Bài giảng vật liệu học

Đối với kim loại, nếu làm nguội bình thường kim loại lỏng ta sẽ thu được trạng thái tinh thể, trong đó các nguyên tử sắp xếp theo một quy luật nhất định.. Hợp kim được chế tạo bằng phươn

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

BỘ MÔN VẬT LIỆU & CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Tập bài giảng VẬT LIỆU HỌC

DÙNG CHO LỚP CƠ ĐIỆN TỬ KHÓA 7

Hà nội 2010

Chương 1

CƠ SỞ VỀ VẬT LIỆU

1.1 Những kiến thức cơ sở về vật liệu.

1.1.1.Khái niệm về vật liệu

Vật liệu là tất cả những vật rắn con người sử dụng phục vụ cho cuộc sống của minh, do vậy vật liệu là yếu tố đầu tiên con người cần để xây dựng cơ sở vật chất cho nền văn minh nhân loại Như vậy vật liệu là rất đa dạng, tuy nhiên nếu dựa trên những đặc trưng cơ, lý hóa, có thể phân vật liệu thành ba nhóm chính:

Vật liệu kim loại là những vật thể dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, có khả năng biến dạng tốt, tính bền vững hóa học thấp Có cơ tính cao Vật liệu kim loại trong những điều kiện bình thường ( nhiệt độ, áp suất khí quyển) có cấu trúc tinh thể, có liên kết kim loại, có nhiệt độ nóng chảy và kết tinh xác định Những vật liệu kim loại thông dụng là thép, gang, đồng, nhôm,titan, niken…

Vật liệu vô cơ - ceramic thường là các vật chất dẫn điện kém, giòn, cứng khó biến dạng, rất bền vững hóa học, có nhiệt độ nóng chảy cao Thành phần cấu tạo thường gồm các hợp chất giữa kim loại và á kim điển hình là các oxit, nitrit, cac bít… cấu trúc tinh thể hoặc

vô định hình Liên kết giữa các phần tử thường là liên kết ion hoặc đồng hóa trị Thuật ngữ Ceramic có nghĩa là “vật nung” ví cổ xưa khi chế tạo chúng đều phải đem nung Các ceramic truyền thống gồm thủy tinh, gốm, sứ, gạch…Ngày nay ceramic được hiểu với nghĩa rộng gồm ceramic truyền thống, ceramic công nghiệp và ceramic đặc biệt sử dụng trong hàng không, tên lửa…

Vật liệu hữu cơ - Polime là những

chất dẫn điện kém, giòn ở nhiệt độ thấp,

dẻo ở nhiệt độ cao, bền vững hóa học ở

nhiệt độ thường Nhiệt độ nóng chảy

tương đối thấp Nguyên tố chủ yếu tạo

nên nhóm vật liệu này là cacbon& hydro,

ngoài ra có thể có thêm Oxy, clo, , nitơ…

liên kết bên trong chủ yếu là đồng hóa trị,

tạo nên các đại phân tử với cấu trúc mạch

2

Các vật liệu polime thường gồm hai loại : polime tự nhiên như cáo su, xen lu lô, polime nhân tạo được tạo thành bằng phương pháp trùng hợp các phân tử đơn ( monome) Ví dụ poliêtien ( PE), Polipropilen ( PP), polistiren ( PS)…

Ngoài ba nhóm trên ngày nay còn có thể đến nhóm vật liệu thứ tư rất quan trong đó là vật liệu Composit Đây là sự kết hợp hai hay nhiều loại vật liệu với tính chất đặc trưng khác hẳn nhau để được một loại vật liệu mới với tổ hợp tính chất hoàn toàn mới, mà nêu mội vật liệu thành phân đứng riêng rẽ không thể có được Ví dụ bê tông tông cốt thép Với sự kết hợp của thép chiu kéo tốt với bê tông chịu nén tốt bêtông cốt thép là loại vật liệu có được cả tính chịu kéo và nén rất tốt

1.1.2.Cấu trúc bên trong của vật liệu

Trong điều kiện thông thường, các chất có thể tồn tại ở một trong ba trạng thái là rắn, lỏng hoặc khí Vật thể ở trạng thái rắn có hình dáng hoàn toàn xác định nên chất rắn có vai trò đặc biệt quan trọng trong đời sống và kỹ thuật Tuỳ theo điều kiện hình thành mà một chất rắn lại có thể tồn tại ở trạng thái tinh thể hoặc vô định hình Đối với kim loại, nếu làm nguội bình thường kim loại lỏng ta sẽ thu được trạng thái tinh thể, trong đó các nguyên tử sắp xếp theo một quy luật nhất định Bằng kỹ thuật nguội nhanh từ trạng thái lỏng (tốc độ nguội cỡ 106 - 109 K/s) thì từ kim loại lỏng có thể tạo ra trạng thái vô định hình là trạng thái trong đó các nguyên tử sắp xếp vô trật tự Các tinh thể có hình dáng tương đối ổn định và có tính đối xứng Việc chuyển trạng thái từ tinh thể sang lỏng khi nung nóng hoặc ngược lại, từ trạng thái lỏng sang trạng thái tinh thể khi làm nguội, chỉ xảy ra ở một nhiệt độ Tnc xác định đặc trưng cho vật liệu đó Chất rắn vô định hình khi bị nung nóng thì mềm dần rồi chuyển dần sang trạng thái lỏng, không có điểm chuyển biến rõ rệt

Thực tế thấy rằng, kim loại và á kim đều có thể tồn tại ở trạng thái tinh thể Theo quan niệm cổ điển, kim loại là những vật thể dẻo, có ánh kim, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt Tuy vậy

có những vật thể là kim loại nhưng không có những tính chất như đã nêu, chẳng hạn ăngtimoan (Sb) không dẻo mà lại giòn, kim loại đất hiếm như xêri (Ce) và prazêođim (Pr) dẫn điện kém Do đó quan niệm về kim loại cổ điển không hoàn toàn thích hợp Ngày nay đặc điểm thay đổi điện trở theo nhiệt độ được dùng làm tiêu chuẩn phân biệt kim loại và á kim: khi nhiệt độ tăng kim loại được coi là vật liệu có điện trở suất tăng, á kim có điện trở suất giảm

Khái niệm chung về cấu trúc bao gồm cấu tạo nguyên tử, sự sắp xếp của chúng trong tinh thể cũng như hình dáng của tinh thể Cấu trúc của vật liệu có thể được nghiên cứu ở những mức độ khác nhau bằng các công cụ khác nhau tuỳ yêu cầu đặt ra Khi cấu trúc được

khảo sát ở cỡ nhóm nguyên tử <100 nm ta có cấu trúc siêu tế vi, hình ảnh vật liệu thu được

khi dùng kính hiển vi quang học hay hiển vi điện tử (đến cỡ độ lớn >100 nm) được gọi là tổ

chức tế vi, và tổ chức thô đại là hình ảnh vật liệu quan sát được bằng mắt thường hay dùng

kính lúp với độ phóng đại vài chục lần ví như các lõm co, rỗ khí của thỏi đúc v.v

Chương này sẽ trình bày những khái niệm cơ bản vê vật tinh thể, chủ yếu là kim loại & hợp kim Những cấu trúc tinh thể điển hình và những khuyết tật của chúng, có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của vật liệu

1.1.2.1 Mạng tinh thể

Đó là một mô hình hình học mô tả quy luật phân bố các nguyên tử của tinh thể Trong

mô hình này mỗi hạt (nguyên tử, nhóm nguyên tử, iôn hoặc phân tử) được coi như một chất điểm và được nối liền với nhau bằng một hệ thống đường thẳng song song trên ba phương

không gian Nơi giao nhau của các đường thẳng đó được gọi là nút mạng, nó cũng chính là

vị trí của hạt (nguyên tử ) Như vậy ta có một hình ảnh về mạng tinh thể bao gồm hệ thống những đường thẳng song song và các nút mạng (hình 1.1a&b)

Hình 1.1 Mạng tinh thể a/ Mô hình không gian biểu diễn quy luật sắp xếp các nguyên tử ( hoặc ion),

b/ Mô hình giả thiết các nguyên tử như những quả cầu cứng sắp xếp với nhau

Khái niệm mạng tinh thể vừa nêu không bị hạn chế về không gian Để khảo sát một tinh thể có thể chỉ cần xét một phần tử đặc trưng nào đó của mạng tinh thể là được

Phần tử đặc trưng đó được gọi là ô cơ bản Ô cơ

bản là đơn vị thể tích nhỏ nhất đặc trưng cho sự

sắp xếp các chất điểm trong toàn mạng Bằng

cách sắp xếp liên tục các ô cơ bản theo ba chiều

trong không gian sẽ thu được mạng tinh thể

Hình 1.2 biểu diễn ô cơ bản của kiểu mạng lập

phương Để biểu diễn một kiểu mạng tinh thể

nào đó chỉ cần vẽ ô cơ bản của nó

Hình 1.2 ô cơ bản của mạng lập phương

4

Có rất nhiều kiểu sắp xếp các nguyên tử hoặc ion (quy ước gọi chung là chất điểm) trong vật rắn tinh thể Dựa vào những quy định cụ thể trong tinh thể học người ta phân ra các

hệ thi thể khác nhau hình 1.3 giớ thiệu hỉnh ảnh của một số kiểu mạng tinh thể thường găp

Hình 1.3 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp trong vật rắn

(1) tam tà đơn giản, (2) đơn tà đơn giản, (3) đơn tà tâm đáy, (4) trực giao đơn giản, (5) trực giao tâm đáy, (6) trực giao thể tâm, (7) trực giao diện tâm, (8) lục giác, (9) mặt thoi, (10) chính phương đơn giản, (11) chính phương thể tâm, (12) lập phương đơn giản, (13) lập

phương thể tâm, (14) lập phương diện tâm.

Trong mạng tinh thể đường thẳng đi qua hai chất điểm bất kỳ tạo thành một phương tinh thể Như vậy mạng tinh thể là tập hợp của vô số phương tinh thể Tương tự vậy mạng

tinh thể cũng được tạo nên bởi vô số các mặt tinh thể cắt nhau hoặc song song với nhau.Mỗi mặt tinh thể được xác định bởi 3 chất điểm.

