Bài giảng Vật liệu học: Chương 3 - ThS. Hoàng Văn Vương

Bài giảng Vật liệu học: Chương 3 Hợp kim và giản đồ pha, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Các khái niệm cơ bản về hợp kim; Giản đồ pha hai cấu tử; Giản đồ pha Fe – C. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 3 Hợp kim và giản đồ pha

20-June-12

Chương 3 Hợp kim và giản đồ pha

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim

3.2 Giản đồ pha hai cấu tử

3.3 Giản đồ pha Fe – C

20-June-12

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim

3.1.1 Khái niệm về hợp kim

a) Khái niệm: Hợp kim là hợp chất giữa các nguyên tố kim

loại hay kim loại với á kim, mang tính chất của KL – nền

VD: Thép: Fe + C, Mn, Si, Cr…

Đura: Al + Cu, Mg

b) Ưu điểm: Độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn cao

hơn; tính công nghệ tốt hơn, nhiệt luyện hóa bền tốt hơn

và rẻ hơn

20-June-12

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim

3.1.1 Khái niệm về hợp kim

c) Các khái niệm cơ bản:

- Pha: phần đồng nhất về: thành phần hóa học, cơ tính,

hóa lý tính, có cấu trúc tinh thể xác định Giữa các pha

phân cách nhau bởi biên giới pha

- Cấu tử: là các nguyên tố (hoặc hc hóa học bền vững) tạo

nên pha trong hợp kim

- Hệ: tập hợp các pha, có thể ở trạng thái cân bằng hoặc

không cân bằng

+ (1): giả cân bằng

+ (2): không cân bằng

+ (3): cân bằng ổn định 1

2

3 20-June-12

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim

3.1.1 Khái niệm về hợp kim

d) Phân loại tương tác:

Không tương tác:

Ở trạng thái lỏng nguyên tố A

và B hòa tan vào nhau, không

hòa tan ở trạng thái rắn, tạo

hỗn hợp cơ học: A+B

Có tương tác:

- Hòa tan vào nhau tạo dung

dịch rắn A(B) – giữ nguyên

kiểu mạng của nền

- Phản ứng tạo hợp chất hóa

học với kiểu mạng khác hẳn

20-June-12

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim

3.1.2 Dung dịch rắn

Khái niệm: là pha đồng nhất có cấu trúc mạng như của

dung môi (kim loại nền), các nguyên tử hòa tan sắp xếp

lại trong mạng dung môi một cách đều đặn

Kí hiệu: A(B) = A là dung môi, B chất hòa tan

a) Dung dịch rắn thay thế

- B thay thể A trong mạng tinh thể

- d = dA-dB/dA< 15%(>15% không tồn tại)

Điều kiện để hòa tan vô hạn:

- Cùng kiểu mạng tinh thể

- d < 8%

- Số điện tử hóa trị như nhau

- Tính âm điện gần như nhau

20-June-12

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim

3.1.2 Dung dịch rắn

b) Dung dịch rắn xen kẽ

- Các nguyên tử hòa tan nằm ở vị trí xen kẽ (lỗ hổng) trong

mạng tinh thể dung môi (rB rlh)

- Bán kính nguyên tử hòa tan nhỏ, giới hạn hòa tan thấp

Các đặc tính của dung dịch rắn:

- Có đặc trưng cơ lý hóa tính của

kim loại

- Mạng tinh thể bị biến dạng

- Tăng độ cứng, độ bền so với kim

loại nguyên chất

- B tăng: tăng cứng, bền; dẻo giảm

- Tính chống ăn mòn, dẫn điện,

nhiệt kém kim loại nguyên chất

20-June-12

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim

3.1.2 Dung dịch rắn

b) Pha trung gian

- Các hợp chất hóa học có trong hợp

kim nằm giữa hai vùng dung dịch

rắn trên giản đồ pha

Đặc điểm:

- Có kiểu mạng tinh thể phức tạp,

khác hẳn với nguyên tố thành

phần

- Có tỉ lệ giữa các nguyên tố xác

định, biểu diễn bằng công thức

hóa học AmBn

- Tính chất khác hẳn so với các

nguyên tố thành phần

- Có nhiệt độ nóng chảy xác định

Fe 3 C

20-June-12

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Khái niệm: giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha theo

nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng

Quy tắc pha Gibbs

- Xác định bậc tự do: F = C – P + 1 (F: Số bậc tự do, C: số

cấu tử, P: số pha)

1

2 3

20-June-12

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Quy tắc đòn bảy: xác định tỉ lệ các pha, tổ chức

trên giản đồ pha: M.X= M.X

Thành phần, %B

20-June-12

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

a) Giản đồ pha loại 1: Giản đồ pha hệ hai cấu tử không có

bất kỳ tương tác nào (Pb-Sb)

- aEb: Đường lỏng

- cEd: Đường đặc

- a, b nhiệt độ chảy

của A và B

- E điểm cùng tinh

- Phản ứng cùng tinh:

L  (A + B)

20-June-12

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

b) Giản đồ pha loại 2: Giản đồ pha hệ hai cấu tử tương tác

và hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn

Ví dụ: Cu-Ni, Al2O3-Cr2O3

- amb: đường lỏng

- anb: đường đặc

-  = A(B), B(A)

- %L = ?, AL= ?, BL= ?

- % = ?, A= ?, B= ?

X

Lỏng (L) L+



a

b m

n

20-June-12

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

c) Giản đồ pha loại 3: Giản đồ pha hệ hai cấu tử tương tác

và hòa tan có vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn

Ví dụ: Pb-Sn, Cu-Ag

- aEb: đường lỏng

- acEdb: đường đặc

-  = A(B),

-  = B(A)

- E: điểm cùng tinh:

L   + 

Lỏng (L)

L+





+

a

E

b

%B L+

X2

20-June-12

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

d) Giản đồ pha loại 4: Giản đồ pha hệ hai cấu tử có tương

tác hóa học tạo ra pha trung gian AmBn (Mg-Ca: Mg4Ca3)

Lỏng (L)

A m B n +B

a

E1

b

E2 L+A

A m B n

L+A m B n L+A m B n A+A m B n

B+A m B n c

Tách thành hai giản đồ pha 2 cấu tử loại 1

20-June-12

3.3 Giản đồ pha (GĐP) Fe-C (Fe-Fe3C)

3.3.1 Tương tác giữa Fe và C

- Tạo dung dịch rắn xen kẽ:

+ Fe(A2; < 9110C): F() = Fe(C), %Cmax = 0,02%, 7270C

+ Fe(A1; 911-13920C): A() = Fe(C), %Cmax= 2,14%, 11470C

+ Fe(A2; > 13920C):  = Fe(C), %Cmax= 0,1%, 11390C

- Tương tác hóa học giữa Fe và C: Fe3C (%C = 6,67%)

r4m= 0,291rnt= 0,036nm

C: rnt = 0,077nm

r8m= 0,414rnt= 0,052nm

20-June-12

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)

3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha

20-June-12

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe 3 C)

3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha

a) Các chuyển biến khi nguội chậm

- Chuyển biến bao tinh: tại 14990C, điểm J:

0,1+ L0,5 0,16

- Chuyển biến cùng tinh: 11470C, điểm C:

L4,3 (2,14+ Xe6,67)

- Chuyển biến cùng tích: 7270C, điểm S:

0,8 [0,02+ Xe6,67]

20-June-12

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)

3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha

b) Các tổ chức một pha

- Ferit (F, ):

+ Dung dịch rắn hòa tan của C trong Fe

+ Giới hạn hòa tan 0,02%C tại 7270C

+ Tổ chức hạt sáng đa cạnh

- Austenit (A, ):

+ Dung dịch rắn hòa tan của C trong Fe

+ Giới hạn hòa tan 2,14%C tại 11470C, 0,8 tại

7270C

+ Tổ chức hạt sáng, đường song tinh

- Xemantit (Fe3C, Xe):

+ XeI: sinh ra từ trạng thái lỏng, dạng tấm thô to

+ XeII: tiết ra từ austenit, dạng lưới bao quanh hạt

+ XeIII: tiết ra từ ferit, rất ít

+ Xe cùng tích: tạo từ chuyến biến cùng tích

20-June-12

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)

3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha

c) Các tổ chức hai pha

- Peclit (P):

+ Hỗn hợp cùng tích F và Xe: 88%F +

12%Xe

+ Tạo ra từ phản ứng cùng tích

+ Tổ chức: P tấm, P hạt

- Lêđêburit (Le):

+ Hỗn hợp cùng tinh  và Xe (> 7270C);

p và Xe (< 7270C) (43,1%P + 56,9%Xe)

+ Sinh ra từ phản ứng cùng tinh

+ Tổ chức có dạng da báo

20-June-12

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe 3 C)

3.3.3 Phân loại thép và gang theo GĐP

a) Khái niệm: Thép và gang là hợp kim của Fe-C (Mn, Si, P, S…tạp

chất)

- Thép: %C < 2,14%

- Gang: %C > 2,14%

b) Đặc điểm:

- Thép có tổ chức một pha

 khi nung nóng (trên

đường GSE), có độ dẻo

cao dễ biến dạng

- Tính đúc của thép thấp

- Gang không đạt trạng

thái một pha  khi nung

nóng nên giòn cứng, khó

gia công biến dạng

- Gang có tính đúc tôt

20-June-12

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe 3 C)

3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha

c) Phân loại thép và gang theo GĐP

Thép theo GĐP: có 3 loại

- Thép trước cùng tích: %C < 0,8%

+ Tổ chức: P + F(sáng)

- Thép cùng tích: %C = 0,8%

+ Tổ chức 100% P: Ptấm, Phạt

- Thép sau cùng tích: 0,8% < %C < 2,14%

+ Tổ chức: P + XeII (dạng lưới)

Phạt

Ptấm

20-June-12

3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha

c) Phân loại thép và gang theo GĐP

Gang theo GĐP là gang trắng: có 3 loại

- Gang trước cùng tinh: %C < 4,3%

+ Tổ chức: P(đen) + XeII+ Le

- Gang cùng tinh: %C = 4,3%

+ Tổ chức 100% Le (da báo)

- Gang sau cùng tinh: %C > 4,3%

+ Tổ chức: Le + XeI (dải sáng)

Le P(đen) + Xe20-June-12II(sáng) + Le Le + XeI(đại lộ)

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe 3 C)

3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha

A 3 = 727 + 230(0,8-x) 0 C; A cm = 727 + 313(y-0,8) 0 C;x, y là %C)

d) Các điểm tới hạn: tương ứng với các điểm

chuyển biến pha trong thép A1, A3, Acm

- A1: đường PSK (7270C), ứng với chuyển

biến   P [F + Xe], có trong mọi thép

- A3: đường GS (911-7270C), ứng với chuyển

biến    +  có trong thép trước cùng tích

- Acm: đường SE (727-11470C), ứng với

chuyển biến    + XeIIcó trong thép sau

cùng tích

- Nung nóng thêm chữ “c”, làm nguội “r”

Ac1> A1> Ar1; Ac3> A3> Ar3;

Accm> Acm> Arcm

20-June-12