Microsoft powerpoint 1presentation chuong 2 ket tinh (12t)

Pha, hệ, cấu tử 6 - Gắn với năng lượng tự do của hệ phụ thuộc nội năng, mức độ sắp xếp nguyên tử, phân tử Hệ cân bằng khi các pha có năng lượng tự do là nhỏ nhất trong điều... Các pha t

nhiệt tốt, có tính dẻo cao, có liên kết kim loại

Trong 118 nguyên tố hoá học (đến 2011) có

3/4 là kim loại: 94 tự nhiên, 24 nhân tạo

2 Kim loại nguyên chất

- Vật liệu gồm hai hay nhiều nguyên tố và

mang tính chất kim loại

- Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là kim loại

- Chế tạo: nấu chảy truyền thống, luyện kim

bột, bằng hoá nhiệt luyện khuếch tán một vài

nguyên tố vào kim loại rắn, bằng kết tinh thể

hơi, điện phân đồng thời nhiều nguyên tố

- Trong thực tế người ta sử dụng vật liệu chủ

+ dễ tạo hình: biến dạng dẻo và đúc

+ dễ gia công cắt gọt, đảm bảo hình

dạng, kích thước của sản phẩm

- Luyện hợp kim đơn giản và rẻ hơn luyện

kim loại nguyên chất

Ưu việt của hợp kim

- Pha: những tổ chức, phần đồng nhất của

hợp kim, thể hiện trên các mặt: thành phần,

trạng thái lỏng, tính chất, giữa các pha có bề

mặt phân pha

- Hệ: tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng

trong hợp kim

- Cấu tử (nguyên) là những chất độc lập có

thành phần không biến đổi
tạo nên tất cả

các pha của hệ (thường nguyên tố hóa học

cấu tạo nên hợp kim

4 Pha, hệ, cấu tử

6

- Gắn với năng lượng tự do của hệ (phụ

thuộc nội năng, mức độ sắp xếp nguyên tử,

phân tử
Hệ cân bằng khi các pha có

năng lượng tự do là nhỏ nhất trong điều

- Thay đổi T, P
tăng năng lượng tự do

hệ không cân bằng
chuyển sang trạng

thái cb mới có NL tự do nhỏ hơn

- Không ổn định
tự về trạng thái CB

- Hình thành với tốc độ nguội nhanh

6 Trạng thái không cân bằng

8

- Trạng thái cân bằng tuyệt đối chỉ là lý

thuyết
thực tế khó xảy ra (cần làm nguội

vô cùng chậm)
trạng thái giả ổn định, tồn

tại ngay cả khi bị nung nóng trong một

phạm vi nào đó

7 Trạng thái giả ổn định

Sơ đồ vị trí ổn định (1), không ổn định (2), giả ổn định (3)

năng tương đối thấp

tuy cao hơn (1) nhưng

khó về (1) vì không

vượt qua hàng rào

năng lượng ∆G lớn

10

kim tác dụng lẫn nhau
tạo cấu trúc pha

khác với cấu trúc vốn có của từng nguyên

tố Các pha tinh thể có thể là:

a/ Dung dịch rắn;

b/ Hợp chất hóa học hoặc pha trung gian;

c/ Hỗn hợp của cấu tử nguyên chất với

dung dịch rắn hoặc các pha trung gian

8 Các dạng cấu tạo của hợp kim

9 Dung dịch rắn (ddr)

- Pha tinh thể với kiểu mạng giống với kiểu

mạng của một cấu tử được gọi là dung môi

(hàm lượng nhiều hơn), các cấu tử còn lại

được gọi là chất tan phân bố vào mạng tinh

thể của dung môi

- Ký hiệu: A(B): A: dung môi, B: chất tan

- Hệ hợp kim có vài kiểu ddr: ký hiệu α, β, γ,

δ đi dần từ trái sang phải, từ nhiệt độ thấp

lên nhiệt độ cao trong giản đồ trạng thái

9.1 Khái niệm

12

- Nguyên tử chất hòa tan (B) thay thế vị trí

nguyên tử dung môi (A) ở một số nút mạng:

+ thay thế vô hạn (B thay hoàn toàn A)

+ thay thế có hạn (B thay thế một phần A)

9.2 Các kiểu dung dịch rắn

9.2.1 Dung dịch rắn thay thế

1) Kiểu mạng tinh thể A và B giống nhau;

2) dB và dA xấp xỉ nhau: sai khác <8÷15%;

3) A và B: cùng nhóm và ở gần kề nhau

4) Điện tử hóa trị A, B phải như nhau: khi B

hòa tan vào mạng A không làm thay đổi

nồng độ điện tử của mạng

- Điều kiện có ddr thay thế vô hạn:

14

Nguyên tố A và B hoà tan vô hạn vào nhau

- 4 điều kiện sai khác càng nhiều: khả năng

hòa tan nhau càng có giới hạn, tác dụng hóa

bền khi tạo thành dung dịch rắn càng lớn

ddr hòa tan có hạn

- Điều kiện có ddr thay thế có hạn:

9.2.2 Dung dịch rắn xen kẽ

- Nguyên tử của B chui vào lỗ hổng mạng A

- Hòa tan của B vào A phụ thuộc vào dB và

dlỗ hổng mạng A (tính được qua dA): điều kiện

dB/dA ≤ 0,59

- Chỉ tồn tại dung dịch có hạn, không có dung

dịch rắn vô hạn (do số lượng lỗ hổng trong

mạng tinh thể là có hạn)

16

dung môi là Fe, ít

nguyên tố á kim như

Xô lệch mạng trong ddr thay thế:

a) dB>dAb) dB<dA

18

10 Pha trung gian

- Nguyên tử các nguyên tố trong hợp kim chỉ

hoà tan nhau đến giới hạn nhất định, vượt trên

các giới hạn này
pha trung gian

- Sự khác nhau ddr và pha trung gian:

Về mặt cấu trúc: pha trung gian mạng có tinh

thể khác hẳn mạng của các cấu tử thành phần

Tỷ lệ thành phần giữa các cấu thử biến đổi

trong phạm vi hẹp
biểu thị pha trung gian

gần đúng bằng công thức hoá học

Về tính chất: pha trung gian có nhiệt độ nóng

chảy cao, độ cứng và giòn cao

10.1 Khái niệm

Kiểu mạng dung dịch rắn và pha trung gian

Hợp kim Fe–C:

+ cacbon thấp
ddr xen kẽ là ferit;

+ cacbon cao
ngoài ddr còn có pha trung

20

10.2 Các loại pha trung gian

- Hợp chất giữa kim loại chuyển tiếp như Fe,

Mn, Cr, V, Nb, Ti với các nguyên tố á kim

có đường kính nguyên tử nhỏ như C, N, B, H

Cấu trúc mạng phụ thuộc q.hệ kthước ngtử á

kim (X) và kim loại (M):

(không giữ lại kiểu mạng vốn có), phi kim xen

a Pha xen kẽ

- Trong hợp kim màu Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Al,

Cu-Si, thành phần hoá học thay đổi trong

T - nhiệt độ tuyệt đối,K;

S - entropi đặc trưng cho mức độ trật tự

nguyên tử trong hệ thống

Sự thay đổi năng lượng tự do của kim

loại lỏng và rắn theo nhiệt độ

24

kim loại ở tt lỏng (nóng chảy)

loại ở tt rắn (kết tinh)

tốc độ nguội:

lớn
∆T lớn (có thể lên tới hàng trăm độ)

2.2 Đường nguội

- Đường nguội biểu

diễn sự thay đổi nhiệt

theo thời gian:

- Nguội đủ chậm: đoạn

nằm ngang: kết tinh ở

T=const (khi kết tinh với

vnguội đủ chậm, nhiệt tỏa

ra bù cho nhiệt thoát ra

- Là quá trình xuất hiện những phần tử rắn

có cấu tạo tinh thể với kích thước xác định

trong kl lỏng, là các trung tâm để từ đó phát

triển thành hạt tinh thể

Có 2 loại mầm: tự sinh và ký sinh

- được tạo ra từ chính kim loại lỏng đồng

nhất không cần tác động của các phần tử

rắn có sẵn trong kim loại lỏng

2.3.1 Tạo mầm

a Mầm tự sinh

Năng lượng cần thiết để tạo mầm tự sinh

trật tự với thể tích V
NLTD của hệ thay đổi:

3

4.T

T.LG

tiếp tục phát triển sẽ kèm theo năng lượng

∆G hệ giảm:

nc

o

* V

L

T 2.T

1r

0dr/)G

Biến đổi năng lượng tự do hệ thống khi tạo

mầm phụ thuộc theo bán kính r của mầm

xuất đúc: nguội nhanh

để thu được hạt tinh

thể nhỏ mịn

b Mầm ký sinh

- Sự tạo mầm trên bề mặt phần tử rắn (pha)

sẵn có (sự tạo mầm khác pha)

- Phần tử rắn lơ lửng (như oxyt, nitrit, hợp

chất khác): nguyên tử kim loại từ pha lỏng có

thể trực tiếp bám lên bề mặt các pha rắn này

hình thành mầm kết tinh

- Sự tạo mầm dễ dàng hơn, yêu cầu ∆T nhỏ

hơn và công sinh mầm cũng nhỏ hơn

- Đóng vai trò chất biến tính làm nhỏ hạt

34

- Công sinh mầm ký sinh bằng công sinh

mầm tự sinh nhân với hệ số C:

4

cos cos

3 2

cos cos

3 2

∆

tinh thể tụ tập lại, tiếp

đến nguyên tử kim loại

Mầm lớn lên theo cơ chế lệch xoắn

Sơ đồ lớn lên theo

cơ chế lệch xoắn

38

Sơ đồ hạt tinh thể phát triển theo dạng

Sự hình thành các hạt tinh thể đa cạnh

từ các tinh thể nhánh cây

Các nhánh cây lớn lên

tiếp xúc với nhau và

dừng lại, những phần

khác còn tự do tiếp tục

lớn lên
sau kết tinh

thu được các hạt tinh

thể điền đầy với hình

- Chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng

vật liệu: đánh giá định tính bằng cách quan

sát bề mặt gãy bằng mắt thường hay kính

lúp hoặc đánh giá tỉ mỉ bằng soi tổ chức tế vi

và xác định một trong những đại lượng sau:

1) Số lượng hạt tinh thể N/1 đơn vị diện tích;

N = 1/S, số lượng hạt N càng nhiều, hạt có kích thước càng nhỏ

3) Đường kính trung bình d của hạt

2.5.1 Độ lớn (kích thước) hạt

Đánh giá độ lớn hạt theo nhiều cấp (thường

dùng nhất là 8 cấp) bằng cách so sánh với

ảnh chuẩn ở độ phóng đại 100 lần

Theo ASTM: cấp hạt M có mối quan hệ với

số lượng hạt N đếm được trên diện tích

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng kt 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

Quan hệ kích thước hạt tinh thể d với n và v:

n

v k

d =

44

Biện pháp công nghệ giảm kích thước hạt

1) Tăng độ quá nguội

khi ∆T tăng, v và n đều tăng nhưng trong đó n

tăng nhanh hơn v nên tổ chức sau kết tinh có

hạt càng nhỏ

Nguội nhanh khi đúc: sử dụng khuôn đúc

bằng khuôn kim loại hay khuôn cát, làm nguội

liên tục vỏ khuôn bằng phun nước …

2) Dùng chất biến tính

Loại 1: 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 như tâm tạo mầm ký sinh Ví dụ khi rót

đúc thép người ta cho vào nước thép ở

hoặc làm thay đổi tính dị hướng của tốc độ

lớn lên Ví dụ khi đúc gang cầu, xử lý nước

gang bằng vi lượng Mg
tinh thể graphit

phát triển đều trên các phương thành dạng

hình cầu

2) Dùng chất biến tính (tiếp)

