Bài giảng vô cơ hợp kim - Chương 2

Cấu tạo và liên kết nguyên tử nguyên tử = hạt nhân + electron = (proton + nơtron) + electron nơtron không mang điệ n proton mang điệ n duơng = điện tích của electron? nguyên tử trung hoà

36

Phần II

Hợp kim và biến đổi tổ chức

Chương 3 Hợp kim và giản đồ pha

3.1

3.1 Cấ u trúc tinh thể của hợ p kimCấ u trúc tinh thể của hợ p kimCấ u trúc tinh thể của hợ p kim

3.1.1

3.1.1 Khái niệ m về hợ p kimKhái niệ m về hợ p kimKhái niệ m về hợ p kim

a

a Đị nh nghĩ aĐị nh nghĩ aĐị nh nghĩ a

Hợ p kim là hỗ n hợ p củ a kim loạ i vớ i mộ t hoặ c nhiề u kim loạ i hoặ c á kim khá c

La tô ng= hợ p kim Cu + Zn → hợp kim đơn giả n chỉ gồm 2 nguyê n tố

Gang: Fe+Mn+Si và C+P+S, nguyê n tố chí nh là Fe (kim loạ i) → hợp kim phức tạ p

Nguyê n tố kim loạ i chí nh (> 50%) đ ư ợ c gọ i là nề n hay nguyê n tố cơ sở

b

b ưu việ t của hợ p kimu việ t của hợ p kimu việ t của hợ p kim so với kim loạ i so với kim loạ i so với kim loạ i

Hợ p kim: đ ộ bề n, đ ộ cứ ng, tí nh chố ng mà i mò n cao hơ n, tí nh cô ng nghệ tố t hơ n: đ ú c, cắ t

gọ t, nhiệ t luyệ n đ ể hoá bề n tố t hơ n, rẻ hơ n

Kim loạ i nguyê n chấ t: dẫ n nhiệ t, dẫ n đ iệ n tố t (dâ y dẫ n, trang sứ c, đ iệ n cự c Pt, Au)

c

c Mộ t số khái niệ mMộ t số khái niệ mMộ t số khái niệ m

• Pha: cùng cấ u trúc, cùng trạ ng thá i, cùng kiể u và thông số mạ ng, cá c tí nh chấ t cơ - lý -

hó a xá c đ ị nh, phâ n cá ch nhau bở i mặ t phâ n chia pha

• Cấ u tử là cá c phầ n độc lậ p có khối lượng không đổi, chúng tạ o nê n cá c pha trong hợp kim

• Hệ là tậ p hợp cá c pha, có thể ở câ n bằ ng hoặ c không câ n bằ ng

Tạ o thà nh hỗ n hợ p cơ họ c A + B

K

Khihihi có tương tá c: có tương tá c: có tương tá c: 2 trư ờ ng hợ p xả y ra:

- hò a tan thà nh dung dị ch rắ n, tổ chứ c mộ t pha như kim loạ i nguyê n chấ t (hì nh 3.2b) dung mô i

- phả n ứ ng vớ i nhau thà nh hợ p chấ t hó a họ c, tạ o thà nh kiể u mạ ng mớ i khá c hẳ n

3.1.2

3.1.2 Dung dị ch rắ nDung dị ch rắ nDung dị ch rắ n

a Khái niệ m

a Khái niệ m phâ n loạ i phâ n loạ i phâ n loạ i

Đ/n:

Đ/n: là hợ p kim trong đ ó 1 hay nhiề u nguyê n tố hoà tan và o mạ ng tinh thể củ a kim loạ i chiế m đ a số đ ư ợ c gọ i là nề n Dung mô i chiế m đ a số , nguyê n tố chiế m tỷ lệ í t hơ n là chấ t tan

Đ/điể m:

Đ/điể m: kiể u mạ ng củ a dung mô i, nồng đ ộ chấ t tan có thể thay đ ổ i trong một phạ m vi mà khô ng là m mấ t đ i sự đ ồ ng nhấ t đ ó Dung dị ch rắ n là củ a B trong A: A(B), mạ ng củ a A

• Trạ ng thá i không câ n bằ ng (3) = không ổn đị nh: thường

hư ớ ng→(1&2)

• Trạ ng thá i giả ổn đị nh (2) muốn sang (1) phả i thắ ng ∆G

• ổn đị nh (1)

d

d Phâ n loạ i cá c tươ ng tá cPhâ n loạ i cá c tươ ng tá cPhâ n loạ i cá c tươ ng tá c

Chế tạ o hợ p kim = nấ u chả y % xá c đ ị nh rồ i là m nguộ i

Từ pha lỏ ng đ ồ ng nhấ t khi là m nguộ i sẽ có tư ơ ng tá c tạ o

nê n cá c pha khá c nhau

∆G

1

3

2

Hì nh 3.1 Sơ đ ồ cá c vị trí

ổ n đ ị nh (1), giả ổ n đ ị nh (2)

và khô ng ổ n đ ị nh (3)

37

Cá c kiể u:

Cá c kiể u: thay thế và xen kẽ (hì nh 3.3)

Hì nh 3.3 Sơ đồ sắp xếp nguyên tử hòa tan thay thế

và xen kẽ vào dung môi có mạng lập phương tâm mặt,

mặt (100)

b

b Dung dị ch rắ n thay thếDung dị ch rắ n thay thếDung dị ch rắ n thay thế

Đ/n:

Đ/n: nguyê n tử chấ t tan thay thế vị trí nguyê n tử dung mô i

Đ/kiệ n:

Đ/kiệ n: sai khá c dnguyê n tử khô ng quá 15% Tí nh chấ t hoá lý tư ơ ng tự nhau

Phâ n loạ i:

