CHƯƠNG 3. CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI 78 3.1. Các khái niệm cơ bản 78 3.2. Các dạng cấu trúc hợp kim cơ bản 80 3.3. Giản đồ trạng thái của hợp kim 85 3.4.Giản đồ trạng thái Fe C 95 CHƯƠNG 3 CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI 78 3 1 Các khái niệm cơ bản 78 3 2 Các dạng cấu trúc hợp kim cơ bản 80 3 3 Giản đồ trạng thái của hợp kim 85 3 4 Giản đồ trạng thái Fe C 95 CHƯƠNG 3 CẤU.
CHƯƠNG CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI 3.1 Các khái niệm 3.2 Các dạng cấu trúc hợp kim 3.3 Giản đồ trạng thái hợp kim 3.4.Giản đồ trạng thái Fe - C CHƯƠNG CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Trong kỹ thuật, đặc biệt chế tạo khí dùng kim loại nguyên chất, mà thường dùng hợp kim Do đó, chương khảo sát cấu tạo giản đồ trạng thái hợp kim 3.1 Các khái niệm 3.1.1 Khái niệm hợp kim Hợp kim hỗn hợp đồng mặt tổ chức từ hai ngun tố trở lên có nguyên tố kim loại nguyên tố kim loại đóng vai trị tức có hàm lượng lớn nhất, tính chất thể rõ rệt Hay định nghĩa hợp kim hỗn hợp kim loại với nhiều kim loại kim khac Ví dụ: Latong = hợp kim Cu Zn -> hợp kim đơn giản gồm nguyên tố Gang: Fe + Mn + Si C + P + S, nguyên tố Fe (kim loại )-> hợp kim phức tạp Nguyên tố kim loại > 50% gọi hay nguyên tố sở 3.1.2 Đặc điểm hợp kim - Hợp kim dễ sản xuất so với kim loại ngun chất - Hợp kim có nhiều tính chất tốt so với kim loại nguyên chất (như độ bền, độ cứng, tính chống mài mịn cao hơn) - Hợp kim tạo tính chất đặc biệt mà kim loại ngun chất khơng thể có - Hợp kim có giá thành rẻ so với kim loại ngun chất - Hợp kim có tính cơng nghệ cao so với kim loại nguyên chất thể ở: Tính dẻo: Khi sử dụng hợp kim cho tính dẻo cao, khả biến dạng dẻo tốt, dễ dàng cho việc gia cơng áp lực Tính đúc: Khi sử dụng hợp kim thu điều kiện nóng chảy thấp kim loại nguyên chất, tính chẩy loảng cao nên điền đầy lịng khn phức tạp Tính cắt gọt tốt Tính nhiệt luyện để hóa bền tốt Chính thực tế sử dụng hợp kim 3.1.3 Các định nghĩa hợp kim - Pha (F): cấu phần đồng hợp kim tổ chức trạng thái (khi trạng thái rắn phải có kiểu mạng thông số mạng), ngăn cách bề mặt phân pha đủ lớn - Hệ: tập hợp pha trạng thái cân (các pha tồn ổn định điều kiện bên xác định) không cân + Trạng thái không cân (3) = Không ổn định , thường gặp tơi -> tính (bền, cứng) cao -> Xu hướng (1 & 2) + Trạng thái giả ổn định (2) muốn sang (1) phải thắng ∆G Hình 3.1 Sơ đồ vị trí ổn định(1), giả ổn định (2) không ổn định (3) - Hệ cân bằng: hệ coi hệ cân qúa trình xảy hệ có tính thuận nghịch Qúa trình thuận nghịch: qúa trình mà có thay đổi yếu tố bên bên làm hệ biến đổi theo hướng Khi yếu tố bên ngồi thay đổi theo chiều ngược lại qua giai đoạn hướng biến đổi trước - Cấu tử (nguyên) (N): cấu phần độc lập hệ (có thể đơn chất hợp chất) có thành phần hóa học ổn định mà có nhiệm vụ cấu tạo nên tất pha hệ - Bậc tự hệ (T): số yếu tố bên (P, T0) bên (thành phần) thay đổi mà hệ không bị thay đổi trạng thái Quy tắc pha (Gibbs) để tính bậc tự do: T = N - F + Trong đó: N: số cấu tử cấu tạo nên hệ F: số pha hệ điểm tính bậc tự 2: số yếu tố bên (P, T0) Trong thực tế, coi P = const nên: T = N - F + (công thức Gibbs) Ý nghĩa bậc tự do: giúp biết trạng thái hệ Khi T = hệ suy biến thành điểm Nếu T = tức F = N + hệ vơ biến, hay khơng có yếu tố (nhiệt độ hay thành phần) thay đổi Ví dụ kim loại nguyên chất (N = 1) nóng chảy hay kết tinh tồn pha (F = nên T = 0), điều chứng tỏ kim loại nguyên chất nóng chảy sau kết tinh nhiệt độ khơng đổi (vì hệ ngun khơng có biến số thành phần hóa học) Nếu T = tức F = N hệ đơn biến tức có yếu tố (hoặc nhiệt độ thành phần) thay đổi Ví dụ hợp kim Cu - Ni nung nóng biến thành dung dịch lỏng, số pha F = nên T = N = 2, điều chứng tỏ q trình nóng chảy hợp kim Cu - Ni xảy khoảng nhiệt độ nhiệt độ q trình