TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG.BÀI GIẢNG HỌC PHẦN VẬT LIỆU CƠ KHÍ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN VẬT LIỆU CƠ KHÍ (Lưu hành nội ) Người biên soạn: Hoàng Việt Nam Hồng Minh Thuận ng Bí, năm 2010 CHƯƠNG I CẤU TẠO TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI 1.1 Khái niệm đặc điểm kim loại 1.1.1 Định nghĩa kim loại Kim loại nguyên tố hố học tạo nên với tính chất đặc trưng dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt có ánh kim Hiện có 85 nguyên tố kim loại (VD: Sắt Fe; Đồng Cu; Nhôm AL; Kẽm Zn; ) 1.1.2 Đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại * Chất kết tinh chất vơ định hình: + Chất kết tinh (chất tinh thể): chất kết cấu rắn có dạng hình học xác định có đặc điểm: - Các nguyên tử xếp có hệ thống; - Khi nung lên nhiệt đ ộ cao chuyển từ thể rắn sang thể lỏng + Chất vô định hình: chất có hình dạng khơng xá định thuỷ tinh, keo, sáp, nhựa thơng, hắctín, thuỷ ngân, có đặc điểm sau: - Các ngun tử xếp khơng có hệ thống; - Khi nung lên nhiệt độ cao chuyển từ thể rắn sang thể nhão sang thể lỏng; - Bề mặt gẫy nhẵn khơng có dạng hạt * Cấu tạo tinh thể kim loại: Z c a Y b X a) b) Hình 1.1 Ơ sở thơng số mạng mạng vật rắn tinh thể Tất kim loại trạng thái rắn đ ều chất có cấu tạo tinh thể Trong chất có cấu tạo tinh thể, nguyên tử, ion chiếm vị trí định khơng gian hay nói cách khác, chúng xếp theo trật tự, quy luật định tạo nên mạng tinh thể.Trong mạng tinh thể, nguyên tử dao động xung quanh nút mạng tinh thể dao động quanh vị trí cân Hình 1.1a biểu diễn phần mạng tinh thể (mạng tinh thể lập phương đơn giản) iơn kim loại biểu diễn vịng trịn nhỏ nằm nút hình lập phương gọi nút mạng Phần nhỏ đặc trưng cho loại mạng tinh thể gọi (hình 1.1b) xếp liên tiếp ô ta mạng tinh thể Khi nghiên cứu mạng tinh thể đó, ta cần nghiên cứu ô đủ Mạng tinh thể thường gặp kim loại có kiểu sau: - Mạng lập phương thể tâm: Trong ô kiểu mạng này, ion nằm nút (đỉnh) tâm hình lập phương; số ngun tử có Hình 1.2 Mạng lập phương t hể tâm - Mạng lập phương diện tâm: Trong ô bản, ion nằm nút (đỉnh) hình lập phương nằm trung tâm mặt hình lập phương; số ngun tử Hình 1.3 Mạng lập phương diện tâm - Mạng lục giác xếp chặt: Cấu trúc lăng trụ lục giác Hai đáy hai tiết diện lục giác đều, đáy có nguyên tử đỉnh ngun tử nằm tâm đáy; ngồi cịn có nguyên tử nằm cách cách đáy; số nguyên tử ô Hình 1.4 Mạng lục giác xếp chặt 1.1.3 Liên kết kim loại Trong kim loại phần lớn nguyên tử nhường bớt điện tử để trở thành ion dương điện tử trở thành điện tử tự Các điện tử không bị chi phối nguyên tử Giữa ion dương vớ i điện tử với tồn lực đẩy, ion điện tử sinh lưc hút Sự cân lực sở liên kết kim loại Đây dạng liên kết quan trọng kim loại, nhờ mối liên kết mà kim loại có tính dẻo cao Hình1.51.5 Liên kết kim loại 1.2 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại nguyên chất 1.2.1 Các khái niệm mạng tinh thể Trong kim loại thực tế ngun tử khơng hồn tồn nằm vị trí cách trật tự nói mà ln ln có số ngun tử nằm sai vị trí gây nên sai lệch mạng Trong thực tế khơng có kim loại ngun chất tuyệt đối Do kim loại có tạp chất Kích thước ngun tử lạ ln khác ngun tử kim loại nên gây sai lệch mạng tinh thể Sai lệch mạng tinh thể chiếm số lượng thấp (1-2% thể tích mạng) ảnh hưởng lớn đến tính kim loại 1.6 1.2.2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp kim loại Trong kim loại thông dụng thường gặp ba kiểu mạng tinh thể sau : a) Lập phương tâm