Phâ n loạ i: theo giới hạ n h/tan gồ m 2 loạ i: dd rắ n hoà tan có hạ n và dd rắ n hoà tan vô hạ n

theo sự phâ n bố ng/tử chấ t tan, có 2 loạ i: dd rắ n có tr/tự và dd rắ n o có tr/tự G

Giớ i hạ n hò a tan là nồ ng đ ộ chấ t tan lớ n nhấ t mà vẫ n bả o tồ n đ ư ợc mạ ng tinh thể

Điề u kiệ n hoà t

Điề u kiệ n hoà tan vô hạ n:an vô hạ n:an vô hạ n: chỉ có thể (có khi o) xả y ra khi thỏ a mã n cả 4 yế u tố sau:

Hì nh 3.4 Sơ đồ thay thế để tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn giữa hai kim loại A và B

3-thoả mã n giớ i hạ n nồ ng đ ộ đ iệ n tử : ví dụ : mạ ng lftm → Ce ≤ 1,36, lftk → Ce ≤ 1,48, 4-có cù ng hoá trị , tí nh â m đ iệ n sai khá c nhau í t

Ngoà i ra, tí nh lý - hó a (đ ặ c biệ t là nhiệ t đ ộ chả y) giố ng nhau → dễ tạ o thà nh dung dị ch rắ n hò a tan vô hạ n Ví dụ : Ag - Au (mạ ng A1, ∆r = 0,20%, cùng nhóm IB), Cu - Ni (mạ ng A1, ∆r = 2,70%, IB và VIII), Feα - Cr (mạ ng A2, ∆r = 0,70%, VIB và VIII)

D

Dung dị ch rắ n ung dị ch rắ n ung dị ch rắ n cócócó trậ t tự trậ t tự trậ t tự:::: cá c nguyê n tử chấ t tan sắ p xế p có trậ t tự trong mạ ng tinh thể dung mô i, (đư ợ c nguộ i rấ t chậ m trong khoả ng nO nhấ t đ ị nh) Đa số trư ờ ng hợ p là khô ng trậ t tự

c

c Dung dị ch rắ n xen kẽDung dị ch rắ n xen kẽDung dị ch rắ n xen kẽ

Đ/n:

Đ/n: cá c nguyê n tử hò a tan nằ m xen kẽ và o cá c lỗ hổ ng trong mạ ng tinh thể dung môi

Điề u kiệ n:

Điề u kiệ n: bá n kí nh nguyê n tử chấ t tan phả i rấ t nhỏ : N (0,071nm), C (0,077nm) và đô i khi cả B (0,091nm) mớ i có khả nă ng xen kẽ và o cá c lỗ hổ ng giữ a cá c nguyê n tử lớ n như Fe (0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm), Lỗ hổ ng lớ n nhấ t trong mạ ng

A1 là loạ i 8 mặ t chỉ bằ ng 0,414dng/tử , ngoà i H, o có á kim nà o bỏ lọ t → đẩ y cá c nguyê n

tử chủ bao quanh giã n ra, gâ y ra xô lệ ch mạ nh mạ ng (hì nh 3.5)

chỉ có dung dị ch rắ n xen hò a tan có hạ n

Hì nh 3.5 Sự xô lệch mạng trong dd rắn:

a hòa tan thay thế khi rht > rchủ,

b hòa tan xen kẽ rht> rlỗ hổng

d

d Cá c đặ c tí nh của dung dị ch rắ nCá c đặ c tí nh của dung dị ch rắ nCá c đặ c tí nh của dung dị ch rắ n

Có kiể u mạ ng tinh thể củ a kim loạ i dung mô i → có đặ c trưng cơ, lý, hóa tí nh của kim loạ i

nề n:

1) Mạ ng tinh thể , đ ơ n giả n và xí t chặ t (A1, A2 ) củ a kim loạ i vớ i liê n kế t kim loạ i

2) Cơ tí nh giố ng kim loạ i cơ sở :

xen kẽ

b-xen kẽ

38

dẻ o, có giả m đ i 1 chú t song vẫ n đ ủ cao, dễ biế n dạ ng dẻ o, cá biệ t tă ng đ ộ dẻ o: Cu(Zn)

vớ i 30%Zn cò n dẻ o hơ n cả Cu → chi tiế t dậ p sâ u, đồ dá t = latông

tă ng đ ộ bề n, đ ộ cứ ng, khả nă ng chị u tả i hơ n hẳ n kim loạ i nguyê n chấ t

nồ ng đ ộ chấ t tan cà ng lớ n → dẻ o cà ng giả m, bề n cà ng tă ng Quá lớn → gâ y ra giòn, dễ

bị gã y, vỡ → chọn nồng độ thí ch hợp

3) Dẫ n nhiệ t, dẫ n đ iệ n tố t như ng ké m hơ n kim loạ i nguyê n chấ t, thay đ ổ i tí nh chố ng ă n

mò n

Dung dị ch rắ n là pha cơ bả n chiế m tớ i 90% thậ m chí 100% trong vậ t liệ u kế t cấ u

3.1.3

3.1.3 Pha trung gianPha trung gianPha trung gian

Trê n giả n đ ồ pha 2 phí a là dung dị ch rắ n, ở giữ a là cá c pha trung gian

a

a Bả n chấ t và phâ n loạiBả n chấ t và phâ n loạiBả n chấ t và phâ n loại

Đặ c đ iể m: 1) Có mạ ng tinh thể phứ c tạ p và khá c hẳ n vớ i nguyê n tố thà nh phầ n

2) Có tỷ lệ chí nh xá c giữ a cá c nguyê n tố theo cô ng thứ c hó a họ c AmBn 3) Tí nh chấ t : khá c hẳ n cá c nguyê n tố thà nh phầ n → giòn

