giãn đồ trạng thái fe c

GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI FE-C 2.1.1 Định nghĩa  giản đồ trạng thái 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..  Ngày nay, người

Trang 1

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ

VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ

CHẾ TẠO

CHƯƠNG 2 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI FE-C

2.1.1 Định nghĩa

 giản đồ trạng thái 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

 Ngày nay, người ta đã lập giản đồ trạng thái của hầu hết hợp kim quan trọng

2.1.2 Công dụng 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, qua đó biết cách sử dụng hợp lý vật liệu

làm bằng hợp kim đó

 Qua giản đồ trạng thái xác định được chế độ nhiệt luyện cho các công nghệ:

 Luyện kim và đúc: xác định nhiệt độ nóng chảy t°nc

 Rèn: xác định nhiệt độ bắt đầu và kết thúc khi gia công

 Nhiệt luyện: xác định các nhiệt độ của từng phương pháp nhiệt luyện

 Hàn: xác định nhiệt độ của hợp kim có thành phần xác định

2.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái

Trang 2

Vật liệu và Công nghệ Chế tạo

2.1.3 Ví dụ

Giản đồ hệ một nguyên tố Fe:

 Khi ta có hệ hợp kim Fe – nguyên tố khác, nếu

nguyên tố hợp kim hóa là 0% thì giản đồ sẽ biểu

diễn trên một hệ trục tung là nhiệt độ (trục hoành:

thành phần hóa học là một điểm ứng với 100%Fe)

chính là sơ đồ tính thù hình của Fe và được biểu

diễn như hình bên

 Qua giản đồ bên, người ta có thể xác định được

trạng thái của Fe và các loại cấu tạo khác nhau

của Fe ở trạng thái rắn ở các khoảng nhiệt độ

khác nhau:

 Feα: 1 pha

 Fe: 1 pha

 Feδ: 1 pha

 Fe lỏng

2.1.3 Ví dụ

2.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái

Giản đồ trạng thái hệ hai nguyên tố Cu - Ni

 Hình bên biểu diễn hệ hợp kim Cu-Ni trên hệ trục

nhiệt độ và thành phần hóa học của Ni thay đổi từ

0% đến 100%, từ đó có thể thấy:

 Khi hợp kim Cu-Ni có N = 20% nung đến 1500°,

ta thấy:

 Từ nhiệt độ thường đến t1, hợp kim này ở thể

rắn α

 Từ t1đến t2, cấu tạo hợp kim này là α+L

 Từ t2đến 1500°, hợp kim có cấu tạo hoàn toàn

Ni (1 pha)

 α: dung dịch rắn Ni hòa tan trong Cu [Cu(Ni)] (1 pha)

 α+L: Hợp kim ở hai trạng thái: rắn α và lỏng L (2 pha)

Việc ứng dụng giản đồ trạng thái giúp người dùng

có thể hiểu cấu tạo bên trong hệ hợp kim hoặc hợp

kim có thành phần xác định từ đó suy ra tính chất

để biết cách sử dụng nó hợp lý và hiệu quả.

Trang 3

 giản đồ trạng thái Fe-Fe3C của hệ hợp kim Fe-C được biểu diễn nhiệt độ trên trục tung,

thành phần %C trên trục hoành đến giá trị tối đa 6,67% trong Fe Tại đây, C tác dụng hóa

học với Fe để tạo thành hợp chất hóa học Fe3C cần hiều:

 Tại điểm 0%C có 100%Fe được ký hiệu Fe

 Tại 6,67%C có 100%Fe3C được ký hiệu Fe3C

2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)

 giản đồ trạng thái Fe-Fe3C được trình bày theo các ký hiệu A, B,… (t°C-%C) được quốc tế

hóa và sắp xếp các điểm ký hiệu theo thứ tự thành phần %C tăng như sau:

A(1539 - 0); N(1392 - 0); G(911 - 0); Q(0 - 0,006); P(727 - 0,02);

H(1499 - 0,10); J(1499 - 0,16); B(1499 - 0,5); S(727 - 0,80); E(1147 - 2,14);

C(1147 - 4,3); D(~1250 - 6,67); F(1147 - 6,67); K(727 - 6,67); L(0 - 6,67);

 Ta thấy tại điểm A: nhiệt độ t = 1539°C và %C = 0%

0 0,8 2,14 4,3 6,67

Thành phần Carbon (%C)

Thép Gang trắng

Q

P

P+α P+XeII

α(F)

α+ S A1

911

G

δ+

(As)

1392

N

δ+L δ

1539

A

°C

B

H J

D

°C

+L

L

+XeII+Lê(+Xe)

P+XeII+Lê(P+Xe)

Lê(P+Xe)+XeI

L

K

F Lê(+Xe)+XeI

L+XeI

%C

Xe(Fe3C) 727

1147 1200

2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)

Trang 4

Các tổ chức pha của hệ hợp kim Fe-C trên giản đồ Fe-Fe 3 C

Một số đường có ý nghĩa thực tế rất quan trọng như sau:

- ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh

- AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh

- ECF (1147°C) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic)

- PSK (727°C) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid)

Chú ý:

hơn dạng cùng tích.

Các tổ chức một pha

 Trạng thái lỏng (1 pha lỏng – ký hiệu L): là dung dịch lỏng của C hòa tan trong Fe

 Trạng thái rắn: do tác dụng giữa nguyên tố Fe và C, các pha được phân biệt bằng một kiểu

mạng tinh thể gồm có:

Các dung dịch rắn của nguyên tố C

hòa tan vào Feα, Fe, Feδđược gọi

tên quốc tế:

Pha Ferit: dung dịch rắn của C

hòa tan trong Feα Feα(C) ký hiệu

trên giản đồ là α hoặc F, có lượng

C hòa tan tối đa 0,006% ở t°

thường (điểm Q) và 0,02% ở t° =

727°C (điểm P) Đường PQ được

xem là giới hạn hòa tan của C trong

Feα, có thể xem α là Feα vì lượng

hòa tan của C quá nhỏ

Tổ chức tế vi của ferit

Trang 5

Các dung dịch rắn của nguyên tố

C hòa tan vào Feα, Fe, Feδđược

gọi tên quốc tế:

Pha Austenit: dung dịch rắn của

C hòa tan trong Fe Fe(C) ký

hiệu trên giản đồ là hoặc As, có

lượng C hòa tan tối đa 0,8% ở t° =

727°C (điểm S) và 2,14% ở t° =

1147°C (điểm E) Đường SE được

xem là giới hạn hòa tan của C

trong Fe

Tổ chức tế vi của austenit

Các dung dịch rắn của nguyên tố C hòa tan vào Feα, Fe,

Feδđược gọi tên quốc tế:

Pha δ: dung dịch rắn của C hòa tan trong Feδ Feδ(C) ký

hiệu trên giản đồ là δ, có lượng C hòa tan tối đa 0,1% ở t°

= 1449°C (điểm H)

Cơ tính chung của các dung dịch rắn trên đều có độ cứng, độ

bền thấp, độ dẻo, độ dai cao

 Độ cứng pha α: 80 ÷ 100 HB

 Độ cứng pha : 180 ÷ 200 HB

Nếu kích thước hạt tinh thể của các pha càng nhỏ thì độ dẻo

càng giảm, độ cứng, dộ bền cao

Trang 6

Hợp chất hóa học:

Pha Xementit: (tên quốc tế Cemen)

là hợp chất hóa học của Fe tác dụng

với C khi C = 6,67% có công thức

hóa học Fe3C có kiểu mạng tinh thể

trực phoi phức tạp (ký hiệu Xe hoặc

Fe3C, ở trạng thái rắn hoàn toàn

được xác định tại đường thẳng nối

các điểm LKF) có độ cứng rất cao (≥

700HB) và rất giòn

Ký hiệu XeI có hình dạng tấm thô

lớn, XeIIcó hình dạng hạt nhỏ hơn

Kích thước tinh thể Xe càng nhỏ thì

càng đỡ giòn Dạng hạt có độ dẻo,

độ dai cao hơn dạng tấm

Tổ chức tế vi của xementit

Các tổ chức hai pha

 Tổ chức còn lại của hệ hợp kim trên giản đồ trạng thái là những tổ chức có cấu tạo hai pha:

 Ở trạng thái lỏng và rắn gồm pha lỏng và một pha rắn nằm trên đường rắn AHJECF và

dưới đường lỏng ABCD

Trang 7

 Tổ chức còn lại của hệ hợp kim trên giản đồ trạng thái là những tổ chức có cấu tạo hai pha:

 Tại trạng thái rắn gồm các hỗn hợp cơ học có hai pha (hai kiểu mạng tinh thể), trong đó

có hai dạng hỗn hợp cơ học đặc biệt tồn tại khi thành phần C = 0,8% và C = 4,3%:

 C = 0,8%: hỗn hợp cơ học cùng tích Peclit gồm 2 pha

[α + Xe] được hình thành từ dung dịch rắn  tại t =

727°C, ký hiệu P, có cấu tạo pha gồm 88%α +

12%Xe, độ cứng thấp, khoảng 200 ÷ 220 HB, độ dẻo,

độ dai khá cao

 Gọi C = 0,8% là thành phần Carbon cùng tích vì hợp

kim này có tổ chức cùng tích P

Tổ chức tế vi Peclit hạt Tổ chức tế vi Peclit tấm

 C = 4,3%: hỗn hợp cơ học

cùng tich Ledeburit gồm 2

pha được hình thành từ

dung dịch lỏng L tại t =

1147°C, ký hiệu Lê

• Khi t = 727°C ÷ 1147°C,

Lê gồm ( + Xe)

• Khi t < 727°C, Lê gồm

(P + Xe), tức là tổ chức

có 2 pha α + Xe, tương

ứng 36%α + 64%Xe, độ

cứng rất cao, khoảng

600HB

 Gọi C = 4,3% là thành phần

Carbon cùng tinh

Tổ chức tế vi của Ledeburit

Trang 8

 Để đơn giảm, có thể hiểu cấu tạo pha của hệ hợp kim Fe-C được biểu diễn trên giản đồ bằng

các tổ chức một pha và hai pha như sau:

 Hệ hợp kim Fe-C ở nhiệt độ nhỏ hơn 727°C gồm hỗn hợp cơ học hai pha Xe và α, thành

phần C thay đổi từ 0%C (100%Fe) đến 6,67%C (% còn lại là Fe) ứng với thành phần pha Xe

thay đổi từ 0%Xe (100%α) đến 100%Xe (%α)

 Vậy nhờ cách biểu

diễn thành phần pha

như vậy có thể suy ra

thành phần C trong Fe

tăng làm cho thành

phần cấu tạo pha của

hệ hợp kim thay đổi

theo nên độ cứng tăng,

độ dẻo, dai giảm

Trang 9

2.2.2 Phân loại hợp kim Fe-C theo giãn đồ trạng thái Fe-C

 Theo hàm lượng %C, có thể chia làm 2 loại:

 Khi %C < 2,14%: Thép

 Khi %C > 2,14%: Gang trắng

Thép

 Định nghĩa: Thép là hợp kim Fe-C trong đó thành phần %C < 2,14% (chứa lượng không

đáng kể các nguyên tố khác) được gọi là thép – carbon hay thép thường

 Phân loại: theo giãn đồ trạng thái, thép được phân làm ba loại

 Thép trước cùng tích có tổ chức P + α khi %C < 0,8%

 Thép cùng tích có tổ chức P(α + Xe) khi %C = 0,8%

 Thép sau cùng tích có tổ chức P + XeIIkhi %C > 0,8%

Thép

 Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%, tức ứng với bên trái

điểm S có tổ chức ferit (sáng) + peclit (tối) Phần lớn thép thường dùng nằm trong loại

nhỏ này song tập trung hơn cả vào loại ≤ 0,20%C rồi tiếp đến 0,30 - 0,40%C Khi lượng

cacbon tăng lên thì trên tổ chức tế vi tỷ lệ phần peclit (màu tối) cũng tăng lên, còn phần

ferit (màu sáng) giảm đi Nếu không chứa cacbon (hay quá ít, 0,02 - 0,05%) có thể coi là

sắt nguyên chất với tổ chức hầu như ferit tức chỉ có các hạt sáng Với 0,10%C phần tối

(peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,40%C là 1/2 và với 0,60%C là 3/4, cuối cùng là

0,80%C thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm) Vậy đối với loại thép này lượng cacbon của

nó được tính bằng tỷ lệ phần tối nhân với 0,80%

Tổ chức tế vi thép trước Tổ chức tế vi thép trước Tổ chức tế vi thép trước

Trang 10

Thép

 Thép cùng tích với thành phần 0,80%C (có thể xê dịch một chút) tức ứng với điểm S có

tổ chức chỉ gồm peclit

 Thép sau cùng tích với thành phần ≥ 0,90%C (thường chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2.0

- 2,2%) tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai thường ở dạng lưới

sáng bao bọc lấy peclit tấm

Tổ chức tế vi thép sau cùng tích 1,2%C

Gang trắng

 Gang tương ứng với giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) là gang trắng, rất ít được sử dụng do quá

cứng, giòn, không thể gia công cắt được Theo sự khác nhau về tổ chức ta gặp ba loại gang

trắng sau:

 Gang trắng trước cùng tinh với thành phần cacbon ít hơn

4,3% ở bên trái điểm C, có tổ chức peclit + xêmentit thứ

hai + lêđêburit

 Gang trắng cùng tinh có 4,3%C ứng đúng điểm C hay lân

cận, với tổ chức chỉ là lêđêburit

 Gang trắng sau cùng tinh với thành phần > 4,3%C ở bên

phải điểm C, có tổ chức lêđêburit + xêmentit thứ nhất

Tổ chức tế vi gang trắng trước cùng tinh

Trang 11

Định nghĩa

 Là các nhiệt độ mà tại đó có sự thay đổi cấu tạo bên trong của hợp kim ở trạng thái rắn được

ký hiệu A kèm theo 0, 1, 2, … ở đây ta chỉ xét các điểm tới hạn thường dùng trong cơ khí

Các điểm tới hạn

 A1 = 727°C (đường PSK): nhiệt độ tới hạn mà tại đó hợp kim Fe-C có chuyển biến tổ chức

cùng tích thuận nghịch P  

 Khi nung tại nhiệt độ A1: tại đó có chuyển biến P  

 Khi làm nguội tại nhiệt độ A1: tại đó có chuyển biến   P

 A3= 727°C ÷ 911°C (đường SG): nhiệt độ tới hạn mà tại đó thép trước cùng tích có chuyển

biến cấu tạo giữa hai pha α  

 Khi nung tại nhiệt độ A3: α hòa tan hết vào 

 Khi làm nguội tại nhiệt độ A3: α tách ra từ 

 Acm= 727°C ÷ 1147°C (đường SE): nhiệt độ tới hạn mà tại đó thép sau cùng tích có chuyển

biến cấu tạo giữa hai pha XeII 

 Khi nung tại nhiệt độ Acm: XeIIhòa tan hết vào 

 Khi làm nguội tại nhiệt độ Acm: XeIItách ra từ 

2.2.3 Điểm và các đường tới hạn nhiệt độ

2.3 Công dụng giản đồ trạng thái Fe-Fe3C với hệ hợp kim Fe-C

Dựa vào giản đồ hãy xét chuyển biến cấu tạo của thép trước cùng tích, sau cùng tích (với thành

phần C tự chọn) khi nung nóng đến 1000°C và làm nguội đến nhiệt độ thường:

Hướng dẫn:

 Vẽ phần thép trên giãn đồ trạng thái

 Căn cứ %C đã chọn, xác định trục hoành

 Xác định chuyển biến cấu tạo trên giản đồ trạng thái: từ %C (tại trục hoành) gióng đường

thẳng song song trục tung (trục nhiệt độ)

 Căn cứ đường nhiệt độ hợp kim có %C trên giản đồ trạng thái, tìm điểm và đường tới hạn 

Vẽ sơ đồ chuyển biến cấu tạo

 Dùng lý thuyết đã học: Điểm và đường tới hạn chuyển biến trong từng quá trình nung (hoặc

làm nguội) để phân tích chuyển biến cấu tạo của thép

2.3.1 Phân tích chuyển biến cấu tạo của hợp kim có thành phần C xác định khi nung nóng

và làm nguội

Trang 12

Dựa vào giản đồ hãy xét chuyển biến cấu tạo của thép trước cùng tích, sau cùng tích (với thành

phần C tự chọn) khi nung nóng đến 1000°C và làm nguội đến nhiệt độ thường:

2.3.1 Phân tích chuyển biến cấu tạo của hợp kim có thành phần C xác định khi nung nóng

và làm nguội

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trương Công Tiễn, Bài giảng Vật liệu và Công nghệ chế tạo

[2] Trần Thế Sang , Nguyễn Ngọc Phương, Vật liệu cơ khí hiện đại, NXB Khoa học và Kỹ

thuật, 2012

[3] Hoàng Tùng, Giáo trình Vật Liệu Cơ Khí Và Công Nghệ Cơ Khí, NXB Giáo Dục, 2006.

[4] Nguyễn Thị Yên, Giáo trình vật liệu cơ khí, NXB Hà Nội, 2005

[5] Nguyễn Tác Ánh, Giáo trình Công Nghệ Kim Loại, Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật

TP HCM, 2004

[6] Nguyễn Văn Thái, Công nghệ vật liệu, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2006

[7] Trần Doãn Sơn, Công nghệ chế tạo máy – Tập 1, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2012

[8] Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường, Các phương pháp gia công đặc biệt, NXB Đại học

Quốc gia TP HCM, 2013

[9] W Bolton, Engineering Materials Technology, 2ndEdition, Newnes, 1994

[10] Serope Kalpakjian, Stevan R Schmid, Manufacturing Engineering and Technology, 6th

Edition, Prentice Hall, 2009

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	1,29 MB