khối (thể tâm A2): Các nguyên tử nằm đỉnh trung tâm khối lập phương Nếu coi nguyên tử hình cầu biểu diễn gần thật nguyên tử nằm đỉnh chéo khối lập phương tiếp xúc với qua nguyên tử trung tâm Các ngun tử cịn lại khơng tiếp xúc với Kiểu mạng có kim loại Fea, Cr, Mo,V Khoảng cách gần Kiểu mạng có thơng số mạng a b) Lập phương tâm mặt (diện tâm A1) : Các nguyên tử nằm đỉnh tâm mặt bên khối lập phương Nếu coi n guyên tử hình cầu biểu diễn gần thật nguyên tử nằm đỉnh tâm mặt bên tiếp xúc với nhau.Các ngun tử cịn lại khơng tiếp xúc với Khoảng cách gần hai nguyên tử d a a r  kiểu mạng có thơng số mạng a Thường gặp kim loại Feg, Cu, Ni, Al, Pb c) Sáu phương xếp chặt (lục giác xếp chặt A3): Các nguyên tử nằm đỉnh tâm hai mặt đáy hình lăng trụ lục giác Ba nguyên tử nằ m trung tâm ba lăng trụ tam giác cách nhau.Mạng sáu phương xếp chặt có hai thơng số mạng a c, tỷ số c/a gọi hệ số xếp chặt Hình 1.7 Mơ hình cách xấp ngun tử khối sở a) Lập phương tâm mặt b) Lập phương tâm khối c) Sáu phương xếp chặt c  1,633 Trong thực tế tỉ số c/a không Trong trường hợp lý tưởng  a 1,633 mà dao động trong khoảng 1,57  1,64 coi xếp chặt Các kim loại có kiểu mạng là: Zn, Cd, Coa, Mg, Ti, Ru d) Chính phương tâm khối (thể tâm): Trong tổ chức thép sau tơi (mactenxit) cịn có kiểu mạng phương tâm khối Có thể coi kiểu mạng lập phương tâm khối kéo dài theo chiều Nó có hai thơng số mạng a c, tỉ số c/a gọi độ phương.Trong thực tế xếp nguyên tử kim loại theo xu hướng dày đặc Do khơng có kim loại có kiểu mạng đơn giản phương tâm khối 1.8 1.2.3 Tính thù hình kim loại a) Khái niệm ví dụ: Khá nhiều kim loại có nhiều kiểu mạng tinh thể khác khoảng nhiệt độ áp suất khác nhau, tính chất gọi tính đa hìn h Nhiệt độ mà kim loại chuyển từ kiểu mạng sang kiểu mạng khác gọi nhiệt độ tới hạn chuyển biến đa hình Nhiệt độ cịn phụ thuộc vào tốc độ nung nóng, tốc độ làm nguội trạng thái ban đầu kim loại Các dạng đa hình khác nguyên tố đượ c ký hiệu chữ Hy lạp cổ: , ,  Trong a ký hiệu cho dạng đa hình nhiệt độ thấp nhất, chữ lại ký hiệu nhiệt độ cao b) Sự thay đổi tính chất có chuyển biến đa hình: Khi có chuyển biến đa hình kim loại có thay đổi tinh chất chúng - Thể tích riêng thay đổi: Từ Fe sang Fe thể tích có giảm khoảng 1% Từ Sn sang Sn thể tích tăng lên 25% - Thay đổi tính: từ Sn  sang Sn độ bền khơng cịn - Thay đổi lý tính: xếp nguyên tử có thay đổi nên nhiệt dung, điện trở biến đổi Sự thay đổi tính chất kim loại chuyển biến đa hình nghiên cứu kỹ lưỡng để tận dụng tính chất có lợi ngăn ngừa mặ t bất lợi Tính đa hình sắt sử dụng nhiều nhiệt luyện 1.2.4 Đơn tinh thể đa tinh thể a) Tính có hướng tinh thể: Mạng tinh thể ln ln thể tính có hướng (dị hướng) nghĩa theo hướng khác tính chất mạn g (cơ ,lý , hóa tính ) khác Tính có hướng cấu tạo mạng tinh thể, phương mặt khác có mật độ ngun tử khơng giống Theo phương có mật độ nguyên tử lớn liên kết bền nên có độ bền lớn phương có mật độ nguyên tử bé Ví dụ: Tinh thể đồng theo phương khác có độ bền kéo thay đổi từ 140 đến 250MN/m2 Tinh thể ma giê (mạng sáu phương xếp chặt) có điện trở: theo trục a có  = 4,53.10-6cm, theo trục c có  = 3,78.10-6cm b) Đơn tinh thể đa tinh thể : Đơn tinh thể: Nếu vật tinh thể có mạng thống phương khơng thay đổi tồn thể tích gọi đơn tinh thể Để hình dung đơn tinh thể ta lấy khối sở tịnh tiến theo ba trục tọa độ với đoạn chu kỳ tuần hồn mạng (thơng số mạng) đơn tinh thể Trong thực tế số khống vật tồn đơn tinh thể tự nhiên Với kim loại để có