CHUONG 3.1-VL

- Khi 2 nguyên tố hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn, một nguyên tố giữ nguyên kiểu mạng gọi là dung môi, còn nguyên tố kia phân bố đều vào mạng của nguyên tố dung môi gọi là nguyên tố h

Trang 1

CHƯƠNG 3: KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI

3.1 KHÁI VỀ HỢP KIM

3.1.1 Định nghĩa hợp kim

- Hợp kim là vật thể gồm nhiều nguyên tố mang tính chất kim loại Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim mang tính chất kim loại.

Thành phần nguyên tố hoá học trong hợp kim thường được biểu thị bằng % trọng lượng, cũng có khi biểu thị bằng % nguyên tử

- Hợp kim là vật thể gồm nhiều nguyên tố mang tính chất

kim loại Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim mang tính chất kim loại.

VD: Thép 40 có 0,4%C;

Thép 40X có 0,4%C và 1%CrThép 80W18Cr4V có 0,8%C, 18%W, 4%Cr và 1%V

Trang 2

3.1 KHÁI VỀ HỢP KIM 3.1.2 Đặc tính của hợp kim

+ Cơ tính cao: - Độ bền, độ cứng, giới hạn chảy, đàn hồi của hợp kim cao hơn hẳn so với kim loại nguyên chất, còn độ

dẻo, độ dai vẫn đủ cao

+ Tính công nghệ phù hợp với chế tạo cơ khí như: tính đúc, tính gia công cắt gọt, có thể hoá bền bằng nhiệt luyện v.v…

+ Chế tạo (luyện) hợp kim: dễ và kinh tế hơn nhiều so với kim loại nguyên chất

- Do luyện hợp kim không cần phải khử triệt để tạp chất,

mà chỉ cần khống chế chúng ở mức độ nào đó

Trang 3

3.1 KHÁI VỀ HỢP KIM 3.1.3 Các khái niệm về hệ hợp kim

a, Pha

- Pha là dạng vật chất có thành phần đồng nhất, ở cùng một trạng thái và kiểu mạng tinh thể

Các pha ngăn cách nhau bằng bề mặt phân chia

Trang 4

3.1 KHÁI VỀ HỢP KIM

c, Nguyên (cấu tử)

- Là những chất độc lập có thành phần hoá học không đổi (có thể là nguyên tố hoá học hoặc hợp chất hoá học), chúng tạo nên tất cả các pha của hệ.

Có thể đưa một vài ví dụ để làm rõ khái niệm này:

+ Một hệ gồm 2 pha là nước lỏng và nước đá (ở 00C), chỉ có một nguyên tử là H2O

+ Hợp kim Cu- Ni là một hệ gồm 2 nguyên (Cu, Ni) ở trạng thái rắn hoặc lỏng chỉ có một pha vì chúng tạo ra dung dịch rắn hoặc lỏng đồng nhất

- Là những chất độc lập có thành phần hoá học không đổi

(có thể là nguyên tố hoá học hoặc hợp chất hoá học), chúng tạo

nên tất cả các pha của hệ.

Trang 5

3.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

Cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim phức tạp hơn kim loại nguyên chất

- Nếu mạng tinh thể của hợp kim vẫn giữ nguyên kiểu mạng của kim loại nguyên chất, nhưng làm biến đổi thông số mạng

và gây xô lệch thì dạng cấu tạo này gọi là dung dịch rắn

- Nếu mạng tinh thể của hợp kim khác hẳn với mạng của các

nguyên tố thành phần thì dạng cấu tạo này gọi là hợp chất hoá học hay pha trung gian.

Trang 6

3.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

3.2.1 Dung dịch rắn

a, Khái niệm:

- Dung dịch rắn có nhiều điểm giống với dung dịch lỏng, song điểm khác nhau cơ bản giữa chúng là dung dịch rắn có cấu tạo tinh thể.

- Khi 2 nguyên tố hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn, một nguyên tố giữ nguyên kiểu mạng gọi là dung môi, còn nguyên tố

kia phân bố đều vào mạng của nguyên tố dung môi gọi là

nguyên tố hoa tan.

- Ký hiệu của dung dịch rắn bằng các chữ , ,  hoặc A (B).trong đó: A – dung môi, B – nguyên tố hoà tan

- Dung dịch rắn có nhiều điểm giống với dung dịch lỏng, song điểm khác nhau cơ bản giữa chúng là dung dịch rắn có cấu tạo tinh thể.

Trang 7

b, Các đặc tính chung của dung dich rắn

- Có liên kết kim loại;

- Có kiểu mạng tinh thể của kim loại dung môi;

- Thành phần các nguyên tố có thể thay đổi trong phạm vi nào đó mà vẫn không làm thay đổi kiểu mạng;

- Độ bền, độ cứng cao hơn kim loại dung môi còn độ dẻo vẫn khá cao do vẫn giữ nguyên kiểu mạng của kim loại dung

môi, (Do mạng tinh thể bị xô lệch).

- Tuỳ theo vị trí phân bố của nguyên tố hoà tan trong mạng

tinh thể của dung môi, sẽ có hai loại dung dịch rắn thay thế và

xen kẽ.

Trang 8

-nguyên tử hoà tan

- Khi nguyên tử của nguyên tố hoà tan thế vào vị trí nút mạng

của nguyên tố dung môi thì tạo nên dung dịch rắn thay thế

Trang 9

Theo độ hoà tan lại chia ra dung dich rắn (thay thế) hoà

tan vô hạn và hoà tan có hạn.

* Dung dịch rắn hoà tan vô hạn

- Khi nguyên tử hoà tan B có thể lần lượt thay thế các vị trí của nguyên tử dung môi A một cách liên tục, ta được dung dịch rắn hoà tan vô hạn

Trang 10

* Dung dịch rắn hoà tan vô hạn

Điều kiện cần để hai kim loại hòa tan vô hạn vào nhau là:

Trang 11

* Dung dịch rắn hoà tan có hạn

- Khi nguyên tử hoà tan B chỉ có thể thay thế vị trí các nguyên

tử dung môi A đến một giới hạn nào đó (nếu hoà tan thêm sẽ

có kiểu mạng khác), ta được dung dịch rắn hoà tan có hạn

- Chỉ cần không thoả mãn một trong 4 điều kiện trên sẽ tạo nên dung dịch rắn hoà tan có hạn Đây là trường hợp thường gặp.

- Khi nguyên tử hoà tan B chỉ có thể thay thế vị trí các nguyên

tử dung môi A đến một giới hạn nào đó (nếu hoà tan thêm sẽ

có kiểu mạng khác), ta được dung dịch rắn hoà tan có hạn

Trang 12

d, Dung dịch rắn xen kẽ

- Khi nguyên tử hoà tan xen kẽ vào giữa các nút mạng của kim loaị dung môi (tức là xen kẽ vào giữa các lỗ hổng của mạng) ta có dung dịch rắn xen kẽ

-nguyên tử dung môi-nguyên tử hoà tan

- Khi nguyên tử hoà tan xen kẽ vào giữa các nút mạng của kim loaị dung môi (tức là xen kẽ vào giữa các lỗ hổng của mạng) ta có dung dịch rắn xen kẽ.

Trang 13

+ Đặc điểm:

- Các lỗ hổng của mạng có kích thước nhỏ so với nguyên tử dung môi A;

- Nguyên tử hoà tan B hoà tan xen kẽ vào mạng của dung môi

A khi tỷ số đường kính của chúng thoả mãn hệ thức:

0,59 dA

dB



- Là loại dung dịch hoà tan có hạn;

- Thường được tạo thành bởi dung môi là

kim loại có đường kính nguyên tử lớn như:

Fe, Cr, W, Ti và các nguyên tố hoà tan là

các á kim có đường kính nguyên tử nhỏ như

: C, N, H, B…

A

B

Trang 14

3.2.2 Pha trung gian

+ Đặc tính chung:

- Mạng tinh thể của pha trung gian thường phức tạp và khác các nguyên tố tạo thành nó, nên tính dẻo kém;

- Có tính dòn, độ cứng cao và nhiệt độ nóng chảy khá cao;

- Thành phần cố định hoặc có thể thay đổi trong phạm vi hẹp Có thể biểu diễn được bằng công thức hoá học;

- Có thể ở nhiều dạng liên kết khác nhau: Liên kết kim loại, ion, đồng hoá trị

- Các pha trung gian thường gặp là pha xen kẽ, pha điện tử,

đó là các pha có liên kết kim loại

Trang 15

dA



+ Mạng tinh thể có dạng đơn giản như lục giác xếp chặt, lập phương diện tâm, trong đó nguyên tử á kim nằm xen kẽ lỗ hổng của mạng;

- Là loại pha trung gian được tạo nên giữa kim loại và á kim với các đặc tính sau đây:

Trang 16

+ Thành phần hoá học có công thức đơn giản như: KA, KA2,, K4A, KA4;

(Ví dụ như những loại các bít đơn giản mà thường gặp :WC, TiC, TaC)

+ Các kim loại có đường kính nguyên tử lớn như: Ti, W, Mo,

V, Nb, Zr, Ta và đôi khi cả Cr, Mn, Fe, thường kết hợp với những á kim có đường kính nguyên tử như: C, N, H, B, để tạo thành pha xen kẽ;

+ Tính chất điển hình là rất cứng và nhiệt độ chảy rất cao

Trang 17

b, Pha điện tử (Pha Hum - Rôđêri)

- Là pha phức tạp tạo nên giữa 2 kim loại và có đặc tính sau:

+ Về thành phần: Gồm 2 kim loại thuộc 2 nhóm sau:

Nhóm 1: Cu, Ag, Au (hoá trị 1) và Fe, Co, Ni, Pd, Pt (nhóm kim loại chuyển tiếp)

Nhóm 2: Be, Mg, Zn , Cd, (hoá trị 2); Al(3), Si , Sn (4)

+ Có nồng độ điện tử (Số điện tử hoá trị / số nguyên tử) bằng một trong các giá trị sau:

4

7

; 13

21

; 2 3

- Là pha phức tạp tạo nên giữa 2 kim loại và có đặc tính sau:

Trang 18

Mỗi giá trị này lại ứng với một kiểu mạng:

2 3

13 21

4 7

- Lập phương thể tâm (pha )

- Lập phương phức tạp (pha )

- Lục giác xếp chặt (pha )

+ Thành phần hoá học có thể thay đổi trong phạm vi hẹp;

+ Ở nhiệt độ thấp có tính dòn cao

Trang 19

VD: Ở hệ Cu - Zn có các pha điện tử sau:

2

3 1

1

1 2 1

5

8 2 5

1

3 2 1

Trang 20

3.2.3 Hỗn hợp cơ học

Sau khi kết tinh, các hợp kim ở một trong hai dạng tổ chức sau:

- Có tổ chức một pha: pha dung dịch rắn hoặc pha trung gian;

- Có tổ chức hai hay nhiều pha đó chính là hỗn hợp cơ học.

Khái niệm

- Hỗn hợp cơ học gồm hai hay nhiều pha hỗn hợp với nhau chứ không hoà tan vào nhau.

Ví dụ :

Hỗn hợp cơ học của hai dung dịch rắn; của dung dịch rắn

và pha trung gian

+ Hai dạng điển hình của hỗn hợp cơ học là cùng tinh và cùng tích

- Hỗn hợp cơ học gồm hai hay nhiều pha hỗn hợp với nhau chứ không hoà tan vào nhau.

