Chương 3 Hợp kim và Giản đồ pha

Cấu trúc tinh thể của hợp kim Hợp kim là hợp chất của nhiều nguyên tố, nguyên tố chính nền phải là kim loại Các nguyên tố khác kim loại/phi kim Hàm lượng nhỏ, không ảnh hưởng đến tính

Chương 3 Hợp kim & Giản đồ pha

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.1.1 Khái niệm về hợp kim

3.1.2 Dung dịch rắn

3.1.3 Pha trung gian

3.2 Giản đồ pha hai cấu tử

3.3 Giản đồ pha Fe - C

Nội dung

3

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

 Hợp kim là hợp chất của nhiều nguyên tố, nguyên tố chính

(nền) phải là kim loại

Các nguyên tố khác (kim loại/phi kim)

Hàm lượng nhỏ, không ảnh hưởng đến tính chất : tạp chất Hàm lượng đủ lớn, ảnh hưởng đến tính chất : NTHK

3.1.1 Khái niệm về hợp kim

 Ưu điểm của hợp kim là gì?

AA7075: 6%Zn, 2,4%Mg, 1,6%Cu, 0,3%Mn

•Trong nhiều trường hợp, nấu HK dễ hơn nấu KL nguyên chất

• Tính công nghệ đa dạng: cắt gọt, GCAL, đúc, nhiệt luyện…

• Độ bền cao hơn, cho phép chế tạo các chi tiết chịu tải nặng

Vật liệu σ b , MPa σ ch MPa δ% HB

Pha A

Pha B

Trong HK, các nguyên tố tương tác → pha

• HK có pha gì

• Sự phân bố của các pha

• Kích thước, hình dạng của pha

• Tỷ lệ của pha trong HK

Ví dụ: Thép cácbon C40, với %C = 0,4%

C40 ở trạng thái tôi: (a)

Độ cứng cao, độ dẻo thấp; tổ chức: Mactenxit (phần lớn) + Austenit dư

 Tính chất của HK phụ thuộc:

 Pha : Phần đồng nhất của hệ có cùng cấu trúc, trạng thái,

kiểu mạng, có tính chất cơ-lý-hoá tính xác định , phân cách nhau

bởi bề mặt phân chia pha.

 Phân loại tương tác trong hợp kim

Hỗn hợp cơ học

2 pha A và B

Dung dịch rắn (Pha dung dịch rắn)

A(B); B(A)

Hợp chất hóa học (Pha trung gian)

AmBn

3.1.2 Dung dịch rắn

Khái niệm: pha đồng nhất, kiểu mạng của dung môi (kim loại nền), các nguyên tử chất tan sắp xếp lại trong mạng dung môi một cách đều đặn và ngẫu nhiên.

Ký hiệu: A(B) = Dung dịch rắn của B hòa tan trong A.

Dụng dịch rắn thay thế

Ví dụ: Zn(Cu); Cu(Zn); Feα(C); Feγ(C)

Giới hạn hòa tan : Nồng độ lớn nhất của chất tan có thể hòa tan trong mạng của dung môi để tạo ra dung dịch rắn

các nguyên tử hòatan nằm xen kẽvào các lỗ hổngtrong mạng tinhthể dung môi.

các nguyên tửchất tan thay thế

vị trí các nguyên

tử dung môi trongmạng tinh thể

Lý hóa tínhtương tự

59,0



dm

ht d

d

% 15

d d

d

→ rnt hòa tan rất nhỏ, giới hạn hòa

tan thấp, luôn hòa tan có hạn

Điều kiện thay thế (hoà tan) vô hạn

- cùng kiểu mạng tinh thể

- kích thước nguyên tử khác ít (<8%)

- tương quan về nồng độ điện tử

- cùng hóa trị, tính âm điện khác ít

; 241 , 1

; 414

o Fe

A r

r r

VD: Au-Agnhóm 1B, k/m A1, Δr = 0,2%

 Dung dịch rắn có kiểu mạng của kim loại nền: Giữ nguyên kiểu

mạng, hằng số mạng thay đổi: addr = adm±Δa ;

Cơ tính gần giống với cơ tính của kim loại dung môi: dẻo cao, bền thấp

 So với kim loại dung môi, thì dung dịch rắn có độ bền cao hơn và độ dẻo kém hơn Nồng độ chất tan tăng → tăng bền, giảm dẻo

 Thay đổi tính chống ăn mòn, dẫn điện, nhiệt kém KL nguyên chất

 Là pha cơ bản chiếm hơn 90% trong vật liệu kết cấu.

Các đặc tính của dung dịch rắn:

Kiểu mạng A2

Cơ tính: mềm, dẻoFerit = Feα(C)

11

Các pha trung gian thường gặp: Pha xen kẽ ,

pha điện tử, Pha Laves

Trong HK, Tỷ lệ pha trung gian ~ 10%, tăng độ cứng, độ bền

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.2 Giản đồ pha hai cấu tử

3.2.1 Một số khái niệm

3.2.2 Giản đồ pha 2 cấu tử

3.3 Giản đồ pha Fe - C

Nội dung

Xây dựng bằng thực nghiệm theo quy tắc pha Gibbs: F = C – P + 1

Giản đồ pha : Giản đồ biểu diễn sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt

độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng

F - số bậc tự do, C - số cấu tử, P - số pha

Tại sao phải nghiên cứu giản đồ pha?

 Các pha tồn tại: Căn cứ vào thành phần, nhiệt độ của hợp kim

 Thành phần pha và tỷ lệ giữa các pha/tổ chức → Tính chất /

 Các chuyển biến pha: Sự xuất hiện và biến mất của các

pha khi nhiệt độ thay đổi

 Nhiệt độ nóng chảy (kết tinh) của HK

X M

X M

3.2.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Tùy thuộc vào tương tác của 2 cấu tử ở trạng thái rắn trong hệ:

4 loại giản đồ cơ bản chính:

 GĐP loại 1: Hai cấu tử không tương tác với nhau

 GĐP loại 2: Hai cấu tử tương tác hòa tan vô hạn vào nhau

 GĐP loại 3: Hai cấu tử tương tác hòa tan có hạn

 GĐP loại 4: Hai cấu tử tương tác tạo ra pha trung gian

Hệ 2 cấu tử hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, khác nhau ở tương tác ở trạng thái rắn.

Giản đồ pha loại 1: hai cấu tử không có bất kỳ tương tác nào

Giản đồ pha loại 2: hai cấu tử tương tác và hoà tan vô hạn

vào nhau ở trạng thái rắn

Giản đồ pha loại 3 hai cấu tử tương tác và hoà tan có

hạn vào nhau ở trạng thái rắn

Giản đồ pha loại 4: Giản đồ pha hai cấu tử có tương tác

hoá học tạo ra pha trung gian AmBn

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.2 Giản đồ pha Fe – C

3.3.1 Tương tác giữa Fe và C

3.3.2 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)

3.3.3 Phân loại thép-gang theo GĐP

3.3.4 Các đường tới hạn

Nội dung

20

%C hòa tan nhiều nhất

%C hòa tan nhiều hơn của Fe α

Fe3C, %C = 6,67%

r (max) = r = r lt (max) = r 4m =

S P

Các tổ chức một pha trên GĐP Fe-Fe3C

Fe(C), A2, Mềm, dẻo

%Cmax = 0,02% @7270C = điểm P

GPQ = giới hạn hòa tan của C vào Fe

Fe(C), A1, Mềm, dẻo

%Cmax = 2,14% @11470C = điểm E

GSE = giới hạn hòa tan của C vào Feγ

Pha Fe 3 C (Xementit, Xe, Fe 3 C)

Pha trung gian, %C = 6,67%, trực thoi

0,006

2,14

 +γ

S

Cơ tính của Peclit

G

C

E

S P



γ

0,8 0,02

2,14 4,3

 +Fe3C

 +Fe3CQ

γ

0,8 0,02

3.3.3 Phân loại thép-gang theo GĐP

K/n: Thép là hợp kim của Fe-C với hàm lượng C < 2,14%,

gang là hợp kim của Fe-C có ≥ 2,14%C

Đặc điểm:

- Nung nóng thép trên GSE đạt

tổ chức một pha duy nhất γ có độ

dẻo cao, dễ biến dạng;

- Gang không thể nung nóng đạt

trạng thái một pha γ nên giòn,

cứng, không thể gia công bdạng;

- Gang có tính đúc tốt hơn thép

- Tính dẻo của gang kém

Thép Gang

Gang : tương ứng với GĐP là

3.3.4 Các điểm tới hạn của thép

Các điểm (hay nhiệt độ) tới hạn

-tương ứng với các chuyển biến

Giản đồ pha (tổ chức) Fe-C (Fe-Fe3C)

+P

L γ+L

N

J

C E

D F

G

S

Q

Nội dung cần nắm chắc

Dung dịch rắn (thay thế, xen kẽ): Đặc điểm vàTính chất

Pha trung gian: đặc điểm và tính chất

Giản đồ pha: cấu tạo, công dụng; phân biệt các loại giản đồ pha 2 cấu tử

Quy tắc cánh tay đòn: áp dụng tính tỷ lệ pha

Sự hình thành (hòa tan) của các pha qua các đường chuyển biến phacủa giản đồ pha khi nung nóng và làm nguội

Giản đồ pha Fe-C: Ghi nhớ phần thép (các điểm (%C, nhiệt độ), đườngtới hạn (A1, A3, Acm); các pha và vùng tồn tại của các pha đó

Phản ứng cùng tinh, phản ứng cùng tích

Cách tính nhiệt độ A3, Acm của của thép có %C bất kì

Thép và gang: Tổ chức tế vi theo giản đồ pha , tính chất

3 Cách tính các nhiệt độ tới hạn: Acm, A3 cho thép

C có thành phần x(thép SCT-Acm), y(thép TCT- A3),

bất kỳ?

4 Tính nồng độ cácbon max hòa tan được vào trong

As tại nhiệt độ T xác định.