tinh thể phải áp dụng công nghệ đặc biệt "nuôi" đơn tinh thể Ngày người ta chế tạo đơn tinh thể kim loại có kích thước nhỏ, dài khoảng 3,5cm Một số đơn tinh thể, đặc biệt khống vật, có bề mặt ngồi nhẵn, hình dáng xác định, mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất) Tính chất tiêu biểu đơn tinh thể tính có hướn g (dị hướng) theo hướng khác có mật độ nguyên tử khác Đơn tinh thể chủ yếu sử dụng công nghiệp bán dẫn vật liệu kỹ thuật điện Đa tinh thể: kim loại có cấu tạo gồm nhiều tinh thể Mỗi tinh thể gọi hạt Đa tinh thể có đặc điếm sau: - Do định hướng mạng tinh thể hạt ngẫu nhiên nên phương mạng giứa hạt lệch góc - Tại vùng biên giới hạt mạng tinh thể bị xô lệch - Đa tinh thể có tính đẳng hướng Do thực tế ki m loại thường gặp có tính đồng theo phương Nếu đem kéo, cán kim loại với mức độ biến dạng lớn kim loại lại thể tính có hướng Ví dụ: dây thép kéo nguội với độ biến dạng lớn (làm dây cáp cần cẩu, cáp treo, dây phanh xe đạp ) độ bền theo phương dọc sợi lớn nhiều so với phương ngang sợi 1.3 Các sai lệch mạng tinh thể 1.3.1 Sai lệch điểm a) Các sai lệch điểm: Là sai lệch có kích thước bé theo ba chiều đo (vài thơng số mạng), có dạng điểm hay bao quanh điểm Gồm loại sau đây: - Nút trống: nút mạng khơng có ngun tử chiếm chỗ - Các nguyên tử nằm xen nút mạng - Các nguyên tử lạ nằm nút mạng hay xen nút mạng Do có sai lệch mạng nên nguyên tử nằm xung quanh sai lệch nằm khơng vị trí quy định Ví dụ: nút trống làm nguyên tử xung quanh có xu hướng xích lại gần nhau, nguyên tử xen nút mạng làm nguyên tử xung quanh có xu hướng bị dồn ép lại Số lượng nút trống nguyên tử xen n út mạng có xu hướng phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ tăng số lượng chúng nhiều, nhiên không vượt 1-2% Kim loại bẩn khả nguyên tử lạ chui vào mạng tinh thể nhiều số lượng sai lệch điểm tăng 1.3.2 Sai lệch đường Là sai lệch có kích thước lớn theo chiều đo bé theo hai chiều đo cịn lại Nó có dạng đường thẳng, đường cong, đường xoắn ốc Bao gồm loại sau : - Một dãy nút trống hay sai lệch điểm khác - Lệch: dạng sai lệch đường quan trọn g có tính ổn định cao 1.3.3 Sai lệch mặt sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo bé theo chiều đo lại Nó có dạng mặt cong, mặt phẳng Gồm loại sau: biên giới hạt, mặt trượt, mặt song tinh, mặt tinh thể 1.4 Các phương pháp nghiên cứu kim loại hợp kim 1.4.1 Phương pháp mặt gẫy Đây phương pháp đơn giản Ta quan sát bề mặt kim loại nơi gãy vỡ phát vết nứt lớn, xác định độ hạt lẫn xỉ lớn Từ sơ k ết luận chất lượng kim loại 1.4.2 Phương pháp tổ chức thô đại Bẻ gãy mẫu kim loại mài phẳng giấy mài Trên bề mặt mặt phát được: bọt khí, rỗ nứt, lẫn xỉ Nếu cho ăn mịn nhẹ hóa chất thích hợp thấy tổ chức thớ, nhánh cây, hạt lớn, phân bố phôt pho, lưu huỳnh thép Thường dùng để phát tổ chức thớ vật cán rèn, phân bố vùng tinh thể thỏi đúc CHƯƠNG II HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI 2.1 Khái niệm hợp kim 2.1.1 Định nghĩa hợp kim Hợp kim vật thể nhiều nguyên tố mang tính kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim ) Nguyên tố chủ yếu hợp kim nguyên tố kim loại Hợp kim tạo nên nguyên tố kim loại với nhau, hay nguyên tố kim loại phi kim loại Ví dụ: - Thép bon hợp kim nguyên tố kim loại phi kim loại (Fe + C) - La tông hợp kim hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn) Thành phần nguyên tố hợp kim biểu th ị theo phần trăm khối lượng nguyên tố Tổng thành phần hợp kim luôn 100% Đôi người ta dùng tỷ lệ phần trăm nguyên tư 2.1.2 Các đặc tính hợp kim Đặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thông thường khác với đặc tính kim loại hợp thành, đơi cịn khác hẳn Hợp kim ln cho ta đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất hợp thành Ví dụ, thép(hợp kim sắt) có độ bền vượt trội so với kim loại hợp thành sắt Đặc tính vật lý hợp kim khơng khác nhiều kim loại hợp kim hoá, mật độ, độ kháng cự, tính điện hệ số dẫn nhiệt, đặc tính khí hợp kim lại có khác cách rõ rệt, độ bền kéo, độ bền cắt, độ cứng, khả chống ăn mịn Khơng giống kim loại ngun chấ t, nhiều hợp kim khơng có điểm nóng chảy định Thay vì, chúng có miền nóng chảy bao gồm trạng thái khối chất rắn hòa lẫn với khối chất lỏng Điểm nhiệt độ bắt đầu chảy gọi đường đơng đặc hồn thành việc hóa lỏng hoàn toàn gọi đường pha lỏng giản đồ trạng thái hợp kim 2.1.3 Các khái niệm hợp kim a) Cấu tử (còn gọi nguyên): nguyên tố (hay hợp chất hóa học bền vững) cấu tạo nên hợp kim Chúng thành phần độc lập b) Hệ (đơi cịn gọi hệ thống): tập hợp vật thể riêng biệt hợp kim điều kiện xác định c) Pha: tổ phần đồng hệ (hợp kim) có cấu trúc tính chất cơ, lý, hóa xác định, pha có bề mặt phân cách Ví dụ: - Ta có hệ gồm nước đá nước Hệ có cấu tử ợp h chất H2O có hai pha : rắn (nước đá), lỏng (nước) - Một chi tiết la tơng pha: Hệ có hai cấu tử Cu Zn có pha  (dung dịch rắn hai cấu tử trên) d) Trạng thái cân (ổn định): Hệ trạng thái cân pha có lượng tự nhỏ điều kiện nhiệt độ, áp suất thành phần xác định Tức đặc tính hệ khơng biến đổi theo thời gian Thông thường hệ với pha trạng thái cân có độ bền, độ cứng thấp nhất, khơng có ứng suất bên trong, xơ lệch mạng tinh thể thấp hình thành với tốc độ nguội chậm 10 e) Trạng thái không cân (không ổn định): Khi thay đổi nhiệt độ áp suất làm tăng lượng tự hệ trở nên trạng thái khơg cân Lúc hệ chuyển biến sang trạng thái cân có lượng tự nhỏ Nói chung trạng thái khơng cân khơng ổn định, ln có xu hướng tự biến đổi sang trạng thái cân bằng, ổn định Trong thực tế số trạng thái không cân tồn lâu dài, nhiệt độ thường chuyển biến xảy chậm không nhìn thấy Trạng thái khơng cân thường có độ bền, độ cứng cao nên sử dụng nhiều thực tế (tổ chức mactenxit sau tơi) Trạng thái khơng cân hình thành với tốc độ nguội nhanh f) Trạng thái giả ổn định: Trạng thái giả ổn định tồn trạng thái cân (ổn định) tuyệt đối tồn lý thuyết, tức phải nung nóng hay làm nguội vơ chậm mà thực tế khó xảy Vậy giả ổn định thực chất không ổn định thực tế lại tồn cách ổn định nung nóng hay làm nguội phạm vi 2.2 Các pha tính chất pha hợp kim 2.2.1 Dung dịch rắn Cũng giống dung dịch lỏng, dung dịch rắn ta không phân biệt cách học nguyên tử cấu tử, nguyên tử chúng phân bố xen vào mạng tinh thể Cấu tử có số lượng nhiều hơn, giữ kiểu mạng gọi dung mơi Các cấu tử lại gọi chất hòa tan Dung dịch rắn pha đơng có cấu trúc mạng tinh thể cấu tử dung môi thành phần thay đổi phạm vi định mà không làm đồng Ký hiệu dung dịch rắn A(B) Dung dịch rắn chia làm hai loại: dung dịch rắn thay dung dịch rắn xen kẽ 2.2.2 Các pha trung gian Trong hợp kim khơng có loại hợp chất hóa học hóa trị thường Các hợp chất hóa học tồn hợp kim thường gọi pha trung gian trê n giản đồ pha nằm vị trí trung gian dung dịch rắn hai đầu mút a) Khái niệm phân loại : Các hợp chất hóa học tạo thành theo quy luật hóa trị thường có đặc điểm sau: - Có mạng tinh thể phức tạp khác hẳn mạng nguyên tố thành phần - Ln ln có tỷ lệ xác nguyên tố đượ biểu diễn công