4) Có nhiệ t đ ộ chả y xá c đ ị nh, khi tạ o thà nh tỏ a nhiệ t

5) khá c vớ i cá c hợ p chấ t hó a họ c thô ng thư ờ ng, cá c pha trung gian khô ng hoà n toà n tuâ n theo quy luậ t hó a trị → không có thà nh phầ n hóa học chí nh xá c theo công thức, có liê n

kế t kim loạ i Cá c pha trung gian trong hợ p kim thư ờ ng gặ p: pha xen kẽ , pha đ iệ n tử và pha Laves

b

b Pha Pha Pha xen kẽxen kẽxen kẽ

Đ/n:

Đ/n: Là pha tạ o nê n giữ a cá c kim loạ i chuyể n tiế p (có bá n kí nh nguyê n tử lớ n) vớ i cá c á kim có bá n kí nh nguyê n tử bé như C, N, H (và B): cacbit, nitrit, hyđ rit (và borit)

Đ/điể m:

Đ/điể m: Mạ ng tinh thể củ a pha xen kẽ ∈ tương quan kí ch thước nguyê n tử giữa á kim (X)

và kim loạ i (M): khi rX / rM < 0,59 → một trong ba kiể u mạ ng là A1, A2, A3 (tuy không giữ lạ i kiể u mạ ng vố n có như ng vẫ n mang đ ặ c đ iể m kim loạ i), cá c nguyê n tử á kim xen kẽ

và o cá c lỗ hổ ng trong mạ ng, tạ o nê n hợ p chấ t vớ i cá c cô ng thứ c đ ơ n giả n như M4X, M2X khi rX / rM > 0,59 → mạ ng tinh thể phức tạ p (được gọi là pha xen kẽ với mạ ng phứ c tạ p) tư ơ ng ứ ng vớ i cô ng thứ c M3X, M7X3, M23X6

T

T/chấ t:/chấ t:/chấ t: Nhiệ t đ ộ chả y rấ t cao (thư ờ ng > 2000 ữ 3000o

C), rấ t cứ ng (HV > 2000 ữ 5000) và giò n → hóa bề n, nâ ng cao tí nh chống mà i mòn và chị u nhiệ t của hợp kim

H và N có kí ch thư ớ c nguyê n tử nhỏ nê n rX / rM < 0,59, → Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N

có mạ ng đ ơ n giả n C có rX / rM>0,57 nê n tạ o Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6,WC, TiC, Mo2C, VC

→ mạ ng phức tạ p → tă ng độ cứng và tí nh chống mà i mòn của hợp kim

c

c Pha điệ n tử Pha điệ n tử Pha điệ n tử (Hum - Rothery)

Đ/n:

Đ/n: Là pha có kiể u mạ ng xá c đ ị nh, tạ o thà nh với nồng đ ộ đ iệ n tử N xá c đ ị nh (số đ iệ n

tử hó a trị /số nguyê n tử ): 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12), mỗ i tỷ lệ ứ ng vớ i mộ t cấ u trú c mạ ng phứ c tạ p nhấ t đ ị nh Thư ờ ng là hợ p kim củ a Cu, Ag, Au vớ i Zn, Sn, Cd Vớ i Cu1+,

Zn2+ ta có :

Ce = 21/14 → pha β mạ ng A1: CuZn, AgZn, AuZn (Ce=(1.1+1.2)/2=3/2)

Ce = 21/13 → pha γ mạ ng lf phức tạ p: Cu5Zn8, Ag5Sn8 (Ce=(5.1+8.2)13=21/13)

Ce = 21/12 → pha ε, mạ ng lgxc: CuZn3, AgZn3 (Ce=(1.1+3.2)/4=7/4=21/12) d

d Pha LavesPha LavesPha Laves

Đ/n:

Đ/n: Pha tạ o bở i hai nguyê n tố A, B có tỷ lệ bá n kí nh nguyê n tử rA / rB = 1,2 (1,1 ữ 1,6)

vớ i cô ng thứ c AB2 có kiể u mạ ng A3: MgZn2, MgNi2 hay A1 (MgCu2) Do giò n nê n chỉ

đ ư ợ c dù ng trong HKTG hoặ c cá c pha hoá bề n

39

3.2

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấ u tửGiản đồ pha của hệ hai cấ u tửGiản đồ pha của hệ hai cấ u tử

Đ/n:

Đ/n: GĐP là giả n đ ồ biể u thị sự biế n đổ i thà nh phầ n và trạ ng thá i pha ở câ n bằ ng theo nhiệ t đ ộ và thà nh phầ n củ a hệ dư ớ i á p suấ t khô ng đ ổ i (1 at)

Cá ch biể u diễ n:

Cá ch biể u diễ n:

Đặ c đ iể m: GĐP chỉ đ ú ng và phù hợ p vớ i hợ p kim ở trạ ng thá i câ n bằ ng (nguộ i rấ t chậ m hay ủ ), Cô ng dụng:Cô ng dụng:Cô ng dụng: xá c đ ị nh cấ u trú c của hợ p kim, xá c đị nh no chả y, chuyể n biế n pha →

nấ u luyệ n và xử lý nhiệ t, gia cô ng (biế n dạ ng, đ ú c, rè n, cá n, ké o, ), rấ t quan trọ ng

3.2.1

3.2.1 Quy tắ c pha và ứng dụngQuy tắ c pha và ứng dụngQuy tắ c pha và ứng dụng

Quy tắ c pha củ a Gibbs: T= N-F+2 khi P=1at thì T=N-F+1

T

T===0 0 → hệ bấ t biế n, cả % và no, lú c đ ó F = N + 1 (số pha=số cấ u tử +1) Ví dụ kim loạ i nguyê n chấ t (N = 1) khi nó ng chả y: T=1-2+1=0 → nhiệ t độ không đổi

T=1:

T=1: → Ví dụ, khi kế t tinh HK 2 nguyê n: (T = 2 - 2 + 1=1) kế t tinh hoặ c nóng chả y trong khoả ng nhiệ t đ ộ hoặ c %

