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...