thức hóa học định -Tính chất khác hẳn ngun tố thành phần, độ cứng cao, tính dịn lớn - Có nhiệt độ nóng chảy xác định, hình thành phản ứng tỏa nhiệt Các pha trung gian hợp kim có đặc điểm khác với hợp chất hóa học theo hóa trị, là: - Khơng tn theo quy luật hóa trị - Khơng có thành phần xác - Có liên kết kim loại Các pha trung gian hơp kim thường gặp là: pha xen kẽ, pha điệ n tử, pha Laves, pha  b) Pha xen kẽ: 11 Là pha tạo nên kim loại chuyển tiép (Fe, Cr, Mo, W ) có đường kính ngun tử lớn với phi kim loại (H, N, C ) có đường kính ngun tử bé Kiểu mạng pha xen kẽ xác định theo quan hệ đườ ng kính nguyên tử kim loại phi kim loại: - Nếu dA/dK < 0,59 (dA - đường kính nguyên tử phi kim loại, d K - đường kính ngun tử kim loại) pha xen kẽ có kiểu mạng đơn giản : tâm khối, tâm mặt, sáu phương xếp chặt Các nguyên tử phi kim loại xen k ẽ vào lỗ hổng mạng Chúng có cơng thức đơn giản : K4A (Fe4N), K2A (W2C), KA (NbC, NbH, TiC), KA2 (TiH2) Với K kim loại, A phi kim loại - Nếu d A/dK > 0,59 pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp cơng thức phức tạp K3A (Mn3C), K7A3 (Cr7C3), K23A6 (Cr23C6) Đặc điểm pha xen kẽ nói chung có nhiệt độ chảy cao (thường > 30000C) có độ cứng lớn (2000  5000 HV), có tính dịn lớn Chúng có vai trị lớn việc nâng cao tính chống mài mòn chịu nhiệt hợp kim c) Pha điện tử (Hum-Rozêri): Là pha trung gian có cấu tạo phức tạp, tạo nên hai kim loại Thành phần sau: - Nhóm một: gồm kim loại hóa trị Cu, Ag, Au kim loại chuyển tiếp: Fe, Ni, Co, Pt, Pd - Nhóm hai: kim loại hóa trị hai, ba, bốn:Be, Mg, Zn, Cd, Al, Si, Sn Nồng độ điện tử N có giá trị xác định 3/2, 21/13 7/4 (21/14, 21/13, 21/12) Mỗi giá trị nồng độ điện tử ứng với kiểu mạng tinh thể Ví dụ: - N = 3/2 pha  với kiểu mạng lập phương tâm khối, hay lập phương phức tạp, hay sáu phương (Cu5Sn, Cu5Si) - N = 21/13 pha  với kiểu mạng lập phương phức tạp (Cu31Sn8) - N = 7/4 pha  với kiểu mạng sáu phương xếp chặt (AgCd3) d)Pha Laves: Là pha tạo nên hai ngun tố (A, B), có tỷ lệ đường kính nguyên tử dA/dB=1,2 (tỷ lệ biến đổi phạm vi 1,1  1,6), có cơng thức AB2, kiểu mạng sáu phương xếp chặt (MgZn2) hay lập phương tâm mặt (MgCu2) Trong hợp kim cịn gặp pha: s , l , d , m Tuy nhiên loại pha phổ biến Một đặc tính quan trọng pha trung gian cứng dịn Vì khơng người ta dùng hợp kim có pha pha trung gian Tỷ lệ chúng hợp kim thông thường < 10% (có đến 20  30%), pha cản trượt làm tăng độ bền, độ cứng 2.2.3 Hỗn hợp học Khá nhiều trường hợp, hợp kim có tổ chức hai hay nhiều pha : hai dung dịch rắn, dung dịch rắn pha trung gian Cấu tạo gọi hỗn hợp học 12 Trên tổ chức tế vi ta phân biệt rõ pha khác hỗn hợp học Hai trườn g hợp điển hình hỗn hợp học tinh tích 2.3 Giản đồ trạng thái hệ hợp kim hai nguyên 2.3.1 Khái niệm giản đồ trạng thái Định nghĩa: Giản đồ pha giản đồ biểu thị biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ thành phần hệ trạng thái cân Cần ý biến đổi hoàn toàn phù hợp với hợp kim trạng thái cân (làm nguội vô chậm), trường hợp làm nguội thơng thường có số sai khác Tuy giản đồ pha sở để xác định cấu t rúc hợp kim Cấu tạo: Giản đồ pha hệ hợp kim (còn gọi giản đồ trạng thái, cân bằng) biểu thị mối quan hệ nhiệt độ, thành phần số lượng pha trạng thái cân Các hệ hợp kim khác có giản đồ pha khác Giản đồ pha xây dựng thực nghiệm Hiện người ta xây dựng hầu hết giản đồ pha hai cấu tử, ba cấu tử hệ thường gặp Công dụng: Giản đồ pha hợp kim hai cấu tử có cơng dụng lớn thực tế Từ giản đồ pha xác định được: - Cấu tạo pha hệ hợp kim nhiệt độ thành phần khác Từ cấu tạo pha ta suy đốn tinh chất hợp kim cụ thể - Thành phần tỷ lệ pha hợp kim quy tắc đòn bẩy: Từ ba điểm biểu diễn hợp kim (thành phần hai pha) tạo hai đoạn th ẳng mà độ dài mà độ dài đoạn biểu thị tỷ lệ pha đối diện hợp kim Cụ thể sau: Độ dài đoạn thẳng phải Lượng pha trái = Độ dài đoạn t hẳng trái Lượng pha phải - Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha hợp kim, từ xác định nhiệt độ rèn, cán, đúc - Các chuyến biến pha, dự đoán tổ chức tạo thành trạng thái không cân 2.3.2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại Hệ cấu tử khơng có biến đổi thành phần hố học nên có trục, người ta ghi nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chuyển biến pha 13 Tên hình vẽ 2.3.3 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại hai Giản đồ pha hệ hai cấu tử gồm hai trục: trục tung biểu diễn nhiệt độ, trục hồnh biểu diễn thành phần hóa học (thường theo % khối lượng) Trong hệ trục người ta vẽ đường phân chia giản đồ thành khu vực có tổ chức pha giống Các điểm đường nằm ngang biểu thị cho h ợp kim có thành phần khác nhiệt độ Đi từ trái qua phải tỷ lệ cấu tử B tăng dần lên, cấu tử A giảm ngược lại Các điểm nằm đường thẳng đứng biểu thị cho hợp kim có thành phần xác định nhiệt độ khác Nếu hợp kim có hai pha điểm biểu diễn chúng phải nằm hai phía đối diện với điểm biểu diễn hợp kim 2.4 Giản đồ trạng thái sắt – bon 2.4.1 Đặc điểm nguyên (sắt bon) a) Cấu tử sắt: Sắt nguyên tố có nhiều tự nhiên Hiện người ta luyện sắt với độ 99,99999% Fẹ Trong thực tế sản xuất người ta thường nghiên cứu với sắt có lượng chứa 99,8 - 99,9% Sắt gọi sắt nguyên chất kỹ thuật (sắt am kô) * Cơ tính: Sắt ngun tố có tính cao, cụ thể sa u: - Giới hạn bền kéo : s b = 250 MN/m2 (MPa) - Giới hạn chảy quy ước : s 0,2 = 120MN/m2 - Độ giãn dài tương đối : d % = 50 - Tính chất vật liệu giản đồ phạ - Độ thắt tỷ đối: y % = 85 - Độ dai va đập: ak = 3000 Kj/m2 - Độ cứng HB = 80 * Tính đa hình sắt: Sắt kim loại có tính đa hình, có hai kiểu mạng tinh thể khoảng nhiệt độ khác nhau: - Mạng lập phương tâm khối tồn nhiệt độ : + Nhỏ 911oC gọi sắt an pha có a = 2,68 Kx Dưới 768 OC có từ tính, cao nhiệt độ từ tính Tại nhiệt độ cao 768 0C gọi sắt bê ta, có a = 2,90Kx + Từ 1392oC đến 1539oC gọi sắt đen ta có a = 2,93Kx - Mạng lập phương tâm mặt tồn nhiệt độ: 911oC < to < 1392oC gọi sắt gamma, có a = 3,56 Kx * Khả hòa tan bon sắt : Hai loại mạng tinh thể sắt có khả hịa tan bon dạng xen kẽ khác nhaụ Đường kính ngun tử bon 1,54Kx Trong lỗ hổng lớn mạng tâm khối có d = 0,64Kx Mạng lập phương tâm mặt có số lỗ hổng kích thước lại l ớn hơn, d = 1,02Kx Về ngun tắc sắt khơng thể hòa tan bon Tuy nhiên thực tế sắt an pha hòa tan 14 0,02%C 727OC, sắt đen ta hòa tan 0,10%C 1499 OC Sắt gama hòa tan 2,14%C 1147 OC Người ta cho bon chui vào nơi có nhiều sai lệch mạng Với sắt gama hịa tan tối đa khoảng 10% nguyên tử sắt b) Cấu tử bon: Trong tự nhiên bon tồn ba dạng : than đá (vơ định hình), kim cương graphít (có cấu tạo mạng tinh thể) Trong hợp kim Fe - C bon tồn tự dạng graphít (trong loại gang có graphít) 2.4.2 Tương tác sắt bon Khi lượng hòa tan bon vào sắt vượt giới hạn dung dịch rắn tạo nên hợp chất hóa học: Fe 3C (6,67%C), Fe2C (9,67%C) FeC (17,67%C) Tuy nhiên hợp kim sắt bon sử dụng giới hạn khoảng 5%C nên có Fe 3C hợp chất có tên xêmentit Xêmentit pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp, nhiệt độ nóng chảy