Đang tải... (xem toàn văn)
Slide 1 1 VẬT LIỆU KỸ THUẬT Giảng viên TS Nguyễn Thị Hằng Nga Email nthngatlu edu vn TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ môn Công nghệ cơ khí CHƯƠNG 4 KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI NỘI DUNG 4 1 Khái niệm về hợp kim 4 2 Các pha và tính chất các pha trong hợp kim 4 3 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên 4 4 Giản đồ trạng thái Sắt – Carbon TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ môn Công nghệ cơ khí 4 1 1 Định nghĩa hợp kim Hợp kim là vật thể gồm nhiều nguyên tố mang tín.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ khí TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ khí CHƯƠNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Giảng viên: TS Nguyễn Thị Hằng Nga NỘI DUNG Email: nthnga@tlu.edu.vn 4.1 4.2 4.3 4.4 4.1 KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM Khái niệm hợp kim Các pha tính chất pha hợp kim Giản đồ trạng thái hệ hợp kim hai nguyên Giản đồ trạng thái Sắt – Carbon 4.1 KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM 4.1.1 Định nghĩa hợp kim 4.1.2 Đặc tính hợp kim Hợp kim vật thể gồm nhiều nguyên tố mang tính chất kim loại Nguyên tố chủ yếu hợp kim mang tính chất kim loại + Cơ tính cao: - Độ bền, độ cứng, giới hạn chảy, đàn hồi hợp kim cao hẳn so với kim loại nguyên chất, độ dẻo, độ dai đủ cao Thành phần nguyên tố hoá học hợp kim thường biểu thị % trọng lượng, có biểu thị % ngun tử + Tính cơng nghệ phù hợp với chế tạo khí như: tính đúc, tính gia cơng cắt gọt, hố bền nhiệt luyện v.v… + Chế tạo (luyện) hợp kim: dễ kinh tế nhiều so với kim VD: Thép 40 có 0,4%C; Thép 40X có 0,4%C 1%Cr Thép 80W18Cr4V có 0,8%C, 18%W, 4%Cr 1%V loại nguyên chất - Do luyện hợp kim không cần phải khử triệt để tạp chất, mà cần khống chế chúng mức độ 4.1 KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM 4.1 KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM 4.1.3 Các khái niệm hệ hợp kim c Nguyên (cấu tử) a Pha Là chất độc lập có thành phần hố học khơng đổi (có thể - Pha dạng vật chất có thành phần đồng nhất, trạng thái kiểu mạng tinh thể nguyên tố hoá học hợp chất hoá học), chúng tạo nên tất Các pha ngăn cách bề mặt phân chia b Hệ - Hệ dạng tập hợp pha trạng thái cân + Điều kiện: - Mỗi pha phải đạt giá trị lượng tự bé pha hệ Có thể đưa vài ví dụ để làm rõ khái niệm này: + Một hệ gồm pha nước lỏng nước đá (ở 0C), có nguyên tử H2O + Hợp kim Cu-Ni hệ gồm nguyên (Cu, Ni) trạng thái rắn lỏng có pha chúng tạo dung dịch rắn lỏng đồng 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM Cấu trúc mạng tinh thể hợp kim phức tạp kim loại 4.2.1 Dung dịch rắn a Khái niệm: nguyên chất - Nếu mạng tinh thể hợp kim giữ nguyên kiểu mạng kim loại nguyên chất, làm biến đổi thông số mạng gây xơ lệch dạng cấu tạo gọi dung dịch rắn - Nếu mạng tinh thể hợp kim khác hẳn với mạng nguyên tố thành phần dạng cấu tạo gọi hợp chất hố - Dung dịch rắn có nhiều điểm giống với dung dịch lỏng, song điểm khác chúng dung dịch rắn có cấu tạo tinh thể - Khi nguyên tố hoà tan vào trạng thái rắn, nguyên tố giữ nguyên kiểu mạng gọi dung mơi, cịn ngun tố phân bố vào mạng nguyên tố dung môi gọi nguyên tố hòa tan - Ký hiệu dung dịch rắn chữ , , A (B) học hay pha trung gian Trong đó: A – dung mơi, B – ngun tố hồ tan 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 10 c Dung dịch rắn thay b Các đặc tính chung dung dịch rắn - Có liên kết kim loại; - Có kiểu mạng tinh thể kim loại dung mơi; - Thành phần ngun tố thay đổi phạm vi mà không làm thay đổi kiểu mạng; - Khi nguyên tử ngun tố hồ tan vào vị trí nút mạng ngun tố dung mơi tạo nên dung dịch rắn thay - Điều kiện: Dntht Dntdm - Tuy nhiên làm xô lệch mạng tăng độ bền, độ cứng giảm chút độ dẻo dai so với dung môi - Độ bền, độ cứng cao kim loại dung mơi cịn độ dẻo cao giữ nguyên kiểu mạng kim loại dung môi, (Do mạng tinh thể bị xô lệch) - Ngun tử dung mơi - Tuỳ theo vị trí phân bố nguyên tố hoà tan mạng tinh thể dung mơi, có hai loại dung dịch rắn thay xen kẽ 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP 11 KIM - Nguyên tử hồ tan 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 12 Theo độ hoà tan lại chia dung dịch rắn (thay thế) hồ tan vơ hạn hồ tan có hạn ❖ Dung dịch rắn hồ tan vơ hạn - Khi ngun tử hồ tan B thay vị trí nguyên tử dung môi A cách liên tục, ta dung dịch rắn hồ tan vơ hạn Điều kiện cần để hai kim loại hịa tan vơ hạn vào là: - Có kiểu mạng - Đường kính ngun tử sai khác (dưới 8% hồ tan vào Fe) - Các tính chất lý, hố gần giống nhiệt độ chảy - Có hoá trị A(B) A(B) B(A) 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 14 13 ❖ Dung dịch rắn hồ tan có hạn - Khi ngun tử hồ tan B thay vị trí ngun tử dung mơi A đến giới hạn (nếu hồ tan thêm có kiểu mạng khác), ta dung dịch rắn hoà tan có hạn d Dung dịch rắn xen kẽ - Khi nguyên tử hoà tan xen kẽ vào nút mạng kim loại dung môi (tức xen kẽ vào lỗ hổng mạng) ta có dung dịch rắn xen kẽ - Nguyên tử dung môi - Ngun tử hồ tan - Chỉ cần khơng thoả mãn điều kiện tạo nên dung dịch rắn hồ tan có hạn Đây trường hợp thường gặp 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 15 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 16 ❖ Đặc điểm: - Các lỗ hổng mạng có kích thước nhỏ so với ngun tử dung mơi A; - Ngun tử hồ tan B hoà tan xen kẽ vào mạng dung mơi A tỷ số đường kính chúng thoả mãn hệ thức: dB 0,59 dA - Là loại dung dịch hồ tan có hạn; - Thường tạo thành dung mơi kim loại có đường kính nguyên tử lớn như: Fe, Cr, W, Ti ngun tố hồ tan kim có đường kính nguyên tử nhỏ : C, N, H, B… B A B 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 17 4.2.2 Pha trung gian + Đặc tính chung: - Mạng tinh thể pha trung gian thường phức tạp khác nguyên tố tạo thành nó, nên tính dẻo kém; - Có tính giịn, độ cứng cao nhiệt độ nóng chảy cao; - Thành phần cố định thay đổi phạm vi hẹp Có thể biểu diễn cơng thức hố học; - Có thể nhiều dạng liên kết khác nhau: Liên kết kim loại, ion, đồng hoá trị - Các pha trung gian thường gặp pha xen kẽ, pha điện tử pha có liên kết kim loại 