nóng chảy ta có thêm vào Cu (hoặc Ni) mà không làm thay đổi số pha hệ Nếu T = tức F = N - hệ nhị biến tức lúc thay đổi yếu tố nhiệt độ thành phần Ví dụ, phần lớn hợp kim ngun trạng thái lỏng hịa tan vơ hạn vào nên có tổ chức pha dung dịch lỏng, điều chứng tỏ trạng thái lỏng ta thay đổi thành phần nhiệt độ dễ dàng mà hợp kim có tổ chức pha 3.2 Các dạng cấu trúc hợp kim - Dung dịch rắn - Các pha trung gian - Hỗn hợp học 3.2.1 Dung dịch rắn 3.2.1.1 Khái niệm Dung dịch rắn dạng cấu trúc hợp kim tạo hai nguyên, nguyên bảo tồn kiểu mạng gọi dung mơi, ngun thứ hai hịa tan vào kiểu mạng gọi chất tan Hay định nghĩa sau dung dịch rắn hợp kim hay nhiều nguyên tố hòa tan vào mạng tinh thể kim loại chiếm đa số gọi Với thực tế, dung dịch rắn có nhiều chất tan Đặc điểm: Kiểu mạng dung môi, nồng độ chất tan thay đổi phạm vi mà không làm đồng 3.2.1.2 Phân loại dung dịch rắn Dựa vào kiểu hịa tan chất tan trọng mạng dung mơi, nghĩa kiểu xếp nguyên tử chất tan mạng tinh thể dung mơi dung dịch rắn phân thành: dung dịch rắn thay thế, dung dịch rắn xen kẽ dung dịch rắn có trật tự 3.2.1.2.1 Dung dịch rắn thay - Khái niệm: Dung dịch rắn thay dung dịch rắn nguyên tử chất tan chiếm chỗ nguyên tử dung mơi vị trí nút mạng Ngun tử chất tan Ngun tử dung mơi Hình 3.2 Dung dịch rắn thay - Đặc điểm: Dung dịch rắn thay giữ nguyên kiểu mạng dung môi tạo sai lệch điểm mạng tinh thể nên tạo ứng suất dư mạng dấu ứng suất dư phụ thuộc vào đường kính nguyên tử chất tan - Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế: Điều kiện kích thước: (3.1) với: d = dA - dB; (3.2) Trong đó: dA: đường kính ngun tử dung mơi dB: đường kính ngun tử chất tan Nếu sai khác đường kính ngun tử nhỏ dễ tạo dung dịch rắn thay - Các loại dung dịch rắn thay thế: Dung dịch rắn thay có dạng hịa tan vơ hạn hịa tan có hạn Dung dịch rắn thay hịa tan có hạn: tồn giới hạn hịa tan chất tan dung môi Tỉ lệ dung môi xA: xA + xB = Tỉ lệ chất tan xB: xB < Dung dịch rắn thay hòa tan vô hạn: xB = - Điều kiện tạo thành hịa tan vơ hạn: Hình 3.3 Sơ đồ thay để tạo dung dịch rắn hịa tan vơ hạn hai kim loại A B a.cùng kiểu mạng b Đường kính nguyên tử khác ( tính dẻo giảm, độ bền tăng Quá lớn -> gây giòn, dễ bị gãy vỡ -> chọn nồng độ thích hợp - Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt kim loại ngun chất, thay đổi tính chống ăn mịn Dung dịch rắn pha chiếm tới 90% chí tới 100% vật liệu kết cấu 3.2.2 Các pha trung gian 3.2.2.1 Khái niệm Các pha trung gian dạng cấu trúc hợp kim tạo cấu tử có kiểu mạng riêng biệt mình, khơng phụ thuộc vào kiểu mạng nguyên tạo Đặc điểm: - Có mạng tinh thể phức tạp khác hẳn với nguyên tố thành phần - có tỷ lệ xác ngun tố theo cơng thức hóa học AmBn - Tính chất: khác hẳn nguyên tố thành phần -> giịn - Có nhiệt độ chảy xác định, tạo thành tỏa nhiệt - Khác với hợp chất hóa học thơng thường, pha trung gian khơng hồn tồn tn theo quy luật hóa trị -> khơng có thành phần hóa học xác theo cơng thức, có liên kết kim loại 3.2.2.2 Các loại pha trung gian Các pha trung gian có nhiều loại khác phụ thuộc vào kích thước nguyên tử tương đối nguyên, hóa trị nguyên vị trí nguyên bảng hệ thống tuần hồn: - Hợp chất hóa học hóa trị - Pha xen kẽ - Pha điện tử - Pha Lavies - Pha - Cấu trúc khuyết 3.2.2.2.1 Hợp chất hóa học hóa trị Là pha tạo thành sở ngun tố có tính chất hóa học khác theo liên kết hóa trị (Fe2O3, FeO, Al2O3, SiO2 ) Loại pha gặp hợp kim 3.2.2.2.2 Pha xen kẽ Là pha tạo thành có kiểu mạng riêng hợp chất hóa học tạo nên kim loại nhóm chuyển tiếp có đường kính ngun tử lớn với kim có đường kính nguyên tử bé thỏa mãn điều kiện kích thước: - Khi dB/ dA < 0,59 tạo thành pha xen kẽ với kiểu mạng đơn giản nguyên tố kim loại, có kiểu mạng khác A B (pha xen kẽ đơn giản) Thường loại bít VC, WC, TiC Đặc điểm: Độ hạt nhỏ, độ cứng độ bền cao, dùng làm pha hóa bền lý tưởng cho hợp kim - Khi dB/ dA > 0,59 tạo thành pha xen kẽ có kiểu mạng tinh thể phức tạp, có tới hàng chục ô nguyên tử (pha xen kẽ phức tạp) Ví dụ : Fe 3C, Mn3C, Cr7C3 Đặc điểm: Có kiểu mạng phức tạp Tính chất: Có độ cứng, độ bền cao nhiệt độ nóng chảy cao Thường dùng hóa bền cho hợp kim làm việc nhiệt độ thường 3.2.2.2.3 Pha điện tử (Pha Hume – Rothery) Là pha tạo nên kim loại có hóa trị khác nhau, hình thành có kiểu mạng riêng phải thỏa mãn quy luật trị số nồng độ điện tử Ce Pha điện tử có ba dạng bản: - Pha : Ce = / - Có kiểu mạng lập phương thể tâm A2 - Pha : Ce = 21 / 13 - Có kiểu mạng lập phương phức tạp với 52 nguyên tử ô - Pha : Ce = / - Có kiểu mạng lục giác Với (3.6) Trong đó: nA, nB: số nguyên cấu tạo pha vA, vB: hóa trị ngun Ví dụ: Trong hợp kim Cu - Zn Các dạng cấu trúc: - Pha (CuZn): - Pha (Cu5Zn8): - Pha (CuZn3): Chú ý: Cấu tạo pha điện tử có tác dụng tính tốn số C e, từ kiểu mạng Bản thân pha điện tử tồn phạm vi thành phần Tính chất: Pha điện tử có độ hạt nhỏ, độ cứng độ bền cao Số lượng không lớn, vùng thành phần không rộng dùng việc hóa bền 3.2.2.2.4 Pha Laves Là hợp kim nhóm kim loại chuyển tiếp mà có thành phần khơng đổi thường biểu diễn công thức AB2 (MgCu2, CuZn2 ) Đặc điểm pha Laves: giịn làm giảm tính hợp kim, sản xuất hợp kim tránh xuất pha Laves Pha Laves có cấu trúc mạng tinh thể theo hệ lập phương lục giác 3.2.2.2.5 Pha Là pha trung gian có dải thành phần từ A4B AB4 Đặc điểm: pha có kiểu mạng phức tạp, tính giịn cao, vùng thành phần rộng làm giảm tính mạnh hợp kim, lựa chọn hợp kim tránh hình thành pha 3.2.3 Hỗn hợp học 3.2.3.1 Khái niệm Hỗn hợp học tổ chức hợp kim có hai pha tồn thể thống nhất, hai pha tạo lúc giữ nguyên bề mặt phân pha 3.2.3.2 Các loại hỗn hợp học - Hỗn hợp học tinh: dạng hỗn hợp học lúc kết tinh hai pha từ thể lỏng L [A + B] T=2-3+1=0 Phản ứng tinh xảy nhiệt độ thành phần xác định Đặc điểm hỗn hợp học tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp nên có tính đúc tốt, lại có tính giịn cao dẫn đến khó gia cơng áp lực - Hỗn hợp học tích: dạng hỗn hợp học tiết lúc thể rắn RA [RB + RC] T=0 Phản ứng tích xảy nhiệt độ thành phần xác định Đặc điểm hỗn hợp tích có độ bền độ cứng cao thích hợp với việc sản xuất sản phẩm yêu cầu tính tốt Tuy nhiên với độ cứng cao dẫn đến khó gia cơng áp lực 3.2.3.3 Thành phần tạo nên hỗn hợp học - Hai dung dịch rắn - Một dung dịch rắn + pha trung gian (phổ biến nhất) - Hai pha trung gian 3.3 Giản đồ trạng thái hợp kim 3.3.1 Khái niệm Giản đồ trạng thái hợp kim đồ thị xây dựng mối quan hệ tổ chức pha hợp kim phụ thuộc vào nhiệt độ Hay giản đồ biểu thị biến đổi thành phần trạng thái pha cân theo nhiệt độ thành phần hệ áp suất không đổi (1at) Các loại giản đồ trạng thái: - Giản đồ nguyên - Giản đồ hai nguyên - Giản đồ ba nguyên - Giản đồ bốn nguyên 3.3.2 Ý nghĩa phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái 3.3.2.1 Ý nghĩa - Dùng để xác định tổ chức hợp kim theo điều kiện bên bên (nhiệt độ thành phần) - Xác định trạng thái tới hạn hợp kim tất vị trí để phục vụ cho xử lí nhiệt luyện hợp kim - Lựa chọn phương án sản xuất hợp kim cách hợp lý 3.3.2.2 Phương pháp xây dựng - Hệ tọa độ giản đồ hai nguyên nhiệt độ thành phần - Thông thường xây dựng phương pháp phân tích nhiệt: Giả sử cần xây dựng giản đồ trạng thái hệ hai nguyên A B người ta chế tạo mẫu hợp kim có thành phần thay đổi từ 100%A 100%B Sau nung đến trạng thái lỏng hoàn toàn mẫu cho kết tinh với tốc độ kết tinh đủ chậm để đo, đánh dấu điểm chuyển biến nối điểm tính chất lại thu giản đồ trạng thái Hình 3.5 Phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái thực nghiệm 3.3.3 Một số loại giản đồ trạng thái hai nguyên 3.3.3.1 Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn trạng thái lỏng trạng thái rắn Phần lớn trường hợp hai nguyên hòa tan vô hạn trạng thái lỏng, số trường hợp hịa tan vơ hạn trạng thái rắn lại ít, trường hợp hệ: Cu - Ni; Au - Ag; Au - Pt; Fe - Ni; Au - Ni; Cr - Mo - Dạng giản đồ: 100%A I II III IV V 100%B 0C TA I 0C I TA L L+ m II n IV V III 100%A 0C LA RA L 0C I L+ 100%B L T=2 L T=1 TB TB A 100%A 100%A 100%B T=2 100%B Hình 3.6 Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn trạng thái lỏng trạng thái rắn - Các đường giản đồ: TA m TB: đường lỏng TA n TB: đường đặc : dung dịch rắn thay B A A B Điểm TA TB ứng với nhiệt độ nóng chảy hai kim loại nguyên chất tạo nên hệ hợp kim - Sự kết tinh kim loại điển hình: Trên điểm (1) - hợp kim lỏng LB RB B Từ điểm (1) đến (2) - lỏng chuyển sang rắn Dưới điểm (2) - kết thúc kết tinh - Đường nguội hợp kim điển hình: hình vẽ Phía đường lỏng vùng tồn dung dịch lỏng, phía đường đặc vùng tồn dung dịch rắn (), khoảng đường lỏng đặc gồm có pha: dung dịch rắn dung dịch lỏng, vùng ứng với kết tinh hay nóng chảy hợp kim - Đặc điểm hợp kim: Có tính dẻo cao đồng pha dung dịch rắn Ln xảy thiên tích sử dụng để sản xuất đúc * Quy tắc đòn bẩy để xác định thành phần pha hợp kim: Khảo sát hợp kim chứa x%B nhiệt độ t trạng thái biểu diễn điểm Q Giả sử nhiệt độ cho, hợp kim bao gồm pha M N, pha M có chứa x1%B, cịn pha N chứa x2%B Ta cần tìm lượng tương đối pha m n đơn vị hợp kim Ta thấy m.x lượng chứa B M; n.x2 lượng chứa B N nên: mx1 + nx2 = x m + n = (3.7) hay m = (3.8) 0C 0C Q M N n m 100%A x1 x2 x 100%B Hình 3.7 Quy tắc địn bẩy để xác định thành phần pha hợp kim 10 Hình 3.11 Tam giác Tam man để tính lượng tinh (a)các pha A (b), pha B (c) Ngồi ra, hình vẽ trên, coi EF 100% lượng tinh đoạn thẳng vng góc với CD nằm tam giác CEF DEF rõ lượng tinh hợp kim tương ứng (hình a) Tương tự, xác định lượng pha A (hình b) pha B (hình c) Giả sử ta có hệ giản đồ pha hệ cấu tử Pb -Sb Hình 3.12.Giản đồ pha Pb – Sb Hợp kim vị trí giản đồ hình 3.8 ta thấy có : 60%Sb + 40%Pb, bắt đầu đông đặc 5000C, kết thúc đông đặc 2450C Khi nhiệt độ > 5000C lỏng hoàn toàn, nhiệt độ < 2450C hệ Pb –Sb trạng thái rắn hồn tồn, khoảng 500 ÷ 2450C làm nguội tinh thể Sb tạo thành nhiều - Áp dụng quy tắc cánh tay đòn : + Tại điểm a tỷ lệ pha rắn pha lỏng %L = 63.5% + Tại điểm b tỷ lệ pha rắn pha lỏng %L = 46% - Áp dụng quy tắc pha : Tại điểm & a ta có T = 2-2+ = đơng đặc khoảng nhiệt độ thay đổi Trên điểm : ta có T = 2- + = thay đổi % nhiệt độ mà pha lỏng hệ bảo tồn Tại điểm tinh E ta có T = -3 + =0 đơng đặc tinh nhiệt độ khơng đổi giống kim loại nguyên chất 3.3.3.3 Giản đồ hệ hai nguyên hịa tan vơ hạn trạng thái lỏng, hịa tan có hạn trạng thái rắn có tạo thành tinh - Giản đồ trạng thái: - Các đường giản đồ: TA Q TB: đường lỏng TA P Q R TB: đường đặc P Q R: đường tinh Q: điểm tinh PE: đường giới hạn hoà tan B A theo nhiệt độ 13 RF: đường giới hạn hoà tan A B theo nhiệt độ : dung dịch rắn xen kẽ B A : dung dịch rắn xen kẽ A B II, II: , tiết trạng thái rắn [ + ]: hỗn hợp học tinh A B P [+II] TB L L+ E 100%A 0C I III II (T = 2) L+ R Q +II+ [+] L (T = 2) L (T = 1) +II+ [+] II III L (T = 2) L (T = 2) L (T = 1) LQ [P + R] (T = 0) [ + II] I [+] 0C TA LQ [P + R] (T = 0) +[+] (T = 1) [+] (T = 1) + II (T = 1) F 100%B Hình 3.13 Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn trạng thái lỏng, hịa tan có hạn trạng thái rắn có tạo thành tinh - Đường nguội hợp kim điển hình: hình vẽ - Đặc điểm hợp kim: có hai vùng + Dung dịch rắn + Có hỗn hợp học tinh Tuỳ theo thành phần hợp kim người ta lựa chọn phương pháp gia công khác nhau: + Các hợp kim có % B < % P > % R: hợp kim dẻo, gia cơng áp lực + Các hợp kim có % B thuộc khoảng [ P, R ]: hợp kim đúc, tính chất phụ thuộc vào lượng 14 Hình 3.14 Giản đồ hệ Pb – Sn sơ đồ hình thành tổ chức kết tinh trạng thái cân