khoảng 1250 0C có độ cứng cao khoảng 800HB Ở nhiệt độ nhỏ 217OC có từ tính Lớn nhiệt độ từ tính Khi hịa tan thêm ngun tố hợp kim (Cr, Mn, W ) dạng thay ta có xêmentit hợp kim (nguyên tố hợp kim thay vào vị trí sắt) 2.4.3 Dạng giản đồ 1600 1400 L+ A  D B H L J N 1200   E 1000 G  P S F+P (F+Xe)=P (F) 1147   F+XeII ( K (P+Xe) 600 400 F C (   800 L+XeI L+  P+XeII (P+Xe) + Xe P+XeII+(P+Xe) 200 Q 0,8 2,14 4,3 Täa độ điểm giản đồ trạng th¸i Fe – C Fe Tên bảng ThÐp Gang Nhiệt độ, Nhiệt độ, Điểm %C Điểm %C Điểm 0 C C A 1539 E 1147 2,14 P B 1499 0,51 C 1147 4,3 S H 1499 0,1 F 1147 6,67 K %C L 6,67 Nhiệt độ, %C C 727 0,02 727 0,8 727 6,67 15 J N 1499 0,16 D 6,67 Q 0,006  1600 1392 G 911 L 6,67 Trên giản đồ, đường ABCD đường lỏng, đường AHJECF đường đặc 2.4.4 T chc t vi ca thộp bon gang trắng theo giản đồ sắt – bon 2.1 a) Các tổ chức hợp kim Fe - Fe3C: * Tổ chức pha: - Pherit (ký hiệu  , F hay Fe ): dung dịch rắn xen kẽ bon Fe, có kiểu mạng lập phương tâm khối Là pha dẻo, dai, mềm bền, nhiệt độ nhỏ 768 OC có từ tính, cao nhiệt độ từ tính Khi hịa tan thêm ngun tố hợp kim Mn, Si, Ni độ bền tăng lên, độ dẻo dai giảm gọi phe rit hợp kim Pherit pha tồn nhiệt độ thường, chiếm tỷ lệ lớn (khoảng  90%) nên ảnh nhiều đến tính hợp kim Tổ chức hạt sáng, đa cạnh Gọi phe rit xuất phá t từ tiếng Latinh ferum nghĩa sắt - Austenit [ký hiệu  , As, Fe  (C)]: dung dịch r ắn xen kẽ bon Fe có mạng lập phương tâm mặt Là pha dẻo dai, độ cứng thấp Nó khơng có từ tính khơng tồn nhiệt độ thấp 727 OC hợp kim sắt bon nguyên chất, tồn nhiệt độ hợp kim chứa lượng đáng kể Mn, Ni Tuy không tồn nhiệt độ thường có vai trị định biến dạng nóng nhiệt luyện thép Tổ chức hạt sáng có song tinh Tên gọi austenit để kỷ niệm nhà vật liệu học người Anh: Rơbe Ơsten - Xêmentit (ký hiệu Xê, Fe 3C): pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, chứa 6,67%C có cơng thức Fe3C, tương ứng với đường DFKL Xêmentit pha cứng, dòn, nhiệt độ nhỏ 2170C có từ tính, cao nhiệt độ từ tính Cùng với ferit, tạo nên tổ chức khác hợp kim Fe - C Xêmentít xuất phát từ tên gọi cément có nghĩa cứng Ta phân biệt bốn loại xêmentit (Hình 2.1 -Tổ chức tế vi ferit (a) austenit (b)) 16 + Xêmentit thứ nhất: (XêI, Fe3CI): tạo thành từ hợp kim lỏng giảm nồng độ bon hợp kim lỏng theo đường DC nhiệt độ giảm Nó có hợp kim chứa > 4,3%C Do tạo thành từ trạng thái lỏng nhiệt độ cao nên có dạng thẳng, thơ to + Xêmentit thứ hai : (XêII, Fe3CII): tạo thành giảm nồng độ bon austenit theo đường ES hạ nhiệt độ từ 1147 OC đến 727OC, sinh hợp kim có > 0,80%C thấy rõ hợp kim chứa từ 0,80 đến 2,14%C Do tạo thành nhiệt độ không cao từ trạng thái rắn nên kích thước nhỏ mịn, thường có dạng lưới bao quanh hạt peclit (austenit) Hình 2.2 Tổ chức xêmentit dạng lưới thép sau tích + Xêmen tit thứ ba : (XêIII,, Fe3CIII): t ạo thành giảm nồng độ bon ferit theo đường PQ hạ nhiệt độ từ 7270C, thấy rõ hợp kim nhỏ 0,02%C Do tạo thành nhiệt độ thấp nên kích thước nhỏ mịn, số lượng khơng đáng kể, thực tế ta bỏ qua +Xêmentit tích: tạo thành chuyển biến tích austenit thành péc lit, có vai trị quan trọng hợp kim sắt bon * Các tổ chức hai pha: - Peclít [ký hiệu P hay (Fe  +Fe3C)]: hỗn hợp học tích phe rít xêmentit tạo từ chuyển biến tích austenit 727 OC Trong péc lít có 88% F 12% Xê Péc lít bền cứng đủ độ dẻo dai đáp ứng yêu cầu vật liệu kết cấu dụng cụ Tùy thuộc hình dạng xêmentít, péc lít chia làm hai loại péc lít péc lít hạt Nếu xêmentit dạng gọi péc lít tấm, có độ cứng cao hơn, dạng thường gặp thực tế Nếu xêmentit dạng hạt gọi péc lit hạt, độ cứng thấp hơn, dễ cắt gọt, ổn định Péc lít hạt gặp thực tế, nhận điều kiện cụ thể (ủ cầu hóa) Péc lít hạt có tính ổn định cao péc lít Tên gọi péc lít xuất phát từ peard có nghĩa vằn hay màu xà cừ 17 Hình 2.3- Tổ chức tế vi peclit (a) peclit hạt (b) - Lêđêburit [Lê hay ( + Fe3C), (P +Fe3C)]: hỗn hợp học tinh austenit xêmentit tạo thành từ hợp kim lỏng chứa 4,30%C 1147 0C Khi làm nguội 727 0C chuyển biến   P nên tổ chức lêđêburit gồm (P + Fe3C) Lêđêburit có dạng hình da báo, cứng dòn nên thường gọi tổ chức da báo Tên gọi lêđêburit để kỷ niệm nhà luyện kim người Đức: Lêđêbua b) Một số quy ước: * Thép gang: - Thép hợp chất s bon với hàm lượng bon nhỏ 2,14% Ngồi cịn có thêm mộ t số nguyên tố khác : Mn, Si, P, S - Gang hợp kim sắt bon với hàm lượng bon lớn 2,14% Ngoài cịn có thêm số ngun tố khác: Mn, Si, P, S Gang có tổ chức tương ứng với giản đồ pha Fe-C gọi gang trắng (mặt g ãy có màu sáng trắng, màu xêmentit) Gang trắng cứng dịn, khơng thể gia công cắt gọt Ranh giới để phân chia thép gang điểm E giản đồ pha Fe-C Căn vào hàm lượng bon có gang thép ta phân chia chúng thành nhiều loại khác - Thép chia làm ba loại : + Thép trước tích: loại thép có hàm lượng bon nhỏ 0,80%C, tổ chức cân gồm phe rit péc lit + Thép tích: loại thép có hàm lượng bon 0,80%C, tổ chức cân péc lit + Thép sau tích: loại thép có hàm lượng bon lớn 0,80%C, tổ chức cân gồm péc lit xêmentít thứ hai 2.4 18 - Gang trắng chia làm ba loại : + Gang trắng trước tinh: loại gang có hàm lượng bon nhỏ 4,30%C, tổ chức cân gồm có peclit, xêmentit thứ hai lêđêburit + Gang trắng tinh: loại gang có hàm lượng bon 4,30%C, tổ chức cân lêđêburit + Gang trắng sau tinh: loại gang có hàm lượng bon lớn 4,30%C, tổ chức cân gồm xêmentit thứ lêđêburit 2.5 - Các điểm tới hạn: Các nhiệt độ ứng với chuyển biến pha trạng thái rắn hợp kim sắt bon (chủ yếu dùng cho thép) gọi điểm tới hạn, chúng ký hiệu chữ A (viết tắt từ tiếng Pháp arêt có nghĩa dừng có chuyển biến pha nhiệt độ bị dừng lại) kèm theo số thứ tự 0, 1, 2, 3, cm Gồm có điểm tới hạn sau đây: + A0 - (2170C) nhiệt độ chuyển biến từ xêmentit, thấp nhiệt độ xêmentit có từ tính, cao nhiệt độ xêmentit từ tính + A1 - (7270C) ứng với đường PSK nhiệt độ chuyển biến austenit  peclit có tất loại thép + A2 - (7680C) gọi điểm Curi, ứng với đường MO, điểm chuyển biến từ phe rit, thấp nhiệt độ phe rit có từ tính, c ao nhiệt độ từ tính 19 + A3 - ứng với đường GS (911 0C  7270C) đường bắt đầu tiết phe rit từ austenit làm nguội kết thúc hòa tan phe rit vào austenit nung nóng, có thép trước cù ng tích + Acm - ứng với đường ES (1147 0C  7270C) đường bắt đầu tiết xêmentít từ austenit làm nguội kết thúc hòa tan xêmentit vào austenit nung nóng, có thép sau tích gang + A4 - ứng với đường NJ (1499  13920C) ứng với chuyển biến   Trong tất điểm tới hạn điểm A1, A3 Acm sử dụng nhiều chủ yếu nhiệt luyện thép Tuy nhiên giá trị nhiệt độ nêu trạng thái cân (nung nóng hay làm nguội vơ chậm, tốc độ nung nóng hay làm nguội  0) Trong thực tế tốc độ nung nóng hay làm nguội thường có giá trị xác định nên không phù hợp Tương tự tượng nguội (khi kết tinh) hay nung (khi nóng chảy) điểm tới hạn thấp hay cao làm nguội hay nung nóng, khác biệt lớn tốc độ cao Để phân biệt điểm tới hạn cho hai trường hợp làm nguội nung nóng ta thêm vào chữ r (refroidissement) làm nguội c (chauffage) nung nóng Với loại thép định ta có: Ar1 < A1