Nghiên cứu xác định độ cứng của thép C45 được tôi cao tần sử dụng phương pháp nhiễu xạ X-quang
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.
1.1.1 Tầm quan trọng của công nghệ nhiệt luyện
Có nhiều phương pháp nhiệt luyện chi tiết như: tôi cao tần (tôi cảm ứng), sử dụng khí gas, tấm muối, tia hồng ngoại, điện v.v.. Mỗi phương pháp có một thuận lợi riêng. Nhưng không có phương pháp nào là tốt nhất cho mọi trường hợp của việc gia nhiệt và xử lý nhiệt của kim loại.
Hệ thống thiết bị tôi cao tần thường có thời gian bắt đầu và kết thúc tương đối nhỏ và chi phí vận hành tương đối thấp. Những yếu tố quan trọng của thiết bị tôi cao tần là đảm bảo chất lượng, tự động, độ tin cậy cao và bảo trì hệ thống dễ dàng
Tôi cao tần là sự liên kết phức tạp của điện từ trường, truyền nhiệt, nhiệt luyện liên quan đến nhiều yếu tố. Thành phần chính của hệ thống tôi cao tần là lõi, nguồn cung cấp, hệ thống nâng, hệ thống làm nguội và phôi. Lõi của hệ thống tôi cao tần được thiết kế đặc biệt cho các loại hình dáng và kích cỡ khác nhau.
Độ cứng là một thuộc tính cơ bản của vật liệu, thuật ngữ độ cứng phản ánh tính chịu uốn, độ bền, mài mòn, trầy xước của vật liệu. Cùng với sự phát triển của khoa học vật liệu đã có rất nhiều phương pháp đo độ cứng ra đời. Một số phương pháp đo độ cứng thường được biết đến, đặc biệt ứng dụng cho lĩnh vực vật liệu kim loại
Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ và có liên quan chặt chẽ đến độ bền kéo. Độ cứng được xác định bằng cách đo mức độ chống lại lực ấn của mũi đâm có dạng chuẩn lên bề mặt vật liệu. Vật liệu mũi đâm có thể là thép đã nhiệt
luyện hoặc kim cương, có thể có hình cầu hoặc hình tháp. Độ cứng được xác định theo kích thước của vết lõm mũi đâm để lại trên bề mặt vật kiểm. Đó cũng là mức chống lại lực ấn của mũi đâm có dạng chuẩn lên bề mặt vật liệu.
Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng để xác định ứng suất dư, tính ứng suất mỏi, xác định pha tinh thể... mà không phá hủy chi tiết mẫu. Nhiều nghiên cứu trước đây cho thấy, bất cứ sự thay đổi nào trong cấu trúc của vật liệu tinh thể (như biến dạng dẻo, xử lý nhiệt, quá trình hợp kim hóa,…) đều ảnh hưởng đến các đặc trưng của đường nhiễu xạ X quang, bao gồm ba thông số quan trọng là vị trí đỉnh nhiễu xạ, hình dạng và độ lớn của đường nhiễu xa
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.2.1 Trong nước
- Ths.Lê Hoàng Anh ” Phân tích các yếu tố Ảnh hưởng đến độ rộng đường nhiễu xạ tia X – quang”, Thực hiện năm 2008 tại đại học SPKT TP HCM.[9]
Dựa trên cơ sở lý thuyết vật lý tia X, lý thuyết phân tích cấu trúc tia X, lý thuyết phân tích đường nhiễu xạ (LPA), đặc biệt là phương pháp phân tích Fourier đường nhiễu xạ, lý thuyết về lệch mạng kết hợp với xử lý, phân tích, lập trình tính toán và vẽ đồ thị các dữ liệu nhiễu xạ bằng ngôn ngữ Matlab.
Nghiên cứu tổng hợp mô hình tính toán cho việc tách đường nhiễu xạ vật lý f(x) từ đường hiễu xạ đo được (mẫu nghiên cứu) h(x) và đường nhiễu xạ chuẩn (mẫu chuẩn) g(x) dựa trên phương pháp phân tích điều hòa của Stokes.