Chính quy luật sắp xếp các chất điểm của các kiểu mạng khác nhau dẫn đến tính chất của chúng khác nhau Trong bản thân một loại tinh thể, trật tự xếp của các chất điểm theo các phương & mặt tinh thể khác nhau cũng khác nhau Sự khác nhau về tính chất của các

phương & mặt tinh thể gọi là tính dị hướng của tinh thể Để nghiên cứu được các phương và

mặt tinh thể cần quy ước cách ký hiệu tên cho chúng

Để các ký hiệu phương, mặt tinh thể được thống nhất người ta

quy ước chọn hệ tọa độ và đơn vị đo như sau: đối với ô cơ bản

hình khối hộp đơn giản (hình 1.4), gốc toạ độ O được quy ước

chọn ở nút mạng dưới cùng bên trái, phía sau ô cơ bản Các trục

toạ độ Ox, Oy, Oz chọn dọc theo các cạnh ô cơ bản Đơn vị đo

chính là các thông số mạng a, b và c trên các trục toạ độ tương

Phương pháp ký hiệu phương & mặt tinh thể thông dụng hiện nay do Miller đề xuất Theo phương pháp này, với hệ trực giao ( lập phương) người ta dung ký hiệu [uvw] để ký hiệu một phương tinh thể, trong đó u,v,w là tọa độ của chất điểm gần nhất nằm trên phương cân ký hiệu và đi qua gốc tọa độ Hình 1.5 giới thiệu các phương tinh thể thường gặp trong

hệ lập phương Cần chú ý là các phương tinh thể song song với nhau thì cách sắp xếp chất điểm cũng giống nhau, điều đó cũng tương đương với việc có thể chon gốc tọa độ là một chất điểm bất kỳ

Hình 1.5 Các phương tinh thể thường gặp

6

các giá trị được 1/p, 1/q, 1/r Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất cho 3 phân số đó, tử số sẽ là các chữ số h, k, l cần tìm Đối với các toạ độ âm ta cũng dùng dấu “ –" trên đầu chỉ số tương

+Họ mặt {111} gồm các mặt (111) (111) (111) (111) là 4 mặt chéo tam giác

1.1.2.2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp trong kim loại

Trong kim loại thường gặp nhất ba loại mạng tinh thể điển hình là lập phương thể tâm

(hình 1.8), lập phương diện tâm (hình 1.9), và lục giác xếp chặt (hình 1.10)

Hình 1.9 Mạng lập phương diện tâm ( A1, K12)a/ Mô hình coi mỗi nguyên tử như chất

điểm; b/ Mô hinh coi mỗi nguyên tử như quả cầu cứng tiếp xúc nhau

Hình 1.10 Mạng lục giác sếp chặt ( A3, L12) a/ Mô hình coi mỗi nguyên tử như chất

điểm; b/ Mô hinh coi mỗi nguyên tử như quả cầu cứng tiếp xúc nhau

Trong mỗi kiểu mạng trên đều có những đặc trưng cần chú ý sau:

+ Số sắp xếp tức là số các nguyên tử cách đều gần nhất một nguyên tử bất kỳ ( hình 1.11) , đối với mạng (A2) là 8, đối với mạng A1& A3 đều là 12

a/

Hình 1.11 Số sắp xếp của các kiểu mạng a/Mạng A2; b/ Mạng A1; c/Mạng A3

+ Mức độ dày đặc tức là khả năng sắp xếp được nhiều nguyên tử trong mạng, chỉ số này được đặc trưng bằng số các nguyên tử trong ô cơ bản Với mạng A2 số các nguyên tử trong ô cơ bản là 2, với mạng A1& A3 là 4

+ Để đặc trưng định lượng cho sự sắp xếp sít chặt các nguyên tử trong ô mạng người ta

thường dùng mật độ nguyên tử khối MV cho toàn khối và mật độ nguyên tử mặt MS cho một mặt được xét Mật độ MV được xác định bằng cách lấy thể tích mà số các nguyên tử trong một ô cơ bản NV chiếm chỗ chia cho thể tích V của toàn ô:

8

MV =

CB O

3 V

CB O

t.

ng V

V

r3

4.NV

Dùng biểu thức (1.2) cho mạng A2 sẽ thu được MV = 68% Mạng A1& A3 đều có

MV = 74%

1.1.2.3 Cấu trúc của tinh thể thực.

Khi khảo sát cấu trúc tinh thể chúng ta đã coi rằng sự sắp xếp các nguyên tử trong tinh thể tuân theo một quy luật nhất định rất chặt chẽ trong toàn bộ thể tích của vật thể Cấu trúc như vậy được gọi là cấu trúc lý tưởng Thực tế cho thấy trong cấu trúc tinh thể có thể tồn tại những xáo trộn cục bộ, ở đó các nguyên tử có thể vi phạm quy tắc sắp xếp chung, không nằm đúng vị trí cân bằng của mình Những vi phạm này gọi là khuyết tật của mạng tinh thể

Sự có mặt của khuyết tật làm cho mạng bị xô lệch, sự dịch chuyển của các điện tử bị nhiễu loạn, trường ứng suất đàn hồi xuất hiện Tất cả những điều đó đều ảnh hưởng mạnh đến các tính chất cũng như nhiều quá trình xảy ra trong vật liệu

Theo đặc điểm kích thước hình học của khuyết tật người ta phân chúng thành ba loại: điểm, đường và mặt

a/ Khuyết tật điểm

Khuyết tật điểm là dạng khuyết tật có kích thước nhỏ, cỡ một vài thông số mạng theo

cả ba chiều không gian Có ba dạng khuyết tật điểm như trình bày trên hình 1- 12

Dạng thứ nhất, xuất hiện khi một nguyên tử rời bỏ nút mạng của mình, để lại đó một chỗ trống được gọi là nút trống (h.1.12a)

Dạng thứ hai, nếu một nguyên tử xen và khoảng không giữa các nguyên tử khác trong mạng, được gọi là nguyên tử xen kẽ (h.1.12b)

Dạng cuối cùng là khi một nguyên tử tạp chất chiếm mất nút mạng của kim loại nền (h.1.12c)

Trong cả ba trường hợp, sự xô lệch mạng do chúng gây ra chỉ tạo ra một trường ứng suất đàn hồi dạng cầu bao quanh, với kích thước vài thông số mạng; trường ứng suất này giảm rất nhanh theo khoảng cách

Hinh 1.13 Mô hình lệch, a/ mạng tinh thể hòan chỉnh b/ mạng tinh thể xuất hiện lệch.

Hinh 1.13a mô tả mạng tinh thể hoàn chỉnh, nếu vì lí do nào đó một nửa mặt tinh thể thứ ba ở phía dưới bị mất đi như hình 1.13b Trật tự xếp ở xung quanh mép AB của nửa mặt thừa sẽ bị nhiễu loạn, đó là một dạng khuyết tật đường gọi là lệch biên Lệch biên phát triển dọc theo trục AB vuông góc với mặt phẳng hình vẽ Các loại lệch khác phức tạp hơn được trình bày trong các tài liệu chuyên khảo về vật liệu Để định lượng số lượng lệch trong mạng

người ta dùng khái niệm mật độ lệch ρ đó là tổng chiều dài đường lệch trong một đơn vị thể

tích Do vây thứ nguyên của mật độ lệch là [cm-2]

10

Lệch có ảnh hưởng quyết định đến độ bền của kim loại vì sự dịch chuyển của lệch trong mạng dưới tác dụng của ứng suất là nguyên nhân cơ bản dẫn đến hiện tượng trượt ( biến dạng dẻo ) trong mạng.

c/ Khuyêt tật mặt

Khuyết tật mặt là dạng khuyết tật có kích thước lớn theo hai chiều đo và bé theo chiều thứ ba Nó có dạng của một mặt bất kỳ Trong tinh thể thực khuyết tật mặt thường là phân giới hạt, phân giới Dưới đây là khái niệm về phân giới hạt

Một vật có kiểu mạng tinh thể thống nhất, phương mạng hầu như đồng nhất ở mọi nơi

được gọi là một đơn tinh thể (hình 1-14a).Tuy nhiên thực tế sự đồng nhất phương mạng chỉ

có tính tương đối, khi xem xét với độ phóng đại lớn hơn thấy rằng, các đơn tinh thể lại gồm

nhiều khối nhỏ hơn với phương mạng hoàn toàn đồng nhất, được gọi là bloc hay siêu hạt

Phương mạng giữa các siêu hạt lệch nhau một góc rất nhỏ (thường dưới 100), nên biên giới siêu hạt được gọi là biên giới góc nhỏ

Phương mạng giữa các hạt tinh thể lệch nhau

những góc lớn hơn 100 nên biên giới hạt còn được

gọi là biên giới góc lớn Phần lớn vật liệu kỹ thuật

là những đa tinh thể Biên giới giữa các hạt trong đa

tinh thể là một lớp mỏng trong đó các nguyên tử sắp

xếp tương đối “hỗn loạn” để chuyển phương sắp

xếp từ hạt này sang hạt khác Sự sắp xếp như thế tạo

thành một dạng khuyết tật mặt ( hình 1.16)

Hình 1-16 Sự sắp xếp hỗn loại ở biên

giới hạt tinh thể

1.1.3 Tính thù hình của kim loại

Tính chất mà một chất rắn có khả năng tồn tại ở các dạng cấu trúc tinh thể khác nhau, trong các điều kiện khác nhau được gọi là tính thù hình Mỗi dạng cấu trúc được gọi là một dạng thù hình của chất đó Mỗi dạng thù hình được ký hiệu bởi các chữ Hy lạp α, β, γ, δ theo thứ tự nhiệt độ tăng dần Ví dụ sắt là kim loại có tính thù hình điển hình, nó có cấu trúc mạng khác nhau ở các vùng nhiệt độ khác nhau (hình 1-17):

- Dưới 9110C sắt có kiểu mạng K8, gọi là α-Fe

- Từ 911-1392 0C sắt có kiểu mạng K12, gọi là γ-Fe

-Từ 1392-1539 0C sắt có kiểu mạng K8, gọi là δ-Fe

Hình 1-17.

Khi chuyển từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác nhiều tính chất như mật độ,

độ hòa tan, tính chất vật lý, hóa học… của vật liệu thay đổi

Ví dụ α,Fe có từ tính, hòa tan rất ít cacbon ( tối đa là 0,02% ) khi chuyển sang γ.Fe trở nên không có từ tính và hòa tan rất nhiều cacbon ( tới 2,14%)

1.2 Kim loại nguyên chất & hợp kim

1.2.1 Kim loại nguyên chất

Kim loại nguyên chất với hàm ý trong thành phần hoá học của chúng chỉ gồm một nguyên tố và chỉ được sử dụng trong những trường hợp thật cần thiết Trong thực tế rất khó

có kim loại hoàn toàn nguyên chất hay nói khác đi là hàm lượng tạp chất là 0%

1.2.2 Hợp kim

Hợp kim là vật liệu gồm hai hay nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại Nguyên

tố chủ yếu trong hợp kim là kim loại Hợp kim mang tính chất của kim loại

Hợp kim được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy truyền thống, bằng luyện kim bột, bằng hoá nhiệt luyện, khuếch tán một vài nguyên tố vào kim loại rắn, bằng kết tinh thể hơi hay điện phân đồng thời nhiều nguyên tố

Thành phần các nguyên tố trong hợp kim được biểu thị bằng số phần trăm trọng lượng của mỗi nguyên tố chứa trong nó Đôi khi còn có thể biểu diễn thành phần các nguyên tố theo số phần trăm nguyên tử

Cũng như kim loại nguyên chất hợp kim có cấu trúc tinh thể Tuy nhiên cấu trúc tinh thể của hợp kim phức tạp hơn

12

911 1392 0C

γ -Fe δ - Fe

α -Fe

1.2.3 Pha, hệ, cấu tử

- Pha là những tổ phần đồng nhất của hợp kim Sự đồng nhất thể hiện trên các mặt: thành phần, trạng thái, tính chất Giữa các pha có bề mặt phân chia

- Hệ ( hay hệ thống) là một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng trong hợp kim

- Cấu tử (hay còn gọi là nguyên) là những chất độc lập có thành phần không biến đổi, chúng tham gia tạo nên tất cả các pha của hệ Thông thường các cấu tử của hệ chính là các nguyên tố hóa học cấu tạo nên hợp kim Khi các nguyên tố tạo nên hợp chất hóa học ổn định, lúc đó có thể coi hợp chất hóa học này là một cấu tử Cần chú ý, các cấu tử không thể biến đổi lẫn cho nhau, song có thể chuyển từ pha này sang pha khác

1.2.4 Các dạng cấu tạo của hợp kim

Nói chung ở trạng thái lỏng các cấu tử đều hòa tan lẫn nhau (trừ một vài trường hợp ngoại lệ) để tạo nên dung dịch lỏng Còn ở trạng thái rắn, tác dụng lẫn nhau giữa các nguyên

tố khá phức tạp, tạo nên những cấu trúc pha khác với cấu trúc vốn có của từng nguyên tố Các pha tinh thể ở trạng thái rắn của hợp kim có thể là:

a/ Dung dịch rắn;

b/ Hợp chất hóa học hoặc các pha trung gian;

c/ Hỗn hợp của cấu tử nguyên chất với dung dịch rắn hoặc các pha trung gian

1.2.4.1.Dung dịch rắn

Dung dịch rắn là pha tinh thể trong đó cấu tử được giữ nguyên kiểu mạng được gọi là dung môi Các cấu tử còn lại được gọi là chất tan (cấu tử dung môi thường có hàm lượng nhiều hơn so với chất tan) Các nguyên tử của chất tan được phân bố vào mạng tinh thể của dung môi

Tùy theo vị trí của nguyên tử chất tan trong dung môi, người ta chia dung dịch rắn thành hai loại:

+ Dung dịch thay thế : trong dung dịch rắn thay thế, nguyên tử nguyên tố hòa tan (B) phân bố vào mạng bằng cách thay thế vị trí nguyên tử dung môi (A) ở một số nút mạng Sự thay thế (hòa tan) này có thể là vô hạn (tức B thay hoàn toàn A trong mạng) hoặc thay thế có hạn (tức chỉ một B thay thế một phần A)- Hình 1.18

Hình 1.18 Dung dịch rắn thay thế Hình 1.19 Dung dịch rắn xen kẽ+ Dung dịch rắn xen kẽ:

Trong dung dịch rắn xen kẽ, nguyên tử của chất tan B nằm vào lỗ hổng mạng Khả năng hòa tan của B vào A hoàn toàn phụ thuộc vào tương quan kích thước giữa đường kính nguyên tử B và đường kính lỗ hổng mạng A Vì đường kính lỗ hổng mạng A có thể tính được thông qua đường kính nguyên tử A, cho nên các nhà khoa học đã tính toán được điều kiện để nguyên tử B hòa tan xen kẽ vào mạng nguyên A là tỷ số đường kính nguyên tử dB/dA ≤ 0,59 Đối với thép, dung môi là Fe, thì chỉ có một số ít nguyên tố á kim như N, C,

H B có đường kính nguyên tử nhỏ thỏa mãn điều kiện này, chúng có thể tạo thành dung dịch rắn xen kẽ trong thép Khi tạo thành dung dịch rắn xen kẽ, mạng tinh thể bị xô lệch mạnh và cho tác dụng hóa bền rất lớn Đối với dung dịch rắn xen kẽ, chỉ tồn tại dung dịch có hạn, không có dung dịch rắn vô hạn, bởi vì số lượng lỗ hổng trong mạng tinh thể là có hạn 1.2.4.2 Pha trung gian

Trong hợp kim ngoài pha dung dịch rắn, các pha tinh thể còn lại đều có tên chung là pha trung gian Pha trung gian rất đa dạng Chúng có một số đặc điểm chung như sau:

+ Mạng tinh thể của pha trung gian khác hẳn với mạng của các cấu tử thành phần

+Tỷ lệ thành phần giữa các cấu tử biến đổi trong phạm vi hẹp do vậy có thể biểu thị pha trung gian một cách gần đúng bằng công thức hoá học

+ Về tính chất: pha trung gian thường có nhiệt độ nóng chảy cao, độ cứng và độ giòn cao

Ví dụ: trong hợp kim sắt - cacbon, khi hàm lượng cacbon thấp có thể hình thành các dung dịch rắn xen kẽ là ferit mạng K8 và austenit mạng K12, nhưng khi hàm lượng cacbon lớn, ngoài pha dung dịch rắn còn có thể hình thành pha trung gian xêmentit có công thức hoá học là Fe3C có kiểu mạng rất phức tạp (hình 1.20)

14

Hình 1.20 So sánh kiểu mạng dung dịch rắn và pha trung gian

1.2.4.3 Hỗn hợp cơ học

Tổ chức của hợp kim có thể gồm các trạng thái tổ chức sau:

1 Hợp kim chỉ có một pha hoặc là dung dịch rắn hoặc pha trung gian Trường hợp sau ít xảy ra và nếu có thì hợp kim như vậy cũng không sử dụng được

2 Hợp kim gồm hai hoặc nhiều pha: hoặc hai dung dịch rắn hoặc một dung dịch rắn và một pha trung gian Trong trường hợp đó ta nói là hợp kim có tổ chức hỗn hợp cơ học Ngoài ra cũng tồn tại những hợp kim có nhiều hơn hai pha, trong đó pha nền là dung dịch rắn, còn lại là các pha trung gian

1.3 Sự hình thành tổ chức kim loại từ trạng thái lỏng.

Kim loại và hợp kim thường được sản xuất bằng cách nấu luyện ở trạng thái lỏng, sau

đó đúc thành thỏi hoặc vật đúc rồi tiếp tục qua các khâu gia công khác như cán, rèn, cắt gọt v.v Trạng thái tổ chức của chúng thu được sau khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn có ý nghĩa quyết định đến chất lượng sản phẩm

Hình 1.21 giới thiệu hình ảnh quá trình

đúc vỏ đạn cối 82mm tại nhà máy Z127

Kết tinh là sự hình thành mạng tinh thể từ

trạng thái lỏng Trong điều kiện nguội thông

thường của sản xuất đúc kim loại hoặc hợp kim

lỏng khi rót vào khuôn sẽ xảy ra qúa trình kết

tinh .Trọng tâm nghiên cứu sự kết tinh là:

Hình 1.21

- Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến chất lượng tổ chức của kim loại & hợp kim sau kết tinh

1.3.1.Nhiệt độ kết tinh

Trong tự nhiên mọi trạng thái vật chất đều tương

ứng với mức năng lượng tự do xác định G Sự phụ

thuộc năng lượng tự do G vào nhiệt độ được biểu

diễn bởi biểu thức:

G = U - TS (1.4)

trong đó:

U - nội năng của hệ thống;

T - nhiệt độ tuyệt đối của hệ [K];

S - entropi đặc trưng cho mức độ trật tự nguyên tử

trong hệ thống

Hình 1.22 Sự thay đổi năng lượng tự

do của kim loại lỏng và rắn theo nhiệt độ

Hình 1.22 biểu diễn sự phụ thuộc năng lượng tự do G của pha lỏng & pha rắn vào nhiệt độ.T0 là nhiệt độ kết tinh lý thuyết tại đó Gr = GL

Ở nhiệt độ cao hơn T0 có GL > Gr , nên kim loại tồn tại ở trạng thái lỏng (tức nóng chảy)

Ở nhiệt độ thấp hơn T0, GL < Gr nên kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (tức kết tinh xảy ra) Thực tế kết tinh chỉ xảy ra ở nhiệt độ Tn thấp hơn T0 ứng với độ chênh năng lượng ∆G nhất định Sự sai khác giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết và thực tế được gọi là độ quá nguội, ký hiệu ∆T Độ quá nguội là đại lượng thể hiện cho điều kiện nhiệt động của quá trình kết tinh ∆T = T0 - Tn (1.5)

Độ quá nguội tối thiểu khi kết tinh phụ thuộc vào bản chất kim loại, độ sạch, tốc độ làm nguội Tăng tốc độ nguội của kim loại lỏng sẽ làm tăng độ quá nguội khi kết tinh Với tốc độ nguội lớn, độ quá nguội có thể lên tới hàng trăm độ.Trong điều kiện sản xuất đúc ∆T = 10 ÷ 300C

1.3.2 Bản chất quá trình kết tinh

Khi nhiệt độ kim loại lỏng giảm đến nhiệt độ Tn < T0, trong kim loại lỏng xảy ra hai quá trình cơ bản là quá trình tạo mầm và quá trình phát triển mầm thành những hạt tinh thể

16

Mầm kết tinh là những phần tử kim loại rắn

rất nhỏ được hình thành từ pha lỏng và

chúng có thể tiếp tục lớn lên thành hạt tinh

thể Mầm tinh thể có thể được sinh ra ngay

trong pha lỏng từ vị trí bất kỳ được gọi là

mầm tự sinh (mầm đồng pha) Mầm cũng

có thể xuất hiện ngay trên bề mặt của

những phần tử rắn trong kim loại lỏng được

gọi là mầm ký sinh (mầm khác pha)

Hình 1.23 là sơ đồ miêu tả quá trình kết

tinh Hình 1.23 Sơ đồ miêu tả quá trình kết tinh

Trong suốt quá trình kết tinh, sự tạo mầm và phát triển của mầm đồng thời xảy ra, ở một

thời điểm bất kỳ khi kết tinh, tại chỗ này những mầm đã có tiếp tục lớn lên, thì ở chỗ khác lại

tiếp tục đang xuất hiện mầm mới Tuy nhiên nếu xét quá trình hình thành một hạt tinh thể trong

kết tinh thì tạo mầm và phát triển của mầm là hai quá trình kế tiếp nhau

4

r r

T T

Đường cong ∆G phụ thuộc vào bán kính mầm tinh

thể r được biểu diễn trên hình 1.24 Giá trị bán kính

của mầm tại đó nếu mầm tiếp tục phát triển sẽ kèm

theo năng lượng ∆G hệ giảm, gọi là bán kính tới hạn

(rth)

T L

T g

r

nc v

2

2σ σ 0

Khi độ quá nguội ∆T càng lớn thì bán kính tới hạn rth càng nhỏ và lúc này khả năng xuất hiện

số mầm kết tinh sẽ tăng lên, hay nói cách khác, tốc độ tạo mầm kết tinh sẽ tăng lên theo độ quá

nguội Dựa vào nguyên lý này trong sản xuất đúc người ta tìm cách làm nguội nhanh để thu được hạt tinh thể nhỏ mịn.

1.3.2.2 Sự tạo mầm ký sinh

Trong kim loại lỏng thực tế thường còn lẫn những phần tử rắn lơ lửng, ví dụ oxyt, các nitrit hay hợp chất khác, nguyên tử kim loại từ pha lỏng có thể trực tiếp bám lên bề mặt các pha rắn này (kể cả thành khuôn đúc) để hình thành mầm kết tinh Sự tạo mầm trên bề mặt pha rắn sẵn có trong kim loại lỏng được gọi là sự tạo mầm ký sinh Sự tạo mầm ký sinh xảy ra sẽ dễ dàng hơn, yêu cầu

độ quá nguội ∆T nhỏ hơn và công sinh mầm cũng nhỏ hơn

1.3.3 Sự lớn lên của mầm

Những mầm tinh thể có kích thước bằng hay lớn hơn kích thước tới hạn sẽ lớn lên một cách tự nhiên vì nó làm giảm năng lượng tự do của hệ thống Sự lớn lên này thực hiện bằng cách các nguyên tử hay nhóm nguyên tử gắn lên bề mặt của mầm theo trật tự nhất định Cơ chế lớn lên của mầm phổ biến hay gập nhất được mô tả như sau:

Mầm ban đầu phát triển không đều theo các hướng, những phần được phát triển nhanh hình thành các nhánh dài và được gọi là các trục bậc nhất Theo mức độ tăng trưởng, đến lúc nào

đó từ trục bậc nhất sẽ xuất hiện các trục bậc hai và lớn lên; cứ như thế các trục bậc hai lại kết tinh ra các trục bậc ba (hình 1.25) Các nhánh cây tiếp tục lớn lên cho đến khi tiếp xúc với nhau Tại các mặt tiếp xúc sự phát triển dừng lại, những phần khác còn tự

do tiếp tục lớn lên Cho nên chỉ cần kim loại lỏng còn lại đủ cung cấp cho sự điền đầy phần không gian trống giữa các trục nhánh cây thì khi kết tinh xong ta vẫn thu được các hạt tinh thể điền đầy với hình dạng không đều đặn Mặt cắt của chúng nhìn dưới kính hiển vi có hình đa cạnh (hình 1.26) Tổ chức tinh thể nhánh cây chỉ quan sát thấy ở những phần kết tinh sau cùng, không còn đủ kim loại lỏng để điền kín không gian giữa các nhánh cây Tổ chức tinh thể nhánh cây cũng có thể thấy được khi dùng axit tẩm thực tổ chức đúc của kim loại có nhiều tạp chất, khi đó axit ăn mòn chọn lọc làm hiện hình tinh thể nhánh cây ( hình 1.27)

Hình 1.25 Sơ đồ hạt tinh thể phát triển

theo dạng nhánh cây

Hình 1.26 Tổ chức đa tinh thể Các hạt tinh thể đa cạnh hình thành từ các tinh thể nhánh cây.

18

Hình 1.27 Tinh thể nhánh cây tìm được trong thỏi đúc.

1.3.4 Độ lớn của hạt tinh thể

1.3.4.1 Khái niệm độ hạt tinh thể

Độ lớn hạt kim loại loại sau kết tinh là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng vật liệu Độ hạt có thể đánh giá bằng một trong những đại lượng sau:

(1) Số lượng hạt tinh thể N quan sát được trên một đơn vị diện tích;

(2) Diện tích mặt cắt trung bình S (mm2) của một hạt;

Giữa N và S có quan hệ sau: N = 1/S, số lượng hạt N càng nhiều, hạt có kích thước càng nhỏ

(3) Đường kính trung bình d của hạt

Tuy nhiên công việc thí nghiệm để xác định những thông số trên của hạt rất tốn kém thời gian Để tiện đánh giá độ lớn hạt người ta phân các cỡ hạt thành nhiều cấp (thường dùng nhất

là 8 cấp) bằng cách so sánh với ảnh chuẩn ở độ phóng đại 100 lần (hình 1.28) Cấp hạt M có mối quan hệ với số lượng hạt N đếm được trên diện tích trường quan sát 6,45cm2 (1in2) của kính hiển vi có độ phóng đại 100 lần

N = 2M-1 (1.8)

Thông thường quy ước độ hạt từ cấp 1 đến cấp 4 là hạt thô, cấp 5 đến 8 là hạt nhỏ, cấp hạt trên 8 là hạt siêu nhỏ

Hình 1.28 Atlat chuẩn về cấp hạt theo ASTM ứng với độ phóng đại x 100

1.3.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới kích thước hạt sau đúc

Tốc độ tạo mầm n và tốc độ lớn lên của mầm v là hai đại lượng cơ bản ảnh hưởng tới

độ hạt Nếu tốc độ tạo mầm lớn, tức trong một đơn vị thể tích, trong một đơn vị thời gian xuất hiện rất nhiều mầm thì sẽ làm cho phạm vi không gian lớn lên của mỗi mầm sẽ nhỏ và hạt có kích thước nhỏ Nếu tốc độ lớn lên của mầm có trị số lớn thì sẽ có nhiều hạt sinh sau không lớn lên được do bị những hạt lân cận lớn lên trước chèn ép và hạt nhận được sau khi đúc sẽ có kích thước lớn

Nếu gọi d là kích thước hạt tinh thể, quan hệ giữa d với n và v có dạng sau:

d = k

n

v , (1.9)trong đó k - hệ số xác định bằng thực nghiệm

Trong sản xuất, những biện pháp công nghệ để thu được hạt nhỏ đều thực hiện bằng cách tác động vào tốc độ tạo mầm n và tốc độ lớn lên v, cụ thể các biện pháp công nghệ đó như sau:

(1) Tăng tốc độ nguội

Tăng tốc độ làm nguội sẽ làm tăng độ quá nguội đối với kim loại lỏng Khi ∆T tăng, v và n đều tăng nhưng do n tăng nhanh hơn v nên tổ chức sau kết tinh có hạt càng nhỏ Để có tốc độ nguội nhanh khi đúc người ta sử dụng khuôn đúc bằng kim loại hay cát, làm nguội liên tục vỏ khuôn bằng phun nước v.v

(2) Dùng chất biến tính

Chất biến tính là chất được đưa vào kim loại lỏng trước khi rót đúc nhằm thu được tổ chức hạt nhỏ sau khi đúc Chất biến tính có thể phân ra hai loại

20

Loại thứ nhất, chất biến tính có khả năng kết hợp với kim loại lỏng hay nguyên tố hoà tan trong kim loại lỏng tạo những phần tử rắn nhỏ li ti lơ lửng trong kim loại lỏng Các phần tử rắn này sẽ đóng vai trò là tâm tạo mầm ký sinh Thông thường khi rót đúc thép người ta cho vào nước thép ở thùng rót khoảng 20 đến 50g Al cho một tấn thép Lượng Al này tác dụng với ôxy và nitơ hoà tan trong thép lỏng tạo thành các phần tử rắn Al2O3, AlN đóng vai trò là các tâm tạo mầm ký sinh

Loại chất biến tính thứ hai là chất hoà tan vào kim loại lỏng mà không hình thành các phần tử rắn, song có tác dụng cản trở tốc độ lớn lên của mầm v hoặc làm thay đổi tính dị hướng của tốc độ lớn lên Ví dụ khi đúc hợp kim silumin (Al-Si) người ta cho vào hợp kim lỏng một ít hỗn hợp muối NaCl và NaF làm cho tốc độ phát triển của các tinh thể Si chậm lại, do đó tổ chức hợp kim sau đúc hạt nhỏ hơn, có cơ tính tốt hơn

(3) Rung động kim loại lỏng trong qúa trình kết tinh

Rung động kim loại lỏng trong quá trình kết tinh có thể thực hiện được bằng sóng siêu âm hoặc rung cơ học Thực chất của phương pháp công nghệ này là thông qua rung động nước thép để bẻ gẫy những tinh thể nhánh cây thành nhiều mầm tinh thể mới 1.3.5 Đặc điểm cấu tạo tổ chức thỏi đúc

Cấu tạo tinh thể, khuyết tật và tạp chất trong thỏi đúc và vật đúc có ảnh hưởng rất lớn tới

cơ tính và tính gia công biến dạng dẻo của kim loại

Vật đúc trong sản xuất rất đa dạng về hình dạng và kích thước do quá trình kết tinh diễn ra phức tạp Ở đây chỉ chọn thỏi đúc có dạng hình trụ và có độ côn nhất định để khảo sát

1.3.5.1 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

Hình 1.29 mô tả tổ chức điển hình của thỏi đúc lớn được kết tinh trong khuôn kim loại

có nước làm mát xung quanh Có thể nhận thấy tổ chức tinh thể của thỏi đúc có 3 vùng điển hình: lớp vỏ bề mặt, vùng trung gian và vùng trung tâm

a) Lớp vỏ bề mặt thỏi đúc

Lớp này được cấu tạo bởi rất nhiều hạt tinh thể kích thước nhỏ đẳng trục (tức kích thước của mỗi hạt trên các phương gần như nhau) Lớp vỏ được hình thành là do một lớp mỏng kim loại lỏng bị nguội đột ngột do tiếp xúc với bề mặt khuôn ban đầu đang ở trạng thái nguội Lớp mỏng kim loại này đạt độ quá nguội rất lớn nên hạt nhỏ

b) Lớp tinh thể hình trụ

Lớp tinh thể hình trụ hình thành ở vùng trung gian giữa bề mặt và trung tâm thỏi đúc Các tinh thể ở đây có đặc điểm là phát triển dài theo hướng vuông góc với bề mặt và hướng vào tâm, chúng tạo nên những bó hạt dài song song kề bên nhau cùng hướng tâm Chính vì

vậy lớp tinh thể này được gọi là lớp tinh thể hình trụ Các trục tinh thể của các hạt hình trụ tạo nên sự định hướng chung cho lớp tinh thể này, được gọi là textua đúc.

Nguyên nhân hình thành lớp tinh thể hình trụ là do đến thời điểm kết tinh lớp trung gian, vỏ khuôn bị đốt nóng cộng thêm bên trong có lớp lót là lớp kim loại nóng đỏ vừa kết tinh làm cho khả năng làm nguội đối với kim loại lỏng chậm hẳn lại, độ quá nhiệt của kim loại lỏng lúc này rất nhỏ, tốc độ sản sinh mầm mới hầu như không đáng kể, sự phát triển hạt

là chủ yếu và theo phương toả nhiệt vuông góc với thành khuôn Kết quả là vùng trung gian

có hạt tinh thể hình trụ kích thước lớn định hướng vuông góc với thành khuôn

Hình 1.29 Sơ đồ tổ chức tinh thể của

thỏi đúc a) Mặt cắt dọc; b) Mặt cắt ngang;

1 - Lớp vỏ hạt nhỏ

2- Lớp trung gian tinh thể hình trụ;

3 - Vùng trung tâm hạt lớn đẳng trục;

4 - Lõm co thỏi đúc.

c) Vùng trung tâm thỏi đúc

Tổ chức tinh thể đặc trưng vùng trung tâm thường bao gồm những hạt tinh thể đẳng trục kích thước lớn Sở dĩ như vậy là vì đây là vùng kết tinh sau cùng, độ quá nguội của kim loại lỏng còn lại ở trung tâm thường rất nhỏ, chỉ có một số rất ít mầm được sinh ra Những mầm tinh thể này được lớn lên với tốc độ nhỏ và hầu như đều theo các phương (do sự toả nhiệt lúc này không còn có phương nào ưu tiên nữa), hình thành vùng tinh thể ở trung tâm với đặc trưng

là những hạt lớn, đẳng trục Do vùng trung tâm thỏi đúc có hạt lớn và thường chứa nhiều bọt khí

và tạp chất nên cơ tính kém nhất Nói chung ở thỏi đúc nào cũng có lớp vỏ mỏng hạt nhỏ, còn tỷ

lệ hai vùng sau thì tùy thuộc vào điều kiện làm nguội và kích thước thỏi đúc Nếu làm nguội mãnh liệt (dùng khuôn kim loại dầy, hoặc làm nguội thành khuôn bằng nước) thì có thể làm vùng tinh thể hình trụ phát triển, thậm chí tới mức lấn át hết cả vùng trung tâm Cấu tạo thỏi đúc như vậy được gọi là xuyên tinh

Câu hỏi ôn tập.

1 Vật liệu là gì? Cách phân loại vật liệu theo thành phần hóa học

2 Nội dung nghiên cứu của vật liệu học là gì? Trình bày khái niệm cấu trúc của vật liệu ?

3 Những tính chất cơ bản của vật liệu là gì?

4 Thế nào là vật tinh thể ? vật vô định hình, tính chất đặc trưng của mỗi loại?

22

5 Mạng tinh thể là gì ? muốn biểu diến một kiểu mạng tinh thể người ta làm thế nào?

6 Hãy vẽ các phương sau [ 010], [101], [121], [111]; [02 1] trong mang A2

7 Hãy ký hiệu chỉ số Mile cho phương tinh thể trên hình vẽ 1.1

10 Xác định chỉ số mile cho mặt tinh thể biểu diễn trên hình vẽ 1.2

11 Xác định chỉ số Mile cho mặt tinh thể trong mạng lập phương đơn giản cắt các trục tọa độ ở các điểm ( 1 , 1/4,0); ( 1,1,1/2), ( ¾, 1,1/4)

12 Thế nào là tính thù hình, dạng thù hình Chuyển biến thù hình? chỉ ra các dạng thù hình của sắt.

13 Trình bày các dạng khuyết tật điểm thường gặp, ảnh hưởng của khuyết tật điểm tới tính chất gì của vật liệu kim loại

14 Trình bày khái niệm đơn & đa tinh thể, Biên giới hạt được xếp vào loại khuyết tật nào của cấu trúc tinh thể.

15 Trình bày khái niệm lệch biên, mật độ lệch là gì?

16 Thế nào là sự kết tinh, kết tinh xảy ra trong trường hợp nào trong sản xuất, kết tinh khác đông đặc ở điểm nào.

17 Để đánh giá tốc độ kết tinh dùng các đại lượng nào?

18 Trình bày khái niệm độ hạt tinh thể? trong thực tế dùng cách đánh giá độ hạt như thế nào? ( tiêu chuẩn ASTM về độ hạt)

19 Nhân tố ảnh hưởng đến độ hạt khi kết tinh, các giải pháp làm nhỏ hạt khi đúc

20 Hãy trình bày đặc điểm tổ chức tế vi thỏi đúc, giải thich sự hình thành các vùng.

21.Hợp kim là gì, cho các thí dụ về hợp kim mà bạn biết, tại sao thực tế dùng hợp kim nhiều hơn kim loại nguyên chất.

22 Trình bày khái niệm về pha, hệ, cấu tử, cho thí dụ cụ thể.

23 Thế nào là dung dịch rắn, có những loại dung dịch rắn nào trong hợp kim.

24 Thế nào là pha trung gian, so sánh tính chất, vai trò của pha trung gian với dung dịch rắn trong hợp kim

Chương 2

GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI

2.1 Khái niệm chung

Tính chất của kim loại & hợp kim không chỉ phụ thuộc cấu trúc bên trong, mà còn phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học và nhiệt độ sử dụng Để biểu thị sự phụ thuộc của cấu trúc kim loại & hợp kim vào thành phần và nhiệt độ người ta dùng giản đồ trạng thái, đôi khi còn gọi là giản đồ pha

Các hệ hợp kim khác nhau có kiểu giản đồ pha khác nhau và được xác lập nên chủ yếu bằng thực nghiệm

Giản đồ pha có vai trò to lớn trong việc nghiên cứu, gia công và sử dụng hợp kim Từ giản

đồ pha của hệ hợp kim đã cho có thể xác định được các điều sau:

- Nhiệt độ chảy và nhiệt độ chuyển pha (các điểm tới hạn) của hợp kim ứng với thành phần đã cho khi nung nóng và làm nguội Từ đó xác định chế độ nhiệt hợp lý khi nấu luyện (để đúc), gia công áp lực (cán, rèn, ) và nhiệt luyện

- Trạng thái pha (gồm các pha nào, thành phần của mỗi pha và tỷ lệ giữa các pha đó) của hệ hợp kim ở các nhiệt độ, thành phần khác nhau, từ đó có thể dự đoán được tính chất của hợp kim đã cho để sử dụng vào các mục đích khác nhau

Song cần chú ý là nhiệt độ chuyển biến và cấu tạo pha của hợp kim được ghi trên giản

đồ pha chỉ ứng với trạng thái cân bằng, tức là khi nung nóng và làm nguội vô cùng chậm Trong sản xuất thường nung nóng và làm nguội nhanh với tốc độ nhất định, các nhiệt độ chuyển biến và cấu tạo pha của hệ hợp kim sẽ có những sự sai khác đi Tuy vậy các chỉ dẫn trên giản đồ pha vẫn là cơ sở cho các suy luận và giải thích

Đối với các hệ hợp kim ba nguyên trở lên cách biểu diễn giản đồ pha rất phức tạp, ở đây chúng ta chỉ nghiên cứu giản đồ pha hệ hai nguyên

24

2.2.Giản đồ trạng thái hai nguyên

2.2.1 Cấu tạo của giản đồ.

Để hiểu rõ cách biểu diễn giản đồ trạng thái

hai nguyên, hãy lấy giản đồ hai nguyên

Ni-Cu làm ví dụ (hình 2.1) Cấu tạo giản đồ pha

hai nguyên (cấu tử) gồm hai trục: trục đứng

biểu thị nhiệt độ, trục ngang biểu thị thành

Hình 2.1 Giản đồ pha Ni-Cu

Thông thường thành phần của hợp kim được biểu thị theo phần trăm trọng lượng (đôi

khi có thể biểu diễn theo phần trăm nguyên tử, lúc đó phải ghi chú kèm theo) Mỗi điểm trên

trục thành phần biểu thị một hợp kim có thành phần xác định Ví dụ hợp kim C ứng với hợp

kim niken chứa 30%Cu, ngược lại, chiều từ phải sang trái là chiều tăng dần của hàm lượng

Ni Vị trí hai đầu mút của trục thành phần ứng với hai nguyên tố nguyên chất, trên hình 1-30

đầu mút trái là Ni (100%), đầu mút phải là Cu (100%) Đường thẳng đứng đi qua điểm thành

phần, ví dụ qua điểm C, biểu thị trạng thái hợp kim C ở các nhiệt độ khác nhau

Các đường trên giản đồ:

- AmB là đường lỏng, trên đường lỏng hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng;

- AnB là đường đặc, dưới đường đặc hợp kim hoàn toàn ở trạng thái rắn

Các đường sẽ chia giản đồ thành nhiều vùng có trạng thái pha giống nhau:

- Vùng một pha lỏng nằm trên đường lỏng (ký hiệu L trên hình 2.1);

- Vùng một pha rắn nằm dưới đường đặc (ký hiệu α trên hình 2.1);

- Vùng hai pha (L+α) nằm trên diện tích giới hạn giữa đường lỏng và đường đặc Ở

đây là vùng xảy ra kết tinh của hợp kim

Khi sử dụng giản đồ pha để nghiên cứu một hợp kim nhất định ( có thành phần xác

định ) thường xuất hiện các câu hỏi cần giải quyết như sau:

+ Ở nhiệt độ nhất dịnh nào đó, tổ chức pha của hợp kim là gì?

