Giáo trình Thí nghiệm Vật liệu học: Phần 1

Chia sẻ: Minh Hi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn giáo trình Thí nghiệm Vật liệu học cung cấp cho người đọc các kiến thức: Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của kim loại, đo độ cứng và nghiên cứu quá trình tôi thép, nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim Fe – C, nghiên cứu tổ chức gang graphite. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Thí nghiệm Vật liệu học: Phần 1

2
GIỚI THIỆU Trong thế kỉ XX và đầu thế kỉ XXI, ngành vật liệu và các ngành khác đã tạo ra một cuộc cách mạng trong cuộc đại cách mạng công nghệ, bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, và công nghệ vật liệu. Trong lĩnh vực vật liệu cơ khí, từ vật liệu kim loại, polymer, ceramic, cho đến vật liệu composite đang phát triển mạnh mẽ với các tính chất ngày càng tốt hơn, dễ gia công hơn, giá thành cạnh tranh hơn đáp ứng ngày càng tốt hơn các yêu cầu của cuộc cách mạng khoa học và công nghệ. Môn Thí nghiệm Vật liệu học song hành với môn Vật liệu học là một trong những môn nền tảng cho ngành cơ khí, cung cấp cho người họccác kiến thức về cấu trúc và tính chất của các nhóm vật liệu để quá trình gia công chế tạo, xử lý, sử dụng vật liệu đạt hiệu quả tối đa. Cuốn sách này dùng cho sinh viên các trường nghề, trường cao đẳng, đại học các chuyên ngành cơ khí như Công nghệ Chế tạo máy, Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp,… nhằm củng cố phần lý thuyết cơ bản về vật liệu cơ khí và rèn luyện kỹ năng làm việc trong phòng thí nghiệm, gồm các nội dung chính: - Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi kim loại và hợp kim. - Nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim sắt – carbon ở trạng thái cân bằng như thép, gang trắng và tổ chức tế vi của gang graphite. - Đo độ cứng thép trước và sau khi tôi; nghiên cứu quá trình tôi thép. - Nghiên cứu quá trình ram thép. Tài liệu này có phần sau viết bằng tiếng Anh theo xu hướng hội nhập quốc tế. Cuốn sách cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho các kỹ thuật viên, kỹ sư công tác trong lĩnh vực cơ khí, vật liệu. Nhóm tác giả 3
4
MỤC LỤC BÀI 1: CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA KIM LOẠI ................................................................... 9 1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU ...................................................................... 9 1.2 LÝ THUYẾT ...................................................................................... 9 1.2.1 Cấu tạo của kim loại và hợp kim .............................................. 9 1.2.2 Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi ........................................ 10 1.2.3 Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim loại .................................................................................. 11 1.3 THÍ NGHIỆM ................................................................................... 12 1.3.1 Chọn và cắt mẫu ..................................................................... 12 1.3.2 Mài mẫu .................................................................................. 13 1.3.3 Đánh bóng ............................................................................... 14 1.3.4 Tẩm thực ................................................................................. 15 1.3.5 Quan sát trên kính hiển vi ....................................................... 16 1.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 17 BÀI 2: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM Fe – C ...................................................................................... 18 2.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .................................................................... 18 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 18 2.2.1 Các dạng thù hình của sắt ....................................................... 18 2.2.2 Các dạng thù hình của C ......................................................... 19 2.2.3 Tương tác giữa Fe và C .......................................................... 20 2.2.4 Giản đồ trạng thái Fe-C .......................................................... 