Áp dụng tính toán biến dạng tế vi, kích thước hat của vật liệu tinh thể nano đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như luyện kim, gốm, thủy tinh, xúc tác, vật liệu phát quang, xử lí chất thải ô nhiễm môi trường,… là CeO2.
Hình 1.1: Đường nhiễu xạ cho mẫu chuẩn sau khi hiệu chỉnh LP.
- Ths. Dương Công Cường, Nghiên cứu và xác định độ cứng của thép cacbon nhiệt luyện bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, thực hiện năm 2013 tại đại học SPKT Tp.HCM.[10]
Độ cứng là một chỉ tiêu cơ tính quan trọng của vật liệu cơ khí, và thường được xác định bằng các phương pháp phá hủy truyền thống dùng mũi đâm. Bài báo này nghiên cứu mối liên hệ giữa độ cứng của thép C50 tôi-ram ở nhiều nhiệt độ và bề rộng của đường nhiễu xạ, thể hiện thông qua độ rộng của đường cong Gauss. Kết quả cho thấy một mối liên hệ tuyến giữa bề rộng trung bình của đường nhiễu xạ, từ đó mở ra khả năng xác định độ cứng của vật liệu tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ X quang.
1.1.2.2 Ngoài nước
- PGS. TS. Lê Chí Cương ”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 phương pháp đo ứng suất bằng tia X, đường nhiễu xạ phải được hiệu chỉnh bằng hệ số LPA (Lorentz – polarization and absorption) để xác định giá trị ứng suất. Hệ số hấp thu cho phương pháp điều chỉnh góc ψ và góc ψ0 sử dụng cho độ nghiêng tiêu chuẩn, và phương pháp điều chỉnh η and η0 sử dụng phương pháp ngoài độ nghiêng tiêu chuẩn. Thông thường phương pháp đo ứng suất bằng nhiễu xạ tia X, thì vùng nhiễu xạ tia X trên bề mặt mẫu thử thì gia tăng với việc tăng góc ψ. Sử dụng mẫu thép được tôi và ram sẽ có bề rộng đường nhiễu xạ khác nhau, ảnh
hưởng của hệ số LPA đối với giá trị ứng suất đã được khảo sát. Hệ số LPA có ảnh hưởng lớn đối với giá trị ứng suất là đường nhiễu xạ được mở rộng. Trong phương pháp điều chỉnh ngoài độ nghiêng tiêu chuẩn thì hệ số LPA có ảnh hưởng ít đối với giá trị của ứng suất và điều đó được bỏ qua. Công thức để tính sai số chuẩn giữa những ứng suất khác nhau với ngoài việc hiệu chỉnh hệ số LPA đã được thiết lập.
Hình 1.2: Phương pháp hiệu chỉnh góc ψ [12]
Hình 1.3: Phương pháp hiệu chỉnh góc η [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]
ghiên cứu thực nghiệm và phân tích số của xử lý nhiệt cảm ứng áp dụng cho thép ISO C45 đã được thực hiện với hai mẫu bình thường và nhiệt luyện. Các thông số của quá trình được thực hiện trong một mã số (Sysweld 2000) Với mục đích dự đoán lịch sử nhiệt và luyện kim của vật liệu. Mục đích của việc này là tạo ra một mô hình nhiệt luyện của xử lý nhiệt cảm ứng xác nhận bởi kết quả thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm (vi cấu trúc và vi độ cứng cấu hình) được so sánh với các giá trị của phương pháp số.
Hình 1.4: Đường biểu diễn độ cứng Vickers trên mặt cắt của thép C45 [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 trường hợp tôi cảm ứng, máy phát có tần số cao làm cho một lớp cứng mỏng ở khu vực khảo sát. Ngoài ra, độ cứng cho mẫu có đường kính nhỏ hơn được thử nghiệm. Trong nghiên cứu này, quá trình làm cứng các bề mặt bằng tôi cảm ứng bởi các máy phát tần số cao (2MHz), kết quả mang lại cho điều kiện xử lý nhiệt rất tốt, chiều sâu độ cứng (chiều sâu lớp thấm) của mẫu thử là 0,4mm và độ cứng khoảng 600HV. Hơn nữa, kết quả tốt nhất trong mẫu thử có đường kính 3mm thì chiều sâu lớp thấm khoảng 0,09mm và độ cứng khoảng 600HV.
Bảng 1.1: 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: Đường biểu diễn nhiệt độ - thời gian với điều kiện tôi cảm ứng 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]
Một mô hình số đã được phát triển để mô phỏng một quá trình tôi cảm ứng để giải quyết vấn đề về điện từ trường. Sự phân bố nhiệt độ bên trong hợp kim của thép đã được tính toán và độ cứng cuối cùng đã được dự đoán sử dụng mối quan hệ
theo Jaffe và Gordon. Các thí nghiệm được thực hiện với thiết lập quá trình tôi cảm ứng khác nhau ở một số điều kiện trong công nghiệp.
Độ từ thẩm tương đối của thép không chỉ phụ thuộc vào các thông số như cường độ từ trường và nhiệt độ quá trình, mà còn về thành phần hóa học thực tế của thép. Thông tin trong sách tham khảo hiện nay là giới hạn dữ liệu về thép carbon ví dụ C45 ..Những đặc tính này có thể khác nhau đáng kể từ các thuộc tính của thép thực sự được sử dụng và do đó có thể không luôn luôn được khuyến khích để thực hiện một mô hình số.Một phương pháp xác định độ từ thẩm tương đối đã được phát triển và áp dụng để tăng độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu vật liệu. Cùng một lúc, vì một số tính năng đặc biệt của nhiệt cảm ứng cho cứng bề mặt, phân tích độ nhạy đã được thực hiện để đánh giá chính xác cần thiết trong việc xác định các đặc tính để thực hiện mô hình số.
Hình 1.6: Mối quan hệ độ từ thẩm của điện từ trường 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 xạ X-quang là một kỹ thuật hữu ích để phân tích các cơ chế hoạt động về mỏi trong cơ khí và liên quan đến việc kiểm tra bề mặt mỏi. Trong việc khảo sát hiện nay, kỹ thuật này đã được sử dụng để nghiên cứu độ bền mỏi của thép cacbon trung bình C45 trong điều kiện xử lý nhiệt khác nhau. Những hướng quan sát khác
nhau của ứng suất dư (a) và bề rộng của đường nhiễu xạ toàn bộ tại một nửa cường độ tối đa (E) các mối quan hệ với các yếu tố cường độ ứng suất cực đại (K) trên bề mặt gãy đã được tương quan với sự khác biệt về đặc điểm chảy của các các vật
liệu.[17]
Bảng 1.2: Đặc tính của thép C45 tại nhiệt độ phòng [17]
- Douglas J. Hornbach, Paul S. Prevéy, and Perry W. Mason , 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]
Ứng suất dư dưới lớp bề mặt được đo bằng XRD yêu cầu loại bỏ lớp và hiệu chỉnh cho kết quả phục hồi ứng suất. Sự điều chỉnh có thể chi phối kết quả thu được ở chiều sâu gần giao diện của lớp/cốt lõi. Hình thức hiệu chỉnh truyền thống có thể là không đủ khi áp dụng đối với răng của bánh răng. Kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn (FEA) hiệu chỉnh áp dụng cho hình dáng hình học bất kỳ và phân bố ứng suất thì được trình bày và mô tả. Ví dụ về xác định ứng suất dư và phân bố độ cứng thông qua các lớp của bánh răng được tôi cảm ứng
Chiều sâu (gia số x10-3)
Chiều sâu
Hình 1.7: So sánh sự giảm phân phối ứng suất mô phỏng, là kết quả của các phương pháp khử lớp khác nhau trong một tấm phằng [18]
a. Phân phối ứng suất tuyến tính ban đầu
b. Phương pháp FEA của dãi vuông góc với ứng suất
c. FEA lớp đầy đủ
d. Loại lớp đầy đủ theo Moore và Evans
e. Hốc FEA, 3D
Vấn đề còn tồn tại: thép C45 được tôi cao tần có ứng dụng nhiều trong lĩnh vực cơ khí (trục, bánh răng, trục khuỷu…) nên việc kiểm tra độ cứng của chi tiết là rất cần thiết. Nhưng việc kiểm tra bằng cách truyền thống (Vickers, Brinel, Rocwell) sẽ làm chi tiết bị phá huỷ. Việc xác định độ cứng của thép C45 được tôi cao tần bằng phương pháp nhiễu xạ X-quang thực nghiệm là phương pháp mới để xác định độ cứng của thép C45 được tôi cao tần.
Ngoài ra, việc kiểm tra chi tiết ở các điều kiện tôi cao tần khác nhau cũng cần thiết để xác định độ cứng nhất định của chi tiết khi đó sẽ hiệu quả hơn cho việc sử dụng chi tiết vào các mục đích khác nhau.
1.2 Mục đích của đề tài
Đề tài này nhằm xác định mối quan hệ giữa bề rộng trung bình và độ cứng của thép được tôi cao tần, từ đó đề xuất phương pháp đo độ cứng cho các vật liệu tinh thể bằng phương pháp không phá hủy.
1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ
- Thu thập tài liệu nghiên cứu.
- Chế tạo mẫu thử.
- Thí nghiệm tôi cao tần.
- Đo độ cứng mẫu đã thí nghiệm.
- Thí nghiệm nhiễm xạ x quang để xác định bề rộng trung bình.
- Xây dựng mối quan hệ giữa độ cứng và bề rộng trung bình.
1.3.2 Giới hạn đề tài
Trong đề tài này chỉ giới hạn xác định độ cứng từ 16-61 HRC cho vật liệu thép
- Mẫu thí nghiệm được tôi cao tần với thời gian khác nhau.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên cơ sở lý thuyết về vật lý tia X, lý thuyết nhiệt luyện và phương pháp phân tích đường nhiễu xạ, lý thuyết hàm Gaussian, lý thuyết xác xuất thống kế, lý thuyết quy hoạch thực nghiệm.
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các phương pháp đo độ cứng hiện nay
Hiện nay độ cứng được đo theo ba phương pháp thông dụng:
- Theo thang Brinell – Dùng mũi đâm bằng bi thép hoặc wolfram.
- Theo thang Vickers – dùng mũi đâm kim cương dạng hình tháp vuông.
- Theo thang Rockwell – dùng mũi đâm hình côn bằng kim cương hoặc bi thép.Kích thước vết lõm được dùng để xác định giá trị độ cứng - vết lõm càng nhỏ thì vật liệu càng cứng.
2.1.1 Độ cứng Brinell [8]
Độ cứng Brinell có ký hiệu là HB do nhà nghiên cứu người Sweden có tên
- Johan August Brinell đề xuất.
- Hình 2.1: Máy kiểm tra độ cứng Brinel [8]
Hình 2.2: Kích thước bi tròn làm mũi thử Brinel [8]
Độ cứng Brinell cho kết quả không chính xác khi khảo xát vùng ảnh hưởng nhiệt. Vì vậy được dùng chủ yếu cho kim loại cơ bản. Đơn vị đo Độ cứng Brinell: HB [kG/mm2].
Để đo độ cứng Brinell máy thuỷ lực được dùng để ép viên bi thép trên bề
mặt mẫuthử tác dụng lực xác định trong 15 giây. Đường kính vết lõm trên bề mặt kim loại được đo với kính hiển vi Brinell chia vạch theo milimet. Áp dụng công
thức sau để xác định độ cứng Brinell:
Mặt khác: F=
Vậy : HB=Trong đó:
P: là lực tác dụng vào bi thép
F: Diện tích vết lõm
D: Đường kính bi thép d: Đường kính vết lõm
Hình 2.3: Đo hình dạng, kích thước vết lõm [8]
Phương pháp đo độ cứng Brinell thường dùng để đo vật liệu có độ cứng thấp, thang đo dưới 450HB. Quá giới hạn này thì không thực hiện được chính xác vì viên bi đo bị biến dạng.
- Trong một số trường hợp đơn giản có thể dùng phương pháp thủ công để kiểm tra như hình vẽ sau:
Hình 2.4: Đo độ cứng bằng phương pháp thủ công [8]
- Độ cứng Brinell có thể xác định theo biểu đồ vết lõm sau:
