Bài giảng kỹ thuật vật liệu Tnut

Cùng nắm kiến thức trong giáo trình Vật liệu kỹ thuật thông qua việc tìm hiểu nội dung của 12 chương và được chia thành 3 phần sau: phần 1 vật liệu học cơ sở với 4 chương học đầu, phần 2 nhiệt luyện thép từ chương 5 đến chương 8, phần 3 các vật liệu kim loại với 4 chương cuối. Mời các bạn cùng tham khảo và nắm vững kiến thức trong giáo trình này.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CƠ KHÍ

*****

BÀI GIẢNG PHÁT CHO SINH VIÊN

(LƯU HÀNH NỘI BỘ) Theo chương trình 150 tín chỉ

Sử dụng cho năm học: 2020 -2021 Tên bài giảng: Vật liệu kỹ thuật

Số tín chỉ: 03

Nhóm biên soạn: TS Vũ Lai Hoàng

ThS Hoàng Ánh Quang

Thái nguyên, 2020

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: CẤU TẠO TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI

1.1 Khái niệm và đặc điểm của kim loại

1.1.1 Định nghĩa kim loại

1.1.2 Đặc điểm cấu tạo nguyên tử của kim loại

1.1.3 Liên kết kim loại

1.2 Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất

1.2.1 Các khái niệm về mạng tinh thể

1.2.2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại

1.2.3 Tính thù hình của kim loại

1.2.4 Đơn tinh thể và đa tinh thể

1.3 Các sai lệch trong mạng tinh thể

1.4.4 Phân tích cấu trúc bằng tia Rơngen

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I

2.1 Cấu tạo của kim loại lỏng và điều kiện kết tinh

2.1.1 Cấu tạo của kim loại lỏng

2.1.2 Điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh

2.2 Hai quá trình của sự kết tinh

2.3.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

2.4 Cấu tạo tinh thể của vật đúc

2.4.1 Cấu tạo tinh thể của vật đúc

3.1 Khái niệm về hợp kim

27

27

3.1.1 Định nghĩa hợp kim

3.1.2 Các đặc tính của hợp kim

3.1.3 Các khái niệm về hợp kim

3.2 Các pha và tính chất các pha trong hợp kim

3.2.1 Dung dịch rắn

3.2.2 Các pha trung gian

3.2.3 Hỗn hợp cơ học

3.3 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên

3.3.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái

3.3.2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại một

3.3.3 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại hai

3.3.4 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại ba

3.3.5 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại bốn

3.4 Giản đồ trạng thái sắt – các bon

3.4.1 Đặc điểm các nguyên (sắt và các bon)

3.4.2 Tương tác giữa sắt và các bon

3.4.3 Dạng giản đồ

3.4.4 Tổ chức tế vi của thép các bon và gang trắng theo giản đồ sắt – các bon

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG III

4.1 Các giai đoạn của biến dạng

4.2 Biến dạng dẻo

4.2.1 Biến dạng dẻo đơn tinh thể

4.1.2 Biến dạng dẻo đa tinh thể

4.3 Các đặc trưng cơ tính thông thường

5.1 Khái niệm về nhiệt luyện

5.1.1 Định nghĩa

5.1.2 Các thông số đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện

5.1.3 Tác dụng của nhiệt luyện trong chế tạo cơ khí

5.1.4 Sơ lược về bốn chuyển biến cơ bản khi nhiệt luyện

5.2 Các chuyển biến khi nung nóng thép

5.2.1 Cơ sở xác định chuyển biến khi nung nóng

5.2.2 Các đặc điểm của chuyển biến

5.2.3 Các quá trình xảy ra khi giữ nhiệt

5.3 Chuyển biến xảy ra khi làm nguội chậm

5.3.1 Chuyển biến của Ôstenit khi làm nguội đẳng nhiệt

5.3.2 Chuyển biến của Ôstenit khi làm nguội liên tục

5.4 Chuyển biến xảy ra khi làm nguội nhanh – chuyển biến Mactenxit

5.4.1 Khái niệm về Mactenxit

5.4.2 Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit

5.5 Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi – chuyển biến khi ram

5.5.1 Tính không ổn định của Mactenxit và Austenit dư

5.5.2 Các chuyển biến xảy ra khi ram

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG V

6.2.3 Chọn môi trường tôi

6.2.4 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi

7.2.3 Tôi bằng ngọn lửa hỗn hợp khí axetylen-oxy

7.3 Hoá nhiệt luyện

8.1 Khái niệm chung

8.1.1 Định nghĩa

8.1.2 Các đặc tính cơ bản của gang

8.1.3 Phân loại gang

9.1 Khái niệm về thép cacbon

9.1.1 Thành phần hoá học

9.1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tổ chức và tính chất của thép C

9.1.3 Phân loại thép cacbon

9.1.4 Ký hiệu thép cacbon

9.1.5 Ưu, nhược điểm của thép cacbon

9.2 Khái niệm về thép hợp kim

9.2.1 Thành phần hóa học

9.2.2 Các đặc tính của thép hợp kim

9.2.3 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép hợp kim

9.2.4 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện

9.2.5 Các khuyết tật của thép hợp kim

9.2.6 Phân loại và ký hiệu thép hợp kim

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG IX

10.1 Khái niệm chung về thép kết cấu

10.1.1 Yêu cầu đối với thép kết cấu

10.4.1 Điều kiện làm việc của thép đàn hồi

10.4.2 Đặc điểm về thành phần hoá học và nhiệt luyện

10.4.3 Các loại thép đàn hồi và công dụng của chúng

10.5 Các loại thép kết cấu có công dụng riêng

11.1 Thép và hợp kim làm dao cắt

11.1.1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dao cắt

11.1.2 Thép làm dao cắt có năng suất thấp

11.1.3 Thép làm dao cắt có năng suất cao – thép gió

12.1 Thép không gỉ

12.1.1 Khái niệm về thép không gỉ

12.1.2 Các thép không gỉ hai pha

12.1.3 Các thép không gỉ một pha

12.2 Thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao

12.2.1 Khái niệm về thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao

12.2.2 Thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao

13.1 Nhôm và hợp kim nhôm

13.3.1 Yêu cầu đối với hợp kim ổ trượt

13.3.2 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp (bacbit )

13.3.3 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy cao

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG XIII

14.1.2 Tổ chức và tính chât của vật liệu thiêu kết

14 2 Vật liệu chất dẻo

14.2.1 Khái niệm chung

14.2.2 Phân loại và công dụng

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

( HỌC PHẦN BẮT BUỘC)

1 Tên học phần: Vật liệu kỹ thuật (MS: )

2 Số tín chỉ: 03

3 Trình độ cho sinh viên năm thứ: 03

4 Phân bố thời gian:

- Lên lớp lý thuyết: 36 tiết

- Thảo luận: 18 tiết/2 = 09 tiết chuẩn

5 Các học phần học trước:

- Vật lý, Hoá học, Sức bền vật liệu

6 Học phần thay thế, học phần tương đương: Không

7 Mục tiêu của học phần

Trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về các loại vật liệu dùng trong ngành chế tạo cơ

khí, các phương pháp công nghệ làm thay đổi tổ chức và tính chất của vật liệu nhờ đó chọn và sử dụng đúng vật liệu theo yêu cầu kỹ thuật

8 Mô tả vắn tắt nội dung học phần

Học phần gồm 14 chương: Cấu tạo nguyên tử, các dạng liên kết, cấu tạo và tính chất của các

pha cơ bản, giản đồ trạng thái, các chuyển biến pha khi nhiệt luyện, công nghệ nhiệt luyện và các phương pháp hóa bền bề mặt, Các loại vật liệu kỹ thuật sử dụng phổ biến trong ngành cơ khí như các loại gang, các loại thép, kim loại và hợp kim màu, vật liệu vô cơ, vật liệu hữu cơ, vật liệu

compozit,

9 Nhiệm vụ của sinh viên

- Dự lớp ≥ 80% tổng số thời lượng của học phần

- Chuẩn bị thảo luận

10 Tài liệu học tập

- Sách, giáo trình học tập

[1] Vật liệu học Bộ môn Kỹ thuật vật liệu Trường ĐH KTCN 1993

[2] Thí nghiệm kim loại học và nhiệt luyện Bộ môn KTVL Trường ĐH KTCN 1974

- Sách tham khảo

[3] Vật liệu học Lê Công Dưỡng (chủ biên), NXB KHKT Hà Nội 1997

[4] Vật liệu học Nghiêm Hùng NXB ĐH&THCN Hà Nội 2000

[5] Công nghệ nhiệt luyện Phạm Thị Minh Phương - Tạ Văn Thất NXB GD 2000

[6] Sách tra cứu thép gang thông dụng Nghiêm Hùng ĐH Bách Khoa Hà Nội 1999

11 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên và thang điểm

* Tiêu chuẩn đánh giá

12 Lịch trình giảng dạy

Tuần

Tài liệu học tập, tham khảo

Hình thức học

1 Chương I: Cấu tạo tinh thể của vật liệu kim loại

1.5 Khái niệm và đặc điểm của kim loại

1.5.1 Định nghĩa kim loại

1.5.2 Đặc điểm cấu tạo nguyên tử của kim loại

1.5.3 Liên kết kim loại

1.6 Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất

1.6.1 Các khái niệm về mạng tinh thể

1.6.2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại

1.6.3 Tính thù hình của kim loại

1.6.4 Đơn tinh thể và đa tinh thể

1.7 Các sai lệch trong mạng tinh thể

1.8.4 Phân tích cấu trúc bằng tia Rơngen

Chương II: Sự kết tinh

2.1 Cấu tạo của kim loại lỏng và điều kiện kết tinh

2.1.1 Cấu tạo của kim loại lỏng

2.1.2 Điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh

2.2 Hai quá trình của sự kết tinh

2.3.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

2.4 Cấu tạo tinh thể của vật đúc

2.4.1 Cấu tạo tinh thể của vật đúc

2.4.2 Các khuyết tật của vật đúc

Chương III: Hợp kim và giản đồ trạng thái

3.1 Khái niệm về hợp kim

2 3.2 Các pha và tính chất các pha trong hợp kim

3.2.1 Dung dịch rắn

3.2.2 Các pha trung gian

3.2.3 Hỗn hợp cơ học

3.3 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên

3.3.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái

3.3.2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại một

3.3.3 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại hai

3.3.4 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại ba

3.3.5 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại bốn

3.4 Giản đồ trạng thái sắt – các bon

3.4.1 Đặc điểm các nguyên (sắt và các bon)