21 2.2.5 Các tổ chức cơ bản ................................................................. 23 2.2.6 Phân loại thép và gang trắng ................................................... 27 2.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM .............................................................. 29 2.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 29 BÀI 3: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC GANG GRAPHITE .................. 30 3.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .................................................................... 30 3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 30 3.2.1 Khái niệm ............................................................................... 30 5
3.2.2 Điều kiện hình thành graphite ................................................ 31 3.2.3 Hình dạng graphite và phân loại gang graphite ...................... 32 3.2.4 Gang xám ................................................................................ 32 3.2.5 Gang dẻo (gang rèn) ............................................................... 33 3.2.6 Gang cầu (gang có độ bền cao) .............................................. 34 3.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM .............................................................. 35 3.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 36 BÀI 4: ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÔI THÉP ............................................................................. 37 4.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .................................................................... 37 4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 37 4.2.1 Độ cứng .................................................................................. 37 4.2.2 Tôi thép ................................................................................... 44 4.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM .............................................................. 47 4.3.1 Nhận mẫu sau khi ủ ................................................................ 47 4.3.2 Đóng số ................................................................................... 48 4.3.3 Đo độ cứng HRB/HB ............................................................. 48 4.3.4 Tôi mẫu thép ........................................................................... 48 4.3.5 Đo độ cứng sau khi tôi ............................................................ 49 4.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 49 BÀI 5: RAM THÉP CARBON SAU KHI TÔI .............................. 50 5.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .................................................................... 50 5.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 50 5.2.1 Ram thấp (150°C÷250°C) ...................................................... 51 5.2.2 Ram trung bình (300°C÷450°C) ............................................. 51 5.2.3 Ram cao (500°C÷650°C) ........................................................ 51 5.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM .............................................................. 52 5.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 52 Lesson 1 PREPARING SPECIMENS FOR RESEARCHING MICROSTRUCTURE OF METALS AND ALLOYS ....................... 53 1.1 PURPOSE ........................................................................................ 53 1.2 THEORETICAL BACKGROUND ................................................. 53 1.2.1 The structure of metals and alloys ......................................... 53 6
1.2.2 Principles of microstructure research .................................... 54 1.2.3 Metal microscope ................................................................... 55 1.3 MANUFACTURING SAMPLES ................................................... 56 1.3.1 Select and sectioning the sample ........................................... 56 1.3.2 Grinding sample ..................................................................... 57 1.3.3 Polishing ................................................................................ 58 1.3.4 Etching ................................................................................... 59 1.3.5 Observing on optical metallurgical microscope .................... 60 1.4 REPORT .......................................................................................... 62 Lesson 2 MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF IRON - CARBON ALLOYS ................................................................................................ 63 2.1 PURPOSE ........................................................................................ 63 2.2 THEORETICAL BACKGROUND ................................................. 63 2.2.1 Allotropes of iron ................................................................... 63 2.2.2 Allotropes of carbon .............................................................. 64 2.2.3 Interaction between Fe and C ................................................ 65 2.2.4 The Fe-C phase diagram ......................................................... 66 2.2.5 Fundamental microstructures ................................................ 67 2.2.6 Classification of steel and white cast iron ............................. 71 2.3 EXPERIMENTAL CONTENT ....................................................... 73 2.4 REPORT .......................................................................................... 73 Lesson 3 MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF GRAPHITE - CAST IRON ....................................................................................................... 74 3.1 PURPOSE ........................................................................................ 74 3.2 THEORETICAL BACKGROUND ................................................. 74 3.2.1 Definition ............................................................................... 74 3.2.2 Graphite forming conditions .................................................. 74 3.2.4 Classification in graphite cast iron ........................................ 75 3.2.5 Gray cast iron ......................................................................... 76 3.2.6 Malleable cast iron ................................................................. 77 3.2.7 Nodular cast iron .................................................................... 78 3.3 EXPERIMENTAL CONTENT ....................................................... 79 3.4 REPORT .......................................................................................... 80 7
Lesson 4 HARDNESS TESTING AND QUENCHING STEEL PROCESS ............................................................................................. 81 4.1 PURPOSE ........................................................................................ 81 4.2 THEORETICAL BACKGROUND ................................................. 81 4.2.1 Hardness ................................................................................ 81 4.2.2 Quenching .............................................................................. 89 4.3 EXPERIMENTAL CONTENT ....................................................... 93 4.3.1 Receive samples .................................................................... 93 4.3.2 Numbering ............................................................................. 93 4.3.3 Hardness testing of HRB/HB ................................................ 93 4.3.4 Quenching sample steel .......................................................... 93 4.3.5 Hardness measurement after quenching ................................ 94 4.4 REPORT .......................................................................................... 94 Lesson 5 TEMPERING QUENCHED – STEEL ............................................... 95 5.1 PURPOSE ........................................................................................ 95 5.2 THEORETICAL BACKGROUND................................................. 95 5.2.1 Low tempering (150°C ÷ 250°C) .......................................... 96 5.2.2 Medium tempering (300°C ÷ 450°C) .................................... 96 5.2.3 High tempering (500°C ÷ 650°C) ........................................... 97 5.3 EXPERIMENTAL CONTENT ....................................................... 97 5.4 REPORT .......................................................................................... 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 99 8
BÀI 1 CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA KIM LOẠI 1.1. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU - Đánh giá được tầm quan trọng của công tác chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi. - Tìm hiểu tổ chức tế vi của kim loại và hợp kim. - Thực hành các bước để chuẩn bị mẫu nghiên cứu: chọn mẫu, cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát. - Chọn dung dịch tẩm thực thích hợp. - Sử dụng thiết bị và vật tư cho việc làm mẫu nghiên cứu. 1.2. LÝ THUYẾT 1.2.1. Cấu tạo của kim loại và hợp kim Hình 1.1. Hạt và biên giới hạt Vật liệu kim loại thường có cấu tạo gồm nhiều đơn tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau, được gọi là đa tinh thể. Đơn tinh thể được coi là tinh thể hoàn chỉnh, đa tinh thể gồm nhiều đơn tinh thể. Từng đơn tinh thể trong đa tinh thể được gọi là hạt tinh thể, do đó cấu trúc đa tinh thể còn được gọi là cấu trúc (tổ chức) hạt (Hình 1.1). Các nguyên tử trong từng hạt tinh thể luôn luôn sắp xếp một cách có trật tự. Còn các nguyên tử ở biên giới hạt thường sắp xếp không trật tự do tác động của các hạt xung quanh. 9
Hợp kim được cấu tạo từ một hoặc nhiều pha. Các pha khác nhau đều có các tính chất đặc trưng khác nhau (cơ tính, lý tính, hóa tính). Mục đích của công tác chuẩn bị mẫu là để nghiên cứu, phân biệt rõ cấu trúc (tổ chức) hạt, biên giới hạt, các pha,… khi quan sát dưới kính hiển vi kim loại. 1.2.2. Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi Nghiên cứu tổ chức tế vi là công việc quan sát hình ảnh phóng đại của bề mặt mẫu đã được chuẩn bị, thông qua kính hiển vi. Hình ảnh này thể hiện cấu tạo và tổ chức của kim loại và hợp kim, mà cơ tính và lý tính của vật liệu đều có liên quan đến tổ chức quan sát được. Hình 1.2. Phản xạ ánh sáng của mẫu đã tẩm thực Để có được hình ảnh tổ chức tế vi, ta cần lần lượt thực hiện các bước: cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát. Sau bước đánh bóng, nếu chiếu chùm tia sáng vuông góc vào mặt mẫu được đánh bóng, chùm tia sẽ phản xạ toàn phần. Lúc này mẫu sáng bóng khi quan sát dưới kính hiển vi. Sau đó sử dụng dung dịch thích hợp để ăn mòn trên mặt mẫu đã 10
đánh bóng (tẩm thực). Do mẫu tạo bởi các pha có tính chất hóa học khác nhau nên trên từng pha thì mức độ ăn mòn, cũng như giữa hạt tinh thể và biên giới hạt khác nhau, từ đó làm xuất hiện độ mấp mô khác nhau. Sự tương phản sáng tối giữa các pha, hạt và biên giới hạt, sẽ làm nổi rõ tổ chức tế vi của kim loại – hợp kim (Hình 1.2). 1.2.3. Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim loại Hình 1.3. Nguyên lý phản xạ của kính hiển vi kim loại Nguyên lý quan sát: Phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu đã được chuẩn bị bằng kính hiển vi, tín hiệu sử dụng là ánh sáng phản xạ từ bề mặt mẫu (Hình 1.3). Độ phóng đại của kính hiển vi kim loại thường trong khoảng 80 ÷ 2000 lần (được tính theo tích số độ phóng đại vật kính, độ phóng đại thị kính, và hệ số hiệu chỉnh). Muốn quan sát với độ phóng đại cao hơn, ta phải dùng kính hiển vi điện tử. a) Vết nứt tế vi b) Rỗ khí Hình 1.4. Khuyết tật tế vi của vật liệu 11
Nhờ kính hiển vi mà có thể quan sát được tổ chức của các pha, sự phân bố, hình dáng và kích thước của chúng. Với gang graphite, có thể dễ dàng xác định được hình dáng, kích thước và sự phân bố của graphite trên pha nền. Ngoài ra, còn có thể thấy được các khuyết tật của vật liệu như vết nứt tế vi, rỗ và các tạp chất…(hình 1.4). 1.3. THÍ NGHIỆM 1.3.1. Chọn và cắt mẫu Tùy theo yêu cầu và nhiệm vụ của nghiên cứu và thí nghiệm mà chọn vị trí và phương pháp cắt mẫu cho phù hợp. Việc cắt mẫu phải được tiến hành cẩn thận để đảm bảo không bị ảnh hưởng đến tổ chức tế vi của mẫu trong quá trình cắt. Với các thép và gang đã nhiệt luyện thì yêu cầu nhiệt độ của vị trí cắt không quá 1000C. Kích thước mẫu thường là: 10x10 hoặc 10x10 (mm2), tối thiểu là 3 mm2 và ít nhất phải có một mặt phẳng để có thể quan sát tổ chức tế vi. Chi tiết cần cắt Bàn kẹp Đá cắt mẫu Đầu di động của máy Hình 1.5. Máy cắt mẫu Abrasimatic 300 Buehler Dựa vào mục đích quan sát mà có thể cắt mẫu theo tiết diện ngang hoặc cắt theo dọc trục. Khi muốn quan sát sự thay đổi tổ chức từ bề mặt vào lõi thì cắt theo tiết diện ngang. Muốn nghiên cứu tổ chức dạng thớ, sợi nên cắt theo chiều dọc trục (Hình 1.6). a) Cắt theo tiết diện ngang b) Cắt theo tiết diện dọc Hình 1.6. Các kiểu cắt mẫu 12