hợp kim Nhìn giản đồ hình 3.13 ta có số nhận xét sau: + Nhiệt độ chảy hợp kim giảm tăng cấu tử thứ + Điểm tinh E với phản ứng tinh: hay + Hợp kim < 61.9% Sn trước tinh phía bên trái E hợp kim > 61.9% Sn hợp kim tinh bên phải điểm E + CF DG giới hạn hòa tan Độ hòa tan lớn nhiệt độ tinh 1830C + Có thể chia hợp kim hệ thành ba nhóm sau : * Nhóm chứa cấu tử thứ hai (bên trái điểm F, bên phải G), sau kết tinh xong có dung dịch rắn α β * Nhóm có thành phần nằm khoảng từ (F đến C D đến G) nhiệt độ < CF DG βII& αII * Nhóm giàu nguyên tố hợp kim (từ C đến D),sau tiết dung dịch rắn (αC hay βD) pha lỏng cịn lại điểm tinh E Nhìn giản đồ hình 3.13 ta khảo sát hợp kim với 40%Sn hệ Pb – Sn + nhiệt độ 2450C hợp kim lỏng hoàn toàn, 245 0C hợp kim bắt đầu kết tinh α2 với 13.3%Sn, nguội tiếp tục dung dịch rắn A C, pha lỏng lại A E chiều tăng lên hàm lượng Sn + Áp dụng quy tắc đòn bẩy : 2000C pha α chứa 18.5%Sn (a’) L chứa 57%Sn (a’’) nhiệt độ tinh Trong tinh 3.3.3.4 Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn trạng thái lỏng tạo thành bao tinh - Dạng giản đồ: Hình 3.15 - Các đường giản đồ: TA M TB: đường lỏng TA N P TB: đường đặc M N P: đường bao tinh, xảy phản ứng bao tinh LM + P N I 0C II 0C TB L II I L (T = 2) L (T = 1) L+ N 100%A L (T = 1) P LM + P N (T = 1) +II TA M L+ Q + + II L (T = 2) R 100%B 15 L (T = 1) (T = 2) + II (T = 1) (T = 2) + II (T = 1) Hình 3.15 Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn lỏng tạo thành bao tinh 3.3.3.5 Một số dạng giản đồ đặc biệt - Loại tạo tích (eutectoid) 0C L (T=2) 0C I A L L(T=1) B L+ L+ N G M + (T=2) E (T=1) + P 100%A S K + R T 100%B S[p+k] (T=0) [+]+ (T=1) Hình 3.16 Giản đồ tạo tích Phản ứng tích : [p + K] gọi hỗn hợp học tích phản ứng pha rắn tạo pha rắn Ví dụ: Giản đồ trạng thái Fe + C (sẽ nghiên cứu phần sau) 0C 0C B H C A+ [A+AmBn] 100%A L+AmBn Am+Bn + [B+AmBn] AmBn + [A+AmB n] L+A AmBn L D tạo thành hợp chất hóa học hợp chất hóa học tạo thành định thành phần hóa L+B B+ [B+AmBn] B+AmB n L+AmBn A A+AmBn - Loại ổn định Các ln ổn học 16 100%B Hình 3.17 Giản đồ tạo thành hợp chất hóa học ổn định Ví dụ: Giản đồ trạng thái Mg – Ca 0C 780 690 560 0C 810 L L+Mg L+Mg4Ca3 L+Mg4Ca3 L+Ca 520 Hình 3.18 Giản đồ hệ Mg - Ca Mg+Mg4Ca3 3.4.Giản đồ trạng thái Fe - C Mg4Ca3+Ca 100%Mgg 3.4.1 Giới thiệu Các bon Sắt 3.4.1.1 Các bon 52,5 77 IV bảng hệ thống tuần hồn có Các18bon nguyên tố kim thuộc nhóm 100%Ca thể hai dạng thù hình: Graphít kim cương Trong điều kiện bình thường Graphít dạng thù hình ổn định cịn kim cương không ổn định Trong hợp kim Fe - C, bon nguyên chất tồn dạng Graphít - có mạng lục giác mềm 3.4.1.2 Sắt Sắt nguyên tố hợp kim thuộc nhóm VII bảng hệ thống tuần hồn, thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp Cũng giống ngun tố khác khơng thể tồn dạng tuyệt đối tinh khiết mà thường tồn dạng hợp chất Sắt có tính chất sau: 3.4.1.2.1 Cơ tính - Giới hạn bền kéo b : 250 N/mm2 17 - Giới hạn chảy 0,2 : 120 N/mm2 - Độ giãn dài tương đối : 50 % - Độ thắt tỷ đối : 85 % - Độ cứng HB : 80 kG/mm2 - Độ dai va đập ak : 3000 kJ/m2 Như so với nhiều kim loại thường dùng nhơm, đồng, sắt có độ bền, độ cứng cao hẳn, thấp so với u cầu chế tạo khí Đó nguyên nhân người ta không dùng sắt nguyên chất chế tạo khí, mà dùng hợp kim có tính cao rõ rệt 3.4.1.2.2 Tính thù hình - Mạng lập phương thể tâm tồn hai khoảng nhiệt độ: Dưới 911 0C gọi Fe() từ (1392 1539)0C gọi Fe() - Mạng lập phương diện tâm tồn khoảng (911 1392)0C gọi Fe() Do mạng lập phương diện tâm có mật độ mạng Mv lớn mạng lập phương thể tâm nên nung nóng q 9100C có chuyển biến thù hình từ Fe() sang Fe() Năng lượng tự Lập phương thể tâm Lập phương diện tâm 911 1392 t 0C Hình 3.19 Dạng thù hình Fe phụ thuộc vào nhiệt độ 3.4.2 Giản đồ trạng thái Fe – C 3.4.2.1 Tương tác Fe C a Sự hòa tan C vào Fe Tạo thành dung dịch rắn xen kẽ: Bán kính nguyên tử r C = 0.077nm, rFe = 0.1241nm C hịa tan có hạn vào Fe dạng dung dịch rắn xen kẽ Khả hòa tan cacbon vào pha Fe khác nhau: Feα Feβ với mạng A2 mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng song lỗ hổng lại có kích thước q nhỏ, lớn 50% kích thước nguyên tử sắt Feα hòa tan ≤ 0.02%C Feγ ≤ 0,1%C Feα, Feγ, Feδ với mạng A1: có mật độ xếp cao hơn, lỗ hổng lại có kích thước lớn hơn, nhỏ nờ nguyên tử sắt giãn Feγ hịa tan bon ≤ 2,14%C b Tương tác hóa học Fe C 18 Fe3C 6,67 K 727 1147 F Le+XeI Le=[+Xe] P+XeII Q0,02 Fe G 910 N 1392 1499 H 1539 A 3.4.2.2 Giản đồ trạng thái +XeIII + R + P+ 0,8 S J L+ [P] B L+ E +XeII 2,14 L Le+ +XeII P+XeII+Le C 4,3 D L+XeI Le+XeI Le=[P+Xe] 1250 Austenit (γ) dung dịch rắn C Fe γ, mạng A1, giới hạn hịa tan 7270C hịa tan 0,8%C, nhiệt độ 11470C hòa tan 2,14%C Ferrit (α) dung dịch rắn C Feα mạng A2 giới hạn hòa tan C 200C 0,006%C, 7270C 0.8%C Hình 3.20 Giản đồ pha Fe – Fe3C Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song không dùng hợp kim Fe - C với lượng bon nhiều 5% nên ta xây dựng giản đồ đến 6,67% bon tức ứng với hợp chất hóa học Fe3C Trong thực tế, Fe với C tồn dạng hợp chất FeC, Fe 2C, Fe3C song xêmentít (Fe3C) ổn định thành phần hóa học nhiệt độ nhỏ nhiệt độ nóng chảy nên dùng Fe3C làm cấu tử 19 Điểm A H J B N D G %C 0,1 0,16 0,51 6,67 Nhiệt độ 1539 1499 1499 1499 1392 1250 910 Điểm E C F R S K Q %C 2,14 4,3 6,67 0,02 0,8 6,67 0,006 Nhiệt độ 1147 1147 1147 727 727 727 Bảng 3.1 Bảng tọa độ điểm 3.4.2.2.1 Các tổ chức hợp kim Fe - C Trên giản đồ, đường ABCD đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy đúc Đường AHJECF đường đặc kết tinh hoàn toàn đúc PSK (7270C) đường tích nhiệt luyện ES giới hạn hịa tan cacbon Feγ hóa nhiệt luyện, nhiệt luyện PQ – giới hạn hòa tan cacbon Feα nhiệt luyện quan trọng 3.4.2.2.2 Các chuyển biến làm nguội chậm - Chuyển biến bao tinh xảy 14990C: hay - Chuyển biến tinh xảy 11470C : hay - Sự tiết pha Fe3C dư khỏi dung dịch rắn cacbon : γ , nhiệt độ < ES XêII α, nhiệt độ < PQ XêIII 3.4.2.2.3 Các tổ chức pha - Hợp kim lỏng (L): dung dịch lỏng cácbon sắt, tồn phía đường lỏng ABCD - Xementit (ký hiệu Xe hay Fe3C): hợp chất hóa học sắt với bon Fe3C, ứng với đường thẳng đứng DFK Với kiểu mạng phức tạp, pha có tính cứng giịn, Xê với ferrit tạo nên tổ chức khác hợp kim Fe - C + Xementit thứ (Xe I): loại kết tinh từ hợp kim lỏng, tạo thành hợp kim chứa nhiều 4,3% khoảng nhiệt độ (1147 1600)0C Do tạo nên từ pha lỏng nhiệt độ cao nên XeI có tổ chức hạt to + Xementit thứ hai (XeII): loại tiết từ dung dịch rắn Auxtenit khoảng nhiệt độ (727 1147)0C độ hòa tan cacbon pha giảm từ 2,14% xuống 0,8% XeII có hợp kim với thành phần bon lớn 0,8% Do tạo từ pha rắn nhiệt độ khơng cao nên Xe II có tổ chức hạt nhỏ hơn, tiết từ Auxtenit nên thường dạng lưới bao quanh Auxtenit + Xemetit thứ ba (Xe III): loại tiết từ dung dịch rắn Ferit khoảng nhiệt độ thấp 7270C độ hòa tan giới hạn cácbon Ferit giảm từ 0,02% xuống 0,006% XeIII có hợp kim có thành phần C lớn 0,006% với lượng Do tạo nên từ pha rắn nhiệt độ thấp, khả khuếch tán nguyên tử nên XeIII thường dạng mạng lưới hay hạt nhỏ bên cạnh Ferit 20 Các dạng Xementit không khác chất pha, khác kích thước hạt phân bố điều kiện tạo thành khác - Ferit (ký hiệu F hay ): dung dịch rắn xen kẽ cacbon Fe(), có mạng lập phương thể tâm nên khả hòa tan cacbon Fe() không đáng kể, lớn 7270C 0,02% nhỏ nhiệt độ thường 0,006% - Austenit (kí hiệu A hay ): dung dịch rắn xen kẽ cacbon Fe(), có mạng lập phương diện tâm nên khả hòa tan cacbon Fe() lớn, lớn nhiệt độ 11470C với 2,14% nhỏ 7270C với 0,8%C Austenit tồn nhiệt độ cao > 7270C Austenit dẻo dai nguyên tố khác hịa tan vào khơng làm độ cứng tăng lên độ dẻo độ dai giảm đáng kể mà làm