3.4.2 Tương tác giữa sắt và các bon

4 Chương IV: Biến dạng dẻo và cơ tính

4.1 Các giai đoạn của biến dạng

4.2 Biến dạng dẻo

4.2.1 Biến dạng dẻo đơn tinh thể

4.1.2 Biến dạng dẻo đa tinh thể

4.3 Các đặc trưng cơ tính thông thường

4.4 Sự kết tinh lại

4.4.1 Khái niệm

4.4.2 Các quá trình xẩy ra khi kết tinh lại

4.4.3 Biến dạng nóng

Chương V: Các chuyển biến pha khi nhiệt luyện

5.1 Khái niệm về nhiệt luyện

5.1.1 Định nghĩa

5.1.2 Các thông số đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện

5.1.3 Tác dụng của nhiệt luyện trong chế tạo cơ khí

5.1.4 Sơ lược về bốn chuyển biến cơ bản khi nhiệt luyện

5.2 Các chuyển biến khi nung nóng thép

5.2.1 Cơ sở xác định chuyển biến khi nung nóng

5.2.2 Các đặc điểm của chuyển biến

5.2.3 Các quá trình xảy ra khi giữ nhiệt

5.3 Chuyển biến xảy ra khi làm nguội chậm

5.3.1 Chuyển biến của Ôstenit khi làm nguội đẳng nhiệt

5.3.2 Chuyển biến của Ôstenit khi làm nguội liên tục

5.4 Chuyển biến xảy ra khi làm nguội nhanh – chuyển biến

Mactenxit

[1], [2]

[3], [4]

Giảng

5.4.1 Khái niệm về Mactenxit

5.4.2 Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit

5.5 Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi – chuyển biến khi ram

5.5.1 Tính không ổn định của Mactenxit và Austenit dư

5.5.2 Các chuyển biến xảy ra khi ram

5 Chương VI : Công nghệ nhiệt luyện thép

6.2.3 Chọn môi trường tôi

6.2.4 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi

7 Kiểm tra giữa kỳ

8 Chương VII : Các phương pháp hoá bền bề mặt

7.2.3 Tôi bằng ngọn lửa hỗn hợp khí axetylen-oxy

7.3 Hoá nhiệt luyện

7.3.1 Nguyên lý

7.3.2 Thấm các bon

7.3.3 Các phương pháp thấm khác

Chương VIII : Khái niệm chung về gang

8.1 Khái niệm chung

8.1.1 Định nghĩa

8.1.2 Các đặc tính cơ bản của gang

8.1.3 Phân loại gang

[1], [3]

[4], [5]

Giảng

9.1 Khái niệm về thép cacbon

9.1.5 Ưu, nhược điểm của thép cacbon

9.2 Khái niệm về thép hợp kim

9.2.5 Các khuyết tật của thép hợp kim

9.2.6 Phân loại và ký hiệu thép hợp kim

Chương X: Thép kết cấu

10.1 Khái niệm chung về thép kết cấu

10.1.1 Yêu cầu đối với thép kết cấu

10.1.2 Thành phần hoá học

10.1.3 Phân loại thép kết cấu

10.2 Thép thấm cacbon

10.2.1 Đặc điểm về thành phần hoá học 10.2.2 Các loại thép thấm cacbon 10.3 Thép hoá tốt

10.3.1 Đặc điểm về thành phần hoá học 10.3.2 Đặc điểm về nhiệt luyện

10.3.3 Các loại thép hoá tốt 10.4 Thép đàn hồi

10.4.1 Điều kiện làm việc của thép đàn hồi 10.4.2 Đặc điểm về thành phần hoá học và nhiệt luyện 10.4.3 Các loại thép đàn hồi và công dụng của chúng

[1], [3]

[4], [6]

Giảng

10.5 Các loại thép kết cấu có công dụng riêng

10.5.1 Thép lá để dập nguội 10.5.2 Thép dễ cắt

10.5.3 Thép ổ lăn

[4], [5], [6]

Thảo luận

11 Chương XI : Thép và hợp kim dụng cụ

11.1 Thép và hợp kim làm dao cắt

11.1.1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dao cắt 11.1.2 Thép làm dao cắt có năng suất thấp 11.1.3 Thép làm dao cắt có năng suất cao – thép gió 11.1.4 Hợp kim cứng

11.2 Thép làm khuôn dập

11.2.1 Thép làm khuôn dập nguội 11.2.2 Thép làm khuôn dập nóng 11.3 Thép làm dụng cụ đo

11.3.1 Điều kiện làm việc và yêu cầu đối với dụng cụ đo 11.3.2 Các thép làm dụng cụ đo

Chương XII : Thép và hợp kim có tính chất đặc biệt

12.1 Thép không gỉ

12.1.1 Khái niệm về thép không gỉ 12.1.2 Các thép không gỉ hai pha 12.1.3 Các thép không gỉ một pha 12.2 Thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao

12.2.1 Khái niệm về thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao 12.2.2 Thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao

12 Chương XIII : Kim loại và hợp kim mầu thông dụng

13.1 Nhôm và hợp kim nhôm

13.1.1 Nhôm nguyên chất 13.1.2 Hợp kim nhôm 13 2 Đồng và hợp kim đồng

13 2.1 Đồng nguyên chất 13 2.2 Hợp kim đồng 13.3 Hợp kim ổ trượt

13.3.1 Yêu cầu đối với hợp kim ổ trượt 13.3.2 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp (bacbit ) 13.3.3 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy cao

Chương XIV : Các vật liệu khác dùng trong chế tạo máy

14 2 Vật liệu chất dẻo

14 2.1 Khái niệm chung 14 2.2 Phân loại và công dụng 14.3 Vật liệu Compôzit

14.3.1 Khái niệm chung 14.3.2 Tính chất và công dụng 14.4 Vật liệu Ceramic

14.4.1 Khái niệm chung 14.4.2 Tính chất và công dụng

[4], [5], [6]

Thảo luận

CHƯƠNG 1

CẤU TẠO TINH THỂ CỦA KIM LOẠI NGUYÊN CHẤT

 Nội dung chương I

- Trình bày khái niệm, các đặc điểm về kim loại;

- Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất;

- Các sai lệch trong mạng tinh thể

 Yêu cầu sinh viên nắm được các kiến thức sau:

1 Nhớ và hiểu được các khái niệm liên quan tới cấu trúc mạng tinh thể;

2 Nhớ được các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại

1.1 KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA KIM LOẠI

1.1.1 Định nghĩa kim loại

Theo định nghĩa cổ điển: Kim loại là vật liệu có ánh kim, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao

Ngày nay người ta thống nhất định nghĩa sau: Kim loại là những chất có hệ số nhiệt độ của điện trở là dương (khi tăng nhiệt độ thì điện trở tăng lên)

1.1.2 Đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại

Số điện tử ở lớp ngoài cùng ít, chúng liên kết yếu với hạt nhân và dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do và nguyên tử trở thành ion dương Các điện tử tự do là nguyên nhân quyết định đến các tính chất đặc trưng của kim loại

Ánh kim hay vẻ sáng: Bề mặt kim loại (khi chưa bị ôxy hoá) sáng khi bị ánh sáng chiếu

vào, điện tử tự do nhận năng lượng và bị kích thích chuyển lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn song không ổn định, khi trở về mức năng lượng cũ nó sẽ phát ra năng lượng thừa dưới dạng bức xạ làm cho kim loại có ánh kim

Dẫn nhiệt và dẫn điện cao: Nhờ có điện tử tự do rất dễ chuyển động định hướng dưới một

hiệu điện thế làm cho kim loại có tính dẫn điện cao Sự truyền động năng của các điện tử tự do và ion dương làm cho lim loại có tính dẫn nhiệt cao

Tính dẻo cao: Sự có mặt của điện tử tự do hay “mây điện tử” là nguyên nhân gây ra tính dẻo

cao Các ion dương kim loại rất dễ dịch chuyển giữa các lớp đệm là mây điện tử dưới tác dụng cơ học

Khi kim loại bị biến dạng dẻo các ion dương trượt dịch đi với nhau nhưng liên kết kim loại được giữ nguyên (ion dương và điện tử ở xung quanh) nên kim loại có tính dẻo

1.1.3 Liên kết kim loại

Liên kết kim loại là liên kết mà ở đó các

ion dương tạo thành mạng xác định đặt trong

không gian điện tử tự do chung (hình 1.1)

Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân

bằng) của lực hút (giữa ion dương và điện tử tự

do bao quanh) và lực đẩy (giữa các ion dương)

Chính nhờ sự cân bằng này các nguyên tử, ion

kim loại luôn có vị trí cân bằng xác định trong

đám mây điện tử

Mâyđiện tử

Ion dương

Hình 1.1 Mô hình biểu diễn liên kết kim loại

1.2 CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ CỦA KIM LOẠI NGUYÊN CHẤT

1.2.1 Các khái niệm về mạng tinh thể

Mạng tinh thể gồm vô số ô cơ bản xếp liên tiếp nhau theo ba chiều trong không gian

c Mặt tinh thể

Mặt tinh thể là mặt phẳng được tạo nên bởi các nút mạng (ít nhất là ba)

Có thể coi mạng tinh thể bao gồm các mặt tinh thể giống hệt nhau, song song với nhau và cách đều nhau

d Thông số mạng tinh thể

Thông số mạng tinh thể là kích thước cơ bản của mạng tinh thể, chúng được xác định theo kích thước các cạnh của ô cơ bản

Đơn vị thường dung là Å (1 Å = 10-10 m)

e Mật độ nguyên tử trong mạng tinh thể

Nếu quan niệm nguyên tử (ion) như những quả cầu thì dù có sắp xếp chặt đến đâu cũng không thể đặc kín hoàn toàn, do đó cần có khái niệm về mật độ nguyên tử vì nhiều tính chất (đặc biệt như cơ tính), hành vi (khả năng hòa tan) liên quan đến khái niệm này

Mức độ dày đặc trong sắp xếp nguyên tử được đánh giá chủ yếu qua mật độ xếp

- Mật độ phương (M l ): là mức độ xít chặt của nguyên tử theo một phương nhất định

