Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phun bi đến tổ chức tế vi và cơ tính của thép AISI 4340

Author
Chào các bác, hôm nay e xin đc chia sẻ về một bài báo e đã đoc được từ lâu nhưng chưa có cơ hội chia sẻ , nội dung bài báo nói về phương pháp phun bi và ảnh hưởng của nó đến cơ tính của thép AISI4340, mong các bác có gì bổ sung và có các bài báo hay về vật liệu và công nghệ vật liệu chia sẻ lên đây để tất cả mọi người cùng học hỏi ạ, e xin cảm ơn.
1. Đặt vấn đề- Phun bi là gì và ứng dụng của nó như thế nào?
Phun bi là một phương pháp biến dạng nguội, được sử dụng để nâng cao cơ tính của vật liệu, đặc biệt là nâng cao độ bền mỏi cho chi tiết . Phương pháp này gây ra một lượng ứng suất nén dư ngay dưới bề mặt của vật liệu. Ngày nay, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cơ khí chính xác, từ hàng không, ô tô đến các chi tiết máy quan trọng . Hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý phương pháp phun bi, trong đó một lượng lớn các hạt bi chuyển động với vận tốc rất lớn từ đầu phun va đập vào bề mặt vật liệu gây ra biến dạng dẻo và từ đó tạo nên ứng suất dư bên trong vật liệu. Bề mặt vật liệu sau khi được phun sẽ bị biến cứng, nén và độ nhám bề mặt tăng lên.
1602168668394.png Hình 1: Sơ đồ nguyên lý phương pháp phun bi bằng khí nén
Phun bi là một phương pháp phức tạp và đòi hỏi độ chính xác rất lớn, trong đó chất lượng cơ tính của chi tiết được gia công phải được kiểm soát một cách chặt chẽ vì đây là phương pháp gia công tinh, thậm chí nó chỉ được dùng sau khi chi tiết đã được đánh bóng. Để kiểm soát quá trình phun bi, phải kiểm soát các thông số công nghệ như: vận tốc phun, kích thước và hình dạng hạt phun, áp suất đầu phun, độ cứng hạt phun, tính chất vật liệu của chi tiết. Hiệu quả của phương pháp phun bi được kiểm soát cơ bản qua hai thông số chính là cường độ và mức độ bao phủ. Cường độ phun bi là một thông số xác định năng lượng của dòng hạt phun tác động lên bề mặt vật liệu, và được đo bằng dụng cụ tên gọi là thanh đo Almen. Mức độ bao phủ là tỉ lệ phần trăm giữa diện tích bề mặt đã được phun bi và diện tích ban đầu của chi tiết. Hình 2 trình bày một trong những ứng dụng của phương pháp phun bi là làm tăng độ bền mỏi cho các chi tiết bánh răng (nằm ở các vị trí quan trọng trong cơ cấu máy). Sau khi phun bi, tuổi thọ của chi tiết bánh răng có thể tăng lên từ 2 đến 3 lần.
1602168788984.png Hình 2: Phun bi lên chi tiết bánh răng để tăng độ bền mỏi.
1602168836930.png Hình 3; Hệ thống máy phun bi hoàn chỉnh trong cơ khí chính xác.
Hình 3 trình bày một hệ thống phun bi hoàn chỉnh được sử dụng trong ngành cơ khí chính xác: thiết bị phun bi thép 5 trục của công ty Progressive® Surface (Hoa Kỳ). Nó khác hoàn toàn với thiết bị máy phun cát dùng để làm sạch chi tiết đúc sau khi gia công, tuy về mặt nguyên lý hoạt động của hai thiết bị đó có phần giống nhau. Thiết bị này chuyên dùng để phun bi tăng độ bền mỏi cho các chi tiết trong ngành hàng không, và các chi tiết máy quan trọng.

Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng hầu hết các hư hỏng của chi tiết máy do mỏi đều bắt đầu từ trên bề mặt hoặc tại lớp vật liệu ngay dưới bề mặt của chi tiết, sau đó vết nứt sẽ phát triển và phá hủy toàn bộ sản phẩm. Do vậy, phương pháp phun bi sẽ tạo ra một lượng ứng suất nén dư ngay trên bề mặt của vật liệu nhằm hạn chế không cho vết nứt tế vi xuất hiện trên bề mặt và ngăn chặn sự phát triển của vết nứt dẫn đến phá hủy vật liệu . Nghiên cứu của Bagherifard và Miková chỉ ra rằng, do phương pháp phun bi đã tạo ra một lớp ứng suất dư nén lớn ở ngay bên dưới của bề mặt vật liệu nên đã làm giảm đi sự hình thành các vết nứt tế vi và làm tăng độ bền mỏi của chi tiết.
Ở nước ta hiện nay, gia công cơ khí là một lĩnh vực có thị phần rất lớn. Tuy nhiên, đa số gia công cơ khí hiện nay là gia công truyền thống, giá trị thặng dư tạo ra không lớn. Phương pháp phun bi là một phương pháp được sử dụng cho ngành cơ khí chính xác để nâng cao tuổi thọ cho các chi tiết cơ khí cực kỳ quan trọng trong ngành hàng không và sản xuất ô tô. Do vậy, việc nghiên cứu công nghệ này sẽ đặt nền tảng cần thiết cho việc áp dụng công nghệ vào sản xuất cơ khí chính xác ở nước ta trong thời gian tới.Trong bài báo này, thép hợp kim thấp AISI 4340 được lựa chọn là vật liệu để nghiên cứu. Trong bài này sẽ trình bày các nghiên cứu thực nghiệm thăm dò để tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số vận hành của phương pháp phun bi với loại bi là S230 được thực hiện dưới nhiều mức áp suất khác nhau, đến tổ chức tế vi, độ cứng bề mặt, phân bố độ cứng theo chiều sâu, hệ số ma sát, và độ nhám bề mặt của vật liệu. Kết quả ban đầu của thí nghiệm thăm dò này sẽ cung cấp các dữ liệu cần thiết để xây dựng mô hình mô phỏng và tối ưu hóa các thông số thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp theo.
2. Kiểm tra và thảo luận.
Trong nghiên cứu này kính hiển vi điện tử quét (JEOL®, JSM-5600LV) được sử dụng để quan sát bề mặt của chi tiết trước và sau khi phun bi, đồng thời kính hiển vi quang học (Zeiss®, Axioskop 2, JVC) được sử dụng để quan sát tổ chức tế vi mặt cắt ngang của chi tiết sau khi thực hiện phun bi.
Ngoài ra, để đo hình thái và độ nhám bề mặt, máy đo hình thái bề mặt đầu tiếp xúc (Taylor Hobson Talyscan® 150) với đầu dò là mũi kim cương có đường kính 4 µm đã được sử dụng. Để đảm bảo độ chính xác và hội tụ của phép đo, trên mỗi chi tiết, đã được đo 5 lần và lấy giá trị trung bình, độ nhám bề mặt được đo là độ nhám trung bình (Sa), chiều cao lớn nhất của đỉnh (Sp), độ sâu lớn nhất (Sv) và chiều cao tối đa của bề mặt (Sz) (theo tiêu chuẩn ISO 25178-2) .
Để đo độ cứng bề mặt của chi tiết, máy đo độ cứng Vickers (Future-tech®, FM-300e) được sử dụng với tải trọng là 100 g. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, mỗi chi tiết được đo 20 lần và lấy giá trị trung bình. Ngoài ra, để đo sự thay đổi độ cứng của chi tiết từ bề mặt ngoài vào lớp bên trong, chi tiết được đo độ cứng dọc theo mặt cắt ngang bằng máy đo độ cứng Nanoindenter Agilent®, G2000, với khoảng cách của các điểm đo là 20 µm.
Để đo hệ số ma sát thay đổi sau quá trình phun bi, trong thí nghiệm này, máy đo hệ số ma sát Micro-Tribometer (CSM®) được sử dụng với viên bi có đường kính 6 mm làm từ vật liệu thép 100Cr6 chuyển động trượt trên bề mặt chi tiết với vận tốc 50 mm/s với áp lực tác dụng là 5 N. Hệ số ma sát đo được tính giá trị trung bình của 3 lần đo, giá trị mỗi lần đo hệ số ma sát được đo khi viên bi chuyển động trượt trên bề mặt chi tiết 40000 vòng.
Dưới đây là phương pháp phun bi mà e đã đọc và chia sẻ, mong được nhiều phản hồi và đóng góp của mọi người, e xin cảm ơn.
 

