chương 2 hợp kim và giản đồ trạng thái

- Ngăn cách với pha khác bằng bề mặt phân pha• Hệ: tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng • Cấu tử: là những chất độc lập có thành phần không đổi, chúng tạo nên tất cả các pha của hệ...

1 Khái niệm về hợp kim

1.1 Định nghĩa hợp kim

• Hợp kim: là vật thể chứa nhiều nguyên tố

và mang tính chất kim loại Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại

• Trong kỹ thuật ít dùng KL nguyên chất mà thường dùng hợp kim

• HK được sử dụng rộng rãi vì có nhiều mặt

ưu việt hơn KL nguyên chất

1.2 Đặc tính của hợp kim

1 Độ bền, độ cứng cao hơn KL nguyên

chất Độ dẻo, dai thường thấp hơn KL nguyên chất nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép

2 Có các tính chất đặc biệt: chịu nhiệt,

- Ngăn cách với pha khác bằng bề mặt phân pha

• Hệ: tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng

• Cấu tử: là những chất độc lập có thành phần

không đổi, chúng tạo nên tất cả các pha của hệ

2 Các pha & tổ chức trong hợp kim

2.1 Dung dịch rắn

• Lưu ý:

- DDR có liên kết kim loại

- Dung môi B có thể không giữ lại kiểu mạng của mình

• Ký hiệu:

- Các chữ Hy Lạp: , , , ,  …

- A(B)

2.1.1 Dung dịch rắn thay thế

2.1.1 Dung dịch rắn thay thế

• Các nguyên tử của chất tan B thay thế các nguyên tử của dung môi A tại chính các

nút mạng của A

  Số nguyên tử trong ô cơ bản bằng số

nguyên tử trong ô cơ bản của dung môi A

a DDR thay thế hòa tan vô hạn

• Chất tan B hòa tan vào dung môi A với tỉ

lệ bất kỳ

• Các nguyên tử của B có thể lần lượt thay thế mọi vị trí nút mạng của A mà không

làm thay đổi cấu trúc tinh thể của DDR

• Khái niệm dung môi và chất tan chỉ là quy ước

b DDR thay thế hòa tan có hạn

• Lượng hòa tan của B trong A không thể

vượt quá giá trị xác định

• Khi hòa trộn A và B vào nhau sẽ tạo nên 2 DDR:

- B hòa tan trong A: A(B): kiểu mạng của A

- A hòa tan trong B: B(A): kiểu mạng của B

c Điều kiện để tạo thành DDR

hòa tan vô hạn

• Kiểu mạng: A và B phải cùng kiểu mạng

• Đường kính nguyên tử: dA và dB không sai lệch nhau nhiều (<8-15%)  thường xảy ra giữa các KL với nhau

• Lý, hóa tính: của A và B phải gần giống

nhau

• Nồng độ điện tử: của A và B phải gần

như nhau

c Điều kiện để tạo thành DDR

hòa tan vô hạn

2.1.2 Dung dịch rắn xen kẽ

2.1.2 Dung dịch rắn xen kẽ

• Nguyên tử của chất tan B nằm trong lỗ

hổng của mạng tinh thể của dung môi A

• Thường được tạo thành bởi:

- Nguyên tố dung môi: các kim loại chuyển

tiếp (Fe, Ni, Mn, W …)

- Nguyên tố chất tan: các á kim có đường

kính nguyên tử nhỏ: C, N, B, H

2.1.2 Dung dịch rắn xen kẽ

• Điều kiện tạo thành DDR xen kẽ:

- Tốt nhất: dB  kích thước lỗ hổng của

mạng tinh thể dung môi

- Nếu dB> kích thước lỗ hổng của mạng tinh thể dung môi không nhiều: B cũng có thể hòa tan vào mạng A và gây xô lệch mạng đáng kể

• B luôn hòa tan có hạn trong A và độ hoà tan thường thấp

2.1.3 Đặc tính của DDR

1 Có liên kết kim loại  DDR có tính dẻo

tốt (không cao bằng KL nguyên chất)

2 Thành phần hóa học thay đổi trong một

phạm vi nhất định; kiểu mạng giống dung môi

3 Mạng tinh thể luôn bị xô lệch và mức độ

xô lệch càng lớn khi tăng hàm lượng B

4 Do xô lệch mạng  tính chất biến đổi so

với A:

- Độ bền, độ cứng, điện trở tăng

- Độ dẻo, dai giảm

2.1.3 Đặc tính của DDR

2.2 Các pha trung gian

• Trong HK, trừ DDR, tất cả các pha còn lại: pha trung gian

• Đặc điểm:

- MTT khác kiểu mạng các nguyên hợp

thành

- Tính chất khác xa với các nguyên thành phần: cứng, dòn, nhiệt độ nóng chảy cao

- Thành phần không đổi hoặc thay đổi trong phạm vi hẹp

2.2 Các pha trung gian

• Hợp chất hóa học hóa trị thường

2.2.1.Hợp chất hoá học hoá trị thường

• Thành phần hoá học hầu như cố định

tương ứng với công thức hoá học nhất

2.2.2 Pha xen kẽ

• Các á kim có đường kính nguyên tử bé

(C, H, N, B) chẳng những có thể đi vào lỗ hổng của MTT để tạo nên DDR xen kẽ mà

còn có thể tạo nên pha mới với kiểu mạng

khác hẳn: pha xen kẽ

• Những pha xen kẽ thường gặp: carbide, hydride, nitride, boride

• Cấu tạo MTT của pha xen kẽ phụ thuộc

vào tỉ lệ dA/dMe (dA: đường kính nguyên tử

á kim; d : đường kính nguyên tử KL)

2.2.2 Pha xen kẽ

Đặc điểm:

- Có liên kết kim loại  mang tính KL rõ nét

- Thường có nhiệt độ nóng chảy và độ

cứng rất cao

3 Hỗn hợp cơ học

• Ở trạng thái rắn, HK có thể có tổ chức:

- Một pha: DDR hoặc pha trung gian

- Hai hoặc nhiều pha: hỗn hợp cơ học

• HK có tổ chức là hỗn hợp cơ học:

- Của 2 KL nguyên chất

- Của 2 DDR: tính dẻo tốt

- Của 2 pha trung gian: rất dòn

- Của DDR và pha trung gian: thường gặp nhất

4.1.3 Cấu tạo của GĐTT

4.2 GĐTT loại 1: 2 cấu tử hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, không hòa tan

ở trạng thái rắn

Đặc tính của HK

• Cơ lí tính: có tính chất trung gian giữa A & B Tính chất HK= %A x tchất A + %B x tchất B

4.3 GĐTT loại 2: 2 cấu tử hòa tan vô hạn với nhau ở trạng thái lỏng & rắn

Đặc tính của HK

• Cơ lí tính: phụ thuộc vào thành phần theo quan hệ đường cong có cực trị:

- Độ bền, độ cứng: cực đại tại 50%A+50%B

- Độ dẻo: cực tiểu tại 50%A + 50%B

4.4 GĐTT loại 3: 2 cấu tử hòa tan vô

hạn ở trạng thái lỏng, hòa tan có hạn ở trạng thái rắn,

có chuyển biến cùng tinh

5 Giản đồ trạng thái Fe-C 5.1 Tương tác giữa Fe và C

5.1.2.Tương tác của sắt với C

• Theo 2 cách:

- Cacbon hoà tan trong sắt tạo thành DDR

- Cacbon kết hợp với sắt tạo thành hợp chất hoá học

b.Hợp chất hoá học của Fe với C

• Fe và C tạo thành 3 hợp chất hoá học:

Fe3C (6,67%C), Fe2C (9,67%C), FeC

(17,67%C)

• Chỉ dùng C< 5% trong các HK Fe – C nên chỉ gặp Fe3C (Cementite; Xementit; Xe)

• Xe là pha xen kẽ, được tạo thành khi

lượng C lớn hơn giới hạn hoà tan của nó trong Fe hoặc Fe Xe rất cứng và dòn

5.2 Dạng của giản đồ

5.2 Dạng của giản đồ

• A: nhiệt độ nóng chảy của sắt

• D: nhiệt độ nóng chảy của Fe3C

• ABCB: đường lỏng

• AHJECF: đường đặc

5.3 Các tổ chức 1 pha

1 Hợp kim lỏng (L): trên đường L

2 Xe: ứng với đường DEKL: có 3 dạng:

vùng CDF; tổ chức thô to

tan giới hạn của C trong  giảm từ 2,14 xuống

tan giới hạn của C trong  giảm từ 0,02 xuống 0,006% Lượng rất ít, có thể bỏ qua

5.3 Các tổ chức 1 pha

3 Ferit (Ferrite, F, ): khu vực GPQ

• DDR xen kẽ của C trong Fe với MTT lptt

• Độ hoà tan của C trong F rất thấp: max

0,02% (7270C)

• Có độ dẻo, dai cao

• Khi hoà tan các nthk khác  độ cứng, bền tăng; độ dẻo giảm

5.3 Các tổ chức 1 pha

4 Ôstenit (Austenite,Aus, ): NJESG

• DDR xen kẽ của C trong Fe  với MTT lptt

• Rất dẻo và dai

• Có thể hoà tan Cr, Ni, Mn …bằng cách

thay thế: độ cứng, bền tăng; độ dẻo giảm

5 DDR :

• Khu vực AHN

5.4 Các tổ chức 2 pha 5.4.1 Peclit (Pearlite, P, [F+Xe])

• P tấm cứng, bền nhưng không dẻo bằng P hạt

• Xe càng nhỏ mịn: độ bền càng cao

• Có mặt trong mọi HK sắt

- cacbon

5.4.2 Lêđêburit

(Ledeburite, Le, (+Xe), (P+Xe))

• Hỗn hợp cơ học cùng tinh, kết tinh từ pha lỏng chứa 4,3%C ở 11470C:

5.5.Kết tinh của các HK điển hình

5.6 Sơ lược về thép và gang

Quy ước:

• Thép: là HK Fe – C với C< 2,14%

- Khi nung đến T> GSE: tổ chức hoàn toàn

là Aus  dẻo, có thể gia công bằng biến dạng nóng`

• Gang: là HK Fe – C với C> 2,14%

- T nóng chảy thấp

- Có tổ chức cùng tinh  dòn

5.6 Sơ lược về thép và gang

• Phân loại thép theo tổ chức tế vi & %C:

- Thép trước cùng tích: C< 0,8%; F + P

- Thép cùng tích: C 0,8%; P

• Phân loại gang theo tổ chức tế vi và %C:

Có tổ chức tế vi ứng với GDTT Fe-C: Gang trắng (tất cả C dạng Xe  mặt gẩy màu sáng)

- Gang cùng tinh: C 4,3%; Le

5.7.Các điểm tới hạn của HK Fe-C

• Các điểm chuyển biến ở trạng thái rắn của HK

Fe-C: các điểm tới hạn

• Ký hiệu: chữ A và số tiếp theo

từ aus (khi làm nguội), kết thúc hoà tan F vào Aus (khi nung)

vào Aus (khi nung)