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 18 a Pha xen kẽ + Thành phần hố học có cơng thức đơn giản như: KA, KA2, - Là loại pha trung gian tạo nên kim loại kim với đặc tính sau đây: + Đường kính nguyên tử kim (dA) bé kim loại (dK) nhiều Chúng thoả mãn bất đẳng thức: dA 0,59 dK + Mạng tinh thể có dạng đơn giản lục giác xếp chặt, lập phương diện tâm, nguyên tử kim nằm xen kẽ lỗ K4A, KA4; (Ví dụ loại bít đơn giản mà thường gặp: WC, TiC, TaC) + Các kim loại có đường kính ngun tử lớn như: Ti, W, Mo, V, Nb, Zr, Ta Cr, Mn, Fe, thường kết hợp với kim có đường kính ngun tử nhỏ như: C, N, H, B, để tạo thành pha xen kẽ; + Tính chất điển hình cứng nhiệt độ chảy cao hổng mạng; 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 19 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 20 b Pha điện tử (Pha Hum - Rôđêri) Mỗi giá trị lại ứng với kiểu mạng: Là pha phức tạp tạo nên kim loại có đặc tính sau: - Về thành phần: Gồm kim loại thuộc nhóm sau: + Nhóm 1: Cu, Ag, Au (hoá trị 1) Fe, Co, Ni, Pd, Pt (nhóm kim loại chuyển tiếp) + Nhóm 2: Be, Mg, Zn, Cd, (hoá trị 2); Al(3), Si , Sn (4) - Có nồng độ điện tử (Số điện tử hoá trị / số nguyên tử) giá trị sau: 21 ; ; 13 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 21 - Lập phương thể tâm (pha ) 21 - Lập phương phức tạp (pha ) 13 - Lục giác xếp chặt (pha ) + Thành phần hố học thay đổi phạm vi hẹp; + Ở nhiệt độ thấp có tính dịn cao 4.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM 22 VD: Ở hệ Cu - Zn có pha điện tử sau: 4.2.3 Hỗn hợp học Sau kết tinh, hợp kim hai dạng tổ chức sau: - CuZn – pha 1.1 2.1 11 - Cu5Zn8 – pha 1.5 2.8 21 58 13 - CuZn3 – pha 1.1 2.3 1 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 23 4.3.1 Khái niệm giản đồ trạng thái a Định nghĩa Giản đồ trạng thái giản đồ biểu thị biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ thành phần hoá học hệ trạng thái cân Giản đồ trạng thái xây dựng điều kiện nung nóng làm nguội vơ chậm tức trạng thái cân - Có tổ chức pha: pha dung dịch rắn pha trung gian; - Có tổ chức hai hay nhiều pha: hỗn hợp học Khái niệm - Hỗn hợp học gồm hai hay nhiều pha hỗn hợp với khơng hồ tan vào Ví dụ : + Hỗn hợp học hai dung dịch rắn; dung dịch rắn pha trung gian + Hai dạng điển hình hỗn hợp học tinh tích 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 24 b Công dụng giản đồ trạng thái Từ giản đồ trạng thái biết được: - Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha hợp kim với thành phần cho nung nóng làm nguội Xác định dễ dàng chế độ nhiệt nấu luyện (để đúc), gia công áp lực nhiệt luyện; - Trạng thái pha (gồm pha nào, thành phần pha tỷ lệ pha đó) hệ hợp kim nhiệt độ thành phần khác Dự đốn tính chất hợp kim cho để sử dụng vào mục đích khác Các dẫn giản đồ trạng thái sở cho suy luận, giải thích 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 26 25 c Cấu tạo giản đồ trạng thái hai nguyên - Đối với kim loại nguyên chất Giản đồ pha Fe (Giản đồ nguyên) - Đối với hệ hợp kim nguyên 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN + Mỗi điểm giản đồ biểu thị hợp kim có thành phần định, hai đầu mút ứng với hai nguyên chất (100%A + 0%B 100%B + 0%A) + Đường thẳng giản đồ ứng với biến đổi nhiệt độ hợp kim Ví dụ đường thẳng vẽ giản đồ ứng với hợp kim 80%B + 20%A + Khoảng diện tích trục tung đường phân chia thành vùng có trạng thái pha giống gọi vùng tổ chức + Hợp kim có trục toạ độ rơi vào vùng có trạng thái tương ứng tổ chức vùng 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 27 28 + Tỉ lệ (về số lượng) pha tổ chức xác định theo quy tắc đòn bẩy: 4.3.2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại Giản đồ trạng thái hai nguyên A B, hoàn toàn hoà tan vào trạng thái lỏng, khơng hồ tan vào trạng thái rắn không tạo thành pha trung gian B 631 327 245 Sb+L A Pb+L E D Nhiệt độ,0C L C Lượng pha phải = Độ dài đoạn thẳng bên phải (đòn bên phải) Pb + Sb x 100%A 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 29 a Một số khái niệm - Đường lỏng - đường AEB: đường mà nguội đến đó, hợp kim lỏng bắt đầu kết tinh; - Đường đặc - đường CED: đường mà làm nguội đến hợp kim lỏng kết thúc kết tinh, nghĩa đường đặc khơng cịn pha lỏng nữa; 20 Pb 20 E B+L D B + (A+B) 40 60 80 100%B %B 13 Độ dài đoạn thẳng bên trái (đòn bên trái) A+L A+(A+B) C Lượng pha trái B L A (A+B) Nhiệt độ,0C HK 40 60 80 Sb %Sb 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 30 - Khu vực nằm đường lỏng, hợp kim hoàn toàn trạng thái lỏng (L); - Khu vực nằm đường lỏng đường đặc gồm hai pha lỏng pha rắn kết tinh; Ví dụ: - Khu vực AEC - ( L + A) - Khu vực BED - ( L + B) 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 31 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 32 - Điểm E gọi điểm tinh Pha lỏng có thành phần ứng với điểm E có tính chất đặc biệt nhiệt độ pha lỏng kết tinh đồng thời hai pha rắn (A + B) gọi hỗn hợp học tinh Quy ước sau: - Hợp kim có thành phần điểm E gọi hợp kim tinh; - Hợp kim có thành phần bên trái điểm E gọi hợp kim trước tinh - Hợp kim có thành phần bên phải điểm E gọi hợp kim sau tinh 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 33 Ví dụ: Xét kết tinh hợp kim: 60%Sb + 40%Pb + Phía điểm hợp kim? + Phía điểm hợp kim? + Trong khoảng 12 hợp kim? Tại điểm bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy điểm bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 34 VD: Xác định tỉ lệ pha hợp kim 60%Sb + 40%Pb 400C - Hợp kim lỏng a’’(37%Sb) tinh thể B a’ 1(100%Sb) L a aa Ba aa L37 100 60 40 Sb100 60 37 23 Pha lỏng chiếm 40 63,5% , pha rắn chiếm 23 36,5% 63 63 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 35 b Các đặc tính hợp kim + Cơ lý tính: - Hợp kim có tính chất trung gian nguyên A B theo quan hệ đường thẳng - Tính chất hợp kim = %A x tính chất A + %B x tính chất B Ví dụ: Chì có độ cứng HB, ăntimon có độ cứng 30 HB Thì hợp kim 60%Pb + 40%Sb có độ cứng là: 60%x4 + 40%x30 = 14 HB 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUN 36 + Tính cơng nghệ: 4.3.3 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại hai - Tính đúc tốt, hợp kim lân cận tinh; Giản đồ trạng thái hai nguyên A B hoà tan hoàn toàn vào trạng thái lỏng trạng thái rắn, không tạo thành pha trung gian - Tính gia cơng cắt gọt nói chung tốt phoi dễ gẫy nên suất cắt gọt cao; - Cịn tính gia cơng áp lực nói chung tính dẻo hợp - Đường lỏng - AmB kim thuộc loại không cao - Đường đặc - AnB m A B n - Vùng hai đường lỏng đặc gọi khoảng đông vùng gồm hai pha pha lỏng dung dịch rắn ( L + ) - dung dịch rắn hồ tan vơ hạn A(B) B(A) 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 37 38 - Trong thực tế hệ hợp kim Cu – Ni, Al2O3 – Cr2O3 có kiểu giản đồ L ❖ Ví dụ: Xét kết tinh hệ hợp kim 35%Cu – 65%Ni + Tại điểm – 1300C tồn pha lỏng + Tại điểm – 1270C, 2’’ – dung dịch rắn (49%Ni) + Tại điểm – 1250C, gồm: - Hợp kim: – 35%Ni; - Pha lỏng: 3’ – 30%Ni; - Dung dịch rắn: 3’’ – 43%Ni 60 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 39 40 ❖ Các đặc tính hợp kim ❖ Tỉ lệ pha 1250C: + Cơ lý tính: L 3' 33' ' α 3'' 33' - Cơ lý tính phụ thuộc vào thành phần theo quan hệ đường cong có cực trị; - Độ bền, độ cứng cao kim loại dung môi chúng có giá 43 - 35 35 - 30 trị lớn hai kim loại hoà tan vào nhiều (50%A + 50%B); 33'' 4335 L3' 61,5% 3'3'' 4330 13 - Tính dẻo khơng cao kim loại dung mơi, song 60 cịn đủ cao để gia công áp lực tốt 33' 3530 3' 38,5% 3'3'' 4330 13 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 41 42 + Tính cơng nghệ: - Tính đúc hệ hợp kim nói chung kém, song phụ thuộc vào khoảng đơng; Khoảng đơng hẹp tính đúc tốt, thành phần pha lỏng pha rắn khơng khác nhiều khả điền đầy khuôn mật độ vật đúc cao L - Tính gia cơng áp lực tốt độ dẻo cao; -Tính gia cơng cắt gọt nói chung độ dẻo cao làm phoi khó gẫy 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 4.3.4 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại ba Giản đồ trạng thái hai ngun A B hồ tan vơ hạn vào trạng thái lỏng, hồ tan có hạn vào trạng thái rắn, không tạo thành pha trung gian + Đường lỏng AEB + Đườmg đặc ACEDB + E - Điểm tinh E Điển hình hệ hợp kim chì - thiếc (Pb-Sn) 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN - : dung dịch rắn hồ tan có hạn A(B) Sự hồ tan có hạn thể đường CF chỗi phía trái chứng tỏ nhiệt độ thấp độ hoà tan giảm (độ hoà tan lớn nhiệt độ tinh) - : dung dịch rắn hồ tan có hạn B(A) Sự hồ tan có hạn thể đường DG choãi bên phải, chứng tỏ nhiệt độ thấp độ hồ tan giảm - Giản đồ loại III hai giản đồ loại I loại II ghép lại, khác chỗ hồ tan có hạn Có thể phân tích sau: + Các hợp kim nằm phía trái điểm F phía phải điểm G có quy luật kết tinh giống giản đồ loại II; + Các hợp kim có thành phần nằm khoảng C’D’ có quy luật kết tinh giống giản đồ loại I; E + Các hợp kim có thành phần nằm khoảng FC’ D’G có quy luật kết tinh khác; 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 45 E 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 46 ❖ Xét kết tinh hệ hợp kim 60%Pb – 40%Sn + Tại điểm – 300C tồn pha lỏng + Tại điểm – 245C, 2’ – dung dịch rắn (13,3%Sn) + Tại điểm – 200C, chứa: - Dung dịch rắn: a’ – 18,5 %Sn; - Pha lỏng: a’’ – 57%Sn 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 44 43 ❖ Tỉ lệ pha 200C: 57 - 40 17 α a' L a'' 40 - 18,5 21,5 L+ L+ α a' 3a' ' 17 44,16% a' a' ' 38,5 La'' 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 47 3a' 21,5 55,84% a' a' ' 38,5 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 48 4.3.5 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại bốn 4.3.6 Xử lý giản đồ pha hai cấu tử Giản đồ trạng thái hai ngun A B khơng hồ tan vào trang thái rắn tạo nên pha trung gian ổn định Đối với nhiệt độ thành phần định, ta sử dụng giản đồ pha để xác định: 1) Các pha tồn 2) Thành phần pha 3) Tỷ lệ tương đối pha - Pha trung gian có cơng thức tổng quát AmBn (viết tắt H) biểu thị đường thẳng đứng, điểm H điểm chảy VD: Hệ Mg-Ca có pha trung gian là: Mg4Ca3 ❖ Tìm thành phần vùng hai pha: Xác định vị trí thành phần nhiệt độ giản đồ Trong vùng hai pha vẽ đường nối nằm ngang đẳng nhiệt Lưu ý giao điểm với biên giới pha Đọc kết thành phần điểm giao Đây thành phần pha lỏng pha rắn ng X B XB n X r¾ B 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 49 50 ❖ Quy tắc địn bẩy - Tìm lượng pha vùng hai pha: ❖ Nguồn gốc quy tắc địn bẩy: 1) Tồn vật liệu phải pha hay pha cịn lại: Xác định vị trí thành phần nhiệt độ giản đồ Trong vùng hai pha vẽ đường nối nằm ngang đẳng nhiệt Tỷ lệ pha xác định việc lấy chiều dài đường nối nằm ngang đến biên giới pha cho pha lại, chia cho tổng chiều dài đường nối nằm ngang Quy tắc đòn bẩy phép loại suy học cho việc tính tốn cân khối lượng Đường nối nằm ngang vùng hai pha tương tự đòn bẩy cân điểm tựa W WL 2) Khối lượng cấu tử tồn hai pha với khối lượng cấu tử pha thứ + khối lượng cấu tử pha thứ hai: W C WLCL C0 3) Nghiệm phương trình cho quy tắc đòn bẩy WL C C0 C C L W C0 C L C C L 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 51 52 4.4.1 Đặc điểm nguyên tố (sắt - carbon) ❖ Ví dụ: Thành phần lượng pha: C0 35 wt % CL 31.5 wt % C 42.5 wt % Các tỷ lệ khối lượng: S R S C C0 WL 0.68 C C L WL a Sắt + Đặc điểm: - Sắt nguyên tố kim loại thuộc nhóm VIII hệ thống tuần hồn, thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp; - Rất khó luyện sắt nguyên chất tuyệt đối Sắt nguyên chất kỹ thuật chứa khoảng 99,3 99,9% 0,1 0,7% tạp chất; R R S C CL W 0.32 C C L W 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 53 - Về tính sắt kim loại dẻo dai song bền, tiêu tính sau: + Giới hạn bền kéo: b = 250 N/mm2; + Giới hạn chảy: 0,2 = 120 N/mm2; + Độ dãn dài tương đối: = 50%; + Độ co thắt tương đối: = 85%; + Độ dai va đập: ak = 3000 kJ/m2; + Độ cứng: HB = 80 - Sắt kim loại có tính thù hình gồm: + Mạng lập phương tâm khối: Tồn 911C – Fe- 1392C 1539C – Fe-); + Mạng lập phương tâm diện: Tồn 911C 1392C – Fe- 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 54 b Carbon Carbon nguyên tố kim thuộc nhóm IV hệ thống tuần hồn Nó tồn dạng sau: - Vơ định than gỗ, than đá; - Kim cương với kiểu mạng kim cương cứng Đó dạng thù hình khơng ổn định Ở nhiệt độ áp suất cao kim cương trở lên ổn định, - Graphit với kiểu mạng lục giác xếp theo lớp Khoảng cách lớp xa