Trang 21

3.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

3.3.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái

b, Công dụng của giản đồ trạng thái

Từ giản đồ trạng thái có thể biết được:

- Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của hợp kim với thành phần đã cho khi nung nóng và làm nguội

 Xác định dễ dàng các chế độ nhiệt khi nấu luyện (để đúc),

khi gia công áp lực và nhiệt luyện;

- Giản đồ trạng thái là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần hoá học của hệ ở trạng thái

cân bằng.

Trang 22

- Trạng thái pha (gồm những pha nào, thành phần của mỗi pha và tỷ lệ giữa những pha đó) của hệ hợp kim ở các nhiệt độ

Trang 23

c, Cấu tạo của giản đồ trạng thái hai nguyên

- Đối với kim loại nguyên chất

- Đối với hệ hợp kim 2 nguyên

Giản đồ pha của Fe

(Giản đồ một nguyên)

Trang 24

+ Mỗi điểm trên giản đồ biểu thị một hợp kim có thành phần

nhất định, hai đầu mút ứng với

hai nguyên chất (100%A + 0%B

và 100%B + 0%A).

+ Đường thẳng bất kỳ trên giản đồ ứng với sự biến đổi nhiệt

độ của một hợp kim Ví dụ đường thẳng vẽ trên giản đồ ứng với hợp kim 80%B + 20%A.

+ Khoảng diện tích giữa 2 trục tung được các đường phân chia thành từng vùng có trạng thái pha giống nhau và được gọi

là vùng tổ chức

+ Hợp kim có trục toạ độ rơi vào vùng nào đó sẽ có trạng

Trang 25

HK

+ Tỉ lệ (về số lượng) giữa các pha hoặc tổ chức được xác

định theo quy tắc đòn bẩy:

Lượng pha trái

Lượng pha phải =

Độ dài đoạn thẳng bên phải (đòn bên phải)

Độ dài đoạn thẳng bên trái (đòn bên trái)

Trang 26

3.3.2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại một

- Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B, hoàn toàn hoà tan vào nhau ở trạng thái lỏng, không hoà tan vào nhau ở trạng

thái rắn và không tạo thành pha trung gian.

a, Một số khái niệm

- Đường lỏng - đường AEB: là đường mà khi nguội đến đó, hợp

kim lỏng sẽ bắt đầu kết tinh;

- Đường đặc - đường CED: là đường mà khi làm nguội đến đó

hợp kim lỏng sẽ kết thúc kết tinh,

nghĩa là dưới đường đặc sẽ

Trang 27

- Khu vực nằm trên đường lỏng, hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng (L);

- Khu vực nằm giữa đường lỏng và đường đặc sẽ gồm hai pha lỏng và pha rắn đã được kết tinh;

Ví dụ:

- Khu vực AEC - ( L +A)

- Khu vực BED - ( L +B).

Trang 28

VD: Xét sự kết tinh của hợp kim: 60%Sb + 40%Pb

+ Phía trên điểm 1 hợp kim?

+ Phía dưới điểm 2 hợp kim?

+ Trong khoảng 12 hợp kim?

 Tại 1 là điểm bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy và tại 2

là điểm bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh.

Trang 29

VD: Xác định tỉ lệ các pha của hợp kim 60%Sb + 40%Pb tại 4000C

- Hợp kim lỏng tại a’’(37%Sb) và tinh thể B tại a’ là 1(100%Sb)

a a

a

a B

60

100 Sb

, pha rắn chiếm

Trang 30

- Điểm E gọi là điểm cùng tinh Pha lỏng có thành phần ứng với điểm E có tính chất đặc biệt là tại nhiệt độ này pha lỏng kết tinh

ra đồng thời cả hai pha rắn (A +B) và được gọi là hỗn hợp cơ học cùng tinh.