T

T = 2 = 2 = 2:::: hệ cù ng một lúc có thể thay đ ổ i cả hai yế u tố nhiệ t đ ộ và thà nh phầ n

Đặ c điể m:

Đặ c điể m: T ≥ 0 → số pha nhiề u nhấ t của hệ (ở trạ ng thá i câ n bằ ng!) Fmax = N + 1 → hệ

mộ t cấ u tử Fmax = 2, hai cấ u tử Fmax = 3, ba cấ u tử Fmax = 4

3.2.2 Quy tắ c đò n bẩ y3.2.2 Quy tắ c đò n bẩ y3.2.2 Quy tắ c đò n bẩ y

Đ/n:

Đ/n: là quy tắ c cho phé p xá c đ ị nh tỷ lệ củ a cá c pha, cá c tổ chứ c trê n GĐP

Biể u thức:

Biể u thức:

QA.XA=QB.XA

Trong vù ng 2 pha: đ iể m

khả o sá t cà ng gầ n pha nà o

thì tỷ lệ pha ấ y cà ng lớ n

β

α

α

β

α

β

+

=

β

+

=

α

X

X

X

%

X

X

X

%

FA.XA=FB.XB

FA=FB(XB/XA)

Mα.Xα=Mβ.Xβ

3.2.3

3.2.3 Giản đồ lGiản đồ lGiản đồ loạ i Ioạ i Ioạ i I

Đ/n:

Đ/n: Là GĐP củ a hệ 2 cấ u tử không có bấ t kỳ tươ ng tá c nà o vớ i nhau

Mô tả :

Mô tả : AEB là đ ư ờ ng lỏ ng, CED (245oC) là đ ư ờ ng rắ n, là nhiệ t đ ộ chả y (kế t tinh): B, A (hì nh 3.9a), đ iể n hì nh là hệ Pb - Sb ở hì nh 3.9b (Pb chả y 327oC), (Sb chả y- 631oC)

khoả ng giữ a hai đ ư ờ ng lỏ ng và đ ư ờ ng đ ặ c: khoả ng kế t tinh

a) b)

Hì nh 3.9 Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I (a) và giản đồ pha Pb - Sb (b)

Hợ p kim 1: 60%Sb + 40%Pb Bắ t đ ầ u đ ô ng đ ặ c ở 1 (500oC), kế t thú c đ ô ng đ ặ c ở 2 (245oC)

FA

FB

T

%B →

M

L

L+B A+L

B+(A+B)

E

A

B

A+

(A+B)

L+Sb Pb+L E

327

631

%Sb →

13

60

245

Sb+[Pb+Sb]

37

b’’

40

+ > 500oC → lỏng hoà n toà n L, < 245o

C rắ n hoà n toà n, trong khoả ng (500 ữ 245o

C) 2 pha (lỏ ng + rắ n) = (L + Sb) Khi là m nguộ i thì tinh thể B (Sb) tạ o thà nh cà ng nhiề u

áp dụng quy tắc cá nh tay đò np dụng quy tắc cá nh tay đò np dụng quy tắc cá nh tay đò n::::

- tạ i đ iể m a tỷ lệ pha rắ n %Sb= a’’a/a’’a’=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha lỏ ng %L=63,5%

- tạ i đ iể m b tỷ lệ pha rắ n %Sb= b’’b/b’’b’= (60-13)/(100-13)=54%, pha lỏ ng %L=46%

áp dụng quy tắ c pha:p dụng quy tắ c pha:p dụng quy tắ c pha: tạ i điể m 1& a T=2-2+1= 1 đ ô ng đ ặ c trong khoả ng no→có thể thay

đ ổ i

trê n đ iể m 1 T=2-1+1=2 → thay đổi cả % và no

mà pha lỏ ng (hệ ) vẫ n bả o tồ n tạ i đ iể m cù ng tinh E T=2-3+1=0 → đông đặ c cùng tinh thì no khô ng đ ổ i giố ng KL ng/chấ t

Hợ p kim có thà nh phầ n ở chí nh đ iể m E → hợp kim cùng tinh, có nhiệ t độ chả y thấ p nhấ t,

Hợ p kim < 13%Sb = HK tr− ớ c cù ng tinh, HK>13%Sb →sau cùng tinh (tự khả o sá t HKTCT) 3.2.4

3.2.4 Giản đồ loạ i IIGiản đồ loạ i IIGiản đồ loạ i II

Đ/n: là GĐP củ a hệ 2 cấ u tử hoà tan vô hạ n ở trạ ng thá i rắ n và lỏ ng (hì nh 3.10)

Hệ đ iể n hì nh Cu - Ni ở hì nh 3.10.a và hệ Al2O3 - Cr2O3 ở hì nh 3.10b

Sơ đồ biểu diễn sự hình thành tổ chức khi kết tinh ở các nhiệt độ khác nhau

a) b)

3.2.5

3.2.5 Giản đồ loạ i IIIGiản đồ loạ i IIIGiản đồ loạ i III

Đ/n:

Đ/n: Là giả n đ ồ pha của hệ hai cấ u tử , hò a tan có hạ n ở trạ ng thá i rắ n và có tạ o thà nh

cù ng tinh, hì nh 3.12 Hệ đ iể n hì nh là Pb-Sn Dạ ng khá giố ng vớ i giả n đ ồ loạ i I, khá c nhau

ở đ â y là

+ T− ơ ng tự nh− giả n đ ồ loạ i I, nhiệ t đ ộ chả y củ a HK giả m khi tă ng cấ u tử thứ hai

cá c dung dị ch rắ n có hạ n α và

β thay thế cho cá c cấ u tử A và

B

AEB - đ− ờ ng lỏ ng, ACEDB-

đ − ờ ng rắ n

Hì nh 3.12 Giản đồ loại III, hệ

Pb - Sn và sơ đồ hình thành

tổ chức khi kết tinh ở trạng

thái cân bằng của hợp kim

F

G

A

B

245

200

183

100 13,3

300

Pb

%Sn

E

a a’