+ Nếu hợp kim có nhiều pha thì thành phần của mội pha là bao nhiêu?

+ Khối lượng các pha là bao nhiêu?

Để thỏa mãn các câu hỏi trên tiến hành các bước sau:

+ Muốn xác định trạng thái pha của hợp kim ứng với thành phần cho trước ở nhiệt độ nào

đó thì ta làm như sau: gióng đường vuông góc trên trục ngang tại điểm thành phần hợp kim và

gióng một đường nằm ngang vuông góc với trục đứng tại nhiệt độ cần khảo sát Giao điểm của

hai đường rơi vào vùng pha (tổ chức) nào trên giản đồ sẽ xác định trạng thái pha (tổ chức) của hợp

kim đã cho Nếu điểm biểu diễn rơi vào vùng một pha thì việc xác định đơn giản, đó là hợp kim

có tổ chức một pha như đã ghi trong vùng pha đó, còn thành phần hóa học của pha chính là thành

phần của hợp kim đã cho

+ Nếu điểm biểu diễn rơi vào vùng hai pha thì hợp kim có tổ chức hai pha như đã ghi trên

vùng hai pha của giản đồ Việc xác định thành phần cũng như tỷ lệ về trọng lượng giữa hai pha

phải dùng định luật qui tắc đòn bẩy

2.2.2 Quy tắc đòn bẩy

Chúng ta hãy khảo sát hợp kim chứa X%B ở

nhiệt độ t0 của hợp kim có giản đồ pha biểu diễn trên

hình 2.2, trạng thái của hợp kim lúc này được biểu

diễn bởi điểm Q

Vì Q nằm trong vùng hai pha L + α nên trạng thái

pha của hợp kim gồm hai pha là lỏng (L) và rắn (α)

Đường đẳng nhiệt (nằm ngang) t0 cắt đường đặc ở

M và cắt đường lỏng ở N Hình chiếu điểm M &N

trên trục hoành xác định thành phần của pha α & L

α

a) Thµnh phÇn, %B

L +

α

Q L

N M

b)

Hình 2.2

là (X1%B) & (X2%B)

Để xác định tỷ lệ khối lượng giữa hai pha α và L tiến hành như sau:

Gọi lượng tương đối của pha α là m và của pha lỏng L

là n

+Lượng chứa của B trong α là mX1,

+Lượng chứa của B trong pha L là nX2

Tổng số lượng chứa của B trong hợp kim X:

mX1 + nX2 = X ; [a]α

a) Thµnh phÇn, %B

L +

α

Q L

N M

b)

Hình 2.3Giả thiết ta xét cho 1 đơn vị khối lượng hợp kim, nghĩa là:

m + n = 1; [b]

Giải hệ hai phương trình [a]&[b] trên sẽ được kết quả:

n =

1 2

1

XX

XX

−

−

; m =

1 2

2

XX

XX

−

−

Kết quả trên có thể biểu thị qua các đoạn thẳng trên hình 2.3 ta có:

Khối lượng tương đối của pha α là: m =

MNQN

26

Khối lượng tương đối của pha L là: n =

MNMQ

hoặc MQn = QNmQuan hệ này giống như qui tắc đòn bẩy biểu diễn trên hình 2.3, cho nên gọi là qui tắc đòn bẩy

2.3 Các dạng giản đồ hai nguyên điển hình.

2.3.1 Giản đồ hai nguyên có kết tinh dung dịch rắn

Đó là giản đồ của các hợp kim khi kết tinh có

tạo ra dung dịch rắn hòa tan vô hạn đã phân tích ở

phần trên (hình 2.1 ) hoặc là hợp kim có tổ chức

cùng tinh, ở trạng thái rắn chúng tạo ra dung dịch

α - là dung dịch rắn hòa ran có hạn của B trong A [ ký hiệu A(B)]

β - là dung dịch rắn hòa ran có hạn của A trong B [ ký hiệu B(A)]

Hai đường CF&DG biểu thị giới hạn hòa tan của các dung dịch rắn α& β, giảm theo nhiệt độ

Sự kết tinh của hệ hợp kim này có đặc điểm sau:

+ Toàn hệ hợp kim chỉ có một hợp kim ứng với thành phần điểm E khi làm nguội tới đường CED sẽ kết tinh ra đồng thời hai pha α & β vì vậy nó có tên là hợp kim cùng tinh.Trong suốt thời gian kết tinh cùng tinh nhiệt độ của hệ thông không đổi Tổ chức [α+β] gọi là tổ chức cùng tinh Có thể biểu diễn quá trinh kết tinh cùng tinh bằng phản ứng cùng tinh như sau:

T = Const

LE ⇒ [ αC+βD]; ( 2.1)

+ Các hợp kim có thành phần khác hợp kim cùng tinh ( bên trái điểm E – là hợp kim trước cùng tinh, bên phải điểm E là hợp kim sau cùng tinh) khi làm nguội đều có xu hướng

kết tinh ra α hoặc β để tự biến đổi thành phần trở thành hợp kim cùng tinh và kết thúc sự kết tinh bằng phản ứng cùng tinh Cụ thể như sau:

Hình 2.5

- Ví dụ hợp kim số I trên hình 2.5 ( hợp kim trước cùng tinh)trong quá trinh kết tinh, pha lỏng sẽ tiết ra α( H 2.5a) trước khi kết tinh cùng tinh, trong khi đó hợp kim II (sau cùng tinh) sẽ kết tinh ra β trước khi kết tinh cùng tinh (H 2.5b)

2.3.2 Giản đồ hai nguyên có tạo hợp chất ổn định

Dạng tổng quát của giản đồ có dạng như

biểu diễn trên hình 2.6 Đặc điểm của hệ hợp

kim này là chúng hình thành một pha hợp

chất AmBn Giản đồ này thoạt coi thì thấy

phức tạp song hoàn toàn có thể phân thành hai

giản đồ cùng tinh đơn giản để khảo sát Đó là

phần bên trái là giản đồ cùng tinh hệ hai cấu

tử A và AmBn và phần bên phải là giản đồ

cùng tinh hệ hai cấu tử AmBn và B

Hình 2.6 Giản đồ hai nguyên có tạo hợp chất ổn định

2.3.3 Giản đồ hai nguyên có kết tinh cùng tích

Trong giản đồ này phần trên của giản đồ ứng với quá trình kết tinh từ thể lỏng (hình 2.7) là ví dụ giản đồ dung dịch rắn vô hạn)

Hình 2.7 Một dạng của giản đồ có chuyển biến

trạng thái rắn dạng cùng tích

Phần dưới ứng với chuyển biến thù hình của dung dịch rắn γ Dạng giản đồ phần dưới tương tự dạng giản đồ có phản ứng cùng tinh như đã nghiên cứu ở hình 2.7, chỉ có một thay đổi là pha lỏng (pha mẹ của chuyển biến) được thay bằng pha dung dịch rắn (γ) Tại E có phản ứng dạng cùng tích sau:

γ t →=const [α + β]

E ; (2.2)Hỗn hợp α+ β là sản phẩm chuyển biến trạng thái rắn nên gọi là sản phẩm cùng tích và

ký hiệu là [α + β]

2.4 Giản đồ Fe-C

Giản đồ sắt các bon là biểu đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức của hợp kim Fe-C vào nhiệt

độ và thành phần cacbon, thực ra trong thép & gang còn có mặt nhiều nguyên tố khác như

Mn, Si, P, S… Tuy nhiên trong sản xuất chúng người ta đã không chế hàm lượng chúng nhỏ đến mức nhất định, không thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất hợp kim Do vậy có thể coi hợp kim này như chỉ có hai nguyên Fe& C

L B

K β γ

L

B

D

thành phần cacbon của tổ chức Fe3C Cũng vì vậy nhiều khi còn gọi đây là giản đồ Fe - Fe3C.

Đối với cán bộ kỹ thuật cơ khí thường chỉ sử dụng giản đồ đã đơn giản hóa

Hình 2.8a Dạng đày đủ của giản đồ Fe-C Hình 2.8b Dạng đơn giản của giản đồ Fe-C

Các điểm đặc trưng của giản đồ sắt - xêmentit

a - Ferit (ký hiệu là F hay α)

Feritlà dung dịch rắn xen kẽ của C trong α-Fe (ferit nhiệt độ thấp), trong δ-Fe (ferit nhiệt độ cao) Ferit nhiệt độ thấp, có khả năng hòa tan C rất nhỏ và phụ thuộc nhiệt độ- ở

7270C độ hoà tan là 0,02% (điểm P) và ở nhiệt độ thường độ hoà tan là ~0,006%C, nên có thể coi ferit trong hợp kim Fe-C là sắt nguyên chất Ferit là pha mềm, dẻo, có các chỉ tiêu cơ tính: Rm (σb) = 300MP; A(δ) = 40%; Z(Ψ) = 70%; KCU = 2,5 MJ/m2; HB = 80 ÷100 Khi ferit có hòa tan các nguyên tố khác (ví dụ: Mn, Si, P, ) thì độ bền, độ cứng tăng lên và độ dẻo và độ dai giảm đi đáng kể Hình 2.9 giới thiệu ảnh tế vi của ferit

30

b - Austenit (ký hiệu là A hay γ)

Austenit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong γ-Fe Do mạng LPDT có nhiều lỗ hổng lớn nên γ có khả năng hòa tan C khá lớn, lớn nhất là 2,14% (điểm E) ở 11470C và nhỏ nhất là 0,8% (điểm S) ở 7270C Trong thép hợp kim γ có thể hòa tan một số nguyên tố hợp kim Si, Cr, Ni, Mn, Mo, bằng cách thay thế

Austenit có chuyển biến thù hình dạng cùng tích khi làm nguội, đây là cơ sở cho mọi dạng nhiệt luyện hóa bền đối với thép

c - Xêmentit (Xe hoặc Fe 3 C)

Đây là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C ứng với thành phần 6,67%C Đặc tính của Xe là cứng (~ 800HB) và giòn Đó là một trong các pha cơ bản cùng với ferit (α) tạo nên các dạng tổ chức cân bằng của thép ở nhiệt độ thường Tùy theo nguồn gốc hình thành xêmentit có các hình thái tồn tại khác nhau:

XeI do được kết tinh trực tiếp từ pha lỏng nên có dạng tấm to và dài (hình 2.11);

XeII do được tiết ra từ γ nên phân bố bao quanh hạt γ theo biên hạt (hình 2.11b);

XeIII do được tiết ra từ α nên phân bố bao quanh hạt α theo biên hạt (hình 2.11c)

Hình 2.11 a/ tổ chức Xe I ; b/ Tổ chức Xe II ; c/ Tổ chức Xe III

2.4.2.2 Các tổ chức hai pha

a - Peclit (ký hiệu là P hay [α +Fe 3 C])

Hình 2.12 Tổ chức peclit tấm (a) và peclit hạt (b)

Peclit là hỗn hợp cơ học giữa ferit (α) và xêmentit (Fe3C) với hình thái đặc biệt do phản ứng cùng tích của austenit chứa 0,8% C tạo ra Peclit được hình thành trong điều kiện nguội thông thường có cấu trúc dạng tấm, tức hai pha α và Fe3C có dạng lớp mỏng nằm xen

kẽ bên nhau Trên mặt cắt mẫu soi dưới kính hiển vi thấy hiện lên các vạch tối sáng song song xen kẽ Các vạch có thể thẳng, có thể lượn sóng trông như vân tay, tổ chức này gọi là peclit tấm (hình 2.13a) Trong điều kiện nhiệt luyện đặc biệt người ta có thể thu được peclit hạt (hình 2.13b) Peclit hạt có nền là ferit, còn xêmentit là các hạt nhỏ hình dạng gần với hình cầu phân bố trên nền ferit Cơ tính của peclit phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của xêmentit trong nó Xêmentit càng nhỏ mịn, peclit có độ bền, độ cứng càng cao

Trong peclit, khi Fe3C chuyển từ dạng tấm sang dạng hạt làm cho peclit mềm, dẻo hơn Ví dụ:

độ cứng peclit tấm khoảng 200 ÷ 220HB, peclit hạt khoảng 180 ÷ 200 HB Do vậy đối với thép cacbon cao để cải thiện tính gia công cắt phải nhiệt luyện biến đổi peclit tấm thành peclit hạt

32

XeI

b/

b - Lêđêburit

Lêđêburit là sản phẩm cùng tinh của hợp kim lỏng

có hàm lượng 4,3%C ở 11470C ký hiệu là Le hay (γ +

Xe)

Khi làm nguội xuống dưới 7270C, austenit trong

Lêđeburit chuyển biến thành peclit, lêđêburit biến thành

hỗn hợp cơ học (P + Xe) Tổ chức này được gọi là

lêđêburit biến thái, ký hiệu là Le’ hoặc (P +Xe)

Tổ chức lêđêburit do chứa nhiều xêmentit (~2/3)

nên rất cứng (khoảng 600HB) và rất giòn Hình 2.14 là

ảnh tổ chức tế vi của lêđêburit (biến thái)

Hình 2.14 Tổ chức lêđêburit

2.4.3 Tên gọi các đường trên giản đồ Fe - Fe3C

+ Đường AECD là đường lỏng, phía trên đường lỏng hợp kim tồn tại ở trạng thái lỏng

+ Đường nằm ngang ECF là đường cùng tinh, toàn bộ hợp kim có thành phần ứng với 2,14

÷6,67% C khi nguội tới đường ECF ( 1147 0C) sẽ đều xảy ra phản ứng cùng tinh:

L4,3 → ( γ + Fe3C); (2.3)

Tổ chức hồn hợp hai pha ( γ + Fe3C) có tên là leđeburit

+ Đường nằm ngang PSK là đường cùng tích, toàn bộ hợp kim có thành phần ứng với 0,02

÷6,67% C khi nguội tới đường PSK ( 727 0C) sẽ đều xảy ra phản ứng cùng tich:

γ 0,8 → [ α + Fe3C]; (2.4)

Tổ chức hồn hợp hai pha ( α + Fe3C) có tên là peclit

+ Đường GS là ứng với quá trình α hòa tan vào γ khi nung và γ tiết ra α khi làm nguội

2.4.4 Tên gọi các điểm tới hạn trên giản đồ Fe-Fe3C

Các nhiệt độ chuyển biến trạng thái rắn của hợp kim Fe-C được gọi là điểm tới hạn và ký hiệu bằng chữ A và ở góc phải phía dưới ghi số thứ tự Các ký hiệu thường gặp gồm có:

A1 - là nhiệt độ cùng tích (đường PSK)

A2 - là nhiệt độ chuyển biến α ↔γ (đường GS)

Acm - là nhiệt độ bắt đầu tiết ra XeII từ austenit khi làm nguội hay kết thúc hòa tan XeII vào austenit khi nung (đường ES).

Chú ý: các giá trị A1, A2, Acm tính theo giản đồ trạng thái cân bằng Trong thực tế nung nóng

và làm nguội với tốc độ nhanh nhất định Cho nên vị trí các điểm tới hạn khi nung nóng bao giờ cũng cao hơn, khi làm nguội bao giờ cũng thấp hơn các giá trị tính theo giản đồ Vì vậy người ta phân biệt các điểm tới hạn khi nung là Ac1, Ac3, Accm (thêm chữ c sau chữ A) và các điểm tới hạn khi làm nguội là Ar1, Ar3, Arcm (thêm chữ r vào sau chữ A)

2.4.4 Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C

Để dễ nghiên cứu chia quá trình kết tinh của hệ hợp kim thành hai dạng:

+ Quá trinh kết tinh từ trạng thái lỏng ( tương ứng với kết tinh ở nhiệt độ cao trên đường lỏng ACD)

+ Quá trình chuyển biến pha ở trạng thái rắn ( tương ứng với sự biến đổi tổ chức ở dưới đường đặc AECF

2.4.4.1 Quá trinh kết tinh từ trạng thái lỏng

Phần trên của giản đồ trạng thái Fe-Fe3C ứng với sự kết tinh từ trạng thái lỏng Có 3 khu vực thành phần ứng với 3 dạng giản đồ kết tinh loại hình khác nhau:

a) Sự kết tinh của hợp kim cùng tinh 4,3%C

Hệ hợp kim Fe - Fe3C chỉ có duy nhất hợp kim ứng với thành phần 4,3%C có nhiệt độ kết tinh thấp nhất là 1147 0C khi nhiệt độ giảm đến nhiệt độ ứng với điểm C hợp kim sẽ kết tinh đồng thời ra hai pha γ và Xementít ( Fe3C):

Lc  →11470 C (γE + Xe F)Đây là phản ứng cùng tinh tạo ra hỗn hợp cùng tinh lêđêburit (γE + Xe F)

b) Sự kết tinh của hợp kim có thành phần 0,51÷ 4,3%C, hợp kim lỏng kết tinh ra dung dịch

rắn γ trước tiên

Hợp kim trong khu vực thành phần này xảy ra kết tinh trong khoảng nhiệt độ giữa đường lỏng (ở trên) và đường đặc ở dưới có dạng giống với giản đồ kết tinh của dung dịch rắn Trong quá trình kết tinh thành phần dung dịch rắn γ thay đổi theo đường AE, còn thành phần của hợp kim lỏng còn lại theo đường AC

- Các hợp kim có thành phần 0,51÷2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch rắn

γ

- Các hợp kim với thành phần 2,14 ÷ 4,3%C kết thúc sự kết tinh dung dịch rắn γ trên đường nằm ngang EC (11470C) vẫn còn thừa hợp kim lỏng có thành phần ứng với điểm C Hợp kim lỏng còn thừa này tiếp tục kế tinh theo phản ứng cùng tinh Sau khi kết tinh xong những hợp kim có thành phần 2,14 ÷4,3%C cho tổ chức γ + Le

34

c) Sự kết tinh của hợp kim có thành phần 4,3 ÷ 6,69%C, hợp kim lỏng kết tinh trước tiên tạo

ra xêmentit thứ nhất ( ký hiệu XeI)

Khi hợp kim lỏng nguội tới đường DC, nó kết tinh ra xêmentit gọi là xêmentit thứ nhất (XeI, Fe3CI) Khi nguội tới đường ngang CF (11470C), quá trình kết tinh XeI kết thúc song còn thừa lại hợp kim lỏng có thành phần ở C Hợp kim lỏng còn thừa này tiếp tục kết tinh theo phản ứng cùng tinh tạo ra Le Như vậy sau khi kết tinh xong những hợp kim này có tổ chức xêmentit thứ nhất + lêđêburit, ký hiệu: XeI + Le

2.4.4.2 Phần dưới của giản đồ.

Phần dưới của giản đồ ứng với chuyển biến trạng thái rắn của hợp kim Fe-C Có ba chuyển biến trạng thái rắn chủ yếu sau đây đều xảy ra trong pha dung dịch rắn γ

a) Chuyển biến cùng tích austenit tạo thành peclit

Austenit có thành phần 0,8% C tại 7270C (đường PSK) sẽ chuyển biến theo phản ứng cùng tích tạo thành hỗn hợp ferit và xêmentit Hỗn hợp này có tên gọi là peclit (P) Phản ứng cùng tích như sau:

γ0,8%C → [α + Xe]0,8%C

b) Sự tiết pha ferit (α) từ austenit (γ)

Các hợp kim có hàm lượng C < 0,8% khi được nguội tới đường GS, γ của nó sẽ tiết ra pha α

(pha chứa ít C hơn) Khi tiếp tục làm nguội lượng pha α tiết ra càng nhiều, pha γ còn lại có hàm lượng C tăng lên theo đường GS Khi nguội tới 7270C (đường PSK hay đường A 1) quá trình tiết α

kết thúc, pha γ còn lại có hàm lượng C là 0,8%

c) Sự tiết ra xêmentit thứ hai từ γ

Các hợp kim có hàm lượng C > 0,8% Các pha γ [dung dịch rắn γ dạng tự do hay nằm trong lêđêburit (γ + Xe) cũng vậy] khi được làm nguội từ 11470C đến 7270C giới hạn hòa tan C giảm dần theo đường ES, phần C dư thừa được tiết ra dưới dạng xêmentit Xêmentit này ưu tiên sinh mầm và lớn lên theo biên giới hạt tinh thể γ được người ta gọi là xêmentit thứ hai (XeII hoặc Fe3CII) Quá trình tiết XeII đến nhiệt độ đường ngang PSK (tức 7270C) thì kết thúc, phần γ còn lại có thành phần

ở điểm S (0,8%C)

Từ sự phân tích ở hai điểm b) và c) vừa trình bày có thể thấy thành phần pha γ trong mọi tổ chức của hợp kim nguội tới 7270C đều có thành phần C là 0,8% (tức điểm cùng tích) và đều xảy ra phản ứng cùng tích

2.4.5 Tổ chức tế vi của thép và gang

Hợp kim của săt và cacbon thường gọi là thép & gang nếu thành phần C < 2,14% gọi là thép Với hàm lượng cacbon > 2,14% gọi là gang Cơ sở để phân chia này là : hợp kim Fe - C có C <

2,14% khi nung vượt quá đường GSE đều có tổ chức một pha austenit (γ) rất dẻo có thể gia công biến dạng dẻo nóng; còn hợp kim có C > 2,14% khi kết tinh có phản ứng cùng tinh, nhiệt độ nóng chảy thấp, tính đúc tốt, song trong tổ chức có cùng tinh nên giòn

Cần chú ý: sự phân chia trên có tính tương đối, trong khoảng thành phần chuyển tiếp 2,0 ÷

2,2%C rất khó phân loại, cá biệt có hợp kim trong khoảng thành phần đó có thể là thép (ví dụ thép lêđêlêburit), có thể là gang (ví dụ gang pha thép, gang dẻo)

Câu hỏi ôn tập

1 Giản đồ pha ( giản đồ trạng thái) dùng làm gì? cấu tạo của giản dồ pha hai nguyên?

2 Trình bày nội dung của quy tắc cánh tay đòn trong nhiệt động học

3.Đặc điểm kết tinh của hợp kim có kết tinh dung dịch rắn ( đường nguội ?)

4.Đặc điểm kết tinh của hợp kim có tổ chức cùng tinh

5 Đặc điểm kết tinh của hợp kim có tổ chức cùng tích

6 Vẽ giản đồ Fe-Fe3C điền tên các khu vực tổ chức

7 Tổ chức của hợp kim có thể gồm dung dịch rắn và pha trung gian Hãy lấy tổ chức của hợp kim Fe-C để minh họa

8.Xementít là gì? đặc điểm cấu trúc và tính chất, trạng thái tồn tại của chúng trong thép

có ảnh hưởng gỉ đến cơ tính của hợp kim

9 Trình bày các điểm tới hạn của hợp kim Fe-C

10 Hãy chỉ ra quá trình hình thành tổ chức ở trạng thái rắn của thép 0,45%C; 0,8%C Tính tỷ lệ F/P và tỷ lệ F/Xe ở nhiệt độ thường của mỗi loại thép trên

11 Hãy chỉ ra quá trình hình thành tổ chức ở trạng thái rắn của thép 1,2%C Tính tỷ lệ Xe/P và tỷ lệ Xe/P ở nhiệt độ thường của mỗi loại thép trên

36

Chương 3.

BIẾN DẠNG VÀ CƠ TÍNH VẬT LIỆU

3.1 Biến dạng vật liệu

3.1.1.Khái niệm về biến dạng

Biến dạng là sự thay đổi hình dạng kích thước của vật thể khi chịu tác dụng của lực Biến dạng, thông thường gây nên do tác dụng của ngoại lực, cũng có khi do tác dụng nhiệt, do chuyển biến pha, do tác dụng tia bức xạ Người ta chia biến dạng thành hai dạng chính:

+Biến dạng đàn hồi là biến dạng sẽ mất đi sau khi bỏ tải trọng;

+Biến dạng dẻo là biến dạng sẽ không mất đi sau khi bỏ tải, biến dạng còn dư lại sau khi bỏ ngoại lực tác dụng

Một trong những phương pháp nghiên cứu biến dạng vật liệu thông dụng nhất là thử kéo, đó là phương pháp đơn giản và thông dụng để xác định độ bền, độ dẻo Khi thử kéo mẫu tiêu chuẩn có tiết diện ngang S0 và chiều dài hiệu dụng (l0), máy thử kéo ( hình 3.1) tự động vẽ cho ta giản đồ kéo trên hệ trục tọa độ vuông góc với trục đứng biểu thị tải trọng kéo (P) và trục ngang biểu thị độ giãn dài của mẫu (∆l) (hình 3-2)

Trên giản đồ kéo một mẫu kim loại dẻo điển hình có

thể phân biệt được ba giai đoạn sau: biến dạng đàn

hồi khi tải ≤ Pđh; biến dạng dẻo đồng đều từ Pđh đến Pb

và biến dạng dẻo tập trung từ Pb đến PK , nếu trục tung

biểu diễn lực P được thay bằng ứng suất R ( lực / diện

tích tiết diện mẫu), trục hoành biễu diễn độ dãn dài

được thay thế bằng biến dạng tương đối ε , sẽ có giản

đồ ứng suất biến dạng như hình 3.3

Hinh 3.1 Máy thử kéo

Hình 3-2 Giản đồ quan hệ tải

trọng - biến dạng khi thử kéo của kim

loại

Hình 3-3 Giản đồ ứng suất- biến dạng khi thử

kéo của kim loại

3.1.2.Biến dạng dẻo

Trong công nghiệp rất nhiều dạng gia công kim loại có liên quan tới biến dạng dẻo Các công nghệ lợi dụng biến dạng dẻo để tạo hình chi tiết hay bán thành phẩm như công nghệ rèn, cán, kéo, ép chảy Tuy nhiên các công trình kết cấu kim loại, chi tiết máy

và dụng cụ trong sử dụng nói chung không cho phép xảy ra biến dạng dẻo

Gia công biến dạng dẻo không chỉ làm thay đổi hình dạng, kích thước của vật thể kim loại mà còn thay đổi tổ chức, cấu trúc và tính chất của vật liệu Hiểu rõ bản chất biến dạng dẻo giúp ta hiểu rõ bản chất độ bền, độ dẻo của kim loại, tìm kiếm phương pháp và giải pháp hoá bền kim loại, cải tiến công nghệ nâng cao chất lượng gia công kim loại

3.2.2.1 Cơ chế hình học của biến dạng dẻo

Trên phương diện hình học, người ta chứng minh được biến dạng dẻo xảy ra bằng phương thức trượt, song tinh hoặc chuyển biến pha mactenxit Trong tài liệu này chỉ đề cập đnến hình thức trượt là cơ chế biến dang dẻo quan trong nhất cảu kim loại &hợp kim

Trượt là sự dịch chuyển tương đối hai phần tinh thể với nhau theo một mặt và phương

nhất định gọi là mặt trượt và phương trượt (hình 3-4) Khoảng cách dịch chuyển tương đương thông số mạng hay số chẵn lần thông số mạng, như vậy sau khi trượt, mối liên kết của một nguyên tử với các nguyên tử xung quanh được khôi phục lại như cũ

Hình 3-4 Mô hình trượt trong mạng tinh thể

3.3.2.1 Quá trình trượt tạo nên biến dạng dẻo.

38

1) Mặt, phương trượt

Kết quả nghiên cứu bằng nhiễu xạ Rơnghen cho biết, mặt trượt và phương trượt thường là mặt và phương có mật độ nguyên tử cao nhất của mạng Một mặt trượt và một phương trượt trên mặt trượt đó tạo thành một hệ trượt Hình 3-5 trình bày mặt trượt và phương trượt trong các tinh thể A1, A2, A3

Hình 3-5 Hệ trượt trong các mạng tinh thể A1; A2; A3 2) Ứng suất trượt

Thực nghiệm và lý thuyết đều cho biết chỉ có thành phần ứng suất tiếp trên mặt và phương trượt mới gây ra trượt, còn ứng suất pháp không gây trượt Để kim loại bắt đầu trượt, thành phần ứng suất tiếp phải đạt tới giá trị nhất định Người ta gọi ứng suất tiếp cần thiết để kim loại bắt đầu trượt là ứng suất tiếp tới hạn τth.

Cùng một ngoại lực tác dụng thì trên các mặt trượt và phương trượt có định hướng khác nhau có giá trị ứng suất tiếp sẽ khác nhau Như vậy góc định hướng tương đối giữa ngoại lực với mặt và phương trượt có ý nghĩa quan trọng đến khả năng xảy ra trượt

Hình 3-6 trình bày mô hình phân tích các

thành phần ứng suất trong hệ trượt của mẫu trụ

đơn tinh thể có tiết diện ngang là A0 Mẫu chịu

lực kéo F tác dụng trên phương trục tâm của mẫu

trụ Trên hình vẽ, On là pháp tuyến của mặt trượt,

nó hợp với phương ngoại lực bởi góc ϕ Phương

trượt Om hợp với Oq một góc ϕ

Diện tích mặt trượt là Aϕ = A0 /cosϕ

Ứng suất pháp tác dụng lên mặt trượt có

trị số là:

n

AFcos

Ứng suất pháp σn chỉ gây ra biến dạng đàn hồi và phá hủy giòn.

Ứng suất tiếp trên mặt trượt theo phương Oq là:

cos

sinsin

A

F A

F A

ϕ

ϕϕ

1

σ0 cosλ

Trong tinh thể lý tưởng hoàn toàn không có khuyết tật mạng, muốn trượt xảy ra, tức muốn hai phần tinh thể xê dịch tương đối với nhau một khoảng cách nguyên tử (hình 3-13d) thì tất cả nguyên tử trên mặt trượt phải dịch chuyển đồng thời một khoảng cách bằng thông

số mạng Để có thể trựot xảy ra, theo tính toán ứng suất tác dụng phải đạt giá trị τ sao cho thỏa mãn biểu thức ( 3.2)

τ ≥τth ≈2Gπ (3 2)

Đây chính là độ bền lý tưởng của kim loại, nó lớn hơn giá trị thực tế đo được bằng thực nghiệm từ 500 đến 1000 lần Sở dĩ có sự khác biệt lớn như vậy là vì trong tinh thể kim loại thực có tồn tại nhiều lệch mạng

Khi trong tinh thể có chứa lệch mạng, dưới tác dụng của ngoại lực đường lệch chuyển động trượt trên mặt trượt khi thoát ra khỏi bề mặt tinh thể sẽ gây nên hiệu ứng trượt tinh thể

Ví dụ như hình 3-7 trình bày sơ đồ một lệch biên khi chuyển động từ trái sang phải trên mặt trượt đã gây nên hiệu ứng trượt giữa hai phần tinh thể trên và dưới với khoảng trượt bằng vectơ burgers b

40