VẬT LIỆU KIM LOẠI CƠ BẢN - CHƯƠNG 3 HỢP KIM GIẢN ĐỒ PHA

Kinh Tế - Quản Lý - Y khoa - Dược - Kỹ thuật Chương 3 Hợp kim Giản đồ pha 3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim 3.1.1 Khái niệm về hợp kim 3.1.2 Dung dịch rắn 3.1.3 Pha trung gian 3.2. Giản đồ pha hai cấu tử 3.3. Giản đồ pha Fe - C Nội dung 3 3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim  Hợp kim là hợp chất của nhiều nguyên tố, nguyên tố chính (nền) phải là kim loại Các nguyên tố khác (kim loạiphi kim) Hàm lượng nhỏ, không ảnh hưởng đến tính chất : tạp chất Hàm lượng đủ lớn, ảnh hưởng đến tính chất : NTHK 3.1.1. Khái niệm về hợp kim 4 Hợp kim Cu-Zn Thép: HK của Fe-C  Ưu điểm của hợp kim là gì? AA7075: 6Zn, 2,4Mg, 1,6Cu, 0,3Mn Trong nhiều trường hợp, nấu HK dễ hơn nấu KL nguyên chất Tính công nghệ đa dạng: cắt gọt, GCAL, đúc, nhiệt luyện… Độ bền cao hơn, cho phép chế tạo các chi tiết chịu tải nặng Vật liệu σb, MPa σch MPa δ HB Al 99,95 50 10 45 15 AA7075 228 103 17 60 AA7075 (tôi+hóa già) 600 560 11 150 5 Pha A Pha B Trong HK, các nguyên tố tương tác → pha HK có pha gì Sự phân bố của các pha Kích thước, hình dạng của pha Tỷ lệ của pha trong HK Ví dụ: Thép cácbon C40, với C = 0,4 C40 ở trạng thái tôi: (a) Độ cứng cao, độ dẻo thấp; tổ chức: Mactenxit (phần lớn) + Austenit dư  Tính chất của HK phụ thuộc: 6  Pha: Phần đồng nhất của hệ có cùng cấu trúc, trạng thái, kiểu mạng, có tính chất cơ-lý-hoá tính xác định, phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha. C40 ở trạng thái ủ: (b) Độ cứng thấp, độ dẻo cao; tổ chức: Ferit + Xementit  Phân loại tương tác trong hợp kim A(B) A B L (A+B) 7 Nấu hợp kim từ 2 thành phần là A và B Có tương tácKhông có tương tác Hỗn hợp cơ học 2 pha A và B Dung dịch rắn (Pha dung dịch rắn) A(B); B(A) Hợp chất hóa học (Pha trung gian) AmBn Hòa tan Phản ứng 3.1.2. Dung dịch rắn Khái niệm: pha đồng nhất, kiểu mạng của dung môi (kim loại nền), các nguyên tử chất tan sắp xếp lại trong mạng dung môi một cách đều đặn và ngẫu nhiên. Ký hiệu: A(B) = Dung dịch rắn của B hòa tan trong A. Dung dịch rắn thay thế Ví dụ: Zn(Cu); Cu(Zn); Feα(C); Feγ(C) Giới hạn hòa tan: Nồng độ lớn nhất của chất tan có thể hòa tan trong mạng của dung môi để tạo ra dung dịch rắn 8 Dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hòa tan nằm xen kẽ vào các lỗ hổng trong mạng tinh thể dung môi. các nguyên tử chất tan thay thế vị trí các nguyên tử dung môi trong mạng tinh thể Lý hóa tính tương tự59,0 dm ht d d15    dm htdm d d d d → dnt hòa tan rất nhỏ, giới hạn hòa tan thấp, luôn hòa tan có hạn Điều kiện thay thế (hoà tan) vô hạn - cùng kiểu mạng tinh thể - kích thước nguyên tử khác ít ( kim loại chuyển tiếp có dnt lớn: Fe, Cr, W, Mo… → Có thể hòa tan vô hạn 9  Dung dịch rắn có kiểu mạng của kim loại nền: Giữ nguyên kiểu mạng, hằng số mạng thay đổi: addr = adm±Δa ; Cơ tính gần giống với cơ tính của kim loại dung môi: dẻo cao, bền thấp  So với kim loại dung môi, thì dung dịch rắn có độ bền cao hơn và độ dẻo kém hơn. Nồng độ chất tan tăng → tăng bền, giảm dẻo  Thay đổi tính chống ăn mòn, dẫn điện, nhiệt kém KL nguyên chất  Là pha cơ bản chiếm hơn 90 trong vật liệu kết cấu. 10 Các đặc tính của dung dịch rắn:  Phân loại tương tác trong hợp kim A(B) A B L (A+B) 11 Nấu hợp kim từ 2 thành phần là A và B Có tương tácKhông có tương tác Hỗn hợp cơ học 2 pha A và B Dung dịch rắn (Pha dung dịch rắn) A(B); B(A) Hợp chất hóa học (Pha trung gian) AmBn Hòa tan Phản ứng Đặc điểm: - Có kiểu mạng tinh thể phức tạp, khác hẳn với các nguyên tố thành phần; - Có tỉ lệ giữa các nguyên tố công thức xác định AmBn ; - Tính chất khác hẳn so với các nguyên tố thành phần (giòn); - Có nhiệt độ nóng chảy xác định 3.1.3. Pha Trung gian Xementit Fe3C -Kiểu mạng trực thoi -Fe3C, wC = 6,67 -Cơ tính: cứng + giòn Kiểu mạng A2 Cơ tính: mềm, dẻo Ferit = Feα(C) 12 Các pha trung gian thường gặp: Pha xen kẽ , pha điện tử, Pha Laves Trong HK, Tỷ lệ pha trung gian ~ 10, tăng độ cứng, độ bền 3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim 3.2. Giản đồ pha hai cấu tử 3.2.1 Một số khái niệm 3.2.2 Giản đồ pha 2 cấu tử 3.3. Giản đồ pha Fe - C Nội dung 13 Xây dựng bằng thực nghiệm theo quy tắc pha Gibbs: F = C – P + 1 Giản đồ pha : Giản đồ biểu diễn sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng. GĐP hệ 2 cấu tử 100A 100BThành phần Nhiệt độ GĐP hệ 1 cấu tử Lỏng β α Nhiệt độ Tnc T1 14 F - số bậc tự do, C - số cấu tử, P - số pha. C 100A 100BThành phần Nhiệt độ GĐP hệ 3 cấu tử 100C 3.2.1 Một số khái niệm về giản đồ pha 3.2.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử Tùy thuộc vào tương tác của 2 cấu tử ở trạng thái rắn trong hệ : 4 loại giản đồ cơ bản chính:  GĐP loại 1: Hai cấu tử không tương tác với nhau  GĐP loại 2: Hai cấu tử tương tác hòa tan vô hạn vào nhau  GĐP loại 3: Hai cấu tử tương tác hòa tan có hạn  GĐP loại 4: Hai cấu tử tương tác tạo ra pha trung gian 15 Hệ 2 cấu tử hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, khác nhau ở tương tác ở trạng thái rắn. Giản đồ pha loại 1: hai cấu tử không có bất kỳ tương tác nào aEb  đường lỏng; cEd  đường đặc; a, b nhiệt độ chảy của A và B; E điểm cùng tinh: L → A + B A B Lỏng (L) L+B A+L Nhiệt độ (A+B) (A+B)+BA+(A+B) a E b c d B F Ví dụ: Hệ Pb-Sb 16 A B L (A+B) Vùng 1 pha: L Vùng 2 pha: L+ A, L+B, A+B Nếu biết thành phần và nhiệt độ của hợp kim: ??? C X T Giản đồ pha loại 2: hai cấu tử tương tác và hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn VD: Hệ Cu-Ni, Au-Ag, Al2O3-Cr2O3 amb  đường lỏng anb  đường đặc  = A(B) , B(A) 17 Vùng 1 pha: L, α Vùng 2 pha: L +α A B B Lỏng (L) L+  Nhiệt độ a b m n CCL C X T Nếu biết thành phần và nhiệt độ: Biết được thành phần của hợp kim Tính được tỷ phần pha trong hợp kim Xα Xβ Mα Mβ Mα . Xα = Mβ . Xβ Quy tắc đòn bẩy:        X X X M M M            X X X M M M     Nhiệt độ, C0 Thành phần, B100 A 100B L α+L β+L α β α+β Giản đồ pha loại 3 hai cấu tử tương tác và hoà tan có hạn vào nhau ở trạng thái rắn Ví dụ: Pb-Sn, Cu-Ag A B Lỏng (L) L+ Nhiệt độ  + a E b c d B L+ g f E- điểm cùng tinh: L  (+) 19 aEb  đường lỏng acdb  đường đặc α β L (A...

Chương 3 Hợp kim & Giản đồ pha

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.1.1 Khái niệm về hợp kim

3.1.2 Dung dịch rắn

3.1.3 Pha trung gian

3.2 Giản đồ pha hai cấu tử

3.3 Giản đồ pha Fe - C

Nội dung

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

 Hợp kim là hợp chất của nhiều nguyên tố, nguyên tố chính

(nền) phải là kim loại

Các nguyên tố khác (kim loại/phi kim)

Hàm lượng nhỏ, không ảnh hưởng đến tính chất : tạp chất Hàm lượng đủ lớn, ảnh hưởng đến tính chất : NTHK

3.1.1 Khái niệm về hợp kim

4

 Ưu điểm của hợp kim là gì?

AA7075: 6%Zn, 2,4%Mg, 1,6%Cu, 0,3%Mn

•Trong nhiều trường hợp, nấu HK dễ hơn nấu KL nguyên chất

• Tính công nghệ đa dạng: cắt gọt, GCAL, đúc, nhiệt luyện…

• Độ bền cao hơn, cho phép chế tạo các chi tiết chịu tải nặng

Vật liệu σ b , MPa σ ch MPa δ% HB

Pha A

Pha B

Trong HK, các nguyên tố tương tác → pha

• HK có pha gì

• Sự phân bố của các pha

• Kích thước, hình dạng của pha

• Tỷ lệ của pha trong HK

Ví dụ: Thép cácbon C40, với %C = 0,4%

C40 ở trạng thái tôi: (a)

Độ cứng cao, độ dẻo thấp; tổ chức: Mactenxit (phần lớn) + Austenit dư

 Tính chất của HK phụ thuộc:

6

 Pha : Phần đồng nhất của hệ có cùng cấu trúc, trạng thái,

kiểu mạng, có tính chất cơ-lý-hoá tính xác định , phân cách nhau

bởi bề mặt phân chia pha

C40 ở trạng thái ủ: (b)

Độ cứng thấp, độ dẻo cao; tổ chức: Ferit + Xementit

 Phân loại tương tác trong hợp kim

AmBn

3.1.2 Dung dịch rắn

Khái niệm: pha đồng nhất, kiểu mạng của dung môi (kim loại nền), các nguyên tử chất tan sắp xếp lại trong mạng dung môi một cách đều đặn và ngẫu nhiên

Ký hiệu: A(B) = Dung dịch rắn của B hòa tan trong A

Dung dịch rắn thay thế

Ví dụ: Zn(Cu); Cu(Zn); Feα(C); Feγ(C)

Giới hạn hòa tan : Nồng độ lớn nhất của chất tan có thể hòa tan trong mạng của dung môi để tạo ra dung dịch rắn

8

Dung dịch rắn xen kẽ

các nguyên tử hòa tan nằm xen kẽ vào các lỗ hổng trong mạng tinh thể dung môi

các nguyên tử chất tan thay thế

vị trí các nguyên

tử dung môi trong mạng tinh thể

Lý hóa tính tương tự

59,0

d

d d

d

→ dnt hòa tan rất nhỏ, giới hạn hòa

tan thấp, luôn hòa tan có hạn

Điều kiện thay thế (hoà tan) vô hạn

- cùng kiểu mạng tinh thể

- kích thước nguyên tử khác ít (<8%)

- tương quan về nồng độ điện tử

- cùng hóa trị, tính âm điện khác ít

Dung dịch rắn thay thế Dung dịch rắn xen kẽ

62

,

0

77 , 0

; 241 , 1

; 414

o Fe

A r

r r

VD: Au-Ag nhóm 1B, k/m A1, Δr = 0,2%

 Dung dịch rắn có kiểu mạng của kim loại nền: Giữ nguyên kiểu

mạng, hằng số mạng thay đổi: addr = adm±Δa ;

Cơ tính gần giống với cơ tính của kim loại dung môi: dẻo cao, bền thấp

 So với kim loại dung môi, thì dung dịch rắn có độ bền cao hơn và độ dẻo kém hơn Nồng độ chất tan tăng → tăng bền, giảm dẻo

 Thay đổi tính chống ăn mòn, dẫn điện, nhiệt kém KL nguyên chất

 Là pha cơ bản chiếm hơn 90% trong vật liệu kết cấu

10

Các đặc tính của dung dịch rắn:

 Phân loại tương tác trong hợp kim

AmBn

Kiểu mạng A2

Cơ tính: mềm, dẻo Ferit = Feα(C)

12

Các pha trung gian thường gặp: Pha xen kẽ,

pha điện tử, Pha Laves

Trong HK, Tỷ lệ pha trung gian ~ 10%, tăng độ cứng, độ bền

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.2 Giản đồ pha hai cấu tử

3.2.1 Một số khái niệm

3.2.2 Giản đồ pha 2 cấu tử

3.3 Giản đồ pha Fe - C

Nội dung

Xây dựng bằng thực nghiệm theo quy tắc pha Gibbs: F = C – P + 1

Giản đồ pha : Giản đồ biểu diễn sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt

độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng

3.2.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Tùy thuộc vào tương tác của 2 cấu tử ở trạng thái rắn trong hệ:

4 loại giản đồ cơ bản chính:

 GĐP loại 1: Hai cấu tử không tương tác với nhau

 GĐP loại 2: Hai cấu tử tương tác hòa tan vô hạn vào nhau

 GĐP loại 3: Hai cấu tử tương tác hòa tan có hạn

 GĐP loại 4: Hai cấu tử tương tác tạo ra pha trung gian

Hệ 2 cấu tử hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, khác nhau ở tương tác ở trạng thái rắn

Giản đồ pha loại 1: hai cấu tử không có bất kỳ tương tác nào

Giản đồ pha loại 2: hai cấu tử tương tác và hoà tan vô hạn

vào nhau ở trạng thái rắn

Nếu biết thành phần và nhiệt độ:

• Biết được thành phần của hợp kim

• Tính được tỷ phần pha trong hợp kim

X M

X M

α+β

Giản đồ pha loại 3 hai cấu tử tương tác và hoà tan có

hạn vào nhau ở trạng thái rắn

Giản đồ pha loại 4: Giản đồ pha hai cấu tử có tương tác

hoá học tạo ra pha trung gian AmBn

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.2 Giản đồ pha hai cấu tử

3.3 Giản đồ pha Fe – C

3.3.1 Tương tác giữa Fe và C

3.3.3 Phân loại thép-gang theo GĐP

3.3.4 Các đường tới hạn

Nội dung

%C hòa tan nhiều nhất

%C hòa tan nhiều hơn của Fe α

Fe3C, %C = 6,67%

r lt (max) = r 8m = 0,414r Fe = 0,051 nm

r lt (max) = r 4m = 0,291r Fe = 0,036 nm

Các tổ chức một pha trên GĐP Fe-Fe3C

Pha  (Ferit, F):

24

Fe(C), A2, Mềm, dẻo

%Cmax = 0,02% @7270C = điểm P

GPQ = giới hạn hòa tan của C vào Fe

Pha  (Austenit, Aust ):

Fe(C), A1, Mềm, dẻo

%Cmax = 2,14% @11470C = điểm E

GSE = giới hạn hòa tan của C vào Feγ

Pha Fe 3 C (Xementit, Xe, Fe 3 C)

Pha trung gian, %C = 6,67%, trực thoi

0,006

2,14

 +γ

S

Cb cùng tinh: tại 11470C, điểm C:

Tổ chức Ledebuarit (Le ) Xét thép có %C = 4,3 = điểm C

3.3.3 Phân loại thép-gang theo GĐP

K/n: Thép là hợp kim của Fe-C với hàm lượng C < 2,14%,

gang là hợp kim của Fe-C có ≥ 2,14%C

Đặc điểm:

- Nung nóng thép trên GSE đạt

tổ chức một pha duy nhất γ có độ

dẻo cao, dễ biến dạng;

- Gang không thể nung nóng đạt

trạng thái một pha γ nên giòn,

cứng, không thể gia công bdạng;

- Gang có tính đúc tốt hơn thép

- Tính dẻo của gang kém

28

3.3.3 Phân loại thép-gang theo GĐP

Thép: theo GĐP được chia làm 3 loại

- Thép trước cùng tích (%C<0,8),

tổ chức F(sáng)+ P;

- Thép cùng tích (%C=0,8),

tổ chức 100%P [F+Xe];

Gang : tương ứng với GĐP là

3.3.3 Phân loại thép-gang theo GĐP

Trước cùng tinh Cùng tinh Sau cùng tinh

3.3.4 Các điểm tới hạn của thép

Các điểm (hay nhiệt độ) tới hạn -

tương ứng với các chuyển biến

Giản đồ pha (tổ chức) Fe-C (Fe-Fe3C)

+P

L γ+L

Nội dung cần nắm chắc

Dung dịch rắn (thay thế, xen kẽ): Đặc điểm vàTính chất

Pha trung gian: đặc điểm và tính chất

Giản đồ pha: cấu tạo, công dụng; phân biệt các loại giản đồ pha 2 cấu tử

Quy tắc cánh tay đòn: áp dụng tính tỷ lệ pha

Sự hình thành (hòa tan) của các pha qua các đường chuyển biến pha của giản đồ pha khi nung nóng và làm nguội

Giản đồ pha Fe-C: Ghi nhớ phần thép (các điểm (%C, nhiệt độ), đường tới hạn (A1, A3, Acm); các pha và vùng tồn tại của các pha đó

Phản ứng cùng tinh, phản ứng cùng tích

Cách tính nhiệt độ A3, Acm của của thép có %C bất kì

Thép và gang: Tổ chức tế vi theo giản đồ pha , tính chất

3 Cách tính các nhiệt độ tới hạn: Acm, A3 cho thép

C có thành phần x(thép SCT-Acm), y(thép TCT- A3),

bất kỳ?

4 Tính nồng độ cácbon max hòa tan được vào trong

As tại nhiệt độ T xác định

36