Ch3 gian do pha

36 Phần II Hợp kim biến đổi tổ chức Chơng Hợp kim giản đồ pha 3.1 Cấu trúc tinh thể hợ p kim 3.1.1 Khái niệ m hợp kim a Đị nh nghĩ a Hợp kim hỗn hợp kim loạ i vớ i nhiề u kim loạ i kim khác La tông= hợp kim Cu + Zn hợ p kim đơn giả n gồ m nguyê n tố Gang: Fe+Mn+Si C+P+S, nguyê n tố chí nh Fe (kim loạ i) hợp kim phức tạ p Nguyê n tố kim loạ i chí nh (> 50%) đợc gọi nề n hay nguyê n tè c¬ së b −u u viƯ t cđa hợp kim so với kim loại Hợ p kim: độ bề n, độ cứng, tí nh chố ng mà i mòn cao hơn, tí nh cô ng nghệ tốt hơn: ®óc, c¾ t gä t, nhiƯ t lu n ®Ĩ hoá bề n tố t hơn, rẻ hơ n Kim loạ i nguyê n chấ t: dẫ n nhiệ t, dẫ n đ iệ n tố t (dâ y dẫ n, trang sø c, ®iƯ n cùc Pt, Au) c Một số khái niệ m ã Pha: cấ u trúc, cù ng trạ ng thá i, kiể u thô ng số mạ ng, cá c tí nh chấ t - lý hóa xá c đ ị nh, phâ n cá ch mặ t phâ n chia pha ã Cấ u tử cá c phầ n độc lậ p có khối l ợng không đổi, chúng tạ o nê n cá c pha hợp kim ã Hệ tậ p hợp cá c pha, câ n bằ ng hoặ c không câ n bằ ng ã Trạ ng thá i không câ n bằ ng (3) = không ổn đị nh: thờng gặ p: tôicơ tí nh (bề n, cứng) cao hơn, xu G hớ ng(1&2) ã Trạ ng thá i giả ổn đị nh (2) muốn sang (1) phả i thắ ng G ã ổn đ ị nh (1) d Phâ n loạ i tơng tá c Chế tạ o hợp kim = nấ u chả y % xá c đị nh m nguội Hì nh 3.1 Sơ đồ cá c vị trí Từ pha lỏng đồng nhấ t m nguội có tơng tá c tạ o ổn đị nh (1), giả ổn đị nh (2) nê n cá c pha c không ổn đ ị nh (3) Tạ o nh hỗ n hợp học A + B Khi có tơng tác: trờng hợp xả y ra: - hòa tan nh dung dị ch rắ n, tổ chức pha nh kim loạ i nguyê n chấ t (hì nh 3.2b) dung môi - phả n ứng với nh hợp chấ t hóa họ c, tạ o nh kiể u mạ ng c hẳ n 3.1.2 Dung dị ch rắ n a Khái niệ m - phâ n loại Đ/n: hợ p kim hay nhiề u nguyê n tố hoà tan o m¹ ng tinh thĨ cđ a kim lo¹ i chiÕ m đ a số đợc gọi nề n Dung môi chiế m đ a số , nguyê n tố chiế m tỷ lệ í t chấ t tan Đ/điể m: kiể u mạ ng dung môi, nång ®é chÊ t tan cã thĨ thay ®ỉi phạ m vi mà không m mấ t ® i sù ®ång nhÊ t ®ã Dung dÞ ch rắ n B A: A(B), mạ ng cđa A xen kÏ 37 thay thÕ C¸c kiĨ u: thay xen kẽ (hì nh 3.3) Hì nh 3.3 Sơ đồ xếp nguyên tử hòa tan thay xen kẽ vào dung môi có mạng lập phơng tâm mặt, mặt (100) b Dung dị ch rắn thay Đ/n: nguyê n tử chấ t tan thay vị trí nguyê n tử dung môi Đ/kiệ n: sai c dnguyê n tử không 15% Tí nh chấ t hoá lý tơng tự Phâ n lo¹ i: theo giíi h¹ n h/tan gå m loạ i: dd rắ n hoà tan có hạ n dd rắ n hoà tan vô hạ n theo sù ph© n bè ng/tư chÊ t tan, cã loạ i: dd rắ n có tr/tự dd rắ n o có tr/tự Giới hạn hò a tan nå ng ®é chÊ t tan lí n nhÊ t mà vẫ n bả o tồ n đ ợc mạ ng tinh thể Điề u kiệ n hoà tan tan vô hạ n: (có o) x¶ y tháa m· n c¶ yÕ u tè sau: a-thay thÕ H× nh 3.5 Sù