Quy ước như sau:

Trang 31

b, Các đặc tính của hợp kim

+ Cơ lý tính:

- Hợp kim sẽ có tính chất trung gian giữa nguyên A và B theo quan hệ đường thẳng Tính chất của hợp kim = %A x tính chất của B

Trang 32

+ Tính công nghệ:

- Tính đúc tốt, nhất là những hợp kim lân cận cùng tinh;

- Tính gia công cắt gọt nói chung là tốt vì phoi dễ gẫy nên năng suất cắt gọt cao

- Còn tính gia công áp lực nói chung kém vì tính dẻo của hợp kim loại này không cao

Trang 33

3.3.2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại hai

- Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B hoà tan hoàn toàn vào nhau ở trạng thái lỏng cũng như trạng thái rắn, không tạo thành pha trung gian.

n A

B

m

Đường lỏng- AmBĐường đặc - AnB

- Vùng giữa hai đường lỏng và

đặc gọi là khoảng đông vùng này

gồm hai pha là pha lỏng và dung

dịch rắn  ( L + )

-  là dung dịch rắn hoà tan vô hạn của A(B) hoặc B(A)

Trang 34

- Trong thực tế hệ hợp kim Cu – Ni, Al203 – Cr203có kiểu giảng

đồ này

Trang 35

- Xét sự kết tinh của hệ hợp kim 35%Cu – 65%Ni

Trang 36

- Tỉ lệ giữa các pha tại 12500C:

60

33'

'

33' α

L

' 3' 3' 

 

  5

8 30

35

-35 -

43

35

43 '

Trang 37

- Tính dẻo tuy không cao bằng kim loại dung môi, song vẫn còn đủ cao để gia công áp lực tốt

Trang 38

- Tính gia công áp lực tốt vì

độ dẻo cao;

-Tính gia công cắt gọt nói

chung kém vì độ dẻo cao làm

phoi khó gẫy

L

Trang 39

3.3.3 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại ba

- Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B hào tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, hoà tan có hạn vao nhau ở trạng thái rắn, không tạo thành pha trung gian

Trang 40

E

- : làdung dịch rắn hoà tan có hạn A(B) Sự hoà tan có hạn

thể hiện ở đường CF choãi về phía trái chứng tỏ nhiệt độ càng

thấp độ hoà tan càng giảm;

- : là dung dịch rắn hoà tan có hạn B(A) - Sự hoà tan có hạn

thể hiện ở đường DG choãi về bên phải, chứng tỏ nhiệt độ

thấp thì độ hoà tan giảm.

Trang 41

E

- Giản đồ loại III này là do hai giản đồ loại I và loại II ghép lại, chỉ khác ở chỗ hoà tan có hạn Có thể phân tích như sau:

+ Các hợp kim nằm ở phía trái điểm F và ở phía phải điểm G có

quy luật kết tinh giống giản đồ loại II;

+ Các hợp kim có thành phần

nằm trong khoảng C’D’ có quy

luật kết tinh giống như giản đồ

Trang 42

3.3.3 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại ba

- Xét sự kết tinh của hệ hợp kim 60%Pb – 40%Sn

+ Tại điểm 1 – 3000C tồn tại pha lỏng

Trang 43

- Tỉ lệ giữa các pha tại 2000C:

  21 , 5

17 18,5

40

-40 -

57 L

α

' a'

% 84 ,

55 5

, 38

5 ,

21 '

a' a'

17 '

a' a'

Trang 44

3.3.2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại bốn

- Giản đồ trạng thái hai nguyên Avà B không hoà tan vào nhau ở trang thái rắn nhưng tạo nên pha trung gian ổn định

- Pha trung gian có công thức

tổng quát là AmBn (viết tắt là

H) được biểu thị bằng đường

thẳng đứng, còn điểm H là

điểm chảy của nó

Tiêu đề	Khái Niệm Về Hợp Kim
Trường học	Trường Đại Học Kỹ Thuật
Chuyên ngành	Vật Liệu Kỹ Thuật
Thể loại	Bài Giảng

Định dạng
Số trang	44
Dung lượng	834 KB