nên lực liên kết chúng yếu dễ tách lớp Graphit mềm 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 55 56 4.4.2 Tương tác bon sắt a Tạo thành dung dịch rắn Carbon sắt rc = 0,077 nm rFe = 0,124 nm Có thể hoà tan vào mạng tinh thể sắt dạng xen kẽ, song hai kiểu mạng tinh thể sắt có khả hồ tan khác + Mạng lập phương tâm khối – Fe- ,Fe- Số lỗ hổng nhiều rlh rc nhiên Carbon hồ tan vào Fe- (tại biên giới hạt sơ lệch mạng) + Mạng lập phương tâm mặt – Fe Số lỗ hổng rlh rc nguyên tử Carbon chui vào lỗ hổng dễ dàng gây sơ lệch mạng Thực tế 727C lượng Carbon hoà tan tới 0,76% (~0,8%) Fe- Như kiểu mạng lập phương tâm mặt có khả hoà tan lượng Carbon nhiều kiểu mạng lập phương tâm khối Thực tế 727C Carbon hoà tan 0,02% vào Fe- 1499C Carbon hoà tan 0,1% vào Fe- 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 57 58 b Tạo thành cácbít sắt + Fe3C - 6,67%C; + Fe2C - 9,67%; + FeC - 16,67% Thực tế hợp kim Fe - C dùng với lượng Carbon khơng vượt q 5%, nên gặp hợp chất hố học Fe3C – Xêmentit: + Fe3C loại pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp, nhiệt độ chảy khoảng 1600C cứng giòn; + Fe3C pha khơng ổn định, nhiệt độ cao phân tích thành sắt graphit 4.4.3 Dạng giản đồ Giản đồ trạng thái Fe - C hai nguyên Fe C c Tạo thành hỗn hợp học Hỗn hợp học hệ hợp kim Fe - C gồm tinh tích Là hỗn hợp học dung dịch rắn Xêmentit 0,7 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 59 60 a Giản đồ pha Fe – Fe3C - ABCD đường lỏng; - AHJECF đường đặc; - ECF đường tinh; - C điểm tinh; - PSK đường tích; - S điểm tích; - ES - Giới hạn hoà tan C Fe; - PQ - Giới hạn hoà tan C Fe 0,76 A B C D E F G H J K L N P Q S – – – – – – – – – – – – – – – 1539C 1499C 1147C 1600C 1147C 1147C 911C 1499C 1499C 727C 0C 1392C 727C 0C 727C – – – – – – – – – – – – – – – 0%C 0,5%C 4,3%C 6,67%C 2,14%C 6,67 %C 0%C 0,1%C 0,16%C 6,67%C 6,67%C 0%C 0,02%C 0,006%C 0,76%C 0,76 10 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 61 62 b Các chuyển biến làm nguội chậm S - Chuyển biến bao tinh: (1499C) 0,1 + L0,5 0,16 - Sự tiết pha Fe3C dư khỏi dung dịch rắn C – Fe dung dịch: - Chuyển biến tinh: (1147C) hay [P + Fe3CK] hay 0,76 [0,02 + Fe3C6,67] H + LB j hay - Chuyển biến tích: (727C) LC (E + Fe3CF) + Trong Fe theo đường ES; L4,3 (2,14 + Fe3C6,67) + Trong Fe theo đường PQ 0,76 0,76 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 63 64 c Tổ chức pha + Xêmentit thứ (XeI) ❖ Xêmentit (Xe - Fe3C) tạo thành từ dung - Là pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp với 6,67%C; dịch lỏng theo đường DC - Độ cứng Xe cao (khoảng 800 HB) cứng giòn; từ - Xe phân thành ba loại: tinh thể thớ to + XeI; 1600C1147C với - XeI tạo thành + XeII; %C > 4,3% + XeIII 0,76 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 66 65 + Xêmentit thứ hai (XeII) tạo thành từ dung dịch rắn Austenit theo đường ES khoảng nhiệt độ từ 1147727C, độ hoà tan Carbon Fe giảm từ 2,14% 0,76%: - XeII tạo thành %C > 0,76%; + Xêmentit thứ ba (XeIII) tạo thành từ dung dịch rắn Ferit theo đường PQ, nhiệt độ A1 > Ar1 Ac3 > A3 > Ar3 Accm > Acm > Arcm 0,7 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 77 ❖ Gang hợp kim Fe - C với thành phần C > 2,14% - Gang giịn khơng thể biến dạng được; - Gang có tính đúc tốt; - Gang theo giản đồ trạng thái Fe – C gang trắng 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON - Tất loại thép có tổ chức tính khác Khi nung nóng đường GSE có chung pha là: - Thép coi vật liệu dẻo - Thép có tính đúc thấp 0,76 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 78 b Các loại thép, gang theo giản đồ pha Fe – C ❖ Tổ chức tế vi thép Carbon + Thép trước tích – Có hàm lượng carbon: C = 0,1 0,7% – Với tổ chức tế vi là: Ferít (sáng) + Peclit (tối) Khi C 0,05 thép có tổ chức tế vi Ferít coi sắt nguyên chất 0,76 13 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 79 80 Fe3C Các thành phần bên trái tích (0,020,76%C) hợp kim trước tích Peclit Fe3C trước tích tích (Nhỏ thành phần tíchtheo tiếng Hy Lạp) 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 81 trước tích Peclit 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 82 Khi hợp kim có thành phần tích (0,76%C) làm nguội chậm tạo thành peclit, tổ chức hai pha dạng lớp tấm: -ferit Xêmentit (Fe3C) Các lớp pha xen kẽ peclit hình thành lý tương tự tổ chức dạng lớp tổ chức tinh: phân bố lại nguyên tử C ferit (0,02%) xêmentit (6,67%) khuếch tán nguyên tử + Thép tích – Có hàm lượng C = 0.76 % – Với tổ chức tế vi Peclít (P) Peclit Các hợp kim trước tích chứa ferit trước tích (được hình thành nhiệt độ tích) với peclit tích mà chứa ferit tích xêmentit Peclit hạt 0,76 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 84 83 - Về mặt học, peclit có tính chất trung gian ferit mềm, dẻo xêmentit cứng, giòn - Trong ảnh hiển vi, vùng tối lớp Fe3C tấm, pha sáng -ferit + Thép sau tích – Có hàm lượng C > 0,76% – Với tổ chức tế vi P + XeII Biên giới hạt Austenite Xêmentit (Fe3C) Hướng phát triển peclit Sự khuếch tán cacbon 0,76 14 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 85 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 86 Các thành phần bên phải Fe3C Fe3C tích (0,762,14%C) hợp kim sau tích (Lớn thành phần tích-theo tiếng Hy Lạp) 4.4 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON 87 Các hợp kim sau tích chứa xêmentit trước tích (được hình thành nhiệt độ tích) với peclit mà chứa ferit tích xêmentit Các Peclit Fe3C trước tích Fe3C trước tích Peclit Fe3C tích 15 ... 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 26 25 c Cấu tạo giản đồ trạng thái hai nguyên - Đối với kim loại nguyên chất Giản đồ pha Fe (Giản. .. 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 4.3.4 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại ba Giản đồ trạng thái hai nguyên A B hoà tan vơ hạn vào trạng thái lỏng, hồ tan có hạn vào trạng thái. .. 4.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN 23 4.3.1 Khái niệm giản đồ trạng thái a Định nghĩa Giản đồ trạng thái giản đồ biểu thị biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ thành phần hoá học hệ trạng
