Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Vẽ và thiết kế trên máy tính - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI LƯU HUY HẠNH (Chủ biên) NGÔ TRỌNG NỘI - TRẦN THỊ THƯ GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU CƠ KHÍ Nghề: Vẽ thiết kế máy tính Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2021 LỜI NÓI ĐẦU Để cung cấp tài liệu học tập cho học sinh - sinh viên tài liệu cho giảng viên giảng dạy Khoa khí trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc thành phố Hà Nội chỉnh sửa, biên soạn giáo trình ‘’VẬT LIỆU CƠ KHÍ’’ dành riêng cho học sinh-sinh viên nghề Vẽ thiết kế máy tính Đây mơn học chun mơn nghề chương trình đào tạo nghề Vẽ thiết kế máy tính trình độ Cao đẳng Nhóm biên soạn tham khảo nhiều tài liệu công nghệ vật liệu tác giả nước, kết hợp với kinh nghiệm thực tế giảng dạy mơn học Mặc dù nhóm biên soạn có nhiều cố gắng, khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến đồng nghiệp, độc giả để giáo trình hồn thiện Địa đóng góp khoa Cơ khí, Trường Cao Đẳng Nghề Việt Nam – Hàn Quốc, Đường Uy Nỗ – Đông Anh – Hà Nội Hà Nội, ngày tháng Nhóm biên soạn năm 2021 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC Chương Cấu trúc tính vật liệu Kim loại 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.2 Sắp xếp nguyên tử vật chất 1.3 Khái niệm mạng tinh thể 11 Hình 1.6 a) Mơ hình sở 11 Hình 1.9 Cách xác định số Miller mặt phẳng P 15 1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình vật rắn 17 1.5 Đơn tinh thể đa tinh thể 25 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 27 Chương Hợp kim biến đổi tổ chức 30 2.1 Cấu trúc tinh thể hợp kim 30 2.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử 36 2.3 Giản đồ pha Fe - C(Fe – Fe3C) 48 Chương Nhiệt luyện 53 3.1 Khái niệm nhiệt luyện 53 3.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép 55 3.3 Ủ thường hóa thép 60 3.4 Tôi thép 63 3.5 Ram thép 69 3.6 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện 70 Chương Vật liệu kim loại 74 4.1 Thép cacbon 74 4.2 Thép hợp kim 80 4.3 Gang 103 Chương Hợp kim màu phi kim 113 5.1 Hợp kim màu 113 5.2 Gỗ 124 5.3 Chất dẻo 127 5.4 Vật liệu compozit 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Vật liệu khí Mã số mơn học: MH 08 Thời gian môn học: 30giờ (LT: 20giờ; TH: 07giờ; KT: 03giờ) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MƠN HỌC - Vị trí: Mơn học bố trí trước, đồng thời sau sinh viên học xong mơn học chung bắt buộc; Mơn học bố trí trước môn học, mô-đun đào tạo chuyên môn nghề - Tính chất: Là mơn học kỹ thuật sở thuộc môn học, mô đun đào tạo nghề bắt buộc II MỤC TIÊU MƠN HỌC: - Kiến thức: Trình bày đặc điểm, tính chất lý, ký hiệu phạm vi ứng dụng số vật liệu thường dùng ngành khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội ; Giải thích số khái niệm nhiệt luyện hoá nhiệt luyện; Nhận biết vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm gõ, đập búa, xem tia lửa mài; Xác định tính chất, cơng dụng loại vật liệu thường dùng cho nghề - Kỹ năng: Có khả tự mua loại vật liệu theo yêu cầu sản xuất; Đo độ cứng HB, HRC; Nhiệt luyện số dụng cụ nghề dao tiện thép gió, đục - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập III NỘI DUNG MÔN HỌC: Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Thời gian S Số TT I Tên chương, mục Tổng Lý số thuyết Chương 1: Cấu trúc tính vật liệu Thực hành/thực tập/thí nghiệm/bài tập/thảo luận Kiểm tra* 04 04 0 06 03 02 01 08 06 01 01 Cấu tạo liên kết nguyên tử Sắp xếp nguyên tử vật chất Khái niệm mạng tinh thể Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn Đơn tinh thể đa tinh thể Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại II Chương 2: Hợp kim biến đổi tổ chức Cấu trúc tinh thể hợp kim Giản đồ pha hệ hai cấu tử Giản đồ pha Fe - C (Fe- Fe3C) Bài tập Kiểm tra III Chương 3: Nhiệt luyện Khái niệm nhiệt luyện thép Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép Ủ thường hố thép Tơi thép Ram thép Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép Bài tập Kiểm tra IV Chương 4: Vật liệu kim loại 10 05 04 01 02 02 0 Thép Cácbon Thép hợp kim Gang Bài tập Kiểm tra V Chương 5: Hợp kim màu phi kim Hợp kim màu Gỗ Chất dẻo Vật liệu Compozit Cộng 30 20 07 03 * Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết tính lý thuyết, kiểm tra thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập tính thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập Chương Cấu trúc tính vật liệu Kim loại Giới thiệu chương Phụ thuộc vào điều kiện tạo thành ( nhiệt độ, áp suất,…) tương tác phần tử cấu thành (lực liên kết phân tử, nguyên tử), vật chất tồn trạng thái rắn, lỏng, khí (hơi) Tính chất vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào cách xếp phần tử cấu thành lực liên kết chúng Trong chương khái niệm đề cập lại: cấu tạo nguyên tử, dạng liên kết cấu trúc tinh thể, không tinh thể (vơ định hình) vật rắn 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.1.1 Khái niệm cấu tạo nguyên tử Nguyên tử hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương điện tử (electron) mang điện âm chuyển động xung quanh Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ proton nơtron Hạt nơtron khơng mang điện cịn hạt proton mang điện dương, có điện tích điện tích ngun tử Ở trạng thái thường, nguyên tử chung hòa điện số lượng proton số lượng điện tử Số đặc trưng số thứ tự nguyên tử(Z) bảng tuần hồn Menđeleev Vì khối lượng proton nơtron lớn nhiều so với điện tử (khoảng 1830 lần) khối lượng nguyên tử xác định khối lượng hạt nhân Với khối lượng điện tử proton, hạt nhân chứa số lượng nơtron khác tạo thành đồng vị nguyên tố hóa học 1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử chất rắn 1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết tạo hai(hoặc nhiều) nguyên tử góp chung số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử lớp ngồi Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị phân tử khí CH4 Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị phân tử khí CH4 1.1.2.2 Liên kết ion Đây loại liên kết mạnh dễ xẩy ngun tử có điện tử hóa trị dễ cho bớt điện tử để tạo thành ion dương nguyên tố nhóm IB(Cu, Ag, Au), IIB(Zn, Cd, Hg) với nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để tạo thành ion âm nguyên tố nhóm VIB (O, S ) Hình 1.2 biểu diễn liên kết ion phân tử LiF Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết phân tử LiF Hình 1.3 Sơ đồ liên kết kim loại 1.1.2.3 Liên kết kim loại Đây loại liên kết đặc trưng cho vật liệu kim loại, định tính chất đặc trưng loại vật liệu Hình 1.3 biểu diễn sơ đồ liên kết kim loại Có thể hình dung liên kết sau: ion dương tạo thành mạng xác định, đặt không gian điện tử tự "chung" Năng lượng liên kết tổng hợp (cân bằng) lực hút (giữa ion dương điện tử tự bao quanh) lực đẩy (giữa ion dương) Chính nhờ cân nguyên tử, ion kim loại ln ln có vị trí cân xác định đám mây điện tử Liên kết kim loại thường tạo kim loại ngun tố có í t điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt khỏi nguyên tử trở nên tự (không bị ràng buộc nguyên tử nào) tạo nên "mây" hay "biển" điện tử 1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp Thực ra, liên kết đồng hóa trị túy có trường hợp liên kết đồng cực (giữa nguyên tử nguyên tố hóa học) Trong trường hợp liên kết dị cực (giữa nguyên tử nguyên tố khác nhau) Điện hóa trị tham gia liên kết chịu hai ảnh hưởng trái ngược : - Bị hút hạt nhân “của mình” - Bị hút hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo nguyên tử “chung” Khả hạt nhân hút điện tử hóa trị gọi tính âm điện ngun tử Sự khác tính âm điện nguyên tử liên kết đồng hóa trị làm cho đám mây điện tử “chung” bị biến dạng tạo thành ngẫu cực điện, tiền tố liên kết ion Tính ion liên kết lớn khác tính âm điện nguyên tử lớn Ví dụ Na có tính âm điện 0,9 Cl 3,0 Do liên kết Na Cl hợp chất NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion 48% liên kết đồng hóa trị Tất liên kết dị cực mang tính chất hỗn hợp liên kết ion đồng hóa trị 1.1.2.5 Liên kết yếu (liên kết Van der Waals) Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải tạo thành phân tử nước ( O) polyetylen ( )n Nhưng không cho phép lý giải tạo thành số vật rắn từ phân tử trung hòa nước đá polyme… Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, khác tính âm điện nguyên tử, trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, ngẫu cực điện tạo thành, phân tử bị phân cực Liên kết van der waals liên kết hiệu ứng hút nguyên tử phân tử bị phân cực trạng thái rắn Liên kết loại liên kết yếu, rễ bị phá vỡ ba động nhiệt (khi tăng nhiệt độ) Vì chất rắn sở liên kết van der waals có nhiệt độ nóng chảy thấp 1.2 Sắp xếp nguyên tử vật chất 1.2.1 Không trật tự hồn tồn, chất khí Chất khí chiếm tồn thể tích chứa nén Các ngun tử (phân tử) chất khí ln ln chuyển động ba động nhiệt số nguyên tử (phân tử) đơn vị thể tích thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Vị trí tương ứng chúng thay đổi theo quy luật ngẫu nhiên Trung bình ngun tử (phân tử) chiếm thể tích tương ứng hình cầu Đường kính trung bình nm 1.2.2 Chất rắn tinh thể Trong vật rắn tinh thể ngun tử có vị trí hồn tồn xác định không so với nguyên tử gần mà nguyên tử khác xa Không gian xung quanh ngun tử có cấu tạo hồn tồn đồng Nói cách khác tinh thể có trật tự xa Hình 1.4 cấu trúc tinh thể muối ăn, hình 1.5 cấu trúc tinh thể kim cương Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể kim cương Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể muối ăn Tai lieu Luan van Luan an Do an Hệ cấu tử khơng có biến đổi thành phần nên giản đồ pha hệ có trục, đánh dấu nhiệt độ chảy(kết tinh) nhiệt độ chuyển biến thù hình(nếu có) ở(hình 2.4) cho trường hợp sắt Thành phần Hình 2.4 Giản đồ trạng thái sắt %B Hình 2.5 Các trục giản đồ trạng thái hai cấu tử Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục(hình 2.5): trục tung biểu thị nhiệt độ, trục hoành biểu thị thành phần(thường theo % khối lượng) với đường phân chia khu vực pha theo nguyên tắc sau: - Xen hai khu vực pha khu vực hai pha tương ứng - Mỗi điểm trục hoành biểu thị thành phần xác định hệ Theo chiều từ trái sang phải tỷ lệ cấu tử b tăng lên, từ phải sang trái tỷ lệ cấu tử a tăng lên, hai đầu mút tương ứng với hai cấu tử nguyên chất: A(trái), B(phải) Ví dụ hình 2.5 điểm C tương ứng với thành phần có 30%B (tỷ lệ cấu tử thứ hai phần lại, tức 70%A),điểm D:80%B+ 20%A - Đường thẳng biểu thị thành phần xác định nhiệt độ khác Ví dụ đường thẳng đứng qua D biểu thị thay đổi nhiệt độ thành phần (80%B+20%A) - Hai trục tung giản đồ pha cấu tử tương ứng (trái cho A, phải cho B) Do biêu thị mặt phẳng cách xác nên từ giản đồ pha hệ hai cấu tử dễ dàng xác định thông số sau cho thành phần xác định nhiệt độ *Các pha tồn Căn vào điểm nhiệt độ – thành phần cho (tạm gọi tọa độ) nằm vùng giản đồ pha có tổ chức pha tương ứng với vùng đó: Nằm vùng pha, hợp kim có tổ chứuc pha; nằm vùng hai pha – có tổ chức hai pha 38 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an *Thành phần pha Nếu tọa độ nằm vùng pha thành phần pha cấu tạo nên hợp kim thành phần hợp kim chọn Khi toạ độ nằm vùng hai pha việc xác định có phức tạp hơn: kẻ đường nằm ngang (đẳng nhiệt)qua toạ độ này, hai giao điểm với hai đường pha gần rõ thành phần pha tương ứng *Tỷ lệ(về số lượng) pha tổ chức xác định tỷ lệ chúng nhờ quy tắc đòn bẩy hay cánh tay đòn theo nguyên tắc sau: ba điểm (toạ độ hai pha) tạo nên hai đoạn thẳng mà độ dài đoạn biểu thị tỷ lệ tương đối pha đối diện hợp kim hay cách đơn giản: Độ dài đoạn thẳng phải (đòn bên phải) = Độ dài đoạn thẳng trái (đòn bên trái) Lượng pha trái Lượng pha phải *Suy đốn tính chất hợp kim zckl Theo quy tắc kết hợp tính chất hợp kim p hk tổng hợp tính chất cảu pha theo tỷ lệ bậc phk = n  % pha.Ppha Ngoài từ giản đồ pha hệ hai cấu tử biết được: *Nhiệt độ chảy (kết tinh): thường hợp kim nóng chảy (kết tinh)trong khoảng nhiệt độ (bắt đầu kết thúc) tương ứng với hai đường chạy ngang suốt giản đồ, đường chạy ngang gọi đường lỏng – liquidus (ở cao đường hợp kim hoàn toàn trạng thái lỏng), đường ngang sát gọi đường rắn (hay đường đặc)- solidus (ở thấp đường hợp kim hoàn toàn trạng thái rắn) *Các chuyển biến pha Sự xuất biến pha (khi nung nguội chậm) nhiệt độ xảy ra, tương ứng với đường đường đặc *Dự đoán tổ chức tạo thành trạng thái khơng cân (khi nguội nhanh) giản đồ pha thiếu nghiên cứu hệ hợp kim Giản đồ pha hai cấu tử hệ thực tế có loại phức tạp, song dù phức tạp đến coi gồm nhiều giản đồ gộp lại khảo sát số dạng thường gặp giản đồ mà cấu tử hồ tan vô hạn vào trạng thái lỏng, song khác tương tác với trạng thái rắn với vận dụng thông tin cho trường hợp cụ thể 39 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an 2.2.3 Giản đồ loại I Là giản đồ pha hệ hai cấu tử tương tác nào, chúng tạo nên hỗn hợp riêng rẽ hai cấu tử (hình 2.6a) hệ điển hình có kiểu hệ chì - antimon (Pb - Sb)(hình 2.6b) Giản đồ gồm cặp đường lỏng - rắn, đường AEB đường lỏng, đường nằm ngang CDE (245 oC), Bnhiệt độ chảy (kết tinh) cấu tử B (Sb- 631oC) Hợp kim nóng chảy hay kết tinh khoảng hai đường với tồn hai hay ba pha(pha lỏng với hai pha rắn A, B) Hình 2.6 Dạng tổng quát giản đồ pha loại I (a) giản đồ pha Pb - Sb (b) Hãy xét xem kết tinh hợp kim cụ thể gồm 60%B (Sb) + 40%A(Pb) đường thẳng đứng biểu thị hợp kim cắt đường lỏng, rắn tương ứng 1(500oC), 2(245oC), hai mốc nhiệt độ đáng ý: + Ở cao 1(500oC), hợp kim trạng thái lỏng L + Ở độ thấp 2(245oC) hợp kim trạng thái rắn A+ B (Pb + Sb), L+ B(L+ Sb) ứng với q trình kết tinh hay nóng chảy Vậy 1(500oC) nhiệt độ bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy 2(145oC) nhiệt độ bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh Sự kết tinh hợp kim từ trạng thái lỏng xảy sau: - Làm ngưội đến 1(500oC) hợp kim lỏng bắt đầu kết tinh tinh thể B(Sb) nhiệt độ ứng với 1’ - Làm nguội tiếp tục, tinh thể B(Sb) tạo thành nhiều làm tỷ lệ B(Sb) hợp kim lỏng lại giảm nên điểm biểu diễn (toạ độ) dịch sang trái theo đường lỏng từ đến E Ví dụ tao (400oC) hợp kim lỏng (còn lại) với toạ độ điểm a’’ (37%Sb) tinh thể B với toạ độ điểm a’tức 100%B (100%Sb) Áp dụng quy tắc cánh tay đòn, tỷ lệ hai pha 40 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an La’’ / Ba’ = aa’ / aa’’ hay L37/ Sb100 = (100 - 60)/ (60 - 37)= 40/23 tức pha lỏng 40/ 63 (63,5%), rắn 23.36 (36,5%) - Khi làm nguội đến đường rắn CED (245oc) hợp kim lỏng (còn lại) nghèo B (Sb) có toạ độ điểm E (13%Sb), pha rắn B (Sb) ứng với điểm D Tỷ lệ hai pha Le / Bd = 2D / 2E hay L13 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 13)= 40/ 47 Tức pha lỏng khoảng 46%, pha rắn (Sb) kết tinh 54% Có nhận xét có hai cấu tử A B (Pb Sb) hợp kim kết tinh B (Sb) có phần B (Sb) hợp kim (54 60%) kết tinh, cấu tử (A, Pb) chưa kết tinh - Tại nhiệt độ đường rắn CED (245oc), le (l13) kết tinh hai cấu tử A + B (Pb + Sb) lúc, hỗn hợp hai pha rắn tạo thành lúc (đồng thời) từ pha lỏng gọi đường tinh (cùng kết tinh) hay eutectic Le   (A + B) hay L13   (Pb + Sb) Đó phản ứng tinh, quy ước biểu thị tổ chức tinh ngoặc đơn Sự kết tinh kết thúc làm nguội đến độ thường khơng có chuyển biến khác Cuối hợp kim có tổ chức B + (A + B) hay Sb + (Pb + Sb), B (Sb) tạo thành trước nhiệt độ cao nên có kích thước hạt lớn (độ q nguội nhỏ) cung tinh (A + B) hay (Pb + Sb) tạo thành sau sau nhiệt độ thấp nên có cấu tạo (kích thước hạt) pha nhỏ mịn (do độ q nguội lớn) Có thể tính dễ dàng tỷ lệ pha tổ chức pha hợp kim 60%Sb + 40%Pb sau: - Tỷ lệ pha Pb/ Sb = (100 - 60) / (60 - 0)= 40 / 60 hay 40%Pb, 60%Sb, - Tỷ lệ tổ chức sb/ (Pb + Sb) = (60 -13)/ (100 - 60) = 47/ 40 hay là54% Sb (độc lập) lại 46% tinh (Pb + Sb) Tương tự quy tắc nêu mục 2.1 biết diễn biến kết tinh (sự tạo thành tổ chức) hợp kim hệ Ví dụ, loại 90%Pb + 10%Sb kết tinh chì (Pb) trước 245oC kết tinh tinh (Pb + Sb)(hình 2.6b) Như hợp kim giản đồ loại I kết tinh theo thứ tự sau: “thoạt tiên pha lỏng kết tinh hai cấu tử nguyên chất trước làm cho pha lỏng nghèo cấu tử biến đổi thành phần đến điểm tinh E, đến pha lỏng lại kết tinh cấu tử thứ hai tức hai cấu tử lúc ” 41 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Ngồi có nhận xét tiên đưa thêm cấu tử khác vào cấu tử làm cho nhịêt độ kết tinh giảm đi, đạt đến giá trị thấp sau tăng lên Quy ước * Hợp kim có thành phần điểm E(hình 2.6a) hay lân cận gọi hợp kim tinh hay eutectic (có nhiệt độ chảy thấp, thấp cấu tử dễ chảy nhất), kết tinh hai cấu tử lúc nhiệt độ khơng đổi * Hợp kim có thành phần bên trái, bên phải điểm E(hình 2.6a) gọi hợp kim trước tinh(hay hypoeutectic), sau tinh(hay hypoeutectic), so với loại tinh chúng có nhiệt độ chảy cao hơn, kết tinh cấu tử trước xảy khoảng nhiệt độ 2.2.4 Giản đồ loại II Hình 2.7 Giản đồ pha loại II, dạng tổng quát(a), hệ Cu-Ni(b) Là giản đồ pha hệ hai cấu tử với tương tác hồ tan vơ hạn vào nhau, có dạng tổng quát trình bày hình 2.7a hệ điển hình có kiểu đồng – niken (Cu - Ni) hình 2.7b có dạng hai đường cong khép kín đường đường lỏng, đường đường rắn, đường rắn vùng tồn dung dịch rắn  có thành phần thay đổi liên tục Các hợp kim có quy luật kết tinh giống nhau: “nếu lấy đơn vị lượng cấu tử thành phần khó chảy tiênhợp kim lỏng kết tinh rung dịch rắn giàu hơn, pha lỏng cịn lại bị nghèo đi, song làm nguội chậm tiếp tục dung dịch rắn tạo thành biến đổi thành phần theo hướng nghèo cuối đạt thành phần hợp kim” Hãy xét kết tinh hợp kim cụ thể 35% Ni+ 65%Cu hình 2.7b - Ở 1300oC(hình 2.7b) ứng với điểm (nằm vùng l), hợp kim trạng thái lỏng (chưa kết tinh), trạng thái tồn điểm Ở 1270oC ứng với điểm (chạm vào đường lỏng), hợp kim bắt đầu kết tinh dung dịch rắn 2 42 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an (49%Ni) Tiếp tục làm nguội chậm, lượng  nhiều lên, l thành phần hai pha biến đổi tương ứng theo đường rắn đường lỏng theo chiều giảm Ni (là cấu tử khó chảy hơn) - Có thể tính dễ dàng tỷ lệ hai pha nhiệt độ xác định, ví dụ điểm 3, 1250oc Với ba toạ độ: hợp kim – 35%Ni hai pha: lỏng 3’ – 30%Ni l3’ / 3’’ = 33’’ / 33’ = (43 - 35) / (35 - 30) = 8/5, l3’ = 33’’/ 3’3’’= (43 - 35)/ (43 - 30) = 8/13 = 0,165 hay 61,5% 3’’ = 33’/ 3’3’’= (35 - 30) / (43 - 30) = 5/13 = 0,385 hay 38,5% - Đến 1220oC(hình 2.7b) ứng với điểm 4(chạm vào đường rắn), dung dịch rắn  có thành phần ứng với điểm tức thành phần hợp kim, đoạn 33’’(bên phải) không tức khơng cịn pha lỏng(lúc coi cịn giọt lỏng ứng với điểm 4’ với 23%Ni, giọt lỏng kết tinh xong, kết tinh coi kết thúc) Như lúc đầu có khác xa, song trình kết tinh dung dịch rắn tạo thành biến đổi thành phần hợp kim Tuy nhiên điều đạt kết tinh cân tức làm nguội chậm chậm nhờ kịp xảy khuếch tán làm thành phần Nếu làm nguội nhanh, không kịp khuếch tán làm thành phần, hạt dung dịch rắn tạo thành có nhiều lớp khác với thành phần khác nhau: trung tâm giàu cấu tử khó chảy cả, gần biên giới nghèo Hiện tượng gọi thiên tích thân hạt Để tránh phải tiến hành nguội chậm đúc hay khắc phục cách ủ khuếch tán vật đúc nhiệt độ gần đường rắn Trong giản đồ loại I xảy thiên tích với kiểu khác gọi thiên tích theo khối lượng hai cấu tử có khối lượng riêng khác rõ rệt, cấu tử kết tinh trước nhẹ lên, nặng chìm xuống thỏi Để tránh phải tiến hành nguội nhanh đúc bị thiên tích loại khơng có khắc phục 2.2.5 Giản đồ loại III Là giản đồ pha hai cấu tử với tương tác hồ tan có hạn vào nhau, có dạng tổng quát trình bày hình 2.8a hệ điển hình có kiểu hệ chì thiếc (Pb - Sn) hình 2.8b Giản đồ có dạng giống với giản đồ loại I với khác dung dịch rắn có hạn   thay cho cấu tử A B Các dung dịch rắn có hạn sở (nền) cấu tử nguyên chất nằm hai phía đầu mút giản đồ Ở AED đường lỏng, ACEDB - đường rắn Sau vài nhận xét kiểu giản đồ + Cũng giống giản đồ loại I nhiệt độ chảy cấu tử đầu phản ứng tinh 43 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Le   ( +) hay L61,9   (19,2 + 97,5) + Cũng có hợp kim tinh (có thành phần điểm E hay lân cận), trước tinh (trái E) sau tinh (phải E) + Các dung dịch rắn có hạn với đường CF DG rõ giới hạn hồ tan Nói chung độ hồ tan đạt giá trị lớn nhiệt độ tinh giảm mạnh hạ thấp nhiệt độ, nên CF DG có dạng xõa chân hai phía a ) b ) Hình 2.8 Giản đồ pha loại III dạng tổng quát(a), hệ Pb-Sn(b) + Có thể chia hợp kim hệ thành ba nhóm sau  Nhóm chứa cấu tử thứ hai(bên trái F, bên phải G), sau kết tinh xong có dung dịch rắn  , có đặc tính giản đồ loại II  Nhóm chứa luợng hạn chế cấu tử thứ hai [từ C (C’) đến D (D’)], ban đầu kết tinh dung dịch rắn, song nhiệt độ hạ xuống thấp đường CF DG chúng trở nên bão hoà, tiết lượng cấu tử hoà tan thừa dạng dung dịch rắn thứ cấp ( thừa  tiết II giàu B,  thừa A tiết pha II giàu A) 44 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Nhóm chứa lượng lớn cấu tử thứ hai [từ C(C’) đến D (D’)], ban đầu kết tinh dung dịch rắn (c hay d), pha lỏng lại biến đổi thành phần theo đường lỏng đến điểm E, có kết tinh tinh Các hợp kim nhóm có diễn biến kết tinh giống với giản đồ loại I Ví dụ, xét hợp kim trước tinh có 40% Sn hệ Pb – Sn (hình 2.8b) - Ở cao 245oC hợp kim màu hoàn toàn trạng thái lỏng - Tại 245oC hợp kim bắt đầu kết tinh 2’ với 13,3%Sn, làm nguội tiếp tục dung dịch rắn tạo thành pha lỏng lại biến đổi thành phần theo chiều tăng lên hàm lượng Sn Ví dụ, 200 oc pha  chứa 18,5%Sn (a’) l chứa 57%Sn(a’’), tỷ lệ chúng a’/ La’’ = (57 - 40)/ (40 – 18,5)= 17/21,5 pha a’ chiếm tỷ lệ 44,2% La’’ – 55,8% - Đến nhiệt độ tinh 183oC, trước kết tinh tỷ lệ hai pha là: c / Le = (61,9 - 40)/ (40 – 19,2)= 21,9/20,8 Cũng nhiệt độ sau phản ứng tinh le   (c + d), hợp kim có tổ chức c + (c + d) với tỷ lệ: c / (c + d) 21,9/20,8 Như tổ chức cuối hợp kim có hai loại dungdịch rắn : loại kết tinh độc lập vùng  + l (ở cao 183oC) loại tinh với  (chỉ có tinh)  (gồm loại độc lập lẫn loại tinh) 183oc có/ = (40 – 19,2)/ (97,5 - 40)= 20,8 / 57,8, nên  chiếm tỷ lệ 26,6%,  chiếm tỷ lệ 73,4% Cùng tinh Pb – Sn bao gồm phần tử Pb nhỏ mịn tối phân bố Sn sáng (hình a) Cịn hợp kim trước tinh khảo sát có tổ chức tế vi (hình b) Các hạt Pb kết tinh trước (hạt tối, to) phần tinh (Pb + Sn) hình a Rõ ràng pha tổ chức kết tinh nhiệt độ thấp hạt nhỏ mịn 2.2.6 Giản đồ loại IV Là giản đồ hai vật liệu tương tác phản ứng hoá học với tạo pha trung gian AmBn, có dạng tổng quát trình bày hình 2.9a hệ điển hình có kiểu hệ magiê – canxi (Mg - Ca) hình 2.9b, có dạng ghép hai giản đồ loại I: A- AmBn (Mg- Mg4Ca3) AmBn- B (Mg4Ca3 - Ca) Ở pha AmBn pha trung gian ổn định với nhiệt độ chảy cố định, khơng bị phân huỷ trước nóng chảy coi cấu tử Hợp kim đem xét có thành phần nằm giản đồ xét phạm vi giản đồ 45 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Tuy nhiên giản đồ pha hai cấu tử Nói có nghĩa cịn nhiều kiểu g iản đồ pha phức tạp ứng với phản ứng khác Hình 2.9 Giản đồ pha loại IV, dạng tổng quát(a),hệ Mg-Cu(b) 2.2.7 Quan hệ dạng giản đồ pha tính chất hợp kim 2.2.7.1 Tính chất pha thành phần Pha thành phần pha tạo nên tổ chức hợp kim Khi hợp kim có tổ chức pha pha thành phần đồng (đồng nghĩa) với hợp kim; tính chất hợp kim tính chất pha Trường hợp tổ chức hỗn hợp nhiều pha tính chất hợp kim tổng hợp hay kết tinh thành phần tạo nên tổ chức hợp kim nguyên tố hoá học, dung dịch rắn, pha trung gian thường gặp hợp kim với tổ chức hỗn hợp dung dịch rắn pha trung gian Hãy xem hai pha có tính chất phụ thuộc cấu tử thành phần nào? Như nói, dung dịch rắn mang đặc tính cấu tử chính(dung mơi, chủ với tỷ lệ áp đảo từ 50 đến gần 100%), song chịu ảnh hưởng rõ rệt cấu tử hoà tan Khi đưa thêm cấu tử vào, tính chất biến đổi không đều: thay đổi mạnh, sau mức độ thay đổi giảm (sẽ đạt đến cực trị trường hợp hoà tan vơ hạn) Vì biểu thị hình 2.9, tính chất dung dịch rắn phụ thuộc vào nồng dộ chất tan theo đường cong, dốc lên hay xuống, nhiều hay tuỳ tính chất hệ cụ thể quan hệ tính chất – nồng độ thơng thường xác định thực nghiệm Khác với dung dịch rắn, pha trung gian xuất đưa cấu tử thứ hai vào với lượng vượt qua giới hạn hồ tan, có cấu trúc mạng nói chung phức tạp khác hẳn với cấu trúc mạng nói chung phức tạp khác hẳn với cấu tử thành phần khác hẳn tính chất cấu tử nguỷên chất Ví dụ, kim loại nguyên chất thường dẻo, dai mềm, pha trung gian (hợp chất liên kim loại) thường giòn, nhiều trường hợp có độ cứng cao cao 46 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an 2.2.7.2 Tính chất hỗn hợp pha Tính chất hỗn hợp pha tổng hợp hay kết hợp hay kết hợp tính chất giản đồ pha số lượng (tỷ lệ) chúng Ví dụ, xét hợp kim có giản đồ loại hình 2.6a: có tổ chức A + B, với b%B (100 B)%A Pha A có tính chất cho pa, pha B pb, lúc tính chất hợp kim là: phk= (100 - b)%pA + b%p hay phk = pA+ b%(pB– pA) Quan hệ biểu diễn hình 2.6b: tính chất hợp kim biến đổi thể theo quan hệ bậc với tính chất hai pha thành biến đổi theo thành phần với quan hệ đường thẳng(nối giá trị tính chất hai pha đó) Tuy nhiên mối quan hệ mối quan hệ đường thẳng cỡ hạt pha phân bố đặn Trong trường hợp hạt nhỏ đi, tính chất đạt cao thấp so với quan hệ này, đối độ bền, độ dẻo, độ dai cao hẳn Chính mà tính chất hợp kim khơng tn theo quan hệ đường thẳng điểm tinh, tích vùng phụ cận 2.2.7.3 Quan hệ giản đồ pha tính chất hợp kim Trong trường hợp hai cấu tử hồ tan vơ hạn vào nhau, tính chất biến đổi theo thành phần với quan hệ đường cong có cực trị (hình a vẽ cho trường hợp cực đại) Tại trường hợp hai cấu tử tạo nên hỗn hợp tuỳ theo dạng hỗn hợp có ba kiểu sau - Hình 2.6a giản đồ pha với hỗn hợp hai cấu tử nguyên chất Ở tính chất biến đổi theo thành phần với quan hệ đường thẳng chạy suốt trục hoành từ pa đến pb - Hình 2.7b giản đồ pha với hỗn hợp hai dung dịch rắn có hạn, tính chất biến đổi theo thành phần với hai quy luật: phần đường cong hai đầu mút ứng với hai dung dịch rắn có hạn đạt đến p p bão hoà phần đường thẳng nối p p hợp kim hỗn hợp hai dung dịch rắn có hạn nồng độ bão hồ - Hình 2.8 giản đồ pha với hỗn hợp dung dịch rắn có hạn pha trung gian, tính chất biến đổi theo thành phần với hai quy luật: phần dung dịch rắn có hạn theo quan hệ đường cong đạt đến p  nồng độ đạt đến giới hạn bão hoà, phần hỗn hợp theo quan hệ đường thẳng p p (ph tính chất pha trung gian) 47 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an 2.3 Giản đồ pha Fe - C(Fe – Fe3C) Giản đồ pha Fe -C (chỉ xét hệ Fe – Fe3C) phức tạp, điển hình để minh hoạ tương tác thường gặp sử dụng nhiều thực tế Vì hiểu rõ giản đồ pha mang lại nhiều điều bổ ích Nói giản đồ pha Fe -C song thực tế khảo sát phần (phần giàu Fe) với lượng cacbon đến 6,67% (tương ứng với Fe 3C)- tức hệ Fe - Fe3C Ngồi cịn có giản đồ Fe- Grafit hệ cân ổn định nhất, song thực tế khó đạt tới, nên giản đị Fe – Fe3C coi cân ổn định (đúng cân ổn định giả) 2.3.1 Tương tác Fe C Sắt kim loại phổ biến vỏ trái đất Sắt nguyên chất kỹ thuật có tính sau: HB  80; b 250mpa;  50%;  85%; 0,2 120mpa ak2500 kl/m2 So với kim loại khác (nhơm, đồng) dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, bền, cứng nhiều xong thấp so với yêu cầu sử dụng Khi đưa cacbon vào sắt, hai nguyên tố xảy hai tương tác (hào tan thành dung dịch rắn tạo nên pha trung gian), có tác dụng hố bền, nhờ hợp kim Fe – C trở lên bền cứng (sắt) sử dụng cách rộng rãi 2.3.1.1 Sự hoà tan cácbon sắt Như nói quan hệ kích thước nguyên tử (cacbon nhỏ sắt r c = 0,077nm, rFe = 0,124nm), nên cacbon hồ tan có hạn vào sắt dạng dung dịch rắn xen kẽ Như biết, sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phương tâm khối A2 (tồn 727oc) hỗn hợp học p xê (ở to> 727oc) Lêđêburit cứng * Điểm tới hạn hợp kim Fe – C: - Định nghĩa: điểm tới hạn nhiệt độ bắt đầu kết thúc trình chuyển biến tổ chức hợp kim Fe - C trạng thái rắn Ký hiệu: Ao, A1, A2, A3 * Các điểm tới hạn thường dùng nhiệt luyện thép(hình 2.11) - Điểm tới hạn A1: (to> 727oc) Là điểm chuyển biến tích thép, nghĩa là: + Khi nung nóng: p ơ + Khi làm nguội: ô p - Điểm tới hạn A3: (to= 727  911oc) Là điểm chuyển biến bắt đầu tiết F từ làm nguội kết thúc hồ tan f vào nung nóng - Điểm tới hạn Acm: (to= 727  1147oc) Là điểm chuyển biến bắt đầu tiết xê từ ô làm nguội kết thúc hồ tan xê vào nung nóng 51 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn