Lý thuyết Vật liệu học - Bài thí nghiệm 1: Đo độ cứng kim loại

Nội dung text: Lý thuyết Vật liệu học - Bài thí nghiệm 1: Đo độ cứng kim loại

1. ĐO ĐỘ CỨNG KIM LOẠI 1. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU 1. Nắm vững nguyên lý đo độ cứng theo các phương pháp Brinell, Rockwell và Vicker. 2. Làm quen và biết cách sử dụng các máy đo độ cứng thông dụng. 2. LÝ THUYẾT 1. Đặc điểm và các phương pháp đo độ cứng Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của kim loại, dưới tác dụng của tải trọng thông qua mũi đâm. Độ cứng là một đặc trưng cơ tính quan trọng của vật liệu. Nó có thể dễ dàng đo được thông qua các thiết bị đo mà không cần phải phá hủy mẫu. Phương pháp đo độ cứng có ưu điểm: a) Từ giá trị độ cứng đo được, có thể suy ra độ bền của kim loại dẻo. Vì độ cứng là sự chống lại biến dạng dẻo cục bộ, còn độ bền là sự chống diến dạng dẻo toàn bộ. Từ giá trị độ cứng Brinell, ta có thể gián tiếp tính được độ bền. Ví dụ: - Thép có độ cứng HB (MN/m2) 1200 – 1750 → σb ≈ 0,3448 HB 1750 – 4500 → σb ≈ 0,35 HB - Đồng và hợp kim đồng ở trạng thái Ủ σb = 0,55 HB Biến dạng σb = 0,40 HB - Nhôm và hợp kim nhôm có độ cứng 200 - 450HB σb = (0,33÷ 0,36)HB b) Đo độ cứng đơn giản, thời gian ngắn (từ vài giây đến vài phút). Mẫu thử không phải chuẩn bị đặc biệt. Không phá hủy mẫu khi thử. c) Có thể đo được chi tiết rất lớn hoặc rất nhỏ, rất dày hoặc rất mỏng (các lớp mạ, thấm ) Tùy theo tác dụng của mũi đâm lên bề mặt mẫu, mà người ta chia ra làm nhiều phương pháp đo độ cứng khác nhau: - Phương pháp đâm: dùng 1 tải trọng xác định đặt lên mũi đâm (hình côn, hình tháp, hình cầu ) có độ cứng rất cao (kim cương, hợp kim cứng, thép tôi ) để mũi đâm tác dụng lên bề mặt mẫu, gây ra biến dạng tại vị trí đâm. Sau đó, căn cứ cào diện tích hoặc chiều sâu vết lõm ứng với tải trọng tác dụng mà tính ra số đo của độ cứng. Phương pháp này được dùng phổ biến nhất. 3
2. Để có thể dùng một bảng cho các tải trọng và đường kính D của các viên bi khác nhau, người ta phải đảm bảo giá trị P/D = const. Các bi thường dùng có D =10; 5; 2,5 mm và tải trọng tương ứng là 30000; 7500 và 1875N. Lúc này tỉ số P/D2 = 300 (tỉ số này bằng 30 khi đơn vị đo là kG). Điều kiện để đo độ cứng Brinell: - Chiều dày mẫu thí nghiệm không được nhỏ hơn 10 lần chiều sâu vết lõm, xác định theo công thức 10.P t (mm) .D.HB Trong đó: t là chiều dày của mẫu thử (mm), P là tải trọng tác dụng (kG), D là đường kính viên bi (mm), HB là độ cứng dự đoán. - Bề mặt mẫu thử phải sạch, phẳng, không có khuyết tật. Nếu bề mặt cong phải gia công cho vị trí cần đo thành mặt phẳng. Chiều rộng, dài của vùng cần đo phải lớn hơn 2D. Khoảng cách giữa hai vết đo cũng phải lớn hơn 2D. - Chỉ cho phép đo các vật liệu có độ cứng nhỏ hơn 450HB để tránh biến dạng cho viên bi. Lúc này độ cứng viên bi theo thang Vicker không được bé hơn 850HV. - Thời gian tác động tải trọng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo. Thông thường thời gian này có thể tra trong các bảng (xem bảng 1.). Bảng 1. Điều kiện đo độ cứng Vật liệu Độ cứng Chiều dày bé P/D2 D P Thời gian tác HB nhất (mm) (mm) (kG) dụng (giây) > 6 30 10 3000 10 140 – 450 3 – 6 30 5 750 10 Kim loại 6 30 10 3000 30 6 10 10 1000 30 Hợp kim 31,8 – 130 3 – 6 10 5 250 30 đồng 6 2,5 10 250 60 Hợp kim 8 – 35 3 – 6 2,5 5 62,5 60 nhôm < 3 2,5 2,5 15,6 60 Giá trị của độ cứng Brinell được ghi như sau HB10/3000/30 210, nghĩa là Vật liệu có độ cứng là 210HB, đo trong điều kiện D = 10mm tải trọng 3000kG, thời gian tác dụng là 30 giây. 3. Phương pháp đo độ cứng Rockwell Phương pháp này tiến hành bằng cách ấn mũi đâm kim cương hoặc hợp kim cứng hình côn, có góc ở đỉnh là 1200, hoặc viên bi thép có đường kính 1/16”, 1/8”, 1/4”, 1/2” lên bề mặt vật liệu. Số đo độ cứng Rockwell được xác định bằng hiệu số chiều sâu, khi tác dụng tải trọng sơ bộ P0 = 100N và tải trọng chính P1 xem hình 2. 5
3. - Giá trị của các vạch chia không tương ứng với sự dịch chuyển của mũi đâm. - Do người sử dụng chưa thành thạo. - Bề mặt mẫu đo quá cong, mẫu được đặt không đúng và không được kẹp cứng, bề mặt mẫu bẩn. 4. Phương pháp đo độ cứng Vicker Phương pháp Vicker về nguyên lý đo giống như phương pháp Brinell, nhưng thay mũi bi bằng mũi kim cương hình tháp, có góc giữa hai mặt bên là 1360. Tải trọng sử dụng P = 50 ÷ 1500N, phụ thuộc vào chiều dày mẫu đo. Đo theo phương pháp Vicker có thể áp dụng cho các chi tiết rất cứng hoặc mềm, và số đo độ cứng không phụ thuộc vào tải trọng (xem sơ đồ hình 4). P 0 136 Hình 4. Sơ đồ đo Vicker P Gọi tải trọng là P, diện tích bề mặt vết lõm là S, ta có: HV S P: Có thể đo bằng N hay kG. 2 S: mm Để thuận tiện, người ta có thể tính S thông qua đường chéo d và α = 1360  2P sin P 2 P HV 2 1,854 2 S d d Đường chéo d được đo băng kính hiển bi gắn ngay trên máy, người ta cũng lập sẵn các bảng giá trị Vicker với P và d tương ứng. Phương pháp đo Vicker thường dùng đo độ cứng các vật mỏng, các lớp thấm 7