2

3

4

1 2’

α

α+Sn

18,5 57

1

α 13,3%Sn 2 L40%Sn

%Cr2O3

Cr2O3

Al2O3 20 40 60 80

2000

2100

2200

L L+ α

α

2266

2045

%Ni

Ni

Cu 20 40 60 80

1000

1200

1400

1083

đ − ờ ng

đ − ờ ng

L

α L+ α

1

2 2’’

0

1’

41

+ Điể m cù ng tinh E vớ i phả n ứ ng cù ng tinh : LE→ [α+β] hay L61,9 → [α19,2+ β97,5]

+ HK < 61,9%Sn → trước cùng tinh (trá i E) và HK> 61,9%Sn → HK sau cùng tinh (phả i E) + CF và DG là giớ i hạ n hò a tan Độ hò a tan max ở nhiệ t đ ộ cù ng tinh 183oC

+ Có thể chia cá c hợ p kim củ a hệ thà nh ba nhó m sau

• Nhóm chứa rấ t í t cấ u tử thứ hai (bê n trá i F, bê n phả i G), sau khi kế t tinh xong chỉ có

mộ t dung dị ch rắ n α hoặ c β, có đặ c tí nh như giả n đồ loạ i II

• Nhóm có thà nh phầ n nằ m trong khoả ng (từ Fđế n C và D đế n G), no< CF và DG →βII&αII

• Nhóm già u nguyê n tố HK (từ C đế n D), sau khi tiế t ra dung dị ch rắ n → (αC hay βD), pha

lỏ ng cò n lạ i → điể m cùng tinh E

- Trê n 245oC HK chả y lỏ ng hoà n toà n, ở 245oC hợ p kim bắ t đ ầ u kế t tinh ra α2’ vớ i 13,3%Sn, nguộ i tiế p tụ c dung dị ch rắ n A→C, pha lỏng còn lạ i A→E chiề u tă ng lê n của

hà m lư ợ ng Sn

áp dụ ng quy tắ c đ ò n bẩ y: ở 200oC pha α chứa 18,5%Sn (a’) và L chứa 57%Sn (a’’),

%rắ n= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8%

ở nhiệ t đ ộ cù ng tinh (LE → [αC + βD]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, và %α=48,7%

trong cù ng tinh %α=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% và %β=54,5%

Đ/điể m:

Đ/điể m: hai loạ i dung dị ch rắ n α: loạ i kế t tinh đầ u tiê n ở trê n 183o

C và loạ i cù ng kế t tinh

vớ i β ở nhiệ t độ không đổi (183o

C) và đ ư ợ c gọ i là α cùng tinh (bỏ qua αII)

Hì nh 3.13 là tổ chứ c tế vi củ a hai hợ p kim hệ nà y

3.2.6

3.2.6 Giản đồ loạ i IVGiản đồ loạ i IVGiản đồ loạ i IV

Đ/n: Là GĐP hai cấ u tử có tạ o thà nh hợ p chấ t hó a họ c

AmBn,

Trê n đ â y là bố n giả n đ ồ pha hai cấ u tử cơ bả n nhấ t, thự c tế cò n có nhiề u kiể u giả n

đ ồ pha phứ c tạ p vớ i cá c phả n ứ ng khá c

3.2.7

3.2.7 Cá c giả nCá c giả nCá c giả n đồ pha với cá c phản ứng khác đồ pha với cá c phản ứng khác đồ pha với cá c phản ứng khác

G

GĐP vớ i cá c pĐP vớ i cá c pĐP vớ i cá c phả n ứng bao tinh (peritectic) (peritectic) (peritectic)::::L+R1→R2.Ví dụ GĐP Fe-C→L0,5+ δ0,1 → γ0,16

Dạ ng đ iể n hì nh là hệ HK Mg-Ca (hì nh 3.14) vớ i

hợ p chấ t hoá họ c ổ n đ ị nh Mg4Ca3, = tổ ng củ a hai

giả n đ ồ loạ i I: Mg - Mg4Ca3 và Mg4Ca3-Ca Đư ợ c

khả o sá t như 2 giả n đ ồ đ ộ c lậ p

400

600

800

55,3

L

L+Ca

Mg4Ca3+Ca Mg+Mg4Ca3

L+Mg4Ca3

Mg4Ca3+L Mg+L

516

445

Hì nh 3.13 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 đen bị bao bọc bởi cùng tinh [α+β]

42

Đ/điể m:

Đ/điể m: rắ n mới R2 nằ m giữ a Lbt& R1 trê n GĐP, p/ứ bao tinh khô ng xả y ra hoà n toà n, vì R2 tạ o thà nh bao bọ c lấ y R1 tạ o nê n lớ p mà ng ngă n cá ch khô ng cho phả n ứ ng tiế p tụ c

GĐP có phả n ứng cùng tí ch (eutectoid) (eutectoid):::: R → [R1+R2]

Đ/điể m:

Đ/điể m: khá c vớ i phả n ứng cù ng tinh, cù ng tí ch là pha rắ n → 2 pha rắ n

Ví dụ : GĐP Fe - C: Feγ(C)0,8→ [Feα + Fe3C] (sẽ khả o sá t sau)

Sự tiế t pha khỏ i dung dị ch rắ n

Tiế t pha βII & αII (hì nh 3.12) là cá c phầ n tử nhỏ mị n, phâ n tá n, phâ n bố đ ề u trong nề n pha mẹ → hoá bề n → hóa bề n tiế t pha

3.2.8

3.2.8 Quan hệ giữa dạ ng giả n đồ pha và tí nh chấ t của hợ p kimQuan hệ giữa dạ ng giả n đồ pha và tí nh chấ t của hợ p kimQuan hệ giữa dạ ng giả n đồ pha và tí nh chấ t của hợ p kim

a

a Tí nh chất cá c pha thà nh phầ nTí nh chất cá c pha thà nh phầ nTí nh chất cá c pha thà nh phầ n

Hợ p kim có tổ chứ c mộ t pha → tí nh chấ t của hợp kim là tí nh chấ t của pha đó

HK có tổ chứ c bao gồ m hỗ n hợ p củ a nhiề u pha thì tí nh chấ t củ a hợ p kim là sự tổ ng hợ p hay kế t hợ p tí nh chấ t củ a cá c pha thà nh phầ n (khô ng phả i là cộ ng đ ơ n thuầ n), gồ m cá c

tr− ờ ng hợ p:

HK là DDR (dung dị ch rắ n) + cá c pha trung gian: Quan hệ tí nh chấ t - nồ ng đ ộ thô ng th− ờ ng đ − ợ c xá c đ ị nh bằ ng thự c nghiệ m

Đ/điể m tí nh chấ t và sự hì nh thà nh:

Đ/điể m tí nh chấ t và sự hì nh thà nh:

D

Dung dị ch rắ nung dị ch rắ nung dị ch rắ n (tí nh chấ t gầ n giố ng vớ i KL dung mô i), th− ờng rấ t dẻ o, dai và mề m, Pha trung gian

Pha trung gian : : : tí nh chấ t khá c hẳ n vớ i cá c cấ u tử nguyê n chấ t: cứ ng hoặ c rấ t cứ ng, giò n P

Pha trung gian chỉ xuấ t hiệ n ha trung gian chỉ xuấ t hiệ n ha trung gian chỉ xuấ t hiệ n khi đ − a cấ u tử thứ hai và o vớ i l− ợ ng v− ợt quá giớ i hạ n hò a tan

b

b Tí nh chất của hỗ n hợ p cá c phaTí nh chất của hỗ n hợ p cá c phaTí nh chất của hỗ n hợ p cá c pha: Quan hệ tuyế n tí nh:: Quan hệ tuyế n tí nh:: Quan hệ tuyế n tí nh: hì nh 3.16, đ ơn giả n nhấ t

Tí nh chấ t củ a hỗ n hợ p : Σ =∑1

n i

i X T

T , trong đ ó Ti và Xi là tí nh chấ t và tỷ lệ củ a pha i, đ ố i

vớ i hợ p kim 2 pha: PHK = T1X1 + T2.X2 hay PHK = T1 + X2.(T2 - T1) Vớ i Xi∈ GĐP (hì nh 3.16)

Hì nh 3.16 Tí nh chất của hợp kim và giản đồ pha - quan hệ tuyến tí nh

q/hệ tuyế n tí nh chỉ đ ú ng khi cù ng cỡ hạ t và cá c pha phâ n bố đ ề u đ ặ n

A

Σ

L

L+B A+L

PΣ

A+B

%B → Am Bn

A

Σ

L

α +L

PΣ

L+AmBn α

α+Am Bn

A

Σ

L L+ α

PΣ α

PA

PB

A

Σ

L α+L

PΣ

L+ β α

β

α+β

Pβ

Pα

PA

PB

43

Quan hệ phi tuyế n:

Quan hệ phi tuyế n: Trong trư ờ ng hợ p hạ t nhỏ đi hoặ c to lê n, tí nh chấ t đạ t đ ư ợ c sẽ thay

đ ổ i

tuỳ theo trư ờ ng hợ p: hạ t nhỏ di → độ dai tă ng = bề n

+ dẻ o tă ng

Chí nh vì thế mà tí nh chấ t củ a hợ p kim có thể khô ng

cò n tuâ n theo quan hệ tuyế n tí nh nhấ t là tạ i đ iể m

cù ng tinh, cù ng tí ch và lâ n cậ n (hì nh 3.17)

Hì nh 3.17 Quan hệ phi tuyế n giữ a tí nh chấ t và GĐP

3.3

3.3 Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe C (Fe C (Fe C (Fe Fe Fe3C)C)

Giả n đ ồ pha Fe - C (chỉ xé t hệ Fe - Fe3C) khá phứ c tạ p, rấ t đ iể n hì nh đ ể minh họ a cá c tư ơ ng tá c thư ờ ng gặ p và đ ư ợ c sử dụ ng rấ t nhiề u trong thự c tế

Ngoà i ra cò n có giả n đ ồ Fe - grafit là hệ câ n bằ ng ổ n chủ yế u là dù ng trong gang

3.3.1

3.3.1 Tươ ng tá c giữa Fe và CTươ ng tá c giữa Fe và CTươ ng tá c giữa Fe và C

Fe,

Fe, khá dẻ o (dễ biế n dạ ng nguộ i), dai, tuy bề n, cứ ng hơ n Al, Cu nhiề u song vẫ n cò n rấ t thấ p so vớ i yê u cầ u sử dụ ng

Khi đ ư a C và o Fe giữ a → hóa bề n, rẻ hơn → HK Fe-C trở nê n thông dụng

a

a Sự hò a tan của Sự hò a tan của Sự hò a tan của CCC và o và o và o FeFeFe

Tạ o dung dị ch rắ n xen kẽ :

Tạ o dung dị ch rắ n xen kẽ : bá n kí nh nguyê n tử rC = 0,077nm, rFe = 0,1241nm) → C chỉ có thể hò a tan có hạ n và o Fe ở dạ ng dung dị ch rắ n xen kẽ

Fe có 2 kiể u mạ ng tinh thể : lftk A2 (no < 911oC - Feα và 1392 ữ 1539oC - Feδ) và lftm A1 (911 ữ 1392o

C - Feγ), khả nă ng hò a tan cacbon và o cá c pha Fe khá c nhau:

Feα và Feδδδδ vớ i mạ ng vớ i mạ ng ạ ng A2A2A2 tuy mậ t đ ộ xế p thấ p, có nhiề u lỗ hổ ng, song mỗ i lỗ hổng lạ i có

kí ch thư ớ c quá nhỏ (lỗ tá m mặ t có r = 0,02, lỗ bố n mặ t lớ n hơ n có r = 0,036), lớ n nhấ t

cũ ng chỉ bằ ng 50% kí ch thư ớ c củ a nguyê n tử sắ t → Feα chỉ hoà tan đ ư ợ c ≤0,02%C và

Feδ ≤0,1%C

Feα v và Feà Feδδδδ, Feγγγγ với mạ ng A1 với mạ ng A1:::: tuy có mậ t độ xế p cao hơ n, như ng lỗ hổ ng lạ i có kí ch thư ớ c

lớ n hơ n (lỗ bố n mặ t r = 0,028nm, lỗ tá m mặ t r = 0,051nm), vẫ n cò n hơ i nhỏ như ng nhờ cá c nguyê n tử sắ t có thể giã n ra → Feγ hò a tan đ ư ợ c cacbon ≤2,14%C

b

b Tươ ng tá c hó a họ c Tươ ng tá c hó a họ c Tươ ng tá c hó a họ c giữa Fe và Cgiữa Fe và Cgiữa Fe và C

Austenit (γ) là DDR của C trong Feγ, mạ ng A1, g/hạ n hoà tan: 727oC -0,8%C, 1147o C-2,14%C

Ferit (α) là DDR của C trong Feα, mạ ng A2, giớ i hạ n hoà tan: 20oC-0,006%C, 727oC-0,8%C

Fe3C là pha xen kẽ , có kiể u mạ ng phứ c tạ p, có thà nh phầ n 6,67%C + 93,33%Fe

3.3.2

3.3.2 Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Fe Fe3C và các tổ chứcC và các tổ chức

a

a Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Fe Fe3C C

Hì nh 3.18 vớ i cá c ký hiệ u cá c tọ a đ ộ

(no, oC - %C) như sau:

Mộ t số đườ ng có ý nghĩ a thực tế rấ t quan trọ ng:

Mộ t số đườ ng có ý nghĩ a thực tế rấ t quan trọ ng:

- ABCD là đ ư ờ ng lỏ ng đ ể xá c đ ị nh nhiệ t đ ộ chả y → đúc

- PSK (727oC) là đư ờ ng cù ng tí ch → nhiệ t luyệ n

- ES - giớ i hạ n hò a tan cacbon trong Feγ→ hoá nhiệ t luyệ n, nhiệ t luyệ n

A

Σ

L α+L

PΣ

L+ β α

β

α+β

Pβ

Pα

44

- PQ - giớ i hạ n hò a tan cacbon trong Feα→ nhiệ t luyệ n ké m quan trong hơn

A (1539 - 0) B (1499 - 0,5)

C (1147 - 4,3) H (1499 - 0,10)

P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006)

S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67)

E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67)

G (911 - 0) F (1147 - 6,67)

J (1499 - 0,16) N (1392 - 0)

Hì nh 3.18 Giản đồ pha Fe - C

(Fe - Fe3C)

b Các chuyể n biế n khi là m nguộ i chậ m

b Các chuyể n biế n khi là m nguộ i chậ m

- Chuyể n biế n bao tinh xả y ra ở 1499oC: δH + LB→ γJ hay δ0,10+ L0,50→ γ0,16 (3.1)

- Chuyể n biế n cù ng tinh xả y ra ở 1147oC: LC→ (γE + Xê ) hay L4,3→ (γ2,14+ Xê ) (3.2)

- Chuyể n biế n cù ng tí ch xả y ra ở 727oC: γS→ [αP + Xê ] hay γ0,8→ [α0,02+ Xê ] (3.3)

- Sự tiế t pha Fe3C d− ra khỏ i dung dị ch rắ n củ a cacbon: γ, no< ES →XêII và α, no< PQ

→XêIII

c

c Cá c tổ chức mộ t phaCá c tổ chức mộ t phaCá c tổ chức mộ t pha

Ferit

Ferit (αααα, F, F, F), đ ã nê u ở trê n, Ferit là pha tồ n tạ i ở nhiệ t đ ộ th− ờ ng, tỷ lệ cao nhấ t (tớ i 90%), quan trọ ng đ ó i vớ i cơ tí nh củ a hợ p kim Fe - C Tổ chứ c tế vi củ a ferit (xem hì nh 3.22) có dạ ng cá c hạ t sá ng, đ a cạ nh

Austenit

Austenit [γγγγ, AAA, FeFeγγγγ(C)], đ ã nê u trê n, khá c vớ i F, (C) γγγγ không có tí nh sắ t từ, chỉ tồn tạ i ở nhiệ t

đ ộ cao (> 727oC), chỉ tồ n tạ i ở nhiệ t đ ộ cao hoặ c TKG austenit, Γ13,… nh−ng lạ i có vai trò quyế t đ ị nh trong biế n dạ ng nó ng và nhiệ t luyệ n

Tí nh chấ t củ a γγγγ: : : : có tí nh dẻ o rấ t cao (mạ ng A1)

Nhờ γγγγ có tí nh dẻ o cao có tí nh dẻ o cao → thể tiế n hà nh biế n dạ ng nóng mọi hợp kim Fe - C với C < 2,14% →

Là m nguộ i austenit vớ i tố c đ ộ ≠ → tổ chức ≠ → cơ tí nh ≠: nguội chậ m → P+F mề m, nguộ i nhanh → mactenxit cứng Tổ chức tế vi của γγγγ gồm cá c hạ t sá ng, có thể với mà u

đ ậ m nhạ t khá c nhau đ ô i chú t, có cá c đ − ờ ng song tinh

Xê m

Xê mentitentitentit (XXXêêêê , FeFe3C): là pha xen kẽ vớ i kiể u mạ ng phứ c tạ p có cô ng thứ c FeC 3C và thà nh phầ n 6,67%C, cứ ng và giò n, cù ng vớ i ferit nó tạ o nê n cá c tổ chứ c khá c nhau củ a hợ p kim

Fe - C

Ng− ờ i ta phâ n biệ t 4 loạ i Xê :

- XeI tiế t ra từ pha lỏ ng khi là m nguộ i HK > 4,3%C XêI có dạ ng thẳ ng, thô to (hì nh 3.24b)

đ ô i khi có thể thấ y đ− ợ c bằ ng mắ t th− ờ ng

γ

γ+L

L

P

α

G

J

B

A

H

Q

δ

F+P p

P+XêI P+XêII+Lê Lê + XêI

727

1147

A3

Acm

L+Xê

3 C

910

1200

%C →

500

D

F

K γ+Xê II γ+Xê II +Lê Lê + XêI

S

45

- XeII đ ư ợ c tạ o thà nh là m nguộ i γ theo đường ES HK có 0,80<%C< 2,14, Dạ ng lưới bao quanh hạ t γγγγ (peclit) hì nh 3.23, lưới liê n tục là m giả m mạ nh tí nh dẻ o và dai của hợp kim, lư ớ i rá ch tă ng cứ ng và chị u mà i mò n tố t

- XeIII đ ư ợ c tạ o thà nh khi là m nguộ i F dư ớ i đ ư ờ ng PQ, quá nhỏ thư ờ ng đ ư ợ c bỏ qua

- Xê cù ng tí ch đ ư ợ c tạ o thà nh do chuyể n biế n cù ng tí ch → peclit, rấ t quan trọng, xé t sau Grafit

Grafit chỉ đ ư ợ c tạ o thà nh trong gang vì có Si, khả o sá t trong gang sau nà y

d

d Cá c tổ chức hai phaCá c tổ chức hai phaCá c tổ chức hai pha

Peclit

Peclit (có thể ký hiệ u bằ ng PPP, [Fe[Feα + Fe3C]C])

Đ/n: là hỗ n hợ p cù ng tí ch củ a F và Xê đ ư ợ c tạ o thà nh từ phả n ứ ng cù ng tí ch (3.3)

Đ/đ iể m: Trong P có 88% F và 12% Xê phâ n bố đ ề u → kế t hợp dẻ o với pha cứng → bề n cao, cứ ng như ng cũ ng đ ủ dẻ o, dai là vậ t liệ u kế t cấ u và cô ng cụ tố t, gồ m: P tấ m và peclit hạ t

Peclit tấ m (hì nh 3.21a): thư ờng gặ p hơ n, F & Xê đ ề u ở dạ ng tấ m nằ m xen kẽ nhau

Peclit hạ t (hì nh 3.21b): í t gặ p hơ n, Xê thu gọ n lạ i thà nh dạ ng hạ t nằ m phâ n bố đ ề u trê n

nề n F So vớ i peclit tấ m, peclit hạ t có đ ộ bề n, đ ộ cứ ng thấ p hơ n, đ ộ dẻ o, đ ộ dai cao hơ n

đ ô i chú t Peclit hạ t thư ờ ng đ ư ợ c tạ o thà nh khi giữ nhiệ t lâ u ở (600 ữ 700oC)

Lê đê burit

Lê đê burit (Lê hay [[[[P + XeP + XeP + Xe]) trê n 727oC là [γ+Xê ] dưới 727oC là [P+Xê ]

Hì nh 3.21: Lê = hỗ n hợ p củ a peclit tấ m (cá c hạ t tố i nhỏ ) trê n nề n xê mentit sá ng

Lê đ ê burit cứ ng và giò n vì tỷ lệ Xê cao (%Xê =(4,3-0,8)/(6,67-0,8)=59,6%) và chỉ có trong gang trắ ng

3.3.3

3.3.3 Phâ n loạ iPhâ n loạ iPhâ n loạ i

a

a Khái niệ m Khái niệ m Khái niệ m chung về thé p, gangchung về thé p, gangchung về thé p, gang

Thé p và gang đ ề u là hợ p kim Fe-C, trong đ ó : < 2,14%C là thé p, ≥ 2,14%C là gang

Đ/đ iể m: tấ t cả cá c thé p khi đ ư ợ c nung nó ng trê n đ ư ờ ng GSE tư ơ ng ứ ng đ ề u có 1 pha γ

Tí nh đ ú c củ a thé p là thấ p (no chả y cao, co nhiề u), í t đ ư ợ c sử dụ ng đ ể chế tạ o vậ t đ ú c Gang khô ng thể nung nó ng đ ể có tổ chứ c mộ t pha γ mà bao giờ cũng còn Xê (hay grafit)

→ không biế n dạ ng nguội lẫ n nóng được (kể cả loạ i được gọi là gang rè n), tí nh đúc tốt

b Các loạ i thé p, gang theo giả n đồ pha Fe

b Các loạ i thé p, gang theo giả n đồ pha Fe C C C

Thé p C:

Thé p C: loạ i chỉ chứ a C và 1 lượ ng không đ á ng kể cá c nguyê n tố khá c, gồ m 3 loạ i: -

Thé p trư ớ c cù ng tí ch: %C <0,8%, bê n trá i đ iể m S, tổ chứ c F (sá ng) + P (tối) (hì nh 3.22)

- Thé p cù ng tí ch: thé p chứ a 0,80%C → tổ chức peclit

- Thé p sau cù ng tí ch: vớ i thà nh phầ n > 0,80%C (thư ờ ng chỉ tớ i 1,50%, cá biệ t có thể tớ i

2.0 ữ 2,2%), tổ chức P+XêII (hì nh 3.23)

Hì nh 3.21 Tổ chứ c tế vi củ a:

a) Pec lit tấ m

b) Peclit hạ t

c) Lê đ ê burit

b)