

5

c) Tổ chức tế vi ở trạng thái ban đầu :
Tổ chức tế vi

Phân tích
 0.8%C thì có 100% peclit , vậy thép
chứa 0.45%C thì sẽ có 56% là peclit .
44% còn lại sẽ là ferit .
 Như vậy trong thép C45 sẽ có 56% là
peclit có màu tối và 44% ferit có màu
sáng

d ) Công dụng và chế độ nhiệt luyện tổng quát :

Công dụng
- Thép C45 là loại thép với lượng Cacbon trung bình ,có độ bền độ
dai đều khá cao .Được dùng làm các chi tiết máy chịu tải và va đập
như trục , bánh răng..

Chế độ nhiệt luyện tổng quát
 Nhiệt luyện sơ bộ :
- Vì C45 là loại thép hóa tốt được dùng làm các chi tiết quan trọng
đòi hỏi qua gia công cắt gọt vì thế thường qua nhiệt luyện sơ bộ .
- Sau khi rèn ,dập nóng để hình thành phôi thép được mang đi ủ hoàn
toàn , ở các thép dẻo phải thường hóa hoặc ram cao để đạt độ cứng
180- 220 HB để dễ gia công cắt gọt .
 Nhiệt luyện kết thúc :
- Để đảm bảo sự kết hợp cao nhất của các chỉ tiêu cơ tính ( hơn hẳn
trạng thái đặc biệt là nâng cao giới hạn chảy và độ dai , thép phải có
tổ chức xootbit bằng cách tốt nhất là tôi+ ram cao , nếu không thì

cũng phải thường hóa .
Trang 21