xô lệch mạng dd rắn: a hòa tan thay thÕ rht > rchđ, b hßa tan xen kÏ rht> rlỗ hổng ban đầ u Hì nh 3.4 Sơ đồ thay để tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn hai kim loại A B 1- kiể u mạ ng, 2-đ ờng kí nh nguyê n tư kh¸ c Ý t (< 8%) lftk Ce 1,48, 3-thoả mà n giới hạ n nồ ng độ điệ n tử: ví dụ : mạ ng lftm Ce 1,36, 4-có hoá trị , tí nh â m điệ n sai c Ý t Ngoµ i ra, tÝ nh lý - hó a (đ ặ c biệ t nhiệ t độ chả y) giống dễ tạ o nh dung dị ch rắ n hò a tan vô h¹ n VÝ dơ : Ag - Au (m¹ ng A1, ∆r = 0,20%, cï ng nhãm IB), Cu - Ni (mạ ng A1, r = 2,70%, IB VIII), Feα - Cr (m¹ ng A2, ∆r = 0,70%, VIB VIII) Dung dị ch rắn có trật tự: tự : cá c nguyê n tử chấ t tan sắ p xÕ p cã trË t tù m¹ ng tinh thể dung môi, (đợc nguộ i rấ t chậ m khoả ng nO nhấ t đị nh) Đa số tr ờng hợp không trậ t tự c Dung dị ch rắ n xen kẽ Đ/n: cá c nguyê n tử hòa tan nằ m xen kẽ o cá c lỗ hổng mạ ng tinh thể dung môi Điề u kiệ n: bá n kí nh nguyê n tử chấ t tan phả i rấ t nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) B (0,091nm) có khả nă ng xen kẽ o cá c lỗ hổng cá c nguyê n tử lín nh− Fe (0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm), Lỗ hổng lớn nhấ t mạ ng A1 loạ i mặ t bằ ng 0,414dng/tử , ngoà i H, o có kim nà o bỏ lọt đẩ y cá c nguyê n tử chủ bao quanh già n ra, gâ y xô lệ ch mạ nh mạ ng (hì nh 3.5) có dung dị ch rắ n xen hòa tan có hạ n b-xen kẽ d Cá c đặc tí nh dung dị ch rắn Có kiể u mạ ng tinh thể kim loạ i dung môi có đặ c trng cơ, lý, hóa tí nh kim lo¹ i nỊ n: 1) M¹ ng tinh thĨ , đơn giả n xí t chặ t (A1, A2 ) kim loạ i vớ i liê n kế t kim loạ i 2) Cơ tí nh giố ng kim loạ i sở : 38 dẻ o, có giả m chút song vẫ n đ ủ cao, dễ biế n ng dẻ o, cá biệ t tă ng độ dẻ o: Cu(Zn) với 30%Zn dẻ o Cu chi tiế t dậ p sâ u, đồ dá t = latô ng tă ng độ bề n, độ cứng, khả nă ng chị u tả i hẳ n kim loạ i nguyê n chấ t nồng độ chấ t tan cà ng lớn dẻ o cà ng giả m, bề n cà ng tă ng Quá lớ n gâ y giòn, dễ bị gà y, vỡ chọn nồng độ thí ch hợ p 3) DÉ n nhiƯ t, dÉ n ® iƯ n tèt nhng ké m kim loạ i nguyê n chấ t, thay đổi tí nh chống ă n mòn Dung dị ch rắ n pha bả n chiế m tíi 90% thË m chÝ 100% vË t liÖ u kÕ t cÊ u 3.1.3 Pha trung gian Trê n giả n đồ pha phí a dung dị ch rắ n, giữ a cá c pha trung gian a Bản chấ t phân loại Đặ c điể m: 1) Có mạ ng tinh thể phức tạ p c hẳ n với nguyê n tố nh phầ n 2) Có tỷ lệ chí nh xá c giữ a cá c nguyê n tè theo c«ng thøc hã a häc AmBn 3) Tí nh chấ t : c hẳ n cá c nguyê n tố nh phầ n giòn 4) Có nhiệ t đ ộ chả y xá c đị nh, tạ o nh tỏ a nhiệ t 5) c với cá c hợp chấ t hóa học thông thờng, cá c pha trung gian không hoà n n tuâ n theo quy luậ t hó a trị nh phầ n hóa học chí nh xá c theo công thứ c, có liê n kế t kim loạ i Cá c pha trung gian hợp kim thờng gặ p: pha xen kẽ , pha đ iệ n tử pha Laves b Pha xen kẽ Đ/n: Là pha tạ o nê n cá c kim loạ i chuyể n tiế p (có bá n kí nh nguyê n tử lín) víi c¸ c ¸ kim cã b¸ n kÝ nh nguyê n tử bé nh C, N, H (và B): cacbit, nitrit, hyđrit (và borit) Đ/điể m: Mạ ng tinh thĨ cđa pha xen kÏ ∈ t−¬ng quan kÝ ch thớc nguyê n tử kim (X) kim lo¹ i (M): rX / rM < 0,59 ba kiể u mạ ng A1, A2, A3 (tuy không giữ lạ i kiể u mạ ng vốn có nhng vẫ n mang đ ặ c đ iể m kim loạ i), cá c nguyê n tử kim xen kẽ o cá c lỗ hổng mạ ng, tạ o nê n hợp chấ t với cá c công thức đơn giả n nh M4X, M2X rX / rM > 0,59 → mạ ng tinh thể phức tạ p (đợc gọi pha xen kẽ với mạ ng phức tạ p) tơng ø ng ví i c«ng thøc M3X, M7X3, M23X6 T/chÊt: Nhiệ t độ chả y rấ t cao (thờng > 2000 ÷ 3000oC), rÊ t cøng (HV > 2000 ÷ 5000) giò n hóa bề n, nâ ng cao tí nh chống mà i mòn chị u nhiệ t hợp kim H N có kí ch th−íc nguyª n tư nhá nª n rX / rM < 0,59, → Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N cã mạ ng đ ơn giả n C có rX / rM>0,57 nê n tạ o Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6,WC, TiC, Mo2C, VC mạ ng phức tạ p tă ng độ cứng tí nh chống mà i mòn hợp kim c Pha điệ n tử (Hum - Rothery) Đ/n: Là pha có kiể u mạ ng xá c đị nh, tạ o nh với nồng độ điệ n tử N xá c đị nh (số điệ n tử hó a trị /số nguyê n tử ): 3/2 (21/14), 21/13 7/4 (21/12), tỷ lệ ứng víi mét cÊ u tróc m¹ ng phøc t¹ p nhấ t đị nh Thờng hợp kim củ a Cu, Ag, Au víi Zn, Sn, Cd Víi Cu1+, Zn2+ ta cã: Ce = 21/14 → pha β m¹ ng A1: CuZn, AgZn, AuZn (Ce=(1.1+1.2)/2=3/2) Ce = 21/13 → pha γ m¹ ng lf phøc t¹ p: Cu5Zn8, Ag5Sn8 (Ce=(5.1+8.2)13=21/13) (Ce=(1.1+3.2)/4=7/4=21/12) Ce = 21/12 → pha ε, m¹ ng lgxc: CuZn3, AgZn3 d Pha Laves Đ/n: Pha tạ o hai nguyê n tố A, B có tỷ lệ bá n kÝ nh nguyª n tư rA / rB = 1,2 (1,1 ữ 1,6) với công thức AB2 có kiể u m¹ ng A3: MgZn2, MgNi2 hay A1 (MgCu2) Do giòn nê n đợc dùng HKTG hoặ c cá c pha hoá bề n 39 3.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử Đ/n: GĐP giả n đồ biể u thị biế n đổi nh phầ n trạ ng thá i pha câ n bằ ng theo nhiệ t độ nh phầ n hệ d ới p suấ t không đổi (1 at) Cách biể u diễ n: Đặ c điể m: GĐP phù hợ p vớ i hợ p kim trạ ng thá i c© n b» ng (nguéi rÊ t chË m hay ủ ), Công dụng: xá c đ ị nh cấ u trúc hợp kim, xá c đị nh no ch¶ y, chu n biÕ n pha → nÊ u luyệ n xử lý nhiệ t, gia công (biế n ng, đúc, rè n, cá n, ké o, ), rÊ t quan träng 3.2.1 Quy t¾c pha ứng dụng Quy tắ c pha Gibbs: T= N-F+2 P=1at th× T=N-F+1 o T=0 → hƯ bÊ t biế n, % n , lú c ®ã F = N + (sè pha=sè cÊ u tử +1) Ví dụ kim loạ i nguyê n chấ t (N = 1) nãng ch¶ y: T=1-2+1=0 → nhiệ t độ không đổi T=1: Ví dụ, kÕ t tinh HK nguyª n: (T = - + 1=1) kÕ t tinh h c nãng chả y khoả ng nhiệ t độ hoặ c % T = 2: 2: hƯ cïng mét lóc cã thể thay đổi hai yế u tố nhiệ t đ ộ nh phầ n Đặ c điể m: T ≥ → sè pha nhiÒ u nhÊ t hệ (ở trạ ng thá i câ n b» ng!) Fmax = N + → hÖ mét cÊ u tö Fmax = 2, hai cÊ u tö Fmax = 3, ba cÊ u tö Fmax = 3.2.2 Quy tắc đòn bẩ y Đ/n: quy tắ c cho phé p xá c đ ị nh tỷ lƯ cđ a c¸ c pha, c¸ c tỉ chøc trê n GĐP Biể u thức: T QA.XA=QB.XA FA X F XA Trong vïng pha: ®iĨ m B B khả o sá t cà ng gầ n pha nà o α β M th× tû lƯ pha Ê y cµ ng lí n %α = %β = Xβ Xβ Xα X α + Xβ FA.XA=FB.XB FA=FB(XB/XA) Xα Xα + X %B M.X=M X 3.2.3 Giản đồ loại loạ i I Đ/n: Là GĐP củ a hệ cấ u tử bấ t kỳ tơng tá c nà o vớ i Mô tả: AEB đờng lỏng, CED (245oC) đờng rắ n, nhiệ t độ chả y (kế t tinh): B, A (hì nh 3.9a), điể n hì nh hệ Pb - Sb hì nh 3.9b (Pb chả y 327oC), (Sb chả y- 631oC) khoả ng hai đ ờng lỏng đ ờng đ ặ c: khoả ng kế t tinh L B nhiÖ t nhiÖ t 631 a’’ 327 A+ (A+B) Pb+L B+(A+B) %B → 100%B Pb a 13 a’ L+Sb 245 b’’ a) 100%A E [Pb+Sb] A+L L+B E A+B A 1’ L b b’ Sb+[Pb+Sb] b) 37 60 %Sb Sb Hì nh 3.9 Dạng tổng quát giản đồ pha loại I (a) giản đồ pha Pb - Sb (b) Hỵ p kim 1: 60%Sb + 40%Pb Bắ t đầ u đông đặ c (500oC), kế t thúc đông đặ c (245oC) 40 + > 500 C → láng hoµ n n L, < 245 C rắ n hoà n n, khoả ng (500 ữ 245 C) pha (láng + r¾ n) = (L + Sb) Khi m nguội tinh thể B (Sb) tạ o nh cà ng nhiề u áp p dụng quy tắc cánh tay đòn: đòn: - tạ i điể m a tû lƯ pha r¾ n %Sb= a’’a/a’’a’=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha lỏng %L=63,5% - tạ i điể m b tỷ lệ pha rắ n %Sb= bb/bb= (60-13)/(100-13)=54%, pha lỏng %L=46% áp p dụng quy tắc pha: tạ i điể m 1& a T=2-2+1= đ ông đ ặ c khoả ng nocó thể thay đ ổi trê n điể m T=2-1+1=2 thay đổi % no mà pha lỏng (hệ ) vẫ n bả o tồn tạ i điể m tinh E T=2-3+1=0 đông đ ặ c tinh no không đ ổi giống KL ng/chÊ t hay L13%Sb → (Pb + Sb) Ph¶ n øng cï ng tinh: LE → (A + B) Hợp kim có nh phầ n chí nh ® iĨ m E → hỵp kim cïng tinh, cã nhiệ t độ chả y thấ p nhấ t, Hợp kim < 13%Sb = HK tr−íc cïng tinh, HK>13%Sb →sau cù ng tinh (tự khả o sá t HKTCT) 3.2.4 Giản đồ loại II Đ/n: GĐP củ a hệ cấ u tử hoà tan vô hạ n trạ ng thá i rắ n lỏ ng (hì nh 3.10) Hệ điể n hì nh Cu - Ni hì nh 3.10.a hệ Al2O3 - Cr2O3 hì nh 3.10b Sơ đồ biểu diễn hình thành tổ chức kết tinh nhiệt độ khác o o 1455 nhiÖ t 1400 2’’ L+α 1200 1083 1000 Cu 1’ 40 60 %Ni ®− êng 80 L 2200 L+α 2100 2045 2000 α 20 2266 nhiƯ t ®é , L ®− êng o Ni α Al2O3 20 40 60 80 %Cr2O3 Cr2O3 H× nh 3.12 Giản đồ loại III, hệ Pb - Sn sơ đồ hình thành tổ chức kết tinh trạng thái cân hợp kim nhiệ t độ, oC a) b) Hì nh 3.10 Giản đồ pha loại II, hệ Cu-Ni (a) hệ Al2O3 - Cr2O3 (b) 3.2.5 Giản đồ loại III Đ/n: Là giả n ®å pha cđa hƯ hai cÊ u tư , hßa tan có hạ n trạ ng thá i rắ n có tạ o nh tinh, hì nh 3.12 Hệ điể n hì nh Pb-Sn Dạ ng giống với giả n đồ loạ i I, c đâ y cá c dung dị ch rắ n có hạ n A β thay thÕ cho c¸ c cÊ u tư A vµ L+40%S L 300 B 2’ 245 B AEB - ®−êng láng, ACEDBL α a’ a 200 E đ ờng rắ n C 183 D 13,3%Sn α 19,2 61,9 100 97,5 G α+Sn F 13,3 18,5 Pb 20 57 40 %Sn 60 40%Sn 80 Sn + Tơng tự nh giả n đồ loạ i I, nhiệ t đ ộ chả y HK giả m tă ng cấ u tử thứ hai 41 + Điể m tinh E với phả n øng cïng tinh : LE → [α+β] hay L61,9 → [α19,2+ β97,5] + HK < 61,9%Sn → tr−íc cï ng tinh (trá i E) HK> 61,9%Sn HK sau tinh (phả i E) + CF DG giớ i hạ n hòa tan Độ hòa tan max ë nhiƯ t ®é cï ng tinh 183oC + Có thể chia cá c hợ p kim hệ nh ba nhóm sau ã Nhó m chứa rấ t Ý t cÊ u tư thø hai (bª n trá i F, bê n phả i G), sau kÕ t tinh xong chØ cã mét dung dÞ ch rắ n hoặ c , có đặ c tí nh nh giả n đồ loạ i II ã Nhóm có nh phầ n nằ m khoả ng (từ Fđế n C D đế n G), no< CF DG II&II ã Nhóm già u nguyê n tè HK (tõ C ®Õ n D), sau tiÕ t dung dị ch rắ n (C hay D), pha lỏng cò n lạ i điể m tinh E Khả o sá t HK 40%Sn củ a hệ Pb - Sn (hì nh 3.12) - Trê n 245oC HK chả y lỏng hoà n n, 245oC hợp kim bắ t đầ u kế t tinh α2’ ví i 13,3%Sn, ngi tiÕ p tơc dung dị ch rắ n AC, pha lỏ ng lạ i AE chiề u tă ng lê n hà m lợ ng Sn áp dụng quy tắ c ®ßn bÈ y: ë 200oC pha α chøa 18,5%Sn (a’) L chứa 57%Sn (a), %rắ n= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8% ë nhiƯ t ® é cïng tinh (LE → [αC + βD]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, vµ %α=48,7% cï ng tinh %=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% %=54,5% Hì nh 3.13 Tổ chøc tÕ vi cđa hỵp kim Pb - Sb: a cïng tinh [α+β], mµu tèi lµ α giµu Pb, b trớc tinh với 40%Sn [ độc lập hạt lớn màu đen bị bao bọc tinh [+] 3.2.6 Giản đồ loại IV Đ/n: Là GĐP hai cấ u tử có tạ o nh hợ p chấ t hó a học AmBn, Dạ ng điể n hì nh hệ HK Mg-Ca (hì nh 3.14) với hợp chấ t hoá học ổn đị nh Mg4Ca3, = tổ ng củ a hai giả n đ loạ i I: Mg - Mg4Ca3 Mg4Ca3-Ca Đợc khả o sá t nh giả n đồ độc lậ p nhiệ t độ , Đ/điể m: hai loạ i dung dị ch rắ n : loạ i kế t tinh đầ u tiê n trê n 183oC loạ i cïng kÕ t tinh víi β ë nhiƯ t độ không đổi (183oC) đợc gọi tinh (bỏ qua II) Hì nh 3.13 tổ chức tế vi hai hợp kim hệ nà y L 800 600 400 Mg4Ca3+L Mg+L L+Mg4Ca3 516 Mg+Mg4Ca3 L+Ca 445 Mg4Ca3+Ca 55,3 Mg Ca 20 60 40 80 H× nh 3.14 Giản đồ loại IV, hệ Mg-Ca %Ca Trê n đâ y bố n giả n đồ pha hai cấ u tử bả n nhấ t, thực tế cò n có nhiề u kiể u giả n đ pha phứ c tạ p với cá c phả n ứng c 3.2.7 Các giản đồ pha với phản ứng khác GĐP vớ vớii cá cácc phả p n øng bao tinh (peritectic): (peritectic):L+R1→R2.VÝ dơ G§P Fe-C→L0,5+ 0,1 0,16 42 Đ/điể m: rắ n R2 nằ m Lbt& R1 trê n GĐP, p/ứ bao tinh không xả y hoà n n, R2 tạ o nh bao bọc lấ y R1 tạ o nê n lớ p mà ng ngă n cá ch không cho phả n ứng tiế p tụ c GĐP có phản ứng tí ch (eutectoid): (eutectoid): R [R1+R2] Đ/điể m: c với phả n ứng tinh, cù ng tí ch pha rắ n pha rắ n Ví dụ: GĐP Fe - C: Feγ(C)0,8 → [Feα + Fe3C] (sÏ kh¶ o sá t sau) Sự tiế t pha khỏi dung dị ch rắ n Tiế t pha II & II (hì nh 3.12) cá c phầ n tử nhỏ mị n, phâ n tá n, phâ n bố đ ề u nỊ n pha mĐ → ho¸ bỊ n → hãa bỊ n tiÕ t pha 3.2.8 Quan hƯ ng giản đồ pha tí nh chất hợ p kim a Tí nh chất cá c pha thành nh phần phầ n Hợp kim cã tæ chøc mé t pha → tÝ nh chÊ t hợp kim tí nh chấ t củ a pha ® ã HK cã tỉ chø c bao gồ m hỗ n hợp nhiề u pha tí nh chấ t hợp kim tổ ng hỵ p hay kÕ t hỵp tÝ nh chÊ t cá c pha nh phầ n (khô ng phả i cộng đ ơn thuầ n), gồ m cá c trờng hợp: HK DDR (dung dị ch rắ n) + cá c pha trung gian: Quan hệ tí nh chấ t - nồng độ thô ng th ờng đợ c xá c đị nh bằ ng thực nghiệ m Đ/điể m tí nh chất hì nh thành: Dung dị ch rắn rắ n (tí nh chấ t gầ n giống với KL dung môi), thờng rấ t dẻ o, dai mề m, Pha trung gian : tí nh chấ t c hẳ n với cá c cấ u tử nguyê n chấ t: cứng hoặ c rấ t cứng, giòn Pha trung gian chØ xt hiƯ n ®−a cÊ u tư thứ hai o với lợng v ợt giới hạ n hòa tan b Tí nh chất hỗ n hợp cá c pha: pha: Quan hệ tuyế n tí nh: hì nh 3.16, đơn giả n nhấ t Tí nh chấ t hỗn hợ p : TΣ = ∑ Ti X i , ®ã Ti vµ Xi lµ tÝ nh chÊ t vµ tû lƯ pha i, đ ối n với hợ p kim pha: PHK = T1X1 + T2.X2 hay PHK = T1 + X2.(T2 - T1) Với Xi GĐP (hì nh 3.16) L PΣ PB PA A+B A %B → B α Pα PΣ A PB PA PΣ A α %B → B β Pβ α+β %B → α+L nhiÖ t ®é, PΣ nhiƯ t ®é, PΣ L L+α L L+β nhiƯ t ®é, PΣ A+L nhiƯ t ®é, PΣ α+L L+B B L L+AmBn α Pα PAmBn PΣ A α+AmBn %B → AmBn H× nh 3.16 TÝ nh chÊt hợp kim giản đồ pha - quan hệ tun tÝ nh q/hƯ tu n tÝ nh chØ ®óng cù ng cỡ hạ t cá c pha phâ n bố đề u đ ặ n 43 nhiệ t ®é, PΣ Quan hƯ phi tu n: n: Trong trờng hợp hạ t nhỏ hoặ c to lê n, tí nh chấ t đạ t đ ợc thay đ ổi tuỳ theo tr ờng hợp: hạ t nhỏ di độ dai tă ng = bề n +L L + dẻ o tă ng Chí nh mà tí nh chấ t hợp kim khô ng L+ tuâ n theo quan hệ tuyế n tí nh nhấ t tạ i điể m tinh, tí ch lâ n cË n (h× nh 3.17) Pα H× nh 3.17 Quan hƯ phi tu n gi÷a tÝ nh chÊ t GĐP P P + A %B B 3.3 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) Giả n ® å pha Fe - C (chØ xÐ t hệ Fe - Fe3C) phức tạ p, rấ t đ iể n hì nh để minh họ a cá c tơng tá c thờng gặ p đ ợc sư dơng rÊ t nhiỊ u thùc tÕ Ngoà i cò n có giả n đồ Fe - grafit hệ câ n bằ ng ổn chủ yế u dù ng gang 3.3.1 Tơng tác Fe C Fe, dẻ o (dễ biế n d¹ ng ngi), dai, bỊ n, cø ng Al, Cu nhiề u song vẫ n cò n rấ t thấ p so với yê u cầ u sử dụ ng Khi đa C o Fe hóa bề n, rẻ HK Fe-C trở nê n thông dụng a Sự hòa tan C vào o Fe Tạ o dung dị ch rắn xen kẽ : bá n kí nh nguyê n tử rC = 0,077nm, rFe = 0,1241nm) → C chØ cã thể hòa tan có hạ n o Fe ng dung dị ch rắ n xen kẽ Fe cã kiĨ u m¹ ng tinh thĨ : lftk A2 (no < 911oC - Fe 1392 ữ 1539oC - Fe) lftm A1 (911 ữ 1392oC - Fe), khả nă ng hòa tan cacbon o cá c pha Fe c nhau: Fe Fe với vớ i mạng mạng A2 mậ t độ xế p thấ p, có nhiề u lỗ hổng, song lỗ hổng lạ i có kí ch thớc nhỏ (lỗ tá m mặ t có r = 0,02, lỗ bố n mặ t lớ n có r = 0,036), lín nhÊ t cịng chØ b» ng 50% kÝ ch th ớc củ a nguyê n tử sắ t Fe hoà tan đợc 0,02%C Fe 0,1%C Fe và Fe, Fe với mạng A1: A1: có mậ t độ xế p cao hơ n, nhng lỗ hổng lạ i có kí ch th ớc lớn (lỗ bốn mặ t r = 0,028nm, lỗ tá m mặ t r = 0,051nm), vẫ n cò n hơ i nhỏ nh ng nhờ cá c nguyê n tư s¾ t cã thĨ gi· n → Feγ hòa tan đ ợc cacbon 2,14%C b Tơng tác hóa hó a họ c Fe C Austenit () DDR C Fe, mạ ng A1, g/hạ n hoµ tan: 727oC -0,8%C, 1147oC2,14%C Ferit (α) lµ DDR cđa C Feα, m¹ ng A2, gií i h¹ n hoµ tan: 20oC-0,006%C, 727oC-0,8%C Fe3C lµ pha xen kÏ , cã kiĨ u m¹ ng phøc t¹ p, cã nh phầ n 6,67%C + 93,33%Fe 3.3.2 Giản đồ pha Fe - Fe3C tổ chức a Giản đồ pha Fe - Fe3C Hì nh 3.18 với cá c ký hiệ u cá c tọa đ ộ (no, oC - %C) nh− sau: Mét sè ®−êng cã ý nghÜ a thùc tÕ rÊ t quan träng: - ABCD đ ờng lỏng để xá c đị nh nhiệ t độ chả y đúc - AHJECF đ ờng rắ n kế t tinh hoà n n đúc - PSK (727oC) đờng cù ng tÝ ch → nhiÖ t luyÖ n - ES - giới hạ n hòa tan cacbon Fe hoá nhiÖ t luyÖ n, nhiÖ t luyÖ n 44 - PQ - giới hạ n hòa tan cacbon Fe → nhiƯ t lu n kÐ m quan h¬n δ A H B A (1539 - 0) B (1499 - 0,5) J C (1147 - 4,3) H (1499 - 0,10) P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006) 1200 S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67) E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67) G (911 - 0) F (1147 - 6,67) J (1499 - 0,16) N (1392 - 0) F+P Q γ+Xª II+Lª γ+Xª II 727 peclit S L+Xê C 1147 lê đê buri A3 P Fe D Acm Hì nh 3.18 Giản đồ pha Fe - C500 (Fe - Fe3C) γ+L E γ nhiÖ t ®é, o C 910 G L 0,8 2,14 %C → Lª + Xª I K Lª + Xª I P+Xª II+Lª P+Xª I F 4,3 Fe3C b Các chuyể n biế n làm ngué i chËm - ChuyÓ n biÕ n bao tinh x¶ y ë 1499oC: δH + LB → γJ hay δ0,10+ L0,50 → γ0,16 (3.1) o - ChuyÓ n biÕ n cïng tinh x¶ y ë 1147 C: LC→ (γE + Xª ) hay L4,3 → (γ2,14+ Xª ) (3.2) o - ChuyÓ n biÕ n cïng tÝ ch x¶ y ë 727 C: γS → [αP + Xª ] hay γ0,8 → [α0,02+ Xª ] (3.3) o - Sù tiÕ t pha Fe3C d− khái dung dị ch rắ n củ a cacbon: , n < ES Xê II , no< PQ Xê III c C¸c tỉ chøc mét pha Ferit (α α, F), F đ à nê u trê n, Ferit pha tồn tạ i nhiệ t đ ộ thờng, tû lƯ cao nhÊ t (tíi 90%), quan trä ng đ ói với tí nh củ a hợp kim Fe - C Tỉ chøc tÕ vi cđa ferit (xem hì nh 3.22) có ng cá c hạ t sá ng, đa cạ nh Austenit [, A, Fe(C)], (C) đ à nê u trê n, c với F, tí nh sắ t từ , tồ n tạ i nhiệ t o đ ộ cao (> 727 C), chØ tå n t¹ i ë nhiệ t đ ộ cao hoặ c TKG austenit, 13,nhng lạ i có vai trò quyế t đị nh biế n ng nóng nhiệ t luyệ n TÝ nh chÊ t cñ a γ: cã tÝ nh dẻ o rấ t cao (mạ ng A1) Nhờ cã tÝ nh dỴ o cao → thĨ tiÕ n hà nh biế n ng nóng hợ p kim Fe - C víi C < 2,14% Lµ m ngi austenit víi tè c ® é ≠ → tỉ chøc ≠ → c¬ tÝ nh ≠: nguéi chË m → P+F mỊ m, ngi nhanh → mactenxit cøng Tỉ chức tế vi củ a gồm cá c hạ t sá ng, với mà u đậ m nhạ t c đôi chút, có cá c ®−êng song tinh Xª m mentit entit (X Xª , Fe3C): pha xen kẽ với kiể u mạ ng phứ c tạ p có cô ng thức Fe3C nh phầ n 6,67%C, cứng giòn, với ferit tạ o nê n cá c tổ c c củ a hợ p kim Fe - C Ngời ta phâ n biệ t loạ i Xª : - XeI tiÕ t tõ pha lỏ ng m nguội HK > 4,3%C Xê I có ng thẳ ng, thô to (hì nh 3.24b) thấ y đợc bằ ng mắ t thờng 45 - XeII đ ợc tạ o nh m nguộ i theo đ ờng ES HK cã 0,80 4,3%C bê n phả i điể m C, có tổ chức Lê + Xê I (hì nh 3.24b) H× nh 3.23 Tỉ chøc tÕ vi cđa thÐp sau cïng tÝ ch H× nh 3.24 Tỉ chøc tÕ vi cđa gang tr¾ng (x500): (1,20%C) (x500) tr−íc cïng tinh (a) sau tinh (b) c Các điể m tíi h¹ n cđa thÐ p A (tõ tiÕ ng Phá p arrê t=dừng, c- chauffer=nung nóng, r- refroidir=là m ng i) A víi 1, 2, 3, 4, vµ cm, chúng đợc gọi cá c đ iể m (hay nhiệ t độ) tớ i hạ n, gồ m: A1 - ®−êng PSK (727oC) øng víi chu n biÕ n austenit ↔ peclit, cã mäi lo¹ i thÐ p A3 - đờ ng GS (911 ữ 727oC) ứng với bắ t đầ u tiế t F khỏi γ lµ m ng i hay kÕ t thóc hòa tan ferit o austenit nung nóng, cã thÐ p tr−íc cï ng tÝ ch Acm - đờng ES (1147 ữ 727oC) ứng vớ i bắ t đ ầ u tiế t Xê II khỏi m nguội hay kế t thúc hòa tan Xê II o nung ng, chØ cã thÐ p sau cïng tÝ ch A0- (210oC) - điể m Curi củ a Xê , A2- (768oC) - ® iĨ m Curi cđa ferit, Cïng mét thÐ p bao giê còng cã: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3 , ... ă n mòn Dung dị ch rắ n pha bả n chiế m tới 90% thË m chÝ 100% vË t liÖ u kÕ t cÊ u 3.1.3 Pha trung gian Trª n giả n đồ pha phí a dung dị ch rắ n, giữ a cá c pha trung gian a Bản chấ t phân loại... cá c pha trung gian không hoà n n tuâ n theo quy luậ t hó a trị nh phầ n hóa học chí nh xá c theo công thứ c, có liê n kế t kim loạ i Cá c pha trung gian hợp kim thờng gặ p: pha xen kẽ , pha. .. n bố đ ề u nỊ n pha mĐ → ho¸ bỊ n → hãa bề n tiế t pha 3.2.8 Quan hệ ng giản đồ pha tí nh chất hợ p kim a TÝ nh chÊt c¸c c¸ c pha thành nh phần phầ n Hợp kim có tổ chøc mé t pha → tÝ nh chÊ t