% 100

. 2

S

r n S

s

MS   s

, trong đó:

s – diện tích bị nguyên tử (ion) chiếm chỗ

ns – số nguyên tử thuộc diện tích mặt

S – diện tích mặt

r – bán kính nguyên tử

- Mật độ khối (M V ): là mức độ xít chặt của các nguyên tử trong mạng tinh thể

.3

4

V

r n M

v V

1.2.2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại

Đặc tính cấu trúc của kim loại là: nguyên tử (ion) luôn có xu hướng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn giản và các liên kết ngắn, mạnh Do vậy trong kim loại thường không gặp các kiểu mạng không xếp chặt như mạng lập phương đơn giản, thường gặp các kiểu mạng tinh thể sau:

a Lập phương tâm khối (Lập phương thể tâm, ký hiệu A2)

Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và ở tâm của ô cơ bản hình lập

phương (hình 1.4)

Mỗi nguyên tử ở đỉnh thuộc về 8 ô bao quanh nên thuộc về ô đang

xét chỉ là 1/8 và 1 nguyên tử ở trung tâm khối

Số nguyên tử trong ô cơ bản: 1 2

8

1

b Lập phương tâm mặt (lập phương diện tâm, ký hiệu A1)

Ô cơ bản là hình lập phương với cạnh bằng a, các

nguyên tử nằm ở các đỉnh và ở trung tâm các mặt bên (hình

1.5)

Mỗi nguyên tử ở tâm mặt bên thuộc về 2 ô nên thuộc về

ô đang xét là 1/2 Do đó số nguyên tử trong ô cơ bản:

42

c Sáu phương xếp chặt (lục giác xếp chặt, ký hiệu A3)

Ô cơ bản là khối lăng trụ lục giác, các nguyên tử nằm ở

12 đỉnh, tâm của hai mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam

giác cách đều nhau (hình 1.6)

Kiểu mạng này có hai thông số mạng a và c, c/a = 1,6333

Mỗi nguyên tử ở đỉnh thuộc về 6 ô bao quanh nên thuộc

về ô đang xét chỉ là 1/6

Số nguyên tử trong ô cơ bản: 3 6

2

1.26

1



v n

Nhiều kim loại có đặc tính là ở khoảng nhiệt độ và áp suất khác nhau có những kiểu mạng tinh thể khác nhau được gọi là tính thù hình

Thù hình hay đa hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học, mỗi cấu trúc khác biệt đó được gọi là một dạng thù hình

và theo chiều tăng nhiệt độ tăng được ký hiệu lần lượt là: α, β, γ, δ, ε…

Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình

Khi có chuyển biến thù hình bao giờ cũng có sự thay đổi về thể tích và cơ tính

Một số vật liệu thường dùng có tính thù hình là thép, gang (trên cơ sở sắt), các bon

Sắt nguyên chất, theo chiều nhiệt độ tăng có các dạng thù hình:

- Fe: có kiểu mạng lập phương tâm khối, tồn tại ở nhiệt độ < 9110C

- Fe: có kiểu mạng lập phương tâm mặt, tồn tại ở nhiệt độ 91113920C

- Fe: có kiểu mạng lập phương tâm khối, tồn tại ở nhiệt độ 139215390C

Cácbon ngoài dạng vô định hình còn tồn tại dưới nhiều dạng thù hình: kim cương (A4),

graphit (A9), sợi cácbon (cấu trúc lớp cuộn), Fulleren (cấu trúc mặt cầu C60) Graphit là dạng thường gặp và ổn định nhất, kim cương ít gặp nhưng có thể chế tạo được bằng cách ép graphit ở nhiệt độ và áp suất rất cao

1.2.4 Đơn tinh thể và đa tinh thể

a Đơn tinh thể

Nếu chất rắn tinh thể chỉ là một khối mạng đồng nhất

tức cùng kiểu mạng và hằng số mạng cũng như phương không

đổi hướng trong toàn bộ thể tích thì được gọi là đơn tinh thể

(hình 1.7)

Các đơn tinh thể kim loại không tồn tại trong tự nhiên,

muốn có phải dùng công nghệ nuôi hoặc cấy đơn tinh thể

trong phòng thí nghiệm Hình 1.7 Mô hình đơn tinh thể

Đơn tinh thể có tính dị hướng (tính chất khác nhau theo các phương khác nhau) Ở những phương có mật độ nguyên tử lớn lực liên kết giữa các nguyên tử sẽ lớn hơn ở những phương có mật

độ nguyên tử nhỏ

Trong sản xuất cơ khí không sử dụng đơn tinh thể, nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử ở dạng bán dẫn

b Đa tinh thể

Đa tinh thể gồm rất nhiều đơn tinh thể nhỏ (cỡ

m) được gọi là hạt tinh thể hay hạt, chúng tuy có cùng

cấu trúc và thông số mạng song phương lại định hướng

khác nhau và liên kết với nhau qua vùng ranh giới gọi là

biên giới hạt (hay biên hạt) (hình 1.8)

Biên giới hạt Hạt tinh thể

Hình 1.8 Mô hình đa tinh thể

Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể, chúng có một số đặc điểm là:

- Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất nên từng hạt đều thể hiện tính dị hướng

- Trong đa tinh thể các hạt có phương lệch nhau một cách ngẫu nhiên nên đa tinh thể có tính đẳng hướng (tính chất giống nhau theo mọi hướng)

- Ở biên giới hạt các nguyên tử chịu ảnh hưởng quy luật phương mạng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc hỗn hợp và vì vậy không duy trì được cấu trúc tinh thể mà lại sắp xếp không trật tự (xô lệch) như là vô định hình, thường kém xít chặt với tính chất khác với bản thân hạt như cứng (cản trở các hạt biến dạng), dễ bị ăn mòn hóa học, có nhiều khả năng hòa tan các nguyên tử khác hơn do có nhiều lỗ hổng hơn

1.3 CÁC SAI LỆCH TRONG MẠNG TINH THỂ

Các cấu trúc tinh thể ở trên là của tinh thể lý tưởng vì khi xét đã bỏ qua dao động nhiệt và các sai hỏng trong trật tự sắp xếp các nguyên tử Trong thực tê không phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định nên đã gây ra những sai hỏng được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng

Phụ thuộc vào kích thước theo 3 chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành: sai lệch điểm, sai lệch đường và sai lệch mặt

1.3.1 Sai lệch điểm

Sai lệch điểm là sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ nguyên tử) theo ba chiều không gian và

có dạng bao quanh một điểm Các dạng sai lệch điểm thường gặp là:

- Nút trống: là nút mạng không có nguyên tử

- Nguyên tử xen kẽ: là các nguyên tử (có thể là nguyên tử tạp chất) không nằm đúng vị trí nút mạng

- Nguyên tử thay thế: là các nguyên tử khác loại thay thế vào vị trí nút mạng

Số lượng các sai lệch điểm phụ thuộc vào:

- Nhiệt độ: nhiệt độ càng cao dao động nhiệt của các nguyên tử càng lớn và số nút trống càng nhiều

- Lượng tạp chất ở trong kim loại càng nhiều thì sai lệch điểm càng lớn

1.3.2 Sai lệch đường

Là sai lệch có dạng của một đường (có thể là đường thẳng, cong, xoáy trôn ốc) Sai lệch đường có thể là một dãy các sai lệch điểm, song cơ bản và chủ yếu vẫn là lệch (dislocation) với hai dạng là lệch biên và lệch xoắn

a Lệch biên (lệch thẳng)

Có thể hình dung lệch biên như mô hình hình 1.9 ( điều này không có nghĩa nó được hình thành đúng như vậy), chèn thêm bán mặt ABCD vào nửa phần trên của mạng tinh thể lý tưởng, sự xuất hiện này làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía trở nên không hoàn toàn song song với nhau nữa

Hình 1.9 Mô hình tạo lệch biên(a) và cách sắp xếp nguyên tử (b, c)

Sự sắp xếp nguyên tử trên mặt cắt vuông góc với trục AD (vùng bị xô lệch khá nhỏ - chỉ vài thông số mạng trong vòng tròn Sự xô lệch này kéo dài theo đường AD, được gọi là trục lệch nó chính là biên của bán mặt nên có tên là lệch biên

Với sự phân bố như vậy nửa tinh thể có chứa bán mặt sẽ chịu ứng suất nén, nửa còn lại chịu ứng suất kéo

b Lệch xoắn

Có thể hình dung lệch xoắn như mô hình trượt dịch hình 1.10: cắt tinh thể lý tưởng theo bán mặt ABCD rồi trượt dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau đi một hằng số mạng trên đường BC Điều này làm cho các nguyên tử trong vùng hẹp giữa hai đường AD, BC sắp xếp lại có dạng đường xoắn ốc nên lệch có tên là lệch xoắn

Lệch xoắn đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến sự kết tinh, cơ tính và chuyển

biến pha

Hình 1.10 Mô hình tạo lệch xuắn (a,b) và cách sắp xếp nguyên tử (c)

1.3.3 Sai lệch mặt

Là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai

chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, có dạng của

một mặt ( có thể phẳng, cong hay uốn lượn)

Các dạng điển hình của sai lệch mặt là:

- biên giới hạt và siêu hạt

Tuy nhiên, khả năng phân giải của mắt có hạn (chỉ phân biệt được kích thước 0,15mm) nên không phát hiện được các dạng hỏng có kích thước nhỏ

1.4.2 Phương pháp tổ chức thô đại

Nếu mài phẳng mặt gẫy bằng giấy mài mịn và sử dụng kính lúp thì có thể phát hiện các dạng hỏng (nứt, rỗ, lẫn xỉ, …) với kích thước bé (cỡ 0,05mm)

Nếu dùng một số hóa chất thích hợp để ăn mòn nhẹ bề mặt đã mài phẳng sẽ phát hiện được

sự không đồng nhất của tổ chức kim loại như lớp tôi bề mặt, lớp thấm, sự thiên tích của P và S

Khả năng phân ly cao nhất của kính hiển vi quang học khoảng 4000Å

Với kính hiển vi điện tử, khả năng phân ly từ vài đến vài chục Å, tuy nhiên việc chế tạo mẫu rất phức tạp nên chỉ dùng trong nghiên cứu

Hai phương pháp tổ chức tế vi trên chỉ cho biết hình dạng, kích thước, số lượng và sự phân

bố của hạt và các pha Muốn biết kiểu mạng tinh thể phải dùng tia Rơnghen

1.4.4 Phân tích cấu trúc bằng tia Rơnghen

Tia Rơnghen có bước sóng rất ngắn nên có khả năng đâm xuyên Căn cứ vào ảnh vạch nhiễu

xạ của tia phản chiếu từ mặt tinh thể để suy ra một cách chính xác kiểu mạng tinh thể và thông số mạng

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I

Câu 1> Kim loại có các tính chất đặc trưng nào? Anh (chị) hãy giải thích các tính chất đó?

Câu 2> Trình bày về các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại? Cho ví dụ?

Câu 3> So sánh đa tinh thể và đơn tinh thể?

 Kết tinh được coi là bước khởi tạo của sự hình thành tổ chức (các hạt với cấu trúc tinh thể)

 Các quy luật kết tinh (từ trạng thái lỏng) cũng có đặc điểm chung như các quy luật chuyển pha

ở trạng thái rắn (nhiệt luyện, kết tinh lại …)

 Nghiên cứu quá trình kết tinh sẽ làm sáng tỏ các quy luật chi phối sự tạo thành hạt nhờ đó có thể tìm ra các biện pháp nhận được độ hạt theo ý muốn và nâng cao chất lượng vật liệu

* Nội dung chương II

- Cấu tạo của kim loại lỏng và điều kiện kết tinh;

- Hai quá trình của sự kết tinh;

- Sự hình thành hạt tinh thể và các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc;

- Cấu tạo tinh thể của vật đúc

* Yêu cầu sinh viên nắm được các kiến thức sau:

- So sánh cấu trúc của kim loại lỏng với trạng thái khí và trạng thái rắn tinh thể rồi kết luận;

- Biến đổi năng lượng khi kết tinh;

- Hiểu khái niệm sinh mầm và phân biệt được hai loại mầm kết tinh;

- Quá trình hình thành hạt tinh thể;

- Nguyên lý và các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc;

- Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc điển hình và một số dạng khuyết tật thường gặp

2.1 CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI LỎNG VÀ ĐIỀU KIỆN KẾT TINH

2.1.1 Cấu tạo của kim loại lỏng

- Trong kim loại lỏng các nguyên tử tạo thành các nhóm nguyên tử sắp xếp có trật tự (trật tự gần)

- Các nhóm nguyên tử này hình thành và tồn tại trong thời gian rất ngắn, sau đó tan đi và lại xuất hiện ở vị trí khác (quá trình xảy ra liên tục)

- Có điện tử tự do (nên kim loại lỏng vẫn dẫn điện)

- Có liên kết kim loại

 Cấu trúc của kim loại lỏng gần với trạng thái rắn (trạng thái tinh thể) hơn trạng thái khí nên nó dễ dàng kết tinh

2.1.2 Điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh

- Sự biến đổi năng lượng quyết định tới chiều hướng của mọi chuyển biến (phản ứng hoá học, kết tinh, chuyển pha )

- Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều xảy ra theo chiều hướng giảm năng lượng dự trữ Ví

dụ, mọi vật đều có xu hướng tự giảm độ cao vì ở vị trí thấp có năng lượng dự trữ (thế năng) nhỏ hơn

- Đối với hệ vật chất gồm nhiều chuyển động của các chất điểm (nguyên tử, phân tử, ion) năng lượng dự trữ được đặc trưng bằng năng lượng tự do – F

- Năng lượng tự do của các trạng thái phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ (hình 2.1)

- Khi T > Ts: kim loại tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng

tự do ở trạng thái lỏng nhỏ hơn ở trạng thái rắn, sự kết tinh chưa

xảy ra

- Khi T < Ts: kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (tinh thể) vì năng

lượng tự do ở trạng thái rắn nhỏ hơn ở trạng thái lỏng

- Khi T = Ts: kim loại lỏng ở trạng thái cân bằng động, có

nghĩa là trong một đơn vị thời gian có bao nhiêu kim loại lỏng kết

tinh thì có bấy nhiêu tinh thể bị hoà tan Ts gọi là nhiệt độ kết tinh

Như vậy, điều kiện xảy ra kết tinh là làm nguội kim loại lỏng xuống dưới nhiệt độ kết tinh lý thuyết

Gọi hiệu số giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết Ts và nhiệt độ kết tinh thực tế TKT là độ quá nguội T = Ts – TKT

Vậy có thể phát biểu lại điều kiện kết tinh là sự kết tinh chỉ xảy ra với độ quá nguội

Đa số kim loại nguyên chất kỹ thuật có thể kết tinh với độ quá nguội thay đổi từ rất nhỏ (1 

2oC) đến rất lớn (hàng chục, trăm đến nghìn oC) tuỳ theo tốc độ làm nguội khi kết tinh nhanh hay chậm

Với cùng một kim loại nhiệt độ kết tinh thực tế trong khuôn cát cao hơn trong khuôn kim loại,

do vậy không thể có nhiệt độ kết tinh thực tế nói chung (cho mọi trường hợp)

Tương tự khi nung nóng: sự nóng chảy thực tế sẽ xảy ra khi nhiệt độ chảy Tch > Ts, hiệu số của chúng được gọi là độ quá nung

2.2 HAI QUÁ TRÌNH CỦA SỰ KẾT TINH

Ở nhiệt độ T < Ts sự kết tinh xảy ra được là nhờ hai quá trình cơ bản nối tiếp nhau xảy ra là tạo mầm

Tạo mầm là quá trình sinh ra các phần tử rắn có cấu trúc

tinh thể (kiểu mạng tinh thể rõ ràng, xác định) với kích

thước lớn hơn hoặc bằng kích thước tới hạn, được cố định

lại, chúng không bị tan đi mà phát triển lên thành hạt tinh

thể nhóm nguyên tử có trật tự trong kim

loại lỏng

Theo đặc tính phát sinh có hai loại mầm: mầm tự sinh và mầm ký sinh (mầm có sẵn)

Mầm tự sinh: được tạo nên từ trong lòng kim loại lỏng đồng nhất (đồng thể) không có sự trợ

giúp của các phần tử rắn có sẵn trong nó

Lúc này các nhóm nguyên tử trật tự gần nào có kích thước đủ lớn r ≥ rth (giả thiết chúng là các khối hình cầu bán kính r) sẽ lớn lên thành hạt tinh thể, rth được xác định theo công thức:

v th

f

r



 2

, trong đó:  - sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng

fv - độ chênh lệch năng lượng tự do giữa pha rắn và pha lỏng tính cho một đơn vị thể tích

Khi kết tinh ở nhiệt độ càng thấp, T càng lớn thì fv càng lớn nên rth càng nhỏ → có nhiều nhóm trật tự gần có sẵn trong kim loại lỏng thoả mãn điều kiện về kích thước nên càng có nhiều mầm

Mầm ký sinh: là sự tạo mầm ở trên bề mặt những phần tử rắn có sẵn trong lòng kim loại lỏng

không đồng nhất (dị thể - các phần tử rắn khó chảy hoặc các phần tử rắn khác như: bụi tường lò, bụi than, bụi chất sơn khuôn, …và ngay cả thành khuôn)

Do có sự trợ giúp của phần tử rắn có sẵn nên sức căng bề mặt trong trường hợp này nhỏ đi rất nhiều, do đó rth rất nhỏ, điều này có nghĩa là kim loại dễ kết tinh hơn

Trong thực tế còn cố ý đưa các phần tử rắn vào để thúc đẩy quá trình kết tinh

2.3 SỰ HÌNH THÀNH HẠT TINH THỂ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HẠT NHỎ KHI ĐÚC 2.3.1 Tiến trình kết tinh

- Quá trình kết tinh là sự tiếp nối liên tục của hai quá trình cơ bản: sinh mầm và tạo mầm, trong khi các mầm sinh ra trước phát triển lên thì trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mới

- Sự kết tinh tiếp tục phát triển cho tới khi không còn kim loại lỏng và hình thành tổ chức đa tinh thể gồm các hạt

- Từ mỗi mầm tạo nên một hạt

- Mầm sinh ra trước tạo thành hạt to hơn

- Các mầm định hướng một cách ngẫu nhiên nên phương mạng của các hạt không đồng hướng và lệch nhau một góc đáng kể do đó xuất hiện sự xô lệch mạng tinh thể ở vùng biên giới hạt

2.3.2 Hình dạng hạt

Hình dạng hạt phụ thuộc vào tương quan về tốc độ phát triển mầm theo các phương

- Khi tốc độ phát triển mầm đều theo mọi phương thì hạt có dạng đều cạnh hay cầu

- Khi tốc độ phát triển mầm mạnh theo hai phương (mặt) nào đó thì hạt có dạng tấm, lá, phiến

- Khi tốc độ phát triển mầm mạnh theo một phương nào đó thì hạt có dạng dài hình trụ, đũa và cột,

có khi là hình kim

2.3.3 Kích thước hạt

Kích thước hạt có quan hệ chặt chẽ tới cơ tính, hạt càng nhỏ độ bền, độ dẻo và độ dai càng cao, do vậy cần phải xác định kích thước hạt Thường xác định độ lớn của hạt trên tổ chức tế vi bằng cách:

- Đo diện tích trung bình của hạt Cách này ít dùng vì phức tạp

- Đo chiều ngang (đường kính) lớn nhất của hạt

Tăng độ quá nguội (T)

 n, v phụ thuộc vào độ quá nguội theo đồ thị hình 2.3

Để tạo được độ quá nguội trong khoảng [T1, T2] thì tốc độ

nguội phải đạt được 104105 [oC/s]

 Trong sản xuất cơ khi chỉ đạt được ΔT<ΔT1 Nếu tăng ΔT

thì cả n và v đều tăng nhưng n tăng nhanh hơn, do đó số lượng mầm

tạo ra nhiều hơn nên hạt nhỏ

 Trong kỹ thuật đúc, để tăng độ quá nguội phải làm nguội

nhanh bằng cách thay đổi vật liệu làm khuôn:

1) Khuôn cát: nguội rất chậm, đặc biệt là khuôn khô;

2) Khuôn kim loại: tốc độ nguội cao hơn;

3) Để tăng thêm tốc độ nguội, dùng thêm các phương pháp như: làm mát khuôn bằng nước, đúc ly tâm, đúc áp lực, …

 ΔT trong [ΔT1,ΔT2] (tốc độ nguội 104-105 oC/s): ΔT tăng chỉ làm n tăng còn v giảm, do đó số lượng mầm tạo ra rất nhiều nên hạt rất nhỏ mịn

 ΔT > ΔT2: các nguyên tử không thể khuếch tán tạo nên tinh thể mà tạo nên trạng thái vô định hình (thủy tinh kim loại)

 Để tạo được tốc độ nguội lớn phải dùng các phương pháp đặc biệt như: phun tạo bột từ pha lỏng, tia băng mỏng trên đĩa nguội bằng đồng, bốc hơi trong chân không

Phương pháp biến tính

 Biến tính là phương pháp cho vào kim loại lỏng trước khi rót khuôn một lượng rất nhỏ chất đặc biệt ( gọi là chất biến tính) có tác dụng làm nhỏ hạt, đôi khi làm thay đổi

 Chất biến tính hoạt động theo hai cơ chế:

1) Kết hợp với tạp chất hoặc khí hòa tan tạo ra các hợp chất khó chảy, không tan, có kích thước nhỏ, lơ lửng, phân tán đều trong thể tích Chúng giúp cho sự tạo mầm kết tinh;

2) Hấp phụ vào bề mặt mầm làm giảm tốc độ phát triển của mầm

Ví dụ 1: Cho Al vào thép lỏng (vài trăm g/tấn), nó sẽ kết hợp với O2, N2 thành Al2O3 và AlN khó chảy, nhỏ mịn và phân tán, nó là cơ sở để tạo ra nhiều mầm ký sinh, nhờ vậy tạo được hạt nhỏ, đều trong thể tích lớn

Ví dụ 2: Khi đúc hợp kim Al-Si, cho thêm vào hợp kim lỏng lượng nhỏ muối Na, khi hòa tan nó hấp

phụ vào bề mặt mầm Si làm chậm sự phát triển của tinh thể Si, làm chúng rất nhỏ mịn

2.4 CẤU TẠO TINH THỂ CỦA THỎI ĐÚC

2.4.1 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

Các sản phẩm đúc thường có hình dạng phức

tạp, ở đây chọn thỏi đúc có hình dáng đơn giản

(tiết diện hình vuông hay hình tròn) để khảo sát

(hình 2.4)

Đối với thỏi đúc điển hình, từ ngoài vào

trong có ba vùng tinh thể lần lượt là:

Vỏ ngoài cùng là lớp hạt nhỏ đẳng trục (1):

Hạt nhỏ vì tôc độ nguội ở bề mặt lớn nên kim loại

lỏng kết tinh với độ quá nguội lớn, hơn nữa bề

mặt khuôn giúp cho sự tạo mầm ký sinh Hạt đẳng

trục vì tốc độ nguội theo mọi phương gần như

nhau (chưa có sự khác biệt lớn về tốc độ nguội

theo các phương)

Hình 2.4 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

Vùng tiếp theo là lớp hạt tương đối lớn hình trụ kéo dài và vuông góc với thành khuôn (2): Hạt

lớn hơn vì tốc độ nguội lớn hơn nên kim loại lỏng kết tinh với độ quá nguội bé hơn Hạt phát triển mạnh theo chiều ngược với chiều tản nhiệt, do vậy các hạt có dạng trụ kéo dài theo phương vuông góc với thành khuôn là phương thoát nhiệt

Vùng ở giữa là các hạt lớn đẳng trục (3): Vùng ở giữa có tốc độ nguội chậm nên kim loại lỏng

kết tinh với độ quá nguội rất bé, do đó hạt nhận được có kích thước lớn Hơn nữa, ở vùng trong cùng tốc độ nguội theo mọi phương là như nhau nên hạt phát triển đều theo mọi phương, do đó hạt có dạng cầu hay đa cạnh (đẳng trục)

Trong ba vùng trên, vùng ngoài cùng luôn là lớp vỏ mỏng (ít ảnh hưởng đến cơ tính của vật đúc), hai vùng sau có mối tương quan với nhau phụ thuộc vào điều kiện làm nguội khuôn:

- Khi làm nguội mãnh liệt thì vùng 2 sẽ lấn át vùng 3, thậm chí mất hẳn vùng 3, khi đó thỏi như

là chỉ có vùng tinh thể hình trụ vuông góc với thành khuôn (như bó đũa), tổ chức này gọi là xuyên tinh Tổ chức này tuy có mật độ cao song khó biến dạng dẻo nên không phù hợp với thỏi cán

- Khi làm nguội chậm thì vùng 3 lấn át vùng 2, thỏi đúc trở nên dễ cán hơn

2.4.2 Các khuyết tật của vật đúc

Các khuyết tật khi đúc làm xấu rất nhiều chất lượng của vật đúc Có các dạng khuyết tật sau

a Rỗ co và lõm co

Chúng đều có nguyên nhân là do thể tích kim loại khi kết tinh bị co lại nhưng hình thức thể hiện thì khác nhau

Rỗ co: là các lỗ hổng nhỏ nằm giữa các nhánh cây hay ở biên hạt do sự co của kim loại lỏng

khi kết tinh được phân bố giải rác trên khắp vật đúc

- Rỗ co làm giảm mật độ, làm xấu cơ tính của vật đúc đúc

- Nếu thỏi đúc qua gia công áp lực (biến dạng dẻo) ở nhiệt độ cao thì chúng được hàn kín nhờ bị bẹp lại và quá trình khuếch tán làm liền kín Trường hợp này ảnh không đáng kể tới cơ tính

Lõm co: là phần lỗ hổng tập trung nằm ở phần trên cùng của vật đúc

- Đây là phần kết tinh sau cùng, kim loại lỏng ở đây đã bù cho các phần tử kết tinh trước ở phía dưới và đến lươt nó kết tinh thì hết kim loại lỏng để bổ xung tạo ra lỗ hổng tập trung

- Phần khuyết của lõm co phải được cắt bỏ triệt để vì thế thể tích sử dụng của thỏi chỉ còn khoảng 85  95%

- Để khắc phục lõm co người ta có thể đúc liên tục hoặc làm đậu ngót để phần lõm co nằm bên ngoài vật đúc

Đối với kim loại, hợp kim lượng co khi kết tinh là một giá trị không đổi nên khi thể tích lõm co tăng thì tổng thể tích rỗ co giảm đi và ngược lại chứ không thể làm mất được dạng khuyết tật này vì nó

là bản chất của kim loại

b Rỗ khí

- Trong điều kiện nấu chảy thông thường, kim loại lỏng có khả năng hoà tan một lượng khí đáng

kể, sau khi kết tinh độ hoà tan của khí trong kim loại rắn giảm đi đột ngột, khí thoát ra không kịp, bị mắc kẹt lại tạo nên túi khí nhỏ được gọi là rỗ khí hay bọt khí

- Rỗ khí cũng có thể do khí, hơi nước từ khuôn bốc lên, tạo nên các bọt thường nằm ở trên hay ngay dưới bề mặt của vật đúc

- So với rỗ co, rỗ khí làm giảm mạnh mật độ và cơ tính do kích thước lớn

- Để tránh được khuyết tật này phải tiến hành khử khí tốt trước khi rót khuôn, sấy khô khuôn cát hoặc đúc trong chân không

c Thiên tích

- Là sự không đồng nhất về thành phần và tổ chức của vật đúc, xảy ra không những đối với hợp kim có thành phần phức tạp mà cả kim loại do tích tụ tạp chất

- Sự không đồng nhất này dẫn đến sự sai khác về tính chất giữa các phần, sử dụng kém hiệu quả

- Để khắc phục thiên tích phải ủ khuếch tán (ủ ở nhiệt độ cao trong nhiều giờ)

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II

Câu 1> Điều kiện xảy ra kết tinh là gì?

Câu 2> Các quá trình kết tinh xảy ra như thế nào?

Câu 3> Tại sao trong kỹ thuật đúc lại cần hạt nhỏ? Trình bày nguyên lý và các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc?

Câu 4> Thỏi đúc có cấu tạo như thế nào?

Câu 5> Trình bầy các khuyết tật của vật đúc?

CHƯƠNG 3

KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI

* Nội dung chương III

- Khái niệm về hợp kim;

- Các pha và tính chất các pha trong hợp kim;

- Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên;

- Giản đồ trạng thái sắt – các bon

* Yêu cầu sinh viên nắm được các kiến thức sau:

- Khái niệm hợp kim và các tính chất ưu việt của hợp kim so với kim loại nguyên chất;

- Dung dịch rắn và pha trung gian;

- Khảo sát các loại giản đồ trạng thái hai nguyên thường gặp;

- Vẽ và hiểu được giản đồ trạng thái sắt – các bon;

- Nhớ được tổ chức của thép các bon và gang trắng theo giản đồ trạng thái sắt – các bon

3.1 KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM

Thành phần các nguyên tố trong hợp kim thường được biểu thị bằng phần trăm khối lượng và cũng có khi được biểu thị bằng phần trăm nguyên tử (nếu biểu thị bằng phần trăm nguyên tử thì phải có ghi chú kèm theo)

3.1.2 Các đặc tính của hợp kim

Các kim loại nguyên chất có tính ưu việt trong dẫn điện, dẫn nhiệt, …

Trong chế tạo cơ khí, thiết bị, đồ dùng, … các vật liệu thường được sử dụng là hợp kim vì so với kim loại nguyên chất nó có các đặc tính phù hợp hơn về sử dụng, gia công và kinh tế

a Cơ tính

Vật liệu cơ khí phải có độ bền cao để chịu được tải cao khi làm việc nhưng đồng thời cũng không được giòn để dẫn đến phá hủy

Các kim loại nguyên chất rất dẻo (rất dễ dát mỏng, kéo sợi ngay ở trạng thái nguội – nhiệt

độ thường) nhưng có độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn kém xa hợp kim (có thể hàng trục lần)

Cho đến nay hợp kim vẫn là loại vật liệu có sự kết hợp tốt nhất các đặc tính cơ học kể trên với tỷ lệ áp đảo trong máy móc và thiết bị

b Tính công nghệ

Để tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm, vật liệu phải có khả năng chịu gia công thích hợp và được gọi là tính công nghệ

Kim loại nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nhưng khó cắt gọt, đúc và không hóa bền được bằng nhiệt luyện Trái lại hợp kim với nhiều chủng loại khác nhau có thể có các tính công nghệ đa dạng phù hợp với điều kiện riêng khi gia công, chế tạo sản phẩm cụ thể

- Hầu như mọi hợp kim đều có thể tạo hình được bằng một trong hai phương pháp: biến dạng dẻo (cán, kéo, ép chảy, rèn, dập) và đúc

- Hợp kim có tính gia công cắt nhất định để bảo đảm sản phẩm có kích thước, hình dạng chính xác, bề mặt nhẵn bóng, điều này đặc biệt quan trọng khi lắp ghép với nhau trong máy móc thiết bị

- Nhiều hợp kim, đặc biệt là thép, rất nhạy cảm với nhiệt luyện để tạo ra cơ tính đa dạng phù hợp với điều kiện làm việc và gia công

c Công nghệ chế tạo

Trong nhiều trường hợp, chế tạo hợp kim đơn giản và rẻ hơn so với kim loại nguyên chất,

do không phải chi phí để khử các nguyên tố tạp chất lẫn vào mà chỉ cần khống chế ở mức độ nào

đó Có thể thấy điều đó qua hai trường hợp sau:

- So với luyện sắt nguyên chất, luyện hợp kim Fe – C (thép và gang) đơn giản hơn do nhiệt

độ chảy thấp hơn hoặc không phải hay ít phải khử C trong sản phẩm của lò cao Xét về mặt đòi hỏi độ bền cao, việc luyện sắt đòi hỏi khử bỏ các bon và các tạp chất khác một cách triệt để không những không tăng được độ bền mà còn làm giảm độ bền

- Khi pha kẽm vào kim loại chủ đồng ta được latong vừa bền lại vừa rẻ hơn (do kẽm rẻ hơn đồng)

d Các tính chất đặc biệt

- Hợp kim có các tính chất đặc biệt mà nhiều kim loại ngyên chất không có được (đàn hồi,

từ tính, chịu mài mòn, chịu ăn mòn, làm việc ở nhiệt độ cao, …) Ví dụ, đối với Fe nguyên chất khả năng chịu mài mòn, tính đàn hồi và làm việc ở nhiệt độ cao đều kém, ngược lại, với thép sau khi nhiệt luyện đúng cách thì các tính chất trên đều tăng, đặc biệt là đối với thép hợp kim

3.1.3 Các khái niệm về hệ hợp kim

Khi khảo sát hợp kim cũng như các vật liệu khác, thường gặp một số khái niệm mới cần phân định rõ

- Nước ở oC là hệ một cấu tử (hợp chất hóa học bền vững H2O) và có hai pha (pha rắn: nước đá, pha lỏng: nước)

3.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

Phương pháp chế tạo hợp kim thông dụng nhất là hòa trộn (nấu chảy rồi làm nguội) các cấu tử Ở trạng thái lỏng nói chung các cấu tử đều tương tác với nhau tạo nên dung dịch lỏng – pha đồng nhất Người ta đặc biệt quan tâm đến tương tác giữa các cấu tử ở trạng thái rắn vì chính điều này mới quyết định cấu trúc và do đó quyết định tính chất của hợp kim Ở đây, có thể có hai trường hợp lớn xảy ra: không và có tương tác với nhau

Khi hai cấu tử A và B không tương tác với nhau, tức “trơ” với nhau, các nguyên tử, ion của từng cấu tử không đan xen vào nhau, chúng giữ lại cả hai kiểu mạng của cấu tử thành phần, dưới dạng các hạt riêng rẽ của hai pha nằm cạnh nhau với tổ chức tế vi biểu thị ở hình 3.1, hỗn hợp A + B

Khi hai cấu tử A và B có tương tác với nhau, tức nguyên tử của các cấu tử đan xen vào nhau tạo nên một pha duy nhất, không còn lại các hạt riêng rẽ của từng cấu tử (hình 3.2), lúc này

có thể có hai trường hợp xảy ra:

- Hòa tan thành dung dịch rắn, lúc đó hợp kim giữ lại một trong hai kiểu mạng ban đầu làm nền, có tổ chức một pha như kim loại nguyên chất

- Phản ứng hóa học với nhau tạo thành hợp chất hóa học, lúc đó không còn cả hai kiểu mạng ban đầu, mà tạo nên kiểu mạng mới khác hẳn

A

B

Hình 3.1 Tổ chức tế vi của

hợp kim hai nguyên không

tương tác với nhau

Dung dịch rắn A(B) hoặc hợp chất AmBn.

Hình 3.2 Tổ chức tế vi của hợp kim hai nguyên có tương tác với nhau

3.2.1 Dung dịch rắn

a Khái niệm

Dung dịch rắn là pha đồng nhất có cấu trúc mạng tinh thể khi hai nguyên tố hòa tan vào nhau

ở trạng thái rắn, một nguyên tố (A) giữ nguyên kiểu mạng gọi là nguyên tố dung môi, nguyên tố

kia (B) phân bố đều vào mạng tinh thể của nguyên tố dung môi gọi là nguyên tố hòa tan

Ký hiệu dung dịch rắn bằng các chữ cái Hy Lạp , , , , … hoặc A(B)

b Các đặc tính chung của dung dịch rắn

- Có kiểu mạng tinh thể là kiểu mạng của kim loại dung môi (đặc tính này quyết định đến các đặc trưng cơ, lý, hóa tính của dung dịch rắn) do vậy nó vẫn giữ được các tính chất cơ bản của kim loại nền hay chủ

- Có liên kết kim loại

- Thành phần các nguyên tố có thể thay đổi trong một phạm vi nào đó mà không làm thay đổi kiểu mạng

- Các nguyên tố hòa tan đi vào mạng tinh thể của

nguyên tố dung môi gây ra xô lệch mạng

- Do mạng tinh thể bị xô lệch nên dung dịch rắn

có độ bền độ cứng cao hơn kim loại nguyên chất, độ

dẻo tuy có giảm song khá cao do vẫn giữ được kiểu

mạng của dung môi

- Dung dịch rắn cũng có tính dẫn nhiệt, dẫn điện

tốt song kém hơn kim loại nguyên chất

Trong tất cả các hợp kim kết cấu, dung dịch rắn

bao giờ cũng là pha cơ bản chiếm trên dưới 90% có

khi chỉ có pha này (100%)

Tùy theo cách phân bố nguyên tử của nguyên tố

hòa tan vào mạng tinh thể của nguyên tố dung môi

sẽ có hai loại dung dịch rắn: dung dịch rắn xen kẽ và

dung dịch rắn thay thế (hình 3.3)

Hình 3.3 Sơ đồ sắp xếp nguyên tử hòa tan thay thế và xen kẽ vào dung môi có mạng lập phương tâm mặt

Sau đây, lần lượt xét từng loại dung dịch rắn

c Dung dịch rắn thay thế

Trong dung dịch rắn thay thế

các nguyên tử hòa tan chiếm chỗ

hay thay thế vào đúng các vị trí

nút mạng của kim loại dung môi

(vẫn có kiểu mạng và số nguyên

tử trong ô cơ sở đúng như của cấu

tử dung môi) (hình 3.4)

Về mặt hình học có thể thấy

sự thay thế nguyên tử này bằng

nguyên tử khác ít nhiều gây ra xô

lệch mạng do không có hai

nguyên tố nào có đường kính

nguyên tử hoàn toàn giống nhau,

a

Nguyên tử nguyên tố hòa tan

Nguyên tử nguyên tố dung môi

a

Nguyên tử nguyên tố hòa tan

Nguyên tử nguyên tố dung môi

a

Nguyên tử nguyên tố hòa tan

Nguyên tử nguyên tố dung môi

Hình 3.4 Ô cơ bản của dung dịch rắn thay thế với kiểu mạng lập phương thể tâm

vì vậy sự thay thế chỉ xảy ra đối với các nguyên tố có kích thước nguyên tử khác nhau ít (giữa các kim loại sai lệch không quá 15%) Vượt qua giới hạn này sự thay thế xảy ra rất khó vì làm xô lệch mạng quá mạnh trở nên mất ổn định

Sự thay thế trong dung dịch rắn thường chỉ là có hạn vì nồng độ chất tan càng tăng mạng tinh thể càng bị xô lệch cho đến nồng độ bão hòa, lúc này nếu tăng nữa sẽ tạo nên pha mới (dung dịch rắn khác hay pha trung gian), nồng độ bão hòa đó được gọi là giới hạn hòa tan

Trong thực tế có một số cặp kim loại có thể hòa tan vô hạn vào nhau tạo nên một dãy các dung dịch rắn có nồng độ thay đổi một cách liên tục từ 100%A + 0%B cho đến 0%A + 100%B như biểu thị ở hình 3.5

Có 4 yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hòa tan vô hạn hay có hạn của một cặp nguyên tố (ở đây chỉ là điều kiện cần vì không phải cặp nào thỏa mãn cả bốn yếu tố này cũng tạo thành dung dịch rắn vô hạn), đó là các tương quan sau:

- Tương quan về kiểu mạng: nếu có cùng kiểu mạng mới có thể hòa tan vô hạn

- Tương quan về kích thước: nếu đường kính nguyên tử sai khác nhau ít (<8%) mới có thể

hòa tan vô hạn, sai khác nhau nhiều (815%) chỉ có thể hòa tan có hạn, sai khác nhau rất nhiều

(>15%) rất khó hòa tan vào nhau

- Tương quan về nồng độ điện tử (số lượng điện tử hóa trị tính cho một nguyên tử): nếu đại

lượng này vượt quá giới xác định đối với loại dung dịch rắn đã cho sẽ tạo nên pha khác, điều này

có nghĩa là chỉ có thể hòa tan có hạn Chỉ các nguyên tố cùng hòa trị mới có thể hòa tan vô hạn

vào nhau, các nguyên tố khác nhau về hóa trị chỉ có thể hòa tan có hạn

- Tương quan về độ âm điện: Trong hóa học, độ âm điện thường dùng để biểu thị khả năng hóa học tạo thành phân tử Nếu hai nguyên tố có tính âm điện khác nhau rất nhiều dễ tạo nên hợp

chất hóa học, pha trung gian, sẽ hạn chế khả năng hòa tan vào nhau thành dung dịch rắn và ngược

Các cặp nguyên tố hình thành dung dịch rắn vô hạn chỉ có thể xảy ra giữa các kim loại thỏa mãn các điều kiện kể trên Ví dụ: Ag - Au (mạng A1, r = 0,2%, cùng nhóm IB), Cu – Ni (mạng A1, r = 2,7%, nhóm IB và VIII), Fe - Cr (mạng A2, r = 0,7%, nhóm VIB và VIII)

Hình 3.5 Sơ đồ thay thế để tạo nên dãy dung dịch rắn liên tục (hòa tan vô hạn)

giữa hai kim loại A và B khi lượng B tăng dần

a nguyên tố A; b, c, d dãy dung dịch rắn liên tục của A và B; e nguyên tố B

d Dung dịch rắn xen kẽ

Khi nguyên tử của nguyên tố hòa tan

xen kẽ vào các lỗ hổng của mạng tinh thể kim

loại dung môi ta có dung dịch rắn xen kẽ

Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên

tử hòa tan phải có kích thước nhỏ hơn hẳn để

có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại

chủ (dung môi), tức là vẫn có kiểu mạng như

kim loại chủ nhưng số nguyên tử trong ô cơ sở

tăng lên

Nguyên tử xen kẽ

Hình 3.6 Phân bố nguyên tử trong dung dịch rắn xen kẽ

Tất cả các lỗ hổng đều rất nhỏ nên chỉ một số á kim với bán kính nguyên tử nhỏ như: H (0,046 nm), N (0,071 nm), C (0,077 nm) và đôi khi cả B (0,091 nm) mới có khả năng hòa tan xen

kẽ vào các kim loại chuyển tiếp có bán kính nguyên tử lớn như: Fe (0,1241 nm), Cr (0,1249 nm),

Trong trường hợp hòa tan xen kẽ, xung quanh nguyên tử hòa tan, các nguyên tử nguyên tố dung môi luôn bị giãn ra Còn trong trường hợp hòa tan thay thế, tùy theo quan hệ kích thước nguyên tử mà các nguyên tử chủ bao quanh nguyên tử hòa tan có thể bị giãn ra khi rht > rchủ hay

3.2.2 Các pha trung gian

Các hợp chất hóa học có trong hợp kim thường được gọi là pha trung gian do trên giản đồ pha

nó có vị trí ở giữa, trung gian giữa các dung dịch rắn có hạn ở hai đầu mút

a Đặc tính của pha trung gian

Thường hiểu hợp chất hóa học tạo thành tuân theo quy luật hóa trị Các hợp chất này mang các đặc điểm sau:

- Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn với nguyên tố thành phần

- Luôn có tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố (có thể thay đổi trong một phạm vi hẹp) và biểu diễn bằng công thức hóa học AmBn với m, n là các số nguyên

- Tính chất khác hẳn các nguyên tố thành phần với đặc điểm là giòn (không giữ được tính chất của kim loại là dẻo), độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao

- Có nhiệt độ nóng chảy cố định và khi tạo thành tỏa ra một lượng nhiệt đáng kể

- Pha trung gian có liên kết kim loại, liên kết ion và liên kết đồng hóa trị

Trong hợp kim gặp rất ít các hợp chất hóa trị với tư cách là pha tham gia quyết định tính chất (có thể thấy chúng trong hợp kim dưới dạng vật lẫn, tạp chất như oxit, sunfit với lượng rất nhỏ) Phần lớn các hợp chất hóa học trong hợp kim có những đặc điểm khác với các hợp chất hóa học theo hóa trị:

- Không tuân theo quy luật hóa trị;

- Không có thành phần hóa học chính xác (dao động trong một khoảng quanh thành phần chính xác theo công thức);

- Có liên kết kim loại

Các pha trung gian thường gặp là pha xen kẽ, pha điện tử và pha Laves

b Pha xen kẽ

Là pha tạo nên giữa các kim loại chuyển tiếp (có bán kính nguyên tử lớn - Ti, W, Mo, V,

Cr ) với các á kim (có bán kính nguyên tử nhỏ - C, N, H, Bo )

Cấu trúc mạng của pha xen kẽ được xác định bởi tương quan kích thước nguyên tử giữa á kim (X) và kim loại (M):

- Nếu 0,59

M

X r

r

các nguyên tử kim loại trong pha này sắp xếp theo một trong ba kiểu mạng đơn giản thường gặp là A1, A2, A3 (nhưng không giữ được kiểu mạng vốn có), còn các nguyên tử á kim xen kẽ vào các lỗ hổng trong mạng tạo nên hợp chất với các công thức đơn giản như M4X, M2X, MX

- Nếu 0,59

M

X r

r

sẽ tạo nên hợp chất với mạng tinh thể phức tạp (pha xen kẽ với mạng phức tạp) với các công thức phức tạp hơn như M3X, M7X3, M23X6

Đặc tính nổi bật của pha xen kẽ là nhiệt độ chảy rất cao (> 2000  3000oC), rất cứng ( >

2000  5000 HV) và giòn, có vai trò rất lớn trong hóa bền, nâng cao tính chống mài mòn và chịu nhiệt của hợp kim

c Pha điện tử (Hum – Rothery)

Là pha phức tạp được tạo nên từ 2 kim loại của hai nhóm sau:

- Nhóm 1: gồm các kim loại hóa trị I (Cu, Ag, Au, Li, Na, …) và kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Mn, …)

- Nhóm 2: Các kim loại có hóa trị từ 25 (Be, Mg, Zn, Cd, Al, Si, Sn, …

Pha điện tử có nồng độ điện tử N (số điện tử hóa trị tính cho một nguyên tử) bằng một giá trị xác định là 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12) mà mỗi tỷ lệ ứng với một cấu trúc mạng phức tạp nhất định

- N = 3/2: được gọi là pha  với kiểu mạng lập phương tâm khối hay lập phương phức tạp hoặc sáu phương;

- N = 21/13: được gọi là pha  với kiểu mạng phức tạp;

- N = 7/4: được gọi là pha  với mạng sáu phương xếp chặt

Thành phần hóa học có thể thay đổi trong một phạm vi hẹp

Ở nhiệt độ thấp, có tính giòn cao

Ví dụ hệ Cu – Zn tạo nên một loạt pha điện tử:

CuZn, N =

2

311

1.21

5

8.25.1

3.21.1

Tạo nên bởi hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính nguyên tử rA/rB = 1,2 (có thể biến đổi trong khoảng 1,1  1,6) với công thức AB2 có kiểu mạng sáu phương xếp chặt như MgZn2, MgNi2 hay lập phương tâm mặt MgCu2

Do đặc tính nổi bật là giòn nên không bao giờ dùng hợp kim với tổ chức chỉ có một pha duy nhất là pha trung gian Trong hợp kim lượng các pha trung gian thường chiếm tỷ lệ nhỏ < 10% (đôi khi tới 20  30% ), bên cạnh dung dịch rắn có tác dụng cản trượt làm tăng độ bền, độ cứng

3.2.3 Hỗn hợp cơ học

Sau khi kết tinh, các hợp kim ở một trong hai dạng tổ chức sau:

- Có tổ chức một pha: dung dịch rắn, pha trung gian

- Có tổ chức hai hay nhiều pha: hỗn hợp cơ học

Hỗn hợp cơ học có thể từ 2 kim loại nguyên chất hoặc từ các dung dịch rắn (α, , ) hay bao gồm dung dịch rắn và pha trung gian

Khi có thêm pha trung gian độ bền độ cứng của hợp kim tăng lên và độ dẻo, độ dai giảm đi Hai dạng điển hình của hỗn hợp cơ học là cùng tinh và cùng tích (nghiên cứu ở phần sau)

3.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

3.3.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái

Giản đồ trạng thái (giản đồ pha) là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha vào nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng

Mỗi hệ hợp kim có một giản đồ trạng thái riêng và được xây dựng bằng thực nghiệm

Công dụng của giản đồ trạng thái: có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nghiên cứu và sử dụng hợp kim

Từ giản đồ trạng thái có thể biết:

+ Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của hợp kim với thành phần đã cho khi nung nóng

và làm nguội Do đó có thể xác định dễ dàng các chế độ nhiệt khi nấu luyện (đúc), khi gia công

áp lực và nhiệt luyện

+ Trạng thái pha (gồm những pha nào, thành phần của mỗi pha và tỷ lệ giữa các pha đó) của hợp kim ở các nhiệt độ và thành phần khác nhau Qua đó có thể biết được cấu tạo pha và dự đoán được tính chất của hợp kim để sử dụng vào mục đích khác nhau

Giản đồ trạng thái được xây dựng trong điều kiện nung nóng và làm nguội vô cùng chậm hay trạng thái ủ tức là ở trạng thái cân bằng

Trong thực tế sản xuất thường nung nóng và làm nguội nhanh hơn nên gây ra ít nhiều sai khác, không hoàn toàn hay không phù hợp với giản đồ trạng thái

Tuy nhiên giản đồ trạng thái vẫn là cơ sở xác định cấu trúc của hợp kim đã cho (ứng với nhiệt và thành phần xác định), những sai lệch xuất hiện hoàn toàn có thể giải thích được

Vì vậy giản đồ trạng thái là công cụ quan trọng để khảo sát hợp kim, qua đó có thể biết điều chính yếu nhất là cấu trúc

Biết đọc và phân tích giản đồ pha là điều cần thiết, cơ sở để hiểu và sử dụng tốt hợp kim

Do hạn chế về thời gian ở đây chỉ trình bày giản đồ trạng thái của hệ hai cấu tử (hợp kim đơn giản)

Cấu tạo của giản đồ trạng thái hai nguyên

- Đối với kim loại nguyên chất: giản đồ trạng thái rất đơn giản chỉ có một trục nhiệt

độ, trên đó có ghi nhiệt độ chảy và biến đổi thù hình

- Đối với hệ hợp kim 2 nguyên: giản đồ trạng thái gồm có một trục nhiệt độ (trục tung)

và một trục thành phần (trục hoành), trên đó có ghi nhiệt độ chảy và biến đổi thù hình

Hình 3.9 Giản đồ pha của Fe Hình 3.10 Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử

Đường thẳng đứng bất kỳ biểu thị một thành phần xác định nhưng ở các nhiệt độ khác nhau

Hai trục tung chính là giản đồ pha của từng cấu tử tương ứng

Do được biểu thị trên mặt phẳng một cách chính xác nên từ giản đồ pha của hệ hai cấu tử

dễ dàng xác định được các thông số sau đây cho một thành phần xác định ở nhiệt độ nào đó

- Các pha tồn tại;

- Thành phần pha;

- Nhiệt độ chảy (kết tinh);

- Các chuyển biến pha;

- Dự đoán các tổ chức hình thành ở trạng thái không cân bằng (khi nguội nhanh)

- Tỷ lệ (về số lượng) giữa các pha hoặc tổ chức: có thể xác định được chính xác giữa chúng nhờ quy tắc đòn bảy (hay cánh tay đòn) như trong sơ đồ sau:

Hình 3.11 Sơ đồ quy tắc cánh tay đòn

Vì vậy, giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu khi nghiên cứu các hệ hợp kim Giản đồ pha hai cấu tử của các hệ thực tế có loại rất phức tạp, song dù phức tạp đến bao nhiêu cũng có thể coi như gồm nhiều giản đồ cơ bản ghép lại Dưới đây khảo sát một số dạng thường gặp trong các giản đồ đó mà các cấu tử hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, song khác nhau về tương tác

ở trạng thái rắn

3.3.2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại I

Đó là giản đồ trạng thái hai nguyên A và B,

hoàn toàn hòa tan vào nhau ở trạng thái lỏng,

không hòa tan vào nhau ở trạng thái rắn và

không tạo ra pha trung gian (hình 3.12)

Một số khái niệm mới:

- Đường lỏng (đường AEB): là đường

mà khi làm nguội đến đó hợp kim lỏng sẽ bắt

đầu kết tinh

- Đường đặc hay đường rắn (đường

CED): là đường mà khi làm nguội đến đó hợp

kim lỏng sẽ kết thúc kết tinh

%B 100%A

0%B

0%A 100%B

Hình 3.12 Cấu tạo giản đồ hai nguyên loại I

+ Khu vực nằm trên đường lỏng hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng;

+ Khu vực nằm giữa đường lỏng và đặc sẽ gồm có hai pha là pha lỏng và pha rắn đã được kết tinh;

+ Phía dưới đường rắn không tồn tại pha lỏng

- Điểm E gọi là điểm cùng tinh - eutectic (có nhiệt độ chảy thấp nhất, thấp hơn cả cấu tử

dễ chảy nhất)

+ Hợp kim có thành phần ứng với điểm E gọi là hợp kim cùng tinh;

+ Bên trái E: gọi là hợp kim trước cùng tinh – hypoeutectic;

+ Bên phải E: gọi là hợp kim sau cùng tinh – hypereutectic

Pha lỏng có thành phần ứng với điểm E có tính chất đặc biệt là tại nhiệt độ này pha lỏng kết tinh ra đồng thời cả hai pha rắn (A + B) và gọi là hỗn hợp cơ học cùng tinh

Ví dụ: giản đồ pha của chì (Pb) – antimon (Sb)

Hình 3.13 Giản đồ pha Pb - Sb

Khảo sát sự kết tinh

Xét sự kết tinh của một hợp kim cụ thể gồm 60%B(Sb) + 40%A(Pb) Đường thẳng biểu thị hợp kim này cắt đường lỏng ở 1 (500oC) và đường rắn ở 2 (245oC), đây là hai mốc đáng chú ý: + Ở cao hơn 1 (500oC) hợp kim ở trạng thái lỏng hoàn toàn (L)

+ Ở thấp hơn 2 (245oC) hợp kim ở trạng thái rắn A + B(Pb + Sb)

+ Ở trong khoảng 1  2 (245  500oC) hợp ở cả hai trạng thái lỏng + rắn: L + B(L + Sb) ứng với quá trình kết tinh hay nóng chảy

Vậy tại 1 là nhiệt độ bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy và 2 là nhiệt độ bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh

Sự kết tinh của hợp kim từ trạng thái lỏng xảy ra như sau:

- Làm nguội đến 1 (500oC) hợp kim lỏng bắt đầu kết tinh ra tinh thể B(Sb) cũng ở nhiệt độ này ứng với 1’

60

60 100100

40 ''

' '

aa B

L

a a

60

60 100 2

D L

L

D

E

Tức pha lỏng 40/87(46%), pha rắn 47/87 (54%)

Có nhận xét là: tuy có hai cấu tử A và B (Pb va Sb) nhưng cho đến đây hợp kim mới chỉ kết tinh ra B (Sb) và mới chỉ có một phần B (Sb) trong hợp kim (54 trong 60%) kết tinh, cấu tử A (Pb) chưa kết tinh

Tại nhiệt độ của đường rắn CED (245oC), LE (L13) kết tinh ra cả hai cấu tử A + B (Pb + Sb) cùng một lúc, hỗn hợp của hai pha rắn được tạo thành cùng một lúc (đồng thời) từ pha lỏng như vậy gọi là cùng tinh (cùng kết tinh - eutectic)

LE → (A + B) hay L13 → (Pb + Sb)

Đó là phản ứng cùng tinh, quy ước biểu thị tổ chức cùng tinh trong ngoặc đơn ()

Sự kết tinh kết thúc ở đây và khi làm nguội đến nhiệt độ thường không có chuyển biến gì khác Cuối cùng hợp kim này có tổ chức B + (A + B) hay Sb + (Pb + Sb), trong đó B (Sb) được tạo thành trước ở nhiệt độ cao hơn nên có kích thước hạt lớn (độ quá nguội nhỏ) còn cùng tinh (A + B) hay (Pb + Sb) được tạo thành sau ở nhiệt độ thấp hơn nên có cấu tạo các pha nhỏ min hơn (do độ quá nguội lớn)

Có thể tính dễ dàng tỷ lệ các pha và tổ chức của hợp kim 60%Sb + 40%Pb như sau:

- Tỷ lệ về pha:

60

40060

60100

hay 40%Pb, 60%Sb

- Tỷ lệ về tổ chức:   40

4760100

Pb

hay 54%Sb (độc lập) còn lại 46% cùng tinh (Pb + Sb)

Như vậy các hợp kim của giản đồ loại I kết tinh theo thứ tự sau: ‘đầu tiên pha lỏng kết tinh

ra một trong hai cấu tử nguyên chất trước và làm cho pha lỏng nghèo cấu tử này và biến đổi thành phần đến điểm cùng tinh E, đến đây pha lỏng còn lại mới kết tinh ra cấu tử thứ hai tức ra hai cấu tử cùng một lúc’

Ngoài ra có nhận xét là đầu tiên khi đưa thêm cấu tử khác vào cấu tử bất kỳ đều làm cho nhiệt độ kết tinh giảm đi, đạt đến giá trị lớn nhất sau đó mới tăng lên

Các đặc tính của hợp kim:

+ Cơ lý tính: hợp sẽ có tính chất trung gian giữa A và B

Tính chất của hợp kim = %A x tính chất của A + %B x tính chất của B

Ví dụ: Pb có độ cứng 4 HB, Sb có độ cứng 30 HB thì hợp kim 84%Pb + 16%Sb có độ cứng là: 84% x 4 + 16% x 30 = 8 HB

+ Tính công nghệ: trong tổ chức luôn có cùng tinh dễ chảy là pha cứng và giòn nên:

Hợp kim giản đồ hai pha loại I có tính đúc tốt (nhất là những hợp kim xung quanh điểm cùng tinh)

Tính gia công cắt gọt nói chung là tốt vì phoi dễ gẫy nên năng suất cắt gọt cao

Tính gia công áp lực kém vì tính dẻo của hợp kim này không cao

3.3.3 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại II

Là giản đồ trạng thái 2 nguyên A và B hòa tan hoàn toàn vào nhau ở trạng thái lỏng cũng như trạng thái rắn, không tạo thành pha trung gian (hình 3.14, 3.15 và 3.16)

Giản đồ có dạng hai đường cong khép kín, trong đó đường trên là đường lỏng, đường dưới là đường rắn, dưới vùng rắn là vùng tồn tại của dung dịch rắn α có thành phần thay đổi liên tục Vùng giữa hai đường lỏng và rắn là khoảng đông, vùng này gồm có hai pha là pha lỏng và dung dịch rắn (L + α)

α là dung dịch rắn hòa tan vô hạn của A(B) hoặc B(A)

Hình 3.14 Cấu tạo giản đồ hai nguyên loại II Hình 3.15 Giản đồ trạng thái Cu – Ni Các đặc tính của hợp kim:

+ Cơ lý tính: đối với hệ hợp kim kiểu này cơ lý tính phụ thuộc vào thành phần theo quan hệ

đường cong và đạt giá trị Max khi hợp kim có thành phần 50%A + 50%B (hình 3.17)

Dung dich rắn có độ bền, độ cứng cao hơn kim loại dung môi

Độ dẻo không bằng kim loại nguyên chất nhưng vẫn đủ cao để gia công áp lực tốt

+ Tính công nghệ:

- Tính đúc của hệ hợp kim này nói chung kém, phụ thuộc vào khoảng đông Khoảng đông càng hẹp tính đúc càng tốt lên vì thành phần giữa pha lỏng và pha rắn không khác nhau nhiều do

đó khả năng điền đầy khuôn và mật độ vật đúc cao

- Tính gia công áp lực tốt vì độ dẻo cao

- Tính gia công cắt gọt kém vì độ dẻo cao làm cho phoi khó gẫy

- Không hóa bền được bằng nhiệt luyện vì luôn tồn tại một pha α

Hình 3.16 Giản đồ trạng thái Al 2 O 3

-Cr 2 O 3

100%A0%B

0%A100%B

50%A50%B

Các hợp kim của hệ này có quy luật kết tinh rất giống nhau: nếu lấy đơn vị đo là lượng cấu

tử thành phần khó chảy hơn thì đầu tiên hợp kim lỏng kết tinh ra dung dịch rắn giàu hơn, vì thế pha lỏng còn lại bị nghèo đi, song khi làm nguội chậm tiếp tục dung dịch rắn tạo thành biến đổi thành phần theo hướng nghèo đi và cuối cùng đạt đúng như thành phần của hợp kim

Hãy xét sự kết tinh của một hợp kim cụ thể 35%Ni + 65%Cu như ở hình 3.18

- Ở 1300 oC ứng với điểm 1 (nằm trong vùng lỏng), hợp kim ở trạng thái lỏng (chưa kết tinh), trạng thái này tồn tại cho tới điểm 2

- Ở 1270 oC ứng với điểm 2 (chạm vào đường lỏng), hợp kim bắt đầu kết tinh ra dung dịch rắn 2 (49%Ni)

- Tiếp tục làm nguội chậm, lượng  ngày càng nhiều lên, L càng ít đi và thành phần của hai pha này biến đổi tương ứng theo đường rắn và đường lỏng theo chiều giảm của Ni (là cấu tử khó chảy hơn)

- Có thể tính dễ dàng tỉ lệ giữa hai pha này ở nhiệt độ xác định, ví dụ ở điểm 3, 1250 oC Với tọa độ hợp kim 3 (35%Ni và hai pha: L3’-30%Ni, 3” – 43%Ni)