Bài giảng Kim loại học (Phần 3) doc

n v aA = 4-Nguyên lí làm nhỏ hạt khi đúc. a-Kích thước hạt. Độ lớn của hạt ảnh hưởng lớn đến cơ tính, do đó thường người ta phải xác định kích thước hạt. Có một số cách để đánh giá kích thước hạt: -Đo diện tích trung bình của hạt. Phương pháp này phức tạp, ít dùng. -Đo đường kính lớn nhất của hạt. -So sánh với bảng chuẩn có độ phóng đại *100. Đây là cách phổ biến nhất. Bảng chuẩn chia độ lớn của hạt thành 8 cấp từ 1-8: từ 1-4 hạt to; từ 5-8 hạt nhỏ. (cấp 1 to nhất; cấp 8 nhỏ nhất) b-Nguyên lí tạo hạt nhỏ. Kim loại có hạt nhỏ cho cơ tính tổng hợp tốt hơn, nên trong chế tạo cơ khí thường yêu cầu kim loại có hạt nhỏ. Kích thước hạt phụ thuộc vào hai quá trình của sự kết tinh: Tạo mầm và phát triển mầm. Bằng thực nghiệm người ta nhận thấy kích thước hạt A phụ thuộc vào tốc độ sinh mầm n( SL mầm/s) và tốc độ phát triển mầm v (mm/s) theo biểu thức sau: ; Trong đó a-hệ số. Như vậy nguyên lí chung tạo hạt nhỏ là tăng tốc độ sinh mầm và giảm tốc độ phát triển mầm. Tất cả các phương pháp tạo hạt nhỏ đều dựa trên nguyên tắc này. c-Các phương pháp làm nhỏ hạt khi đúc. -Tăng độ quá nguội: Khi tăng độ quá nguội thì tốc độ tạo mầm và sinh mầm cùng tăng. Nhưng n tăng nhanh hơn v nên kích thước hạt vẫn nhỏ. Người ta tăng độ quá nguội bằng hai phương pháp: Sử dụng vật liệu làm khuôn đúc có khả năng dẫn nhiệt nhanh (đúc trong khuôn kim loại nguội nhanh hơn đúc trong khuôn cát, hạt nhỏ hơn); Sử dụng chất làm nguội (Nước, không khí, kim loại) -Biến tính kim loại lỏng trước khi rót: Cho vào kim loại lỏng trước khi rót một lượng nhỏ chất biến tính có tác dụng: Tác dụng với tạp chất hoặc khí hoà tan trong kim loại lỏng tạo ra các hợp chất khó chảy nằm lơ lửng trong kim loại lỏng dưới dạng các hạt nhỏ tạo điều kiện tạo mầm kí sinh. Hoà tan vào kim loại lỏng làm giảm tốc độ phát triển mầm v. 5-Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc. a-Ba vùng tinh thể của thỏi đúc. -Vùng hạt nhỏ, đẳng trục. -Vùng hạt hình trụ. 15 -Vùng hạt lớn đẳng trục. b-Các khuyết tật của vật đúc. -Lõm co và rỗ co: -Rỗ khí: -Thiên tích: V-HỢP KIM. 1-Khái niệm về hợp kim. a-Định nghĩa: Hợp kim là loại vật liệu được tạo nên từ nhiều nguyên tố, mà nguyên tố chủ yếu trong nó là nguyên tố kim loại và hợp kim mang tính chất kim loại. b-Ưu việt của hợp kim. -Độ bền cao hơn kim loại nguyên chất. -Có khả năng nhiệt luyện. -Tính công nghệ thích hợp. -Giá rẻ do dễ nấu luyện (Không cần loại bỏ hết tạp chất) c-Một số khái niệm. -Pha: Là những tổ, phần đồng nhất (cùng TPHH, cùng kiểu mạng, cùng trạng thái trong những điều kiện giống nhau) có bề mặt phân chia với các phần khác. -Cấu tử (Nguyên): Là các chât độc lập (nguyên tố HH, hợp chất) tạo nên các pha. -Hệ: Là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng. 2-Các kiểu cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim. a-Dung dich rắn. -Đặc tính chung của dung dịch rắn: +Kiểu mạng là kiểu mạng của kim loại dung môi. +Liên kết nguyên tử vẫn là liên kết kim loại. +TPHH thay đổi trong một phạm vi tương đối rộng. +Mang tinh thể có nhiều xô lệch nên DD rắn có cơ tính cao hơn KL nguyên chất nhưng vẫn giữ được độ dẻo của KL dung môi. -Dung dịch rắn thay thế: +Hoà tan vô hạn: Au-Ag; Au-Cu; Au-Ni; Cu-Ni; Fe γ -Co; Fe γ -Ni; Fe γ -Cr; Fe γ -V. +Hoà tan có hạn: +Dung dịch rắn trật tự -Dung dịch rắn xen kẽ: Ferit (α); Austenit (γ); b-Các pha trung gian và hợp chất hoá học. -Đặc tính chung: +Mạng tinh thể khác hẳn với các nguyên tạo thành nên có T/C khác nhiều với các KL nguyên chất làm cấu tử. +Liên kết nguyên tử có thể là liên kết Ion; Đồng hoá trị; hay KL. +TPHH có thể cố định hoặc thay đổi trong phạm vi hẹp có thể biểu diễn gần đúng bằng công thức hoá học. 16 +Các t/c cơ học thường là cứng, giòn và có nhiệt độ chảy cao. -Hợp chất hoá học: Mg 2 Sn; Mg 2 Pb; Mg 2 P; Mg 2 Sb; Mg 2 Bi; Mg 2 S; Các Nitrit; Hyđrit; Cacbit; Oxit KL . . . -Hợp chất điện tử: Hình thành từ những kim loại thuộc hai nhóm sau: +Nhóm 1: Các kim lọai có hoá trị 1: Cu, Ag, Au và các kim loại chuyển tiếp Fe, Co, Ni, Pd, Pt. +Nhóm 2: các kim loại có hoá trị 2, 3, 4: Be, Mg, Zn, Od (2); Al (3); Si, Sn (4). +Có các giá trị của nồng độ điện tử p(Số điện tử tự do/Số nguyên tử) bằng các giá trị sau: 3/2; 21/13; 7/4 và có các kiểu mạng tương ứng: 3/2: LPTT, kí hiệu pha β. (CuBe, CuZn, Cu 3 Al, Cu 5 Sn, CoAl, FeAl, . . . .) 21/13:LP phức tạp, kí hiệu pha γ. (Cu 5 Zn 8 , Cu 5 Cd 8 , Fe 5 Zn 21 , Co 5 Zn 21 . . .) 7/4: LGXC, kí hiệu pha ε. (CuZn 3 , CuCd 3 , Cu 3 Si, Cu 3 Sn. . .) Ví dụ hệ Cu-Zn tạo thành các pha điện tử sau: CuZn-Pha β (p=3/2); Cu 5 Zn 8 -Pha γ (p=21/13); CuZn 3 -Pha ε (p=7/4). -Pha xen kẽ: +Kiểu mạng đơn giản: Khi tỉ số Rx/Rm<0.59 và nồng độ hoà tan vượt quá giới hạn hoà tan của dung dịch rắn. M 4 X (Fe 4 N; Mn 4 N; . . .); M 2 X (W 2 C; Mo 2 C; Fe 2 N; . . .); MX (WC; VC; TiC; NbC; TiC; VN. . .) +Kiểu mạng phức tạp: Khi tỉ số Rx/Rm>0.59: (Fe 3 C; Mn 3 C; Cr 7 C 3 ; Cr 23 C 6 . . .) c-Hỗn hợp cơ học: Thường hợp kim cấu tạo từ 1 pha là DD rắn hoặc 02 pha là hỗn hợp cơ học giữa DDR và HCHH hoặc pha trung gian. Không có HK nào câu tạo chỉ là các pha HCHH hoặc pha trung gian vì chúng rất cứng và giòn. 3-Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai cấu tử. a-Khái niệm về GĐTT. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cấu trúc, tổ chức, thành phần, tỉ lệ giữa các pha vào TPHH của HK và nhiệt độ được gọi là GĐTT của hệ HK. b-GĐTT loại I: Hai cấu tử không hoà tan lẫn nhau, không tạo thành pha trung gian. (Hình 14) -Đường AEB-được gọi là đường lỏng. -Đường CED- được gọi là đường đặc. -Vùng L+A: Vùng tổ chức 2 pha Lỏng + Rắn là kim loại nguyên chất A. -Vùng L+B: Vùng tổ chức 2 pha Lỏng + Rắn là kim loại nguyên chất B. -Kí hiệu (A+B): Tổ chức cùng tinh của hai kim loại nguyên chất A và B. -Điểm E gọi là điểm cùng tinh; Đường DEC cũng gọi là đường chuyển biến cùng tinh. -Đặc điểm cơ bản của hệ hợp kim này khi kết tinh là sự thiên tích vùng. 17 -Thành phần pha trong vùng có tổ chức hai pha được xác định bằng quy tắc đòn bảy : %A=(XaX)/(XaB); %L=(XB)/(XaB); A/L=(XaX)/(XB). Hình 14: GĐTT loại I. c-GĐTT lọai II: Hai cấu tử hòa tan vô hạn vào nhau, không tạo thành pha trung gian (Hình 15). -Đường đặc: ACB. -Đường lỏng: ADB. -Vùng tổ chức hai pha là vùng: L+α. -Thành phần các pha: %L=(X L X)/(X l X α ); %α=(X X α )/(X l X α ); L/α=(X X α )/ (X L X). -Đặc điểm cơ bản khi kết tinh của hệ hợp kim này là sự thiên tích hạt. Hình 15: GĐTT loại II. 18 d-GĐTT loại III: Hai cấu tử hoà tan có hạn vào nhau, không tạo nên pha trung gian. GĐTT gần giống như GĐTT loại I, chỉ khác là có thêm 02 vùng dung dich rắn hòa tan có hạn cuả B trong A - α và dung dịch rắn hoà tan có hạn của A trong B -β. (hình 16). Đường lỏng: AEB; Đường đặc ACDB. Đường CF-Giới hạn hoà tan của B trong A phụ thuộc vào nhiệt độ. Đường DG-Giới hạn hoà tan của A trong B phụ thuộc vào nhiệt độ. Hình 16: GĐTT loại III. e-GĐTT loại IV: Hai cấu tử không hoà tan lẫn nhau nhưng tạo thành pha trung gian ổn định (hình 17). Giản đồ loại này như được ghép từ 02 GĐTT loại I. 19 D' C' B' A' G F D C E B A L β α Ι Ι α + β Ι Ι (α+β) (α+β) β α ΙΙ + α+β ΙΙ + β α ( α + β ) L β L α Hình 17: GĐTT loại IV. f-Một số GĐTT hai cấu tử có thù hình: Hình 18: GĐTT hai cấu tử có thù hình. 20 100%B 100%A B A H L E 2 E 1 H+L (A+H) H+ (A+H) ( B + H ) (A+H) B+L H+L A+L H+ B + A+ ( B + H ) ( A + H ) A n B m =H E B A δ+γ α+β L+ γ L +β β+γ α+γ α+δ δ α γ β L c D N M Q L g P K f o V D S Hình 19: Một số GĐTT hai cấu tử có thù hình. 4-Quan hệ giữa tính chất của hợp kim và kiểu GĐTT (hnh 20). Hình 20: Quan hệ giữa tính chất của HK và kiểu GĐTT. 21 A B B A B A BA d) c) b) a) β+ L α 1 +β [ α 1 + α 2 ] α α 1 β α β L β+ L α β L+ β L +α α β L T H B A B A B A B A B A B A B A B+H A+H α+β α A+B B+H A+H α+β α A+B B A T B T A T B T B T A T A T B T A VI HỢP KIM SẮT-CACBON Hợp kim sắt-Cacbon là HK được dùng phổ biến nhất, vì thế việc khảo sát nó là không thể thiếu được và chiếm vị trí trung tâm của kim loại học. Tương tác giữa Fe với C cũng rất điển hình và khá phức tạp. Vì vậy việc nghiên cứu, khảo sát hệ HK này không chỉ có ý nghĩa thực tế mà còn có ý nghĩa khoa học. 1-Tương tác giữa Fe với C: a-Đặc điểm của các cấu tử: -Fe: Là kim loại chuyển tiếp thuộc chu kì IV nhóm 8 trong bảng hệ thống tuần hoàn của Menđelep. Số thứ tự là 26, có công thức electron: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 ; Hóa trị dương cao nhất có thể có là +6, thường Fe có hoá trị +2 hoặc +3. Trong tự nhiên sắt tồn tại ở dạng hợp chất Oxít Fe 3 O 4 ; Fe 2 O 3 ; Fe 2 O 3 .3H 2 O; Phirit hay Sunphua FeS 2 . Sắt nguyên chất có màu trắng như bạc, nóng chảy ở 1539 o C. Khá bền trong không khí, dẻo, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Ở nhiệt độ <768 o C Fe có từ tính. Trong khoảng nhiệt độ <911 o C Fe có kiểu mạng LPTT gọi là Fe α . 911 o C<T o <1392 o C Fe có kiểu mạng LPDT gọi là Fe γ (Fe β -là Fe α không có từ tính). 1392 o C<T o <1539 Fe lại có kiểu mạng LPTT gọi là Fe δ . Khối lượng riêng của Fe là 7.8g/cm 3 ; Sắt nguyên chất kĩ thuật có 99,8%Fe có các chỉ tiêu cơ tính như sau: σ b =250N/mm 2 ; σ 0.2 =120N/mm 2 ; δ=50%; ψ=85%; a k =3000kj/m 2 ; HB=80KG/mm 2 ; -Cacbon: Là nguyên tố á kim thuộc nhóm IV chu kỳ II trong bảng hệ thống tuần hoàn. Công thức điện tử: 1s 2 2s 2 2p 2 ; Trong tự nhiên C tồn tại ở hai dạng: Tinh thể và vô định hình. Dạng tinh thể có 2 dạng thù hình: Kim cương có kiểu mạng tứ diện đều và Graphít có kiểu mạng lục giác. b-Tương tác giữa Fe với C: Giữa Fe và C có thể tương tác tạo nên các dung dịch rắn và pha trung gian khác nhau: -Fe α có thể hoà tan C tạo thành dung dịch rắn có nồng độ C lớn nhất ở 727 o C là 0.02% , giới hạn hoà tan này giảm dần xuống 0.006% ở nhiệt độ thường. Dung dịch rắn của C trong Fe α gọi là Ferit kí hiệu là F hay α. -Fe γ có thể hoà tan C đến giới hạn 2.14% ở nhiệt độ 1147 o C. Dung dịch rắn của C trong Fe γ có thể tồn tại ở nhiệt độ 727 o C với lượng hoà tan C giới hạn là 0.8% và được gọi là Austenit, kí hiệu Au hay γ. -Fe δ Cũng hoà tan C với lượng lớn nhất là 0.1% ở nhiệt độ 1499 o C, gọi là DDR d. -Khi vượt quá các giới hạn hoà tan Cacbon sẽ tác dụng với Fe tạo thành pha trung gian có TPHH có thể biểu diễn gần đúng bằng công thức hoá học Fe 3 C (6.67%C) gọi là Xêmentit, kí hiệu Xê. 22 2-GĐTT Fe_C (hình 21): Hình 21: GĐTT Fe-C (Fe_Fe 3 C). Toạ độ các điểm trên giản Đồ: A(0,1539); B(0.5,1499); C(0.8,1147); D(6.67,1147); E(2.14,1147); F(6.67,1147); G(0,911); S(0.8,727); P(0.02,727); K(6.67,727); Q(0.006,0); Các tổ chức 2 pha: P=[α+Xê II ]_Hỗn hợp cơ học cùng tích của 2 pha: α và Xê kết tinh đồng thời từ Austenit có 0.8%C ở 727 o C. Lê=(P+Xê)_Hỗn hợp cơ học cùng tinh của hai pha: P và Xê ở nhiệt độ dưới 727 o C hay (γ+Xê) ở trong khoảng nhiệt độ từ 727-1147 o C , kết tinh đồng thời từ pha lỏng có hàm lượng C=4.3% ở nhiệt độ 1147 o C. 3-Tổ chức tế vi của thép và gang theo GĐTT Fe-C: a-Sơ lược về thép và gang: -Phân biệt giữa thép và gang: b-Tổ chức tế vi của thép: -Thép trước cùng tích: α+P. -Thép cùng tích: P. 23 -Thép sau cùng tích: P+Xê II . c-Tổ chức tế vi của gang trắng: -Gang trắng trước cùng tinh: P+Xê II +Lê. -Gang trắng cùng tinh: Lê. -Gang trắng sau cùng tinh: Lê+Xê I . d-Các điểm tới hạn của thép: -Nhiệt độ A 1 ; A c1 ; A r1 : -Nhiệt độ A 3 ; A c3 ; A r3 : -Nhiệt độ A cm ; A ccm ; A rcm : 24 . tích: V-HỢP KIM. 1-Khái niệm về hợp kim. a-Định nghĩa: Hợp kim là loại vật liệu được tạo nên từ nhiều nguyên tố, mà nguyên tố chủ yếu trong nó là nguyên tố kim loại và hợp kim mang tính chất kim loại. b-Ưu. (đúc trong khuôn kim loại nguội nhanh hơn đúc trong khuôn cát, hạt nhỏ hơn); Sử dụng chất làm nguội (Nước, không khí, kim loại) -Biến tính kim loại lỏng trước khi rót: Cho vào kim loại lỏng trước. kim loại thuộc hai nhóm sau: +Nhóm 1: Các kim lọai có hoá trị 1: Cu, Ag, Au và các kim loại chuyển tiếp Fe, Co, Ni, Pd, Pt. +Nhóm 2: các kim loại có hoá trị 2, 3, 4: Be, Mg, Zn, Od (2); Al (3);