Nếu mẫu quan sát nhỏ cần phải dùng kẹp để giữ mẫu hoặc đổ khuôn cố định mẫu (Hình 1.7). Hình 1.7. Các kiểu kẹp mẫu 1.3.2. Mài mẫu 1.3.2.1. Mài thô Mẫu được mài trên máy mài hoặc đánh bằng giấy nhám hạt thô sao cho hai mặt trên dưới là mặt A và mặt B song song với nhau, sau đó vát mép. Mặt B Vát mép Mặt A Hình 1.8. Máy mài đá hai đầu Makita 1.3.2.2. Mài giấy nhám Giấy nhám có các số 180, 240, 320, 400, 600… Con số này chỉ số hạt mài trên 1 cm2. Khi mẫu là nhôm hoặc đồng và các hợp kim của chúng thì giấy nhám phải mịn hơn, từ tờ thứ tư trở đi phải có độ mịn từ 600 đến 1500. Đầu tiên mài trên giấy nhám 180. Giấy nhám đặt trên mặt bàn phẳng (tấm kính), dùng tay nắm chặt mẫu, tì nhẹ mặt mẫu vào mặt giấy nhám ở vị trí 1, đẩy mẫu tới vị trí 2, sau đó nhấc mẫu lên khỏi bề mặt giấy nhám, rồi đưa về vị trí 1 và lặp lại động tác đã thực hiện. Đường song song 1 2 Hình 1.9. Mài mẫu trên giấy nhám 13
Sau khi mài khoảng 50 đến 70 lần, bề mặt mẫu chỉ còn các đường song song. Sau đó xoay mẫu 900, tiếp tục mài trên giấy nhám nhằm khử các xước cũ và tạo các vết xước mới. Lặp đi lặp lại bước mài và xoay mẫu từ ba đến năm lần. Quan sát bằng mắt thường, nếu thấy các vết xước đều và sâu như nhau thì xoay 900, rồi lần lượt chuyển sang giấy nhám cỡ 240, sau đó 320 và cuối cùng là cỡ 400. Chú ý: Khi chuyển từ giấy mài thô sang giấy mịn hơn phải lau sạch mẫu để tránh hạt mài thô bám trên mẫu chuyển sang giấy nhám mịn hơn. 1.3.3. Đánh bóng Sau khi hoàn tất mài thô, tạo được bề mặt phẳng nhưng vẫn tồn tại các vết xước mịn, phải đem rửa sạch mẫu, rồi đánh bóng để xóa các vết xước trên bề mặt mẫu. Đánh bóng mẫu trên một miếng dạ hay vải nỉ được gắn trên máy đánh bóng (Hình 1.10). Một số hỗn hợp đánh bóng mẫu thông dụng được thể hiện trên Bảng 1.1. Hình 1.10. Máy mài và đánh bóng mẫu EcoMet 30 Buehler Bảng 1.1. Thành phần hỗn hợp đánh bóng thông dụng Hỗn hợp oxit crôm Hỗn hợp oxit nhôm (%) (%) Tên các chất Mịn Trung Thô Mịn Trung Thô bình bình Cr2O3 72 76 86 32 35 7 Al2O3 - - - 32 35 7 Parafin 24 20 12 30 24 20 Axitoleic C17H33CO2H 1.8 1.8 - 3 2 3 Dầu hỏa 2 2 2 2 2 2 Na2CO3 0.2 0.2 - 1 1 1 14
Sau khi đánh bóng xong, phải rửa mẫu lại cho thật sạch và sấy khô mẫu. Nếu sau khi đánh bóng, quan sát trên kính hiển vi vẫn thấy còn vết xước thì phải tiến hành đánh bóng lại. 1.3.4. Tẩm thực Bề mặt mẫu trước khi tẩm thực phải sạch vết xước, rỉ sét, tạp chất. Muốn nghiên cứu tổ chức tế vi cần phải tẩm thực mẫu. Tẩm thực là quá trình ăn mòn bề mặt kim loại bằng các dung dịch hóa học thích hợp. Dung dịch hóa học thích hợp này được gọi là dung dịch tẩm thực. Một số dung dịch tẩm thực thông dụng được trình bày trên Bảng 1.2 Bảng 1.2. Một số dung dịch tẩm thực thông dụng Ghi TT Thành phần dung dịch Công dụng chú Gang, thép 1 4% acid HNO3 trong cồn (Nital) carbon Gang, thép 2 4% acid picric trong cồn (Picral) carbon Phân biệt giữa ferrite và Dùng 3 Dung dịch picrat natri cementite trong ngay Pearlite tấm sau khi pha 20 cm3 HCl đậm đặc + 5g CuSO4+ 4 Thép bền nóng 20 cm3 H2O 5 3 phần HCl + 1 phần HNO3 Thép không gỉ 6 3% FeCl2 trong dung dịch 10% HCl Hợp kim đồng 7 Dung dịch 0.5% HF trong nước Hợp kim nhôm Với thép carbon, sử dụng dung dịch 4% Nital. Thời gian tẩm thực (nhúng) mẫu vào dung dịch là vài giây tới vài chục giây tùy theo trạng thái và thành phần của kim loại và hợp kim. Bông tẩm dung dịch tẩm thực Rửa nước Hình 1.11. Tẩm thực và rửa mẫu 15
Nếu dùng bông tẩm thì phải xoay bông tẩm nhanh và đều trên bề mặt mẫu để đảm bảo dung dịch ăn mòn đều. Sau đó rửa sạch bề mặt mẫu ở vòi nước chảy một cách nhanh chóng để tránh ăn mòn hóa học sâu vào bề mặt kim loại. Cuối cùng rửa lại bằng cồn, lau khô và đem sấy khô nhẹ nhàng (thời gian sấy ngắn để tránh mẫu bị oxy hóa). Nếu quan sát trên kính hiển vi, các đường biên giới hạt đứt đoạn là tẩm thực chưa đủ thời gian, phải đem tẩm thực thêm. Ngược lại, bề mặt mẫu có màu đen đậm, độ tương phản kém thì mẫu đã tẩm thực quá lâu, phải đem đánh bóng và tẩm thực lại. 1.3.5. Quan sát trên kính hiển vi Cấu tạo kính hiển vi kim loại gồm: vật kính, thị kính, bàn mẫu, nguồn sáng, núm điều chỉnh thô, tinh,… Camera Thị kính Bàn mẫu Vật kính Công tắc nguồn Núm điều chỉnh cường độ ánh sáng Núm thô Núm tinh Hình 1.12. Kính hiển vi kim loại Trình tự thao tác: - Bước 1: Cắm điện, bật công tắc đèn, điều chỉnh ánh sáng phù hợp (không nên để đèn sáng quá dễ đứt tim bóng đèn). - Bước 2: Chọn vật kính, thị kính; điều chỉnh dãn cách mắt. - Bước 3: Đặt mẫu lên bàn mẫu, dùng núm điều chỉnh để mẫu ở vị trí trực diện với vật kính. - Bước 4: Điều chỉnh núm thô kết hợp với quan sát trong thị kính, khi ánh sáng trong thị kính sáng hẳn lên là lúc sắp nhìn thấy tổ chức tế vi, lúc này cần điều chỉnh nhẹ nhàng từng chút một để có thể quan sát tổ chức tế vi hơi mờ. - Bước 5: Điều chỉnh núm tinh để nhìn rõ tổ chức tế vi 16
QUY TRÌNH CHUẨN BỊ MẨU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI - Sạch bavia Mài thô - Máy mài đá hai đầu - Đeo kính bảo hộ -Giấy nhám 180 → 240 → 320 → Mài nhám 400 - Lau sạch Đánh bóng - Hỗn hợp Cr2O3 + H2O trên vải nỉ - Rửa sạch Tẩm thực - Dung dịch 4% Nital (thép carbon) - Rửa sạch → lau khô → sấy - Xước → mài nhám/ đánh bóng Quan sát - Tẩm thực đậm → đánh bóng lại - Tẩm thực mờ → tẩm thực thêm Báo cáo 1.4. NỘI DUNG BÁO CÁO Sinh viên nộp mẫu và hình chụp tổ chức tế vi cho giảng viên hướng dẫn, trình bày độ phóng đại của kính hiển vi, các pha, các tổ chức trong mẫu quan sát. 17
BÀI 2 NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM Fe – C 2.1. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU - Phân tích được giản đồ trạng thái Fe-C. - Quan sát tổ chức tế vi của mẫu thép và gang trắng ở trạng thái cân bằng. - Phân biệt được sự khác nhau giữa tổ chức tế vi của thép và gang trắng. 2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2.1. Các dạng thù hình của sắt Hình 2.1. Các dạng thù hình của sắt 18
Sắt có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau, tùy thuộc vào nhiệt độ: - Nhiệt độ dưới 9110C: Sắt có kiểu mạng lập phương thể tâm. Kí hiệu: Feα. - Từ 9110C đến 13920C: Sắt có kiểu mạng lập phương diện tâm. Kí hiệu: Feγ. - Từ 13920C đến 15390C: Sắt có kiểu mạng lập phương thể tâm. Kí hiệu: Feδ. Cơ tính của sắt ở nhiệt độ thường: - bền = 250 N/mm2; chảy = 120 N/mm2 - Khối lượng riêng  = 7,8 g/cm3 - Nhiệt độ nóng chảy là 15390C; Độ cứng = 80 HB;  = 50%. 2.2.2. Các dạng thù hình của C a) Graphite (Lục giác xếp lớp) b) Mạng kim cương Hình 2.2. Các kiểu mạng tinh thể của carbon Hình 2.3. Khối graphite 19
Carbon cũng có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau: - Vô định hình: than khoáng sản, than gỗ. - Graphite: có kiểu mạng lục giác xếp lớp. - Mạng kim cương. 2.2.3. Tương tác giữa Fe và C 2.2.3.1. Tạo Ferrite Ferrite là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong Feα. Hàm lượng carbon lớn nhất trong ferrite là 0,02% ở 727°C. Ferrite có độ bền thấp, độ cứng thấp, độ dẻo cao. Ký hiệu: F, , Feα(C) hoặc  = Fe(C). Hình 2.4. Tổ chức tế vi của ferrite (dung dịch tẩm thực 4% Nital) 2.2.3.2. Tạo Austenite Đường song tinh Hình 2.5. Austenite (tẩm thực bằng ba phần HCl + một phần HNO3) 20
Austenite là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong Fe. Ký hiệu: A, As,  hoặc Fe(C). Austenite tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 727°C, là pha có độ bền khá cao, độ dẻo cao, độ cứng thấp. Hàm lượng carbon lớn nhất trong austenite là 0,02% ở 727°C, và 2,14% ở 1147°C. 2.2.3.3. Tạo pha cementite Carbon Fe Hình 2.6. Mạng tinh thể của Cementite Cementite (Fe3C) ký hiệu là Ce, là pha trung gian giữa sắt và C, có độ cứng rất cao (800 HV, tương đương 800 HB), tính chống mài mòn tốt, nhưng rất giòn. Thành phần carbon trong cementite tính theo trọng lượng là 6,67%. Cementite có kiểu mạng lập phương phức tạp, gồm CeI (Hình 2.8), CeII (Hình 2.9) và CeIII. 2.2.4. Giản đồ trạng thái Fe-C Đây là loại giản đồ cân bằng giả ổn định, giản đồ trạng thái Fe – C (còn gọi là Giản đồ trạng thái Fe - Fe3C) được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Phụ thuộc vào hàm lượng carbon trong hợp kim mà người ta chia hợp kim Fe-C thành hai loại: thép 0,02% < %C  2,14% và gang trắng 2,14% < %C < 6,67%. 21