thay đổi động học chuyển biến ảnh hưởng lớn tới nhiệt luyện biến dạng nóng 3.4.2.2.4 Các tổ chức pha - Peclit (ký hiệu P hay [+Xe]): Peclit hỗn hợp học tích Ferit Xementit ( + Xe) tạo thành 7270C từ dung dịch rắn Auxtenit chứa 0,8%C Trong Peclit có 88% Ferit 12% Xementit Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trình làm nguội, thành phần cacbon Auxtenit biến đổi đến 7270C có 0,8%C (các hợp kim có lượng cacbon nhỏ 0,8% thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết Ferit để làm tăng cacbon cịn hợp kim có lượng cacbon lớn 0,8% thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết Xementit làm giảm cacbon, trường hợp đưa đến lượng cacbon Auxtenit 0,8% 727 0C) Lúc đó, Auxtenit có 0,8% C chuyển biến thành hỗn hợp tích Ferit Xementit: hay Tùy theo hình dạng Xêmentit hỗn hợp, người ta chia loại peclit peclit peclit hạt (Peclit Xe dạng phiến cịn Peclit hạt Xe dạng hạt) Peclit hỗn hợp học nên có tính chất trung gian Kết hợp tính dẻo, dai cứng, dịn Xe nên nói chung P có độ cứng, độ bền cao, tính dẻo dai thấp Tuy nhiên tính thay đổi phạm vi rộng phụ thuộc vào độ hạt Xe - Ledeburit (ký hiệu Le [+Xe] hay [P+Xe]): Ledeburit hỗn hợp học tinh, kết tính từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C 11470C Lúc đầu tạo thành gồm Xe (trong khoảng 7270C 11470C) Khi làm nguội xuống 7270C, chuyển biến thành P Lêdeburit hỗn hợp học Peclit Xementit Như cuối Lêdeburit có pha Xe Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Leđeburit cứng dịn 21 Hình 3.21.Tổ chức tế vi Peclit b Peclit hạt c Ledeburit 3.4.2.3 Quá trình kết tinh hợp kim Fe-C 3.4.2.3.1 Phần phía đường đặc AHJECF - Khu vực có thành phần (0,1 0,51) %C: Khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng kết tinh dung dịch rắn trước Khi hạ nhiệt độ xuống tới 1499 0C, hợp kim có pha dung dịch rắn chứa 0,1%C dung dịch lỏng chứa 0,51%C nên xảy phản ứng bao tinh tạo dung dịch rắn Austenit chứa 0,16%C 0,1%C + L0,51%C 0,16%C - Khu vực có thành phần (0,51 4,3) %C: Khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC kết tinh Các hợp kim có thành phần từ (0,51 2,14) %C kết thúc kết tinh tạo thành dung dịch rắn hợp kim có thành phần từ (2,14 4,3) %C kết thúc kết tinh kết tinh dung dịch lỏng có thành phần ứng với điểm C tạo pha có thành phần ứng với điểm E Xe 11470C Lc [E + XeF] Hỗn hợp học gọi hỗn hợp học tinh Ledeburit Khi T > 7270C tổ chức Le gồm [ + Xe] Khi T < 7270C tổ chức Le gồm [P + Xe] 3.4.2.3.2 Phần phía đường đặc AHJECF Tại 7270C có thành phần 0,8%C chuyển biến thành P hỗn hợp pha Xe gọi hỗn hợp học tích s [R + XeK] 3.4.3 Phân loại hợp kim Fe – C theo giản đồ trạng thái Để phân loại hợp kim Fe - C người ta dựa vào hàm lượng cacbon hợp kim 3.4.3.1 Khái niệm chung thép, gang Thép gang hợp kim Fe – C : với hàm lượng C < 2.14% thép ; hàm lượng C ≥ 2,14% gang 22 Đặc điểm : Tất thép nung nóng đường GSE tương ứng có pha γ, tính đúc thép thấp ( nhiệt độ chảy cao, co ngót nhiều), sử dụng để chế tạo vật đúc Gang nung nóng để có tổ chức pha γ mà cịn Xê hay grafit khơng biến dạng nguội lẫn nóng (kể loại gọi gang rèn), tính đúc tốt 3.4.3.2 Thép Là hợp kim Fe với C mà hàm lượng C nhỏ 2,14% Do vậy, ta phân làm loại thép - Thép trước tích: Thép có hàm lượng cacbon < 0,8% Tổ chức thép trước tích (P + ) Hình 3.22 Tổ chức tế vi thép trước tích - Thép tích: Thép có thành phần cacbon = 0,8% Tổ chức thép tích hỗn hợp học tích P a b Hình 3.23 Tổ chức tế vi thép tích a Peclit tấm; b Peclít hạt - Thép sau tích: Là thép có hàm lượng cacbon nằm khoảng (0,8 2,14) % Tổ chức thép sau tích P + Xe II Lượng XeII tiết dạng mạng lưới bao quanh hạt P nên có tính dịn cao vậy, thực tế người ta dùng thép có hàm lượng cacbon nhỏ 1,3% Dải trắng XeII, với tối P Hình 3.24 Tổ chức tế vi thép sau tích 23 3.4.3.3 Gang Là hợp kim Fe với C mà hàm lượng C lớn 2,14% nhỏ 6,67% Dựa vào hàm lượng cacbon tương tự thép, ta phân làm loại gang sau: - Gang trước tinh loại gang có hàm lượng cacbon < 4,3% Tổ chức gang trước tinh P + XeII + Le Đây loại gang thường sử dụng thực tế Hình 3.25 Tổ chức tế vi gang trước tinh - Gang tinh loại gang có hàm lượng cacbon 4,3% Tổ chức gang tinh Le Hình 3.26 Tổ chức tế vi gang tinh - Gang sau tinh: loại gang có hàm lượng cacbon lớn 4,3% Tổ chức gang sau tinh Le + XeI Hình 3.27 Tổ chức tế vi gang sau tinh Các loại gang gọi chung gang trắng, cacbon gang trắng tồn dạng Xe 3.4.3.4 Đặc điểm tính thép gang theo giản đồ trạng thái 3.4.3.4.1 Thép - Thép trước tích, lượng cacbon nên lượng Xe thép có tính dẻo cao - Thép sau tích tích, hàm lượng cacbon tăng nên tỉ lệ pha Xe tăng làm tăng độ cứng, tính dịn đồng thời làm độ thắt tỉ đối , độ giãn dài tương đối giảm xuống Vì lý mà thực tế, người ta khơng dùng thép có hàm lượng cacbon cao (%C > 1,3%) 3.4.3.4.2 Gang Gang sau tích có lượng Xe q nhiều gây dịn cứng, khơng có khả cắt gọt không sử dụng Thực tế, người ta sử dụng gang trước tích có hàm lượng cacbon nhỏ 3,5% 3.4.4 Các nhiệt độ tới hạn hợp kim Fe – C theo giản đồ trạng thái 3.4.4.1 Nhiệt độ phản ứng tinh (T = 11470C) Với hàm lượng cacbon lớn 2,14% dùng để xác định chế độ nấu luyện hợp kim 3.4.4.2 Nhiệt độ phản ứng tích (T = 7270C) [F + Xe] (khi làm nguội) [F + Xe] (khi nung) 24 Hàm lượng cacbon lớn 0,02% áp dụng nhiều nhiệt luyện đường A1 Trong thực tế, nhiệt độ chuyển biến nung nóng làm nguội khác với giản đồ Để biểu thị q trình nung nóng có chuyển biến pha thực tế người ta gọi đường A C1 làm nguội đường Ar1: T0Ar1 < T0A1 < T0Ac1 Accm 911 Accm Acm Arcm Arcm AC1 A1 Hình 3.28 Đồ thị nhiệt độ thực tế nung nóng làm nguội 727 Ar1 () Austenit () 3.4.4.3 Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan Ferit đường A3 Nhiệt độ giới hạn hòa tan thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi đường A3 Khu nung vượt qua nhiệt độ AC kết thúc q trình hịa tan Ferit () 0,006 0,2 thời, 0,8 vào AuxtenitFe() Đồng làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ Fe3CAr bắt đầu tiết Ferit () từ Auxtenit() %cacbon Như vậy: T0Ar3 < T0A3 < T0Ac3 Ý nghĩa: Dùng chọn chế độ nhiệt luyện thép trước tích 3.4.4.4 Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan Xementit (Xe) vào Austenit ( ) đường Acm Nhiệt độ giới hạn hòa tan thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi đường Acm Khi nung vượt qua nhiệt độ Accm kết thúc q trình hịa tan Xementit (Xe) vào Auxtenit () Đồng thời, làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ Arcm bắt đầu có tiết Xementit (Xe) từ Auxtenit () Như vậy: T0Arcm < T0Acm < T0Accm CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Cấu trúc tính chất loại dung dịch rắn hỗn hợp học hợp kim Câu 2: Trình bày nguyên lý xây dựng ý nghĩa giản đồ trạng thái Câu 3: Vẽ giản đồ trạng thái, điền vùng tổ chức, vẽ đường nguội tính bậc tự pha giản đồ trạng thái Câu 4: Vẽ giản đồ trạng thái Fe – Fe 3C, điền vùng tổ chức giải thích pha giản đồ Câu 5: Giải thích tổ chức tế vi ba loại thép ba loại gang theo giản đồ trạng thái 25 ... trạng thái hợp kim 3.3.1 Khái niệm Giản đồ trạng thái hợp kim đồ thị xây dựng mối quan hệ tổ chức pha hợp kim phụ thuộc vào nhiệt độ Hay giản đồ biểu thị biến đổi thành phần trạng thái pha cân... không đổi (1at) Các loại giản đồ trạng thái: - Giản đồ nguyên - Giản đồ hai nguyên - Giản đồ ba nguyên - Giản đồ bốn nguyên 3.3.2 Ý nghĩa phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái 3.3.2.1 Ý nghĩa -... khơng đổi giống kim loại nguyên chất 3.3.3.3 Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn trạng thái lỏng, hịa tan có hạn trạng thái rắn có tạo thành tinh - Giản đồ trạng thái: - Các đường giản đồ: TA Q TB: