Phần1: Quá trình kết tinh của hợp kim Chì và Thiếc Pb-Sb khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng từ giản đồ loại III và tính chất của hợp kim ở trạng thái cân bằng: 1.Khái niệm về giả
Trang 1MỤC LỤC
Trang
PHẦN 1 : Bài tập:
QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM CHÌ VÀ THIẾC (Pb-Sb)
KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG TỪ GIẢN ĐỒ
LOẠI III VÀ TÍNH CHẤT CỦA HỢP LIM Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG:
……… 2
1 Khái niệm về giản đồ trạng thái……… 2
2 Giản đồ III và hợp kim điển hình Pb-Sb……… 2
3.Tính chất đặc biệt của hợp kim……… 6
PHẦN 2: Tiểu luận QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA CÁC HỢP KIM Fe – C, 0.4% C, 0.8% C, VÀ 1.2% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG……… 7
A GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe-C VÀ CÁC TỔ CHỨC……… 7
I.Giải thích các thuật ngữ……… 7
II Tương tác giữa Fe-C……… 7
III Giản đồ pha Fe-C……… 8
IV Các tổ chức một pha……… 9
V Các tổ chức hai pha……… 11
B QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA CÁC HỢP KIM Fe – C, 0.4% C, 0.8% C, VÀ 1.2% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG………… 12
PHẦN 3 TỒ CHỨC TẾ VI VÀ TÍNH CHẤT……… 14
Trang 2Phần1: Quá trình kết tinh của hợp kim Chì và Thiếc (Pb-Sb) khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng từ giản đồ loại III và tính chất của hợp kim ở trạng thái cân bằng:
1.Khái niệm về giản đồ trạng thái:
_ Định nghĩa:
+ Là biểu đồ biểu thị trạng thái tổ chức của hệ hợp kim đã cho trên hệ trục nhiệt độ
và thành phần hóa học
+ Do công sức của nhiều nhà khoa học trong các viện nghiên cứu, người ta đã lập nên hầu hết giản đồ trạng thái của các hệ hợp kim quan trọng có thể tìm chúng trong các tài liệu kỹ thuật
_ Công cụ giản đồ trạng thái của hệ hợp kim đã cho.
+ Cho biết cấu tạo bên trong của hợp kim với thành phần xác định khác nhau thông qua giản đồ trạng thái này để biết được cơ tính của chúng, do đó biết cách sử dụng hợp
lý vật liệu làm hợp kim đó
+ Qua giản đồ trạng thái xác định được chế độ nhiệt cho các công nghệ: luyện kim
và đúc (xác định to
nc), rèn (xác định to bắt đầu và kết thúc khi gia công), nhiệt luyện (xác định các to của từng phương pháp nhiệt luyện), hàn (to hàn) của hợp kim có thành phần xác định
2 Giản đồ III và hợp kim điển hình Pb-Sb:
_ Là giản đồ pha của hai cấu tử với tương tác hòa tan có hạn vào nhau, có dạng tổng quát được trình bày ở hình 1.1a và hệ điển hình có kiểu này là hệ chì - thiếc (Pb - Sn) ở hình 1.1b Giản đồ có dạng khá giống với giản đồ loại I với sự khác nhau ở đây là các dung dịch rắn có hạn α và β thay thế cho các cấu tử A và B Các dung dịch rắn có hạn trên cơ sở (nền) của các cấu tử nguyên chất nằm về hai phía đầu mút của giản đồ
Ở đây AEB là đường lỏng, ACEDB - đường rắn
Trang 3Sau đây là vài nhận xét đối với kiểu giản đồ này:
Hình 1.1 Dạng tổng quát của giản đồ loại III (a) và giản đồ pha hệ Pb – Sn cũng như
sơ đồ hình thành tổ chức khi kết tinh ở trạng thái cân bằng của hợp kim 40%Sn (b) + Cũng giống như giản đồ loại I nhiệt độ chảy của cấu tử bất kỳ thoạt tiên đều giảm đi nếu được đưa thêm cấu tử thứ hai
+ Điểm E cũng được gọi là điểm cùng tinh (eutectic) và tại đó xảy ra phản ứng cùng tinh
LE → (α + β) hay L61,9→ (α19,2 + β97,5)
+ Cũng có hợp kim cùng tinh (có thành phần đúng diểm E hay lân cận), trước cùng tinh (trái E) và sau cùng tinh (phải E)
+ Các dung dịch rắn ở đây đều là có hạn với các đường CF và DG chỉ rõ giới hạn hòa tan Nói chung độ hòa tan đạt được giá trị lớn nhất ở nhiệt độ cùng tinh và giảm mạnh khi hạ thấp nhiệt độ, nên CF và DG có dạng xoãi chân về hai phía
+ Có thể chia các hợp kim của hệ thành ba nhóm sau:
Trang 4• Nhóm chứa rất ít cấu tử thứ hai (bên trái F, bên phải G), sau khi kết tinh xong chỉ có một dung dịch rắn α hoặc β, có đặc tính như giản đồ loại II
• Nhóm chứa một lượng hạn chế cấu tử thứ hai (từ F đến C’ và D’ đến G), ban đầu kết tinh ra dung dịch rắn, song khi nhiệt độ hạ xuống thấp hơn đường CF và DG chúng trở nên quá bão hòa, tiết ra lượng cấu tử hòa tan thừa dưới dạng dung dịch rắn thứ cấp (α thừa B tiết ra pha βII giàu B, β thừa A tiết ra pha αII giàu A)
• Nhóm chứa lượng lớn cấu tử thứ hai [từ C (C’) đến D (D’)], ban đầu kết tinh ra dung dịch rắn (αC hay βD), pha lỏng còn lại biến đổi thành phần theo đường lỏng đến điểm
E, tại đây có sự kết tinh của cùng tinh Các hợp kim trong nhóm này có diễn biến kết tinh khá giống với giản đồ loại I Ví dụ, xét hợp kim trước cùng tinh có 40%Sn của hệ
Pb - Sn (hình 3.12b)
- Ở cao hơn 245°C hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng
- Tại 245°C hợp kim bắt đầu kết tinh ra α2’ với 13,3%Sn, khi làm nguội tiếp tục dung dịch rắn được tạo thành và pha lỏng còn lại đều biến đổi thành phần theo chiều tăng lên của hàm lượng Sn Ví dụ, ở 200°C pha ỏ chứa 18,5%Sn (a’) và L chứa 57%Sn (a’’), tỷ
lệ giữa chúng là:
αa’ / La’’ = (57 - 40) / (40 - 18,5) = 17 / 21,5
vậy pha αa’ chiếm tỷ lệ 44,2% và La’’ - 55,8%
- Đến nhiệt độ cùng tinh 183oC, trước khi kết tinh cùng tinh tỷ lệ giữa hai pha này là:
αC / LE = (61,9 - 40) / (40 - 19,2) = 21,9 / 20,8
Cũng tại nhiệt độ này sau phản ứng cùng tinh LE → (αC + βD), hợp kim có tổ chức
αC + (αC + βD) với tỷ lệ αC / (αC + βD) cũng bằng 21,9 / 20,8
Trang 5
Hình 1.2 Tổ chức tế vi của hợp kim Pb - Sb:
a Cùng tinh (α+β), màu tối là α giàu Pb;
b Trước cùng tinh với 40%Sn [α độc lập là các hạt lớn
màu tối bị bao bọc bởi cùng tinh (α+β)]
_ Như vậy trong tổ chức cuối cùng của hợp kim có hai loại dung dịch rắn α: loại kết tinh độc lập ở trong vùng α + L (ở cao hơn 183oC) và loại cùng kết tinh với β ở nhiệt
độ không đổi (183oC) và được gọi là α cùng tinh Nếu tính tỷ lệ giữa hai pha β (chỉ có trong cùng tinh) và α (gồm cả loại độc lập lẫn cả loại cùng tinh) thì ở 183oC có:
β / α = (40 - 19,2) / (97,5 - 40) = 20,8 / 57,5, nên β chiếm tỷ lệ 26,6%, α chiếm tỷ
lệ 73,4%
_ Trên hình 3.13 là tổ chức tế vi của hai hợp kim hệ này Cùng tinh Pb – Sn bao gồm các phần tử Pb nhỏ mịn tối phân bố đều trên nền Sn sáng (hình a) Còn hợp kim trước cùng tinh được khảo sát có tổ chức tế vi (hình b): các hạt Pb kết tinh trước (hạt tối, to)
và phần cùng tinh (Pb + Sn) như của hình a Rõ ràng là pha hoặc tổ chức nào kết tinh ở nhiệt độ càng thấp hạt càng nhỏ mịn
Trang 63.Tính chất đặc biệt của hợp kim:
Hình 1.3 Trạng thái cân bằng (hình thành Eutectic) của Pb và Sn:
_ Hợp kim hàn thiếc/chì có sẵn ở quy mô thương mại với hàm lượng thiếc nằm trong khoảng 5% tới 70% theo trọng lượng Hàm lượng thiếc càng cao thì ứng suất
căng và ứng suất biến dạng của hợp kim càng lớn Ở cấp độ bán lẻ có 2 hợp kim phổ biến nhất là 60/40 Sn/Pb và 63/37 Sn/Pb Tỷ lệ 63/37 là đáng chú ý ở chỗ nó là hỗn hợp eutecti, có nghĩa là:
A Nó có điểm nóng chảy thấp nhất (183 °C hay 361,4 °F) trong số tất cả các hợp kim thiếc/chì;
B Điểm nóng chảy thật sự là một điểm — không phải một khoảng
Ở thành phần eutecti, hợp kim hàn lỏng đông đặc lại như là hỗn hợp eutecti, chứa các pha chứa các hạt mịn của chì và thiếc gần như nguyên chất, như có thể thấy qua biểu đồ cân bằng pha thiếc/chì ở trên
_ Có độ cứng tương đối cao, nhiệt độ chảy tương đối thấp, nhiệt độ sôi cao, độ bền hoá học lớn
_ Dưới tác động của axi bề mặt chì tạo nên một lớp màng bảo vệ chắc
Trang 7PHẦN 2: QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA CÁC HỢP KIM Fe – C, 0.4% C, 0.8% C,
VÀ 1.2% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG.
A GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe-C VÀ CÁC TỔ CHỨC.
I.Giải thích các thuật ngữ
Một cách tổng quát, trong KHVL, giản đồ pha là một loại biểu diễn các điều kiện cân bằng giữa các pha riêng biệt (các pha có thể phân biệt về mặt nhiệt động)
Hai loại giản đồ pha hay gặp: giản đồ nhiệt-áp suất( của nước chẵng hạn - rất nổi tiếng trong hóa lý) và giản đồ nhiệt - thành phần(của hệt Fe-C, rất nổi tiếng trong
KHVL)
Giản đồ pha Fe-C cho biết tại mỗi tọa độ (nhiệt độ, thành phần) xác định, tổ chức của hợp kim sắt - cacbon như thế nào Tất cả các tổ chức (pha) đề cập ở đây dựa trên giả thiết là các quá trình chuyền biến diễn ra vô cùng chậm (cân bằng)
Hình a Giản đồ trạng thái
II Tương tác giữa Fe-C
Trang 81 Tạo Ferit
Ferit ( có thể ký hiệu bằng α hay F hay Feα ) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα trong mạng lập phương tâm khối
2 Tạo Auxtenit
Auxtenit (có thể ký hiệu bằng γ, A hay Feγ(C) ) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ với mạng lập phương tâm diện
3 Tạo pha xen kẽ
Xêmenti ( có thể ký hiệu Xe, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp
III Giản đồ pha Fe-C
Giản đồ pha Fe-C được trình bày với các ký hiệu tọa độ ( nhiệt độ và thành phần
cacbon) đã được quốc tế hóa như sau:
Hình b: giản đồ trạng thái (dạng đủ)
Từ giản đồ ta có một số chú thích sau:
Trang 9- Austentite soild solution of cacbon in gamma iron : dunh dịch rắn auxtentite của cacbon trong Feγ
- Austentite in liquid : austentite phân tán trong pha lỏng (đây là vùng tồn tại của
austentite và pha lỏng)
- Primary austentite begins to solidify : đường giới hạn mà austentite sơ cấp bắt đầu kết tinh
- CM begins to solidify: đường giới hạn mà xementit bắt đầu kết tinh
- Austentite, ledeburite and cementite: vùng tồn tại của các pha austentite, ledeburit và xementit
- Hypo-eutectoid: trước cùng tích
- Hyper-eutectoid : sau cùng tích
- steel: thép (quy ước)
- Castiron: gang (quy ước)
Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe-C phải được xây dựng từ 100% Fe đến 100% C song do không dùng các hợp kim Fe-C với lượng cacbon nhiều hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6.67% cacbon tức là ứng với hợp chất hóa học Fe3C làm cấu tử
Một số đường có ý nghĩa quan trọng như sau:
- ABCD là đường lòng để xác định nhiệt độ bắt đầu chạy hay kết thúc kết tinh
- AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh
- ECF(11740C) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic)
- PSK(7270C) là dường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid)
- ES là giới hạn hòa tan cacbon trong Feγ
- PQ là giới hạn hòa tan cacvon trong Feα
IV Các tổ chức một pha.
Ở trạng thái rắn có thể gặp bốn pha sau
Ferit ( có thể ký hiệu bằng α hay F hay Feα ) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα trong mạng lập phương tâm khối (a= 0.286 - 0.291nm) song do lượng hòa tan nhỏ ( lớn nhất là 0.02%C ở 7270C điểm P, ờ nhiệt độ thấp chì 0.006%C - điểm Q) nên chỉ có thề coi nó là Feα Ferit có tính sắt từ nhưng chỉ đến 7680C Trên giản đồ nó không tồn tại trong vùng GPQ Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt
Trang 10nguyên chất Trong thực tế ferit có thề hòa tan Si, Mn, P, Cr, Nên sẽ cứng và bền hơn song củng kém dẻo dai đi Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường khi sử dụng (<7270C), song với tỉ lệ cao nhất (trên dưới 90%), nên nó đóng góp một tỉ lệ quan trong trong cơ tính của hợp kim Fe-C Tồ chức tế vi của ferit trình bày ở hình c có dạng hạt sáng, đa cạnh
Hình c: Tổ chức tế vi của ferit(a) và auxtennit(b)
Auxtenit (có thể ký hiệu bằng γ, A hay Feγ(C) ) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ với mạng lập phương tâm diện (a = 0.364nm) với lượng hòa tan đáng kể
cacbon (cao nhất tới 2.14% hay khoảng 8.5% về số nguyên tử ờ 11470C - điểm E, tức tối đa bình quân cứ 3-4 ô cơ sở mới có thể cho phép một nguyên tử cacbon định vị vào một lỗ trống tám mặt trong chúng, ở 7270C chỉ còn 0.8%C - điểm S) Khác với ferit, aixtenit không có tính sắt từ mà có tính thuật từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (>7270C) trong vùng NJESG nên không có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng chúng trong hợp kim nhưng lại có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện Với tính dẽo rất cao và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng thép bao giờ cũng được thực hiện ở trạng thái auxtennit đồng nhất (trên dưới 1000 độ) Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe-C với C < 2.14% dù cho nhiệt độ thường thể hiện
độ cứng và tính dòn khá cao Làm nguội auxtenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hỗn hợp ferit-xemantic với độ nhỏ mịn khác nhau hay được mactenxit với cơ tính cao
và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công
Xementic là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần
6.67%C ứng với đường DFKL trên giản đồ Đặc tính của xemantic là cứng giòn, cùng với ferit nó tạo ra các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C Người ta phân biệt bốn loại xementit:
- Xementit thứ nhất : được tạo thành giảm nồng độ cacbon trong hợp kim theo đường
Trang 11DC khi hạ nhiệt độ, chỉ có hợp kim > 4.3%C Do tạo thành ở nhiệt độ cao (>11470C ) nên Xementit thứ nhất có dạng thẳng, thô to đôi khi có thể thấy bằng mắt thường
- xemnatit thứ hai được tạo thành do giàm nồng độ cacbon trong auxtenit theo đường
ES khi hạ nhiệt độ, thường thấy rất rõ ỡ hợp kim có > 0.8 cho tới 2.14%C Do tạo thành
ở nhiệt độ tương đối cao (7270C) tạo điều kiện cho sự tập trung ở biên giới hạt, nên khi xementit thứ hai với lượng đủ lớn sẽ tạo thành lưới liên tục bao quanh các hạt auxtenit tạo ra khung giòn làm giảm mạnh tính dẽo và dai như của hợp kim
- xementit thứ ba được tao thành do giảm nồng độ cacbon trong ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, với số lượng rất nhỏ nên rất khó phát hiện trên các tổ chức tế vi và thường được bỏ qua
- xementit cùng tích được tạo thành do chuyển biến cùng tích auxenit > peclit Loại này có vai trò rất quan trọng
V Các tổ chức hai pha
- peclit(P): peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferit và xementit tạo thành ở 7270C
từ dung dịch rắn Autenit chứ 0.8%C Trong Peclit có 88% Ferit và 12% Xementit Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trong quá trình lam nguội, thành phần cacbon của Auxetenit sẽ biến đổi và khi đến 7270C có 0.8% C Lúc đó, Auxetenit có 0.8% C sẽ chuyển thành hỗn hợp cùng tích và ferit và xementit:
Tùy theo hình dạng xementit ơ trong hổn hợp, người ta chia ra 2 loại peclit là peclit tấm và peclit hạt Peclit là hổn hợp cơ học nên có tính trung gian Kết hợp giữa tính dẻo, dai của Feα và cứng, dòn của Xe nên nó chung P có độ cứng, độ bền cao, tính dỏe thấp, tuy nhiên nó có thề thay đổi trong phạm vi khá rộng phụ thuộc vào độ hạt của Xe
- Ledeburit : là hổn hợp cơ học cùng tinh, kết tinh từ pha lỏng có nồng độ 4.3%C ở
11470C
Lúc đầu mới tạo thành nó gồm γ và Xe Khi làm nguội xuống dưới 7270C, γ chuyển biến thành P do vậy Ledebirit có 2 pha là P và Xe trong đó Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên ledeburit rất cứng và giòn
Trang 12B QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA CÁC HỢP KIM Fe – C, 0.4% C, 0.8% C, VÀ 1.2%
C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG.
Trang 13+ phần trên của giản đồ
Phần trên giản đồ trạng thái Fe-C ứng với sự kết tinh từ trạng thái lỏng cho thấy có ba khu vực rõ rệt ứng với ba khoảng thanh phần cacbon khác nhau Khu vực có thành phần 0.1% đến 0.51%C khi kết tinh sẽ xảy ra phản ứng bao tinh : δH + LB > γJ
Lúc đầu, khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra dung dịch rắn trước Khi nhiệt độ hạ xuống 14990C (HB), hợp kim có hai pha là dung dịch rắn δ chứa 0.1%C và dung dịch rắn auxtenit chưa 0.16%C :
Các hợp kim có 0.1%-0.16%C sau hản ứng bao tinh còn thừa pha δ và khi làm nguội
Trang 14tiếp, pha này tiếp tục chuyển biến thành pha γ.
Các hợp kim có 0.16-0.51%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha lỏng L, và sau khi làm nguội tiếp theo pha lỏng tiếp tục chuyển biến thành pha γ Như vậy cuối cùng hợp kim 0.1%-0.51%C khi làm nguội xuống dưới đường NJE chỉ có tổ chức một pha
auxtenit Khu vực có thành phần 0.51%-2.14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch rắn auxtenit
Hợp kim có thành phần 2.14%-4.3%C khi làm nguội hợp kim đó tới đường lỏng BC
nó sẽ kết tinh ra auxtenit Làm nguội tiếp tục, auxtenit có thành phần thay đỗi theo đường JE, hợp kim lỏng còn lại thay đổi theo đường BC
+ phần dưới giản đồ
Phần dưới giản đồ ứng với chuyển biến ở trạng thái rắn Có ba pha chuyển biến đáng chú ý sau xuất phát từ auxtenit
- sự tiết ra xementit thứ hai là từ auxtenit:
Các hợp kim có thành phần cabon lớn hơn 0.8% khi làm nguội từ 11470C đế 7270C, auxtenit của nó bị giảm thành phần cacbon theo đường ES, do vậy sẽ tiết ra xementit
mà ta gọi là xementit thứ hai Cuối cùng 7270C, auxtenit có thành phần cacbon 0.8% ứng với điểm S
- sự tiết ferit từ auxtenit:
Các hợp kim có thành phần cacbon nhỏ hơn 0.8% khi làm nguội từ 9110C - 7270C auxtenit của nó sẽ tiết ra ferit là pha ít cacbon , do vậy auxtenit còn lại giàu cacbon theo đường GS Cuối cùng ở 7270C hợp kim gồm hai pha là ferit ứng với điểm P(0.02%C)
và auxtenit ứng với điểm S(0.8%C)
Như vậy khi làm nguội tới 7270C trong tổ chức của mọi hợp kim Fe-C đều chứa auxtenit với 0.8%C
- chuyển biến pha cùng tích : auxtenit thành peclit.
Tại 7270C auxtenit có thành phần 0.8%C sẽ chuyển thành peclit là hổn hợp của pha ferit và pha xementit
khi sắt chảy nguội đi nó kết tinh ở 15380C có dạng thù hình δ, dạng này có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối Khi nó nguội nhiều hơn cấu trúc tinh thể nó chuyển sang dạng lập phương tâm diện ở 13940C Khi đó nó có dạng sắt γ hay auxtenit Ở 9120C có cấu trúc tinh thể lại chuyển sang dạng lập phươg tâm khối là sắt α hay ferit