- Thực hiện được bằng sóng siêu âm hoặc

rung cơ học Thông qua rung động nước

thép để bẻ gẫy những tinh thể nhánh cây

thành nhiều mầm tinh thể mới

- Hạn chế: cần điều khiển các thông số

rung động trong giới hạn một cách nghiêm

- Nguyên nhân: khi kết tinh thể tích kim loại bị co

lại (trừ Ga và Bi)
khuyết tật khó tránh

- Khắc phục: dùng đậu ngót để kim loại lỏng

trong đậu ngót sẽ kết tinh sau cùng và lõm co sẽ

nằm gọn trong đó, sau đó cắt bỏ

- Rỗ co: co ngót dạng lỗ hổng nhỏ phân bố trong

vật đúc
giảm mật độ, không tốt cho cơ tính

Khắc phục: qua g/công áp lực:rỗ co được hàn lại

Các khuyết tật của thỏi đúc

a) Lõm co và rỗ co

50

- Là bọt khí không kịp bay ra khỏi bề mặt

kim loại lỏng khi kết tinh sẽ hình thành các

bọt khí nhỏ trong kim loại rắn
giảm đáng

kể mật độ của vật đúc, ảnh hưởng rất xấu

đến cơ tính

- Khắc phục: khử khí trước khi rót khuôn,

sấy khô mẻ liệu

b) Rỗ khí

c) Thiên tích

Hiện tượng không đồng nhất về thành phần

trong thỏi đúc, ảnh hưởng xấu đến cơ tính

III Giản đồ pha của hợp kim hai cấu tử

1 Khái niệm giản đồ pha

Giản đồ pha (giản đồ trạng thái, giản đồ cân

bằng): là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức

pha vào nhiệt độ và thành phần của hệ ở

trạng thái cân bằng

- Đúng khi nguội rất chậm hoặc ủ

- Gây sai khác khi nguội trong không khí

vẫn là cơ sở xác định cấu trúc của hợp kim đã

cho ứng với thành phần, nhiệt độ xác định

52

2 Qui tắc pha Gibbs

- Bậc tự do F là số lượng các yếu tố độc lập

có thể thay đổi được trong giới hạn xác định

mà không làm thay đổi trạng thái của hệ,

tức là không thay đổi số pha P đã có

- Qui tắc pha Gibbs chỉ ra quan hệ giữa bậc

tự do F, số pha P và số cấu tử C của hệ:

F = C - P + 1

- F = 0
P=C+1: hệ vô biến, hợp kim giữ

nguyên trạng thái pha thì không thể có sự

thay đổi nhiệt độ và thành phần

Ví dụ, khi kim loại lỏng nguyên chất (C =

1) kết tinh sẽ có hai pha lỏng và rắn cùng

Ví dụ hợp kim Cu-Ni: nhiệt độ thường là ddr,

nung nóng chảy thành dun dịch lỏng
quá

trình nóng chảy số pha của hợp kim là 2

pha, số bậc tự do là 1 (F=2-2+1=1)
quá

trình xảy ra trong 1 khoảng nhiệt độ, hoặc

tại 1 điểm nào đó trong quá trình nóng chảy

có thể thêm bớt Cu,Ni mà vẫn giữ hợp kim

- F = 2
P=C-1: hệ nhị biến: số pha ít hơn

cấu tử 1
hay gặp ở giản đồ 2 pha

Ví dụ, hầu hết hệ 2 cấu tử ở trạng thái lỏng

hòa tan vô hạn vào nhau tạo 1 pha có số bậc

tự do bằng 2-1+1=2
có thể thay đổi cả

nhiệt độ và thành phần khá dễ dàng mà vẫn

- Số bậc tự do không thể âm, min là 0, do

56

Giản đồ trạng thái của sắt và đường nguội

- Hệ không có biến đổi thành phần
1 trục,

(nếu có)

2 Giản đồ pha một cấu tử

Các thông số cơ bản trên giản đồ pha

- Các pha tồn tại: căn cứ điểm nhiệt độ, thành

phần đã cho nằm trong vùng nào của giản đồ

pha sẽ có tổ chức pha tương ứng với vùng đó

- Thành phần pha: Tọa độ trong vùng 1 pha thì

thành phần pha cấu tạo hợp kim bằng thành

phần hợp kim đã chọn; nếu trong vùng 2 pha:

kẻ đường nằm ngang (đẳng nhiệt) qua tọa độ

này, hai giao điểm với 2 vùng một pha gần

nhất sẽ chỉ rõ thành phần từng pha tương ứng

60

-Tỷ lệ giữa các pha hoặc tổ chức: xác định nhờ

quy tắc cánh tay đòn (đòn bẩy) theo nguyên

tắc: 3 điểm trên (tọa độ và 2 pha) tạo nên 2

đoạn thẳng mà độ dài mỗi đoạn biểu thị tỷ lệ

tương đối của pha đối diện trong hợp kim:

Hay như sự cân bằng đòn bẩy:

pha trái x đòn trái = pha phải x đòn phải

α

a) Thµnh phÇn, %B

L +

α

Q L

N M

vùng pha α ở M và cắt đường ranh giới

* Quy tắc đòn bẩy (cánh tay đòn)

Khảo sát hợp kim chứa X%B

- Trong thành phần hợp kim tại Q:

+ Lượng tương đối của pha α là m

+ Lượng tương đối của pha lỏng là n

64

1 2

1

X X

X X n

−

−

=

1 2

2XX

XX

Khối lượng tương đối của pha α là:

Khối lượng tương đối của pha L là:

X nX

1 n

{

QM

NQ n

m

=

Tỷ lệ pha:

4 Các loại giản đồ pha hai cấu tử

4.1 Giản đồ loại I: giản đồ 2 cấu tử hòa tan

2 cấu tử A+B cùng lúc
cùng tinh:

Hợp kim tại E: hợp kim cùng tinh

Hợp kim trước E: hợp kim trước cùng tinh

Hợp kim sau E: hợp kim sau cùng tinh

Giản đồ trạng thái hệ Pb-Sb

68

4.2 Giản đồ loại II: giản đồ 2 cấu tử hòa

tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng và

trạng thái rắn

Giản đồ trạng thái hệ Ni-Cu

70

Xét hợp kim 35%Ni+65%Cu

72

4.2 Giản đồ loại III: giản đồ 2 cấu tử hòa

tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, có

hạn ở trạng thái rắn

Giản đồ trạng thái hệ Pb-Sn

Xét hợp kim 40%Sn, 60%Pb

76

Giản đồ trạng thái hệ Cu-Ag

78

4.2 Giản đồ loại IV: giản đồ 2 cấu tử không

hòa tan lẫn nhau ở trạng thái rắn, tạo thành

hợp chất hóa học ổn định

84

- Ferit: dung dịch rắn xen kẽ của C trong α-Fe

(ferit nhiệt độ thấp), δ-Fe (ferit nhiệt độ cao)

Ferit nhiệt độ thấp, có khả năng hòa tan C rất

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

1) Tổ chức một pha

88

- Austenit (ký hiệu là A hay γ): dung dịch

rắn xen kẽ của C trong γ-Fe: C hòa tan lớn

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
cơ sở cho mọi dạng

nhiệt luyện hóa bền thép

Tổ chức tế vi α (a) và γ (b) (x500)

90

Pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, thành

phần C = 6,67%

Xe là cứng (~ 800HB) và giòn, 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

- Các dạng tồn tại: Xe I, II, III:

- Các dạng tồn tại: Xe I, II, III:

nên có dạng tấm to và dài

quanh hạt γ theo biên hạt

quanh hạt α theo biên hạt

92

- Peclit (ký hiệu là P hay [α +Fe3C])

tích của austenit chứa 0,8% C tạo ra

- Nguội thông thường
thu P dạng tấm, α và

- Nhiệt luyện đặc biệt
thu được peclit hạt:

nền là ferit, Xe cầu hóa phân bố trên nền ferit

- Cơ tính P phụ thuộc vào kích thước và hình

dạng Xe: Xe càng nhỏ mịn
peclit có độ

bền, độ cứng càng cao

2) Các tổ chức hai pha

- Lêđêburit

Sản phẩm cùng tinh (γ + Xe hoặc P+Xe)

của hợp kim lỏng có hàm lượng 4,3%C ở

lêđêburit biến thành hỗn hợp cơ học (P +

Xe)
lêđêburit biến thái, ký hiệu là Le’

hoặc (P +Xe)

Tổ chức chứa nhiều Xe (~2/3)
rất cứng

(khoảng 600HB) và rất giòn

Các nhiệt độ tới hạn (chuyển biến trạng thái rắn):

A1- là nhiệt độ cùng tích (đường PSK)

A3- 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).

2.4.3 Các điểm tới hạn trên giản đồ Fe-C

Thực tế nung nóng và làm nguội với tốc độ nhanh nhất

đị nh
vị trí các điểm tới hạn khi nung nóng bao giờ

cũng cao hơn khi làm nguội
Khi nung: Ac 1 , Ac3, Accm

Khi làm nguội là Ar1, Ar3, Arcm