silhouette

Active Member
Chào các bác, hôm nay e xin đc chia sẻ về một bài báo e đã đoc được từ lâu nhưng chưa có cơ hội chia sẻ , nội dung bài báo nói về phương pháp phun bi và ảnh hưởng của nó đến cơ tính của thép AISI4340, mong các bác có gì bổ sung và có các bài báo hay về vật liệu và công nghệ vật liệu chia sẻ lên đây để tất cả mọi người cùng học hỏi ạ, e xin cảm ơn.
1. Đặt vấn đề- Phun bi là gì và ứng dụng của nó như thế nào?
Phun bi là một phương pháp biến dạng nguội, được sử dụng để nâng cao cơ tính của vật liệu, đặc biệt là nâng cao độ bền mỏi cho chi tiết . Phương pháp này gây ra một lượng ứng suất nén dư ngay dưới bề mặt của vật liệu. Ngày nay, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cơ khí chính xác, từ hàng không, ô tô đến các chi tiết máy quan trọng . Hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý phương pháp phun bi, trong đó một lượng lớn các hạt bi chuyển động với vận tốc rất lớn từ đầu phun va đập vào bề mặt vật liệu gây ra biến dạng dẻo và từ đó tạo nên ứng suất dư bên trong vật liệu. Bề mặt vật liệu sau khi được phun sẽ bị biến cứng, nén và độ nhám bề mặt tăng lên.
View attachment 7703 Hình 1: Sơ đồ nguyên lý phương pháp phun bi bằng khí nén
Phun bi là một phương pháp phức tạp và đòi hỏi độ chính xác rất lớn, trong đó chất lượng cơ tính của chi tiết được gia công phải được kiểm soát một cách chặt chẽ vì đây là phương pháp gia công tinh, thậm chí nó chỉ được dùng sau khi chi tiết đã được đánh bóng. Để kiểm soát quá trình phun bi, phải kiểm soát các thông số công nghệ như: vận tốc phun, kích thước và hình dạng hạt phun, áp suất đầu phun, độ cứng hạt phun, tính chất vật liệu của chi tiết. Hiệu quả của phương pháp phun bi được kiểm soát cơ bản qua hai thông số chính là cường độ và mức độ bao phủ. Cường độ phun bi là một thông số xác định năng lượng của dòng hạt phun tác động lên bề mặt vật liệu, và được đo bằng dụng cụ tên gọi là thanh đo Almen. Mức độ bao phủ là tỉ lệ phần trăm giữa diện tích bề mặt đã được phun bi và diện tích ban đầu của chi tiết. Hình 2 trình bày một trong những ứng dụng của phương pháp phun bi là làm tăng độ bền mỏi cho các chi tiết bánh răng (nằm ở các vị trí quan trọng trong cơ cấu máy). Sau khi phun bi, tuổi thọ của chi tiết bánh răng có thể tăng lên từ 2 đến 3 lần.
View attachment 7704 Hình 2: Phun bi lên chi tiết bánh răng để tăng độ bền mỏi.
View attachment 7705 Hình 3; Hệ thống máy phun bi hoàn chỉnh trong cơ khí chính xác.
Hình 3 trình bày một hệ thống phun bi hoàn chỉnh được sử dụng trong ngành cơ khí chính xác: thiết bị phun bi thép 5 trục của công ty Progressive® Surface (Hoa Kỳ). Nó khác hoàn toàn với thiết bị máy phun cát dùng để làm sạch chi tiết đúc sau khi gia công, tuy về mặt nguyên lý hoạt động của hai thiết bị đó có phần giống nhau. Thiết bị này chuyên dùng để phun bi tăng độ bền mỏi cho các chi tiết trong ngành hàng không, và các chi tiết máy quan trọng.

Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng hầu hết các hư hỏng của chi tiết máy do mỏi đều bắt đầu từ trên bề mặt hoặc tại lớp vật liệu ngay dưới bề mặt của chi tiết, sau đó vết nứt sẽ phát triển và phá hủy toàn bộ sản phẩm. Do vậy, phương pháp phun bi sẽ tạo ra một lượng ứng suất nén dư ngay trên bề mặt của vật liệu nhằm hạn chế không cho vết nứt tế vi xuất hiện trên bề mặt và ngăn chặn sự phát triển của vết nứt dẫn đến phá hủy vật liệu . Nghiên cứu của Bagherifard và Miková chỉ ra rằng, do phương pháp phun bi đã tạo ra một lớp ứng suất dư nén lớn ở ngay bên dưới của bề mặt vật liệu nên đã làm giảm đi sự hình thành các vết nứt tế vi và làm tăng độ bền mỏi của chi tiết.
Ở nước ta hiện nay, gia công cơ khí là một lĩnh vực có thị phần rất lớn. Tuy nhiên, đa số gia công cơ khí hiện nay là gia công truyền thống, giá trị thặng dư tạo ra không lớn. Phương pháp phun bi là một phương pháp được sử dụng cho ngành cơ khí chính xác để nâng cao tuổi thọ cho các chi tiết cơ khí cực kỳ quan trọng trong ngành hàng không và sản xuất ô tô. Do vậy, việc nghiên cứu công nghệ này sẽ đặt nền tảng cần thiết cho việc áp dụng công nghệ vào sản xuất cơ khí chính xác ở nước ta trong thời gian tới.Trong bài báo này, thép hợp kim thấp AISI 4340 được lựa chọn là vật liệu để nghiên cứu. Trong bài này sẽ trình bày các nghiên cứu thực nghiệm thăm dò để tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số vận hành của phương pháp phun bi với loại bi là S230 được thực hiện dưới nhiều mức áp suất khác nhau, đến tổ chức tế vi, độ cứng bề mặt, phân bố độ cứng theo chiều sâu, hệ số ma sát, và độ nhám bề mặt của vật liệu. Kết quả ban đầu của thí nghiệm thăm dò này sẽ cung cấp các dữ liệu cần thiết để xây dựng mô hình mô phỏng và tối ưu hóa các thông số thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp theo.
2. Kiểm tra và thảo luận.
Trong nghiên cứu này kính hiển vi điện tử quét (JEOL®, JSM-5600LV) được sử dụng để quan sát bề mặt của chi tiết trước và sau khi phun bi, đồng thời kính hiển vi quang học (Zeiss®, Axioskop 2, JVC) được sử dụng để quan sát tổ chức tế vi mặt cắt ngang của chi tiết sau khi thực hiện phun bi.
Ngoài ra, để đo hình thái và độ nhám bề mặt, máy đo hình thái bề mặt đầu tiếp xúc (Taylor Hobson Talyscan® 150) với đầu dò là mũi kim cương có đường kính 4 µm đã được sử dụng. Để đảm bảo độ chính xác và hội tụ của phép đo, trên mỗi chi tiết, đã được đo 5 lần và lấy giá trị trung bình, độ nhám bề mặt được đo là độ nhám trung bình (Sa), chiều cao lớn nhất của đỉnh (Sp), độ sâu lớn nhất (Sv) và chiều cao tối đa của bề mặt (Sz) (theo tiêu chuẩn ISO 25178-2) .
Để đo độ cứng bề mặt của chi tiết, máy đo độ cứng Vickers (Future-tech®, FM-300e) được sử dụng với tải trọng là 100 g. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, mỗi chi tiết được đo 20 lần và lấy giá trị trung bình. Ngoài ra, để đo sự thay đổi độ cứng của chi tiết từ bề mặt ngoài vào lớp bên trong, chi tiết được đo độ cứng dọc theo mặt cắt ngang bằng máy đo độ cứng Nanoindenter Agilent®, G2000, với khoảng cách của các điểm đo là 20 µm.
Để đo hệ số ma sát thay đổi sau quá trình phun bi, trong thí nghiệm này, máy đo hệ số ma sát Micro-Tribometer (CSM®) được sử dụng với viên bi có đường kính 6 mm làm từ vật liệu thép 100Cr6 chuyển động trượt trên bề mặt chi tiết với vận tốc 50 mm/s với áp lực tác dụng là 5 N. Hệ số ma sát đo được tính giá trị trung bình của 3 lần đo, giá trị mỗi lần đo hệ số ma sát được đo khi viên bi chuyển động trượt trên bề mặt chi tiết 40000 vòng.
Dưới đây là phương pháp phun bi mà e đã đọc và chia sẻ, mong được nhiều phản hồi và đóng góp của mọi người, e xin cảm ơn.
Cảm ơn bạn đã chia sẻ bài viết hay.

Tiếng anh gọi là Shot Peening, mình copy thêm clip animation dài 2 phút:
 
Top