Giáo trình vật liệu 2 part 2 pdf

16 thông số mạ ng song ph ơng lạ i đị nh h ớng khá c nhau (mang tí nh ngẫ u nhiê n) và liê n kế t với nhau qua vùng ranh giới đ ợc gọi là biê n hạ t (hay biê n giới hạ t) nh trì nh bà y ở hì nh 1.20b. Từ mô hình đó thấy rõ: - Mỗi hạ t là một khối tinh thể hoà n toà n đồng nhấ t, thể hiệ n tí nh dị hớng. - Cá c hạt đị nh h ớng ngẫ u nhiê n với số l ợng rấ t lớn nê n thể hiệ n tí nh đẳ ng h ớng - Biê n hạ t chị u ả nh h ởng của cá c hạ t xung quanh nê n có cấ u trúc trung gian và vì vậ y sắ p xế p không trật tự (xô lệ ch) nh là vô đị nh hì nh , ké m xí t chặ t với tí nh chấ t khá c với bả n thâ n hạ t. - Có thể quan sát cấu trúc hạt đa tinh thể hay các hạt nhờ kí nh hiển vi quang học (hì nh 1.20c). b. b.b. b. Độ hạ t Độ hạ tĐộ hạ t Độ hạ t Độ hạt có thể quan sát đị nh tí nh qua mặ t gãy, để chí nh xác phải xác đị nh trên tổ chức tế vi. Cấ p hạ t theo tiê u chuẩ n ASTM: phâ n thành 16 cấ p chí nh đá nh số từ 00, 0, 1, 2 , 14 theo trậ t tự hạ t nhỏ dầ n, trong đó từ 1 đế n 8 là thông dụng. Cấ p hạ t N=3,322lgZ+1, với Z là số hạ t có trong 1inch 2 (2,54 2 6,45cm 2 ) d ới độ phóng đại 100 lầ n. Ng ời ta th ờng xá c đị nh cấ p hạ t bằ ng cá ch so sá nh với bả ng chuẩ n ở độ phóng đại (th ờng là x100) hoặ c xác đị nh trê n tổ chức tế vi. Cá c số liệ u phâ n cấp hạ t xem trong bả ng 1.2. Bả ng 1.2. Các cấp hạt chuẩn chí nh theo ASTM Cấ p hạt 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Z(x100)/inch 2 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 128 Z thực/mm 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 S hạ t, mm 2 0,258 0,129 0,0645 0,032 0,016 0,008 0,004 0,002 0,001 0,0005 Cấ p hạt 9 10 11 12 13 14 Z(x100)/inch 2 256 512 1024 2048 4096 8200 Z thực/mm 2 4096 8200 16400 32800 65600 131200 S hạ t, mm 2 2.10 -4 1.10 -4 6.10 -5 3.10 -5 1,6.10 -5 7,88.10 -6 Hì nh 1.20. Mô hì nh đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b), tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể (c), cấu trúc của siêu hạt ( d ) . 17 Hì nh 1.21. Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100 c. c.c. c. Siê u hạt Siê u hạtSiê u hạt Siê u hạt Nế u nh khối đa tinh thể gồm cá c hạ t (kí ch th ớc hàng chục - hàng tră m àm) với ph ơng mạng lệ ch nhau một góc đáng kể (hà ng chục độ), đến lợt mỗi hạ t nó cũng gồm nhiề u thể tí ch nhỏ hơn (kí ch th ớc cỡ 0,1 ữ 10àm) với ph ơng mạ ng lệ ch nhau một góc rấ t nhỏ ( 1-2 o ) gọi là siêu hạ t hay block (hì nh 1.20d). Biê n giới siê u hạt cũng bị xô lệ ch nh ng với mức độ rấ t thấ p. 1.6.3. 1.6.3.1.6.3. 1.6.3. Textua TextuaTextua Textua Hì nh 1.22. Mô hì nh textua trong dây nhôm sau khi kéo sợi (vectơ V biểu thị hớng kéo, trục textua là [111]). Do biế n dạ ng dẻ o là m ph ơng mạng đị nh h ớng tạ o nê n textua. Ví dụ, khi ké o sợi nhôm (hì nh 1.22), tinh thể hì nh trụ khi đúc, khi phủ. Cấ u trúc đa tinh thể có textua vật liệ u có tí nh dị h ớng. ứ ng dụng cho thé p biế n thế , t/c từ cực đại theo chiề u textua, cực tiể u theo ph ơng vuông góc giả m tổn thấ t. 18 1.7. 1.7.1.7. 1.7. Sự kế t tinh và hì nh thành tổ chức của kim loại Sự kế t tinh và hì nh thành tổ chức của kim loạiSự kế t tinh và hì nh thành tổ chức của kim loại Sự kế t tinh và hì nh thành tổ chức của kim loại Phầ n lớn kim loạ i hợp kim đợc chế tạo (luyện) ra đúc, tức qua kế t tinh, sau đó cá n bá n thà nh phẩ m và sả n phẩ m. Kế t tinh là b ớc khởi tạ o hì nh thà nh tổ chức hạ t, tinh thể . độ hạ t, tổ chức mong muốn. 1.7.1. 1.7.1.1.7.1. 1.7.1. Điề u kiệ n xảy ra kế t tinh Điề u kiệ n xảy ra kế t tinhĐiề u kiệ n xảy ra kế t tinh Điề u kiệ n xảy ra kế t tinh a. a.a. a. Cấu trúc ở trạng thái lỏng Cấu trúc ở trạng thái lỏngCấu trúc ở trạng thái lỏng Cấu trúc ở trạng thái lỏng Chấ t lỏng chỉ có trậ t tự gầ n, trong đó có những nhóm nguyê n tử sắ p xế p trậ t tự, chúng ở trạ ng thái câ n bằ ng động. Về mặ t cấ u trúc trạng thá i lỏng gầ n trạ ng thá i tinh thể hơn, các đá m nguyê n tử là tâ m mầ m giúp cho kế t tinh. b. b.b. b. Biế n đổi năng lợng khi kế t tinh Biế n đổi năng lợng khi kế t tinhBiế n đổi năng lợng khi kế t tinh Biế n đổi năng lợng khi kế t tinh Hì nh 1.23 biểu thị sự biến đổi nă ng lợng G của các trạ ng thá i lỏng (G L ) và rắ n (G R ) (tinh thể ) theo nhiệ t độ: - ở nhiệ t độ T > T O vậ t thể tồn tạ i ở trạ ng thá i lỏng G L <G R - ở nhiệt độ T o < T O , G R <G L đông đặc T O đ ợc gọi là nhiệt độ kế t tinh hay nóng chảy T = T O kết tinh (nóng chảy) ch a xả y ra KT&NC chỉ xảy ra khi có T 0 Hì nh 1.23. Biến đổi năng lợng tự do của hệ c. c.c. c. Độ quá nguội Độ quá nguộiĐộ quá nguội Độ quá nguội Độ quá nguội T: nguội d ới T O T = T - T O < 0 T thay đổi từ rấ t nhỏ (1 ữ 2 o C) đế n rấ t lớn (hà ng chục, tră m đến nghì n o C) tùy theo tốc độ là m nguội khi kế t tinh. Nguội chậ m trong khuôn cá t T lớn hơn khi nguội nhanh trong khuôn kim loạ i. Khi nung nóng: sự nóng chả y sẽ xả y ra ở nhiệt độ T > T O , T đ ợc gọi là độ quá nung. 1.7.2. 1.7.2.1.7.2. 1.7.2. Hai quá trì nh của sự kế t tinh Hai quá trì nh của sự kế t tinhHai quá trì nh của sự kế t tinh Hai quá trì nh của sự kế t tinh G ồm hai quá trì nh cơ bản nối tiế p nhau xả y ra là tạo mầ m và phát triể n mầ m. a. Tạo mầm a. Tạo mầma. Tạo mầm a. Tạo mầm Tạ o mầ m là quá trì nh sinh ra cá c phầ n tử rắ n có cấu trúc tinh thể , với kí ch th ớc đủ lớn, chúng không bị tan đi nh tr ớc đó mà phá t triển lê n nh là trung tâ m của tinh thể (hạ t), hai loạ i mầ m: tự sinh và ngoạ i lai. Mầ m tự sinh Các đám nguyê n tử có kí ch thớc đủ lớn r r th (coi chúng là cá c hì nh cầ u bán kí nh r) mà theo tí nh toá n về nhiệ t động học, r th (bá n kí nh tới hạ n của mầ m) đ ợc tí nh theo công thức: r th = v G 2 , trong đó: - sức că ng bề mặ t giữa rắ n và lỏng, G v - chê nh lệch nă ng l ợng tự do (G L - G R ) tí nh cho một đơn vị thể tí ch. Một khi mầ m có r r th phá t triể n lên thà nh hạ t. G G R G L nhiệ t độ T O 19 Khi độ quá nguội T cà ng lớn thì G V cũng cà ng lớn, r th cà ng nhỏ số l ợng mầ m cà ng lớn hạt nhỏ. Mầ m ký sinh Là cá c hậ t rắn nằ m lơ lửng trong kim loạ i lỏng, thà nh khuôn đúc mầm ngoạ i lai. Thực tế là trong nhiề u tr ờng hợp ng ời ta còn cố ý tạ o ra và đ a cá c phần tử rắn và o để giúp kết tinh, sẽ đợc nói tới ở mục sau. b. b.b. b. Phát triể n mầm Phát triể n mầmPhát triể n mầm Phát triể n mầm Mầ m phát triể n là nhờ cá c đám nguyê n tử bá m lê n bề mặ t mầm đặ c biệ t là trên cá c bậ c lệ ch xoắ n. Hì nh 1.24. Kết tinh nhánh cây (a), tinh thể nhánh cây (b) Khi đ ợc là m nguội t ơng đối nhanh, thoạt tiê n sự phá t triển mầ m mang tí nh dị h ớng tức là phá t triển rấ t nhanh theo một số ph ơng tạ o nên nhá nh câ y, trục bậ c I (A) (hì nh 1.24), rồi từ trục chí nh nà y tạ o nê n trục bậ c II (B) vuông góc với trục bậ c I, rồi từ trục bậ c II phân nhá nh tiế p tạ o nê n trục bậ c III (C) cứ nh vậ y nhá nh câ y đ ợc hì nh thà nh. Sau đó kim loạ i giữa các nhánh câ y mới kế t tinh tạ o nê n hạ t (tinh thể ) đặ c kí n, không thấ y trực tiế p đợc nhá nh cây nữa. Nhánh câ y chỉ đ ợc phá t hiệ n thỏi đúc lớn, phầ n kế t tinh tr ớc là m trơ ra nhánh câ y mà không còn kim loạ i lỏng điề n đầ y. Cũng có thể tẩ m thực hợp kim để thấ y đợc nhá nh câ y. 1.7.3. 1.7.3.1.7.3. 1.7.3. Sự hì nh thành hạt Sự hì nh thành hạtSự hì nh thành hạt Sự hì nh thành hạt a. a.a. a. Tiế n trì nh kế t tinh Tiế n trì nh kế t tinhTiế n trì nh kế t tinh Tiế n trì nh kế t tinh Ta thấ y: từ mỗi mầ m tạ o nê n một hạ t, cá c hạ t phá t triể n tr ớc to hơn; hạ t sau sẽ nhỏ hơn kí ch th ớc hạt (chê nh lệ ch í t) b. b.b. b. Hì nh dạng hạt Hì nh dạng hạtHì nh dạng hạt Hì nh dạng hạt Hì nh dạ ng hạ t phụ thuộc và o ph ơng thức là m nguội: - Nguội đề u theo mọi ph ơng hạ t có dạ ng đa cạ nh hay cầ u (hì nh 1.25). - Nguội nhanh theo hai ph ơng (tức theo một mặt) hạ t có dạ ng tấ m, lá , phiế n nh grafit trong gang xá m. - do cá c mầm đị nh h ớng ngẫu nhiên hạ t không đồng hớng, lệ ch nhau một cá ch đáng kể vùng biê n hạ t với mạ ng tinh thể bị xô lệ ch. Hì nh 1.25. Quá trì nh tạo và phát triển mầm theo thời gian (các hì nh a,b,c) và kết thúc ở giây thứ n (d). 20 - Nguội nhanh theo một phơng nà o đó, hạ t sẽ có dạ ng đũa, cột hay hì nh trụ. - Dạ ng tinh thể hì nh kim (đầu nhọn) chỉ khi nhiệ t luyệ n. 1.7.4. 1.7.4.1.7.4. 1.7.4. Các phơng pháp tạo hạt nhỏ khi đúc Các phơng pháp tạo hạt nhỏ khi đúcCác phơng pháp tạo hạt nhỏ khi đúc Các phơng pháp tạo hạt nhỏ khi đúc Hạ t nhỏ cơ tí nh cao hơn (bề n và dẻ o hơn = độ dai cao hơn) ? hạ t nhỏ. a. a.a. a. Nguyê n lý Nguyê n lýNguyê n lý Nguyê n lý Kí ch th ớc hạt cũng phụ thuộc vào tơng quan của hai quá trì nh: tạ o mầ m và phá t triể n mầ m. Số mầ m đ ợc tạ o ra cà ng nhiề u thì hạ t cà ng nhỏ, mầ m lớn lê n (phá t triể n) cà ng nhanh thì hạ t cà ng lớn. Kí ch thớc hạt A phụ thuộc và o tốc độ sinh mầ m n và tốc độ phát triể n v (mm/s) theo công thức thực nghiệ m: A = 1,1 4 3 n v , để tạ o hạ t nhỏ tă ng n và giả m v b. b.b. b. Các phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc Các phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúcCác phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc Các phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc Tă ng tốc độ nguội Khi tă ng độ quá nguội T o , tốc độ sinh mầ m n và tốc độ phát triể n dà i của mầm v đề u tă ng (hì nh 1.26) . T < T 1 (~10 3 độ/s): T cả n&v đề u . T 1 < T < T 2 (~10 4 -10 5 độ/s): T n , v nano . T > T 2 : T vô đị nh hì nh . Đúc khuôn cát khuôn kim loại hạ t nhỏ Biế n tí nh: . Tạo mầ m ngoạ i lai : 2 loạ i: - kim loạ i có cùng kiể u mạ ng hoặ c gầ n giống nhau: FeSi, FeSiCa (gang), Ti (thé p) Hì nh 1.26. ảnh hởng của T đến n và v - cho chấ t tạ o oxit, nitrit : Al 2 O 3 , AlN khi đúc thé p . Hấ p phụ : Na cho Silumin (AlSi) . Cầ u hoá graphit : Mg, Ce, Đh Tác động vậ t lý: Rung, siêu âm bẻ gẫ y tinh thể hạt nhỏ Đúc ly tâm hạ t nhỏ 1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc 1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc 1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc a. a.a. a. Ba vùng tinh thể của thỏi đúc Ba vùng tinh thể của thỏi đúcBa vùng tinh thể của thỏi đúc Ba vùng tinh thể của thỏi đúc T 2 T 1 T n,v n v Các thỏi (thép) đúc th ờng có tiế t diệ n tròn hoặc vuông, chúng đ ợc đúc trong khuôn kim loại, đôi khi khuôn còn đợc là m nguội bằ ng n ớc chúng th ờng có cấu trúc 3 vùng điển hì nh (hì nh 1.27): Hì nh 1.27. Cấu trúc 3 vùng của thỏi đúc 21 Vỏ ngoà i cùng là lớp hạ t nhỏ đẳ ng trục 1: do T lớn, mầ m ngoại lai nhiề u hạ t nhỏ mị n. Do thành khuôn có độ nhấ p nhô các mầ m phá t triể n theo các ph ơng ngẫ u nhiê n cắ t nhau, chè n é p nhau hạ t phá t triển đề u theo mọi phí a. Vùng tiế p theo là lớp hạ t t ơng đối lớn hì nh trụ 2: vuông góc với thà nh khuôn, do thà nh khuôn mới bắ t đầ u nóng lê n T o , hạ t lớn hơn và phá t triể n mạ nh theo ph ơng pháp tuyế n với thành khuôn là ph ơng truyề n nhiệ t hạ t hì nh trụ. Vùng ở giữa là vùng cá c hạ t lớn đẳ ng trục 3. Kim loạ i lỏng ở giữa kế t tinh sau cùng, thà nh khuôn đã nóng lê n nhiề u do đó: - T hạ t lớn, - nhiệ t tản đề u theo mọi phơng hạ t đẳ ng trục. . Vùng ngoà i cùng luôn luôn là lớp vỏ mỏng, 2 vùng sau phụ thuộc và o điều kiện là m nguội khuôn: + nguội mã nh liệ t thì vùng 2 sẽ lấ n át vùng 3, thậ m chí mấ t vùng 3 xuyên tinh khó biế n dạ ng dẻ o, không phù hợp với thỏi cá n + nguội chậ m thì vùng 3 lạ i lấ n át vùng 2, thỏi trở nê n dễ cán hơn. b. b.b. b. Các khuyế t tật của vật đúc Các khuyế t tật của vật đúc Các khuyế t tật của vật đúc Các khuyế t tật của vật đúc Rỗ co và lõm co: Do khi kế t tinh kim loạ i co lạ i không đợc bù co: rỗ co nằ m phâ n tá n, rả i rác giữa cá c nhá nh câ y trê n khắ p vậ t đúc đợc gọi là rỗ co gia công á p lực ở nhiệt độ cao thì chúng đ ợc hà n kí n không ả nh h ởng đá ng kể đế n cơ tí nh. co tậ p trung lõm co th ờng nằm ở nơi kế t tinh sau cùng: chỗ dày, phí a trên. Phần thỏi có lõm co phả i đ ợc cắ t bỏ tỷ lệ sử dụng chỉ còn khoả ng 85 đế n 95%. Đúc liê n tục o có lõm co Đối với chi tiế t đúc phả i để phầ n lõm co ở đậ u ngót cắ t bỏ đi. Rỗ khí Khí hoà tan thoát ra không kị p rỗ khí hay bọt khí . Khi cá n không thể hà n kí n đ ợc (lớp ôxyt ngă n cả n khuế ch tán là m liề n chỗ bẹ p), gâ y ra tróc vỏ hoặ c nứt khi sử dụng khử khí tốt tr ớc khi rót khuôn, sấ y khô khuôn cá t hoặ c đúc trong châ n không. Thiê n tí ch (segregation) Là sự không đồng nhấ t về thà nh phầ n và tổ chức của sả n phẩ m đúc, cả với hợp kim (khi thà nh phầ n phức tạ p) và kim loại do tí ch tụ tạ p chấ t. Có nhiề u dạ ng thiên tí ch: theo trọng l ợng, trong bả n thâ n hạ t, của P, S trong thé p. 36 Phần II Hợp kim và biến đổi tổ chức Chơng 3 Hợp kim và giản đồ pha 3.1. 3.1.3.1. 3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Cấu trúc tinh thể của hợp kimCấu trúc tinh thể của hợp kim Cấu trúc tinh thể của hợp kim 3.1.1. 3.1.1.3.1.1. 3.1.1. Khái niệ m về hợp kim Khái niệ m về hợp kimKhái niệ m về hợp kim Khái niệ m về hợp kim a. a.a. a. Đị nh nghĩ a Đị nh nghĩ aĐị nh nghĩ a Đị nh nghĩ a Hợp kim là hỗn hợp của kim loại với một hoặc nhiề u kim loại hoặc á kim khác. La tông= hợp kim Cu + Zn hợp kim đơn giản chỉ gồm 2 nguyê n tố Gang: Fe+Mn+Si và C+P+S, nguyê n tố chí nh là Fe (kim loạ i) hợp kim phức tạp. Nguyê n tố kim loạ i chí nh (> 50%) đ ợc gọi là nề n hay nguyê n tố cơ sở. b. b.b. b. u việ t của hợp kim u việ t của hợp kimu việ t của hợp kim u việ t của hợp kim so với kim loại so với kim loại so với kim loại so với kim loại Hợp kim: độ bề n, độ cứng, tí nh chống mà i mòn cao hơn, tí nh công nghệ tốt hơn: đúc, cắ t gọt, nhiệ t luyệ n để hoá bề n tốt hơn, rẻ hơn. Kim loạ i nguyê n chấ t: dẫ n nhiệ t, dẫ n điệ n tốt (dâ y dẫ n, trang sức, điệ n cực Pt, Au) c. c.c. c. Một số khái niệ m Một số khái niệ mMột số khái niệ m Một số khái niệ m Pha: cùng cấ u trúc, cùng trạ ng thá i, cùng kiể u và thông số mạ ng, cá c tí nh chấ t cơ - lý - hóa xá c đị nh, phâ n cách nhau bởi mặ t phâ n chia pha. Cấ u tử là cá c phầ n độc lậ p có khối l ợng không đổi, chúng tạ o nê n cá c pha trong hợp kim. Hệ là tậ p hợp cá c pha, có thể ở câ n bằ ng hoặ c không câ n bằ ng. Tạ o thà nh hỗn hợp cơ học A + B K KK Khi hihi hi có tơng tác: có tơng tác: có tơng tác: có tơng tác: 2 tr ờng hợp xả y ra: - hòa tan thà nh dung dị ch rắ n, tổ chức một pha nh kim loại nguyê n chấ t (hì nh 3.2b) dung môi - phả n ứng với nhau thành hợp chấ t hóa học, tạ o thà nh kiể u mạ ng mới khá c hẳ n. 3.1.2. 3.1.2.3.1.2. 3.1.2. Dung dị ch rắn Dung dị ch rắnDung dị ch rắn Dung dị ch rắn a. Khái niệ m a. Khái niệ m a. Khái niệ m a. Khái niệ m - - phân loại phân loại phân loại phân loại Đ/ n : Đ/ n :Đ/n : Đ/ n : là hợp kim trong đó 1 hay nhiề u nguyê n tố hoà tan và o mạ ng tinh thể của kim loạ i chiế m đa số đ ợc gọi là nề n. Dung môi chiế m đa số, nguyê n tố chiế m tỷ lệ í t hơn là chấ t tan. Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m :Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m : kiể u mạ ng của dung môi, nồng độ chấ t tan có thể thay đổi trong một phạ m vi mà không là m mấ t đi sự đồng nhấ t đó. Dung dị ch rắ n là của B trong A: A(B), mạng của A. Trạng thá i không câ n bằ ng (3) = không ổn đị nh: thờng gặ p: khi tôi cơ tí nh (bề n, cứng) cao hơn, xu h ớng(1&2) Trạ ng thái giả ổn đị nh (2) muốn sang (1) phả i thắ ng G ổn đị nh (1). d. d.d. d. Phân loại các tơng tác Phân loại các tơng tácPhân loại các tơng tác Phân loại các tơng tác Chế tạ o hợp kim = nấ u chả y % xá c đị nh rồi là m nguội. Từ pha lỏng đồng nhấ t khi là m nguội sẽ có t ơng tác tạo nê n cá c p ha khác nhau. G 1 3 2 Hì nh 3.1. Sơ đồ cá c vị trí ổn đị nh (1), giả ổn đị nh (2) và khôn g ổn đ ị nh ( 3 ) 37 Các kiể u: Các kiể u:Các kiể u: Các kiể u: thay thế và xen kẽ (hì nh 3.3) Hì nh 3.3. Sơ đồ sắp xếp nguyên tử hòa tan thay thế và xen kẽ vào dung môi có mạng lập phơng tâm mặt, mặt (100) b. b.b. b. Dung dị ch rắn thay thế Dung dị ch rắn thay thếDung dị ch rắn thay thế Dung dị ch rắn thay thế Đ/ n : Đ/ n :Đ/n : Đ/ n : nguyê n tử chấ t tan thay thế vị trí nguyê n tử dung môi. Đ/ k i ệ n : Đ/ k i ệ n :Đ/ k i ệ n : Đ/ k i ệ n : sai khá c d nguyê n tử không quá 15%. Tí nh chấ t hoá lý t ơng tự nhau. Phân loại: Phân loại:Phân loại: Phân loại: theo giới hạ n h/tan gồm 2 loạ i: dd rắ n hoà tan có hạ n và dd rắ n hoà tan vô hạ n theo sự phâ n bố ng/tử chấ t tan, có 2 loạ i: dd rắ n có tr/tự và dd rắ n o có tr/tự G GG Giới hạn hòa tan là nồng độ chấ t tan lớn nhấ t mà vẫ n bả o tồn đ ợc mạ ng tinh thể . Điều kiện hoà t Điều kiện hoà tĐiều kiện hoà t Điề u kiệ n hoà tan vô hạn: an vô hạn:an vô hạn: an vô hạn: chỉ có thể (có khi o ) xả y ra khi thỏa mã n cả 4 yế u tố sau: Hì nh 3.4. Sơ đồ thay thế để tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn giữa hai kim loại A và B 1- cùng kiể u mạ ng, 2-đ ờng kí nh nguyê n tử khá c nhau í t (< 8%) 3-thoả mã n giới hạ n nồng độ điệ n tử: ví dụ: mạ ng lftm C e 1,36, lftk C e 1,48, 4-có cùng hoá trị , tí nh â m điệ n sai khá c nhau í t. Ngoà i ra, tí nh lý - hóa (đặ c biệ t là nhiệ t độ chả y) giống nhau dễ tạ o thà nh dung dị ch rắ n hòa tan vô hạ n. Ví dụ: Ag - Au (mạ ng A1, r = 0,20%, cùng nhóm IB), Cu - Ni (mạ ng A1, r = 2,70%, IB và VIII), Fe - Cr (mạ ng A2, r = 0,70%, VIB và VIII). D DD Dung dị ch rắn ung dị ch rắn ung dị ch rắn ung dị ch rắn có cócó có trật tự trật tự trật tự trật tự: :: : cá c nguyê n tử chấ t tan sắ p xế p có trậ t tự trong mạ ng tinh thể dung môi, (đ ợc nguội rấ t chậ m trong khoả ng n O nhấ t đị nh). Đa số tr ờng hợp là không trậ t tự. c. c.c. c. Dung dị ch rắn xen kẽ Dung dị ch rắn xen kẽDung dị ch rắn xen kẽ Dung dị ch rắn xen kẽ Đ/ n : Đ/ n :Đ/n : Đ/ n : cá c nguyê n tử hòa tan nằ m xen kẽ và o cá c lỗ hổng trong mạ ng tinh thể dung môi. Điều kiện: Điều kiện:Điều kiện: Điều kiện: bá n kí nh nguyê n tử chấ t tan phải rấ t nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) và đôi khi cả B (0,091nm) mới có khả nă ng xen kẽ và o cá c lỗ hổng giữa cá c nguyê n tử lớn nh Fe (0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm), Lỗ hổng lớn nhấ t trong mạng A1 là loạ i 8 mặ t chỉ bằ ng 0,414d ng/tử , ngoà i H, o có á kim nà o bỏ lọt đẩ y cá c nguyê n tử chủ bao quanh giã n ra, gâ y ra xô lệ ch mạ nh mạ ng (hì nh 3.5). . chỉ có dung dị ch rắ n xen hòa tan có hạ n. Hì nh 3.5. Sự xô lệch mạng trong dd rắn: a. hòa tan thay thế khi r ht > r chủ, b. hòa tan xen kẽ r ht > r lỗ hổng d. d.d. d. Các đặc tí nh của dung dị ch rắn Các đặc tí nh của dung dị ch rắnCác đặc tí nh của dung dị ch rắn Các đặc tí nh của dung dị ch rắn Có kiể u mạ ng tinh thể của kim loạ i dung môi có đặ c tr ng cơ, lý, hóa tí nh của kim loạ i nề n: 1) Mạ ng tinh thể , đơn giả n và xí t chặ t (A1, A2 ) của kim loạ i với liê n kế t kim loạ i 2) Cơ tí nh giống kim loạ i cơ sở: thay thế xen kẽ a-thay thế b-xen kẽ ban đầ u 38 . dẻ o, có giả m đi 1 chút song vẫ n đủ cao, dễ biế n dạng dẻ o, cá biệ t tă ng độ dẻo: Cu(Zn) với 30%Zn còn dẻ o hơn cả Cu chi tiế t dậ p sâ u, đồ dá t = latông . tă ng độ bề n, độ cứng, khả năng chị u tả i hơn hẳn kim loạ i nguyê n chất . nồng độ chấ t tan cà ng lớn dẻ o cà ng giả m, bề n cà ng tă ng. Quá lớn gâ y ra giòn, dễ bị gã y, vỡ chọn nồng độ thí ch hợp. 3) Dẫ n nhiệ t, dẫ n điệ n tốt nh ng ké m hơn kim loạ i nguyê n chấ t, thay đổi tí nh chống ă n mòn. Dung dị ch rắ n là pha cơ bả n chiế m tới 90% thậ m chí 100% trong vậ t liệ u kế t cấ u. 3.1.3. 3.1.3.3.1.3. 3.1.3. Pha trung gian Pha trung gianPha trung gian Pha trung gian Trê n giả n đồ pha 2 phí a là dung dị ch rắ n, ở giữa là cá c pha trung gian. a. a.a. a. Bản chất và phân loại Bản chất và phân loạiBản chất và phân loại Bản chất và phân loại Đặ c đ iể m: 1) Có mạ ng tinh thể phức tạ p và khá c hẳ n với nguyê n tố thà nh phầ n 2) Có tỷ lệ chí nh xá c giữa cá c nguyê n tố theo công thức hóa học A m B n 3) Tí nh chấ t : khá c hẳ n cá c nguyê n tố thà nh phầ n giòn 4) Có nhiệ t độ chả y xá c đị nh, khi tạ o thà nh tỏa nhiệ t. 5) khá c với các hợp chấ t hóa học thông th ờng, cá c pha trung gian không hoà n toà n tuâ n theo quy luậ t hóa trị không có thà nh phầ n hóa học chí nh xá c theo công thức, có liê n kế t kim loạ i. Các pha trung gian trong hợp kim th ờng gặ p: pha xen kẽ , pha điệ n tử và pha Laves. b. b.b. b. Pha Pha Pha Pha xen kẽ xen kẽxen kẽ xen kẽ Đ/ n : Đ/ n :Đ/n : Đ/ n : Là pha tạ o nê n giữa cá c kim loạ i chuyể n tiế p (có bá n kí nh nguyê n tử lớn) với các á kim có bán kí nh nguyê n tử bé nh C, N, H (và B): cacbit, nitrit, hyđrit (và borit). Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m :Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m : Mạ ng tinh thể của pha xen kẽ t ơng quan kí ch th ớc nguyê n tử giữa á kim (X) và kim loạ i (M):. khi r X / r M < 0,59 một trong ba kiể u mạ ng là A1, A2, A3 (tuy không giữ lạ i kiể u mạ ng vốn có nhng vẫ n mang đặ c điể m kim loạ i), cá c nguyê n tử á kim xen kẽ và o cá c lỗ hổng trong mạ ng, tạ o nê n hợp chấ t với các công thức đơn giả n nh M 4 X, M 2 X. . khi r X / r M > 0,59 mạ ng tinh thể phức tạ p (đợc gọi là pha xen kẽ với mạ ng phức tạ p) t ơng ứng với công thức M 3 X, M 7 X 3 , M 23 X 6 . T TT T/chất: /chất:/chất: /chất: Nhiệ t độ chả y rấ t cao (th ờng > 2000 ữ 3000 o C), rấ t cứng (HV > 2000 ữ 5000) và giòn hóa bề n, nâ ng cao tí nh chống mà i mòn và chị u nhiệ t của hợp kim. H và N có kí ch th ớc nguyê n tử nhỏ nê n r X / r M < 0,59, Fe 4 N, Fe 2 N, Mo 2 N, Cr 2 N có mạ ng đơn giản. C có r X / r M >0,57 nê n tạ o Fe 3 C, Mn 3 C, Cr 7 C 3 , Cr 23 C 6 ,WC, TiC, Mo 2 C, VC mạ ng phức tạ p tă ng độ cứng và tí nh chống mài mòn của hợp kim. c. c.c. c. Pha điệ n tử Pha điệ n tử Pha điệ n tử Pha điệ n tử (Hum - Rothery) Đ/ n : Đ/ n :Đ/n : Đ/ n : Là pha có kiểu mạng xác đị nh, tạo thành với nồng độ điện tử N xác đị nh (số điện tử hóa trị /số nguyê n tử): 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12), mỗi tỷ lệ ứng với một cấ u trúc mạ ng phức tạ p nhấ t đị nh. Th ờng là hợp kim của Cu, Ag, Au với Zn, Sn, Cd. Với Cu 1+ , Zn 2+ ta có: C e = 21/14 pha mạ ng A1: CuZn, AgZn, AuZn (C e =(1.1+1.2)/2=3/2) C e = 21/13 pha mạ ng lf phức tạ p: Cu 5 Zn 8 , Ag 5 Sn 8 (C e =(5.1+8.2)13=21/13) C e = 21/12 pha , mạ ng lgxc: CuZn 3 , AgZn 3 (C e =(1.1+3.2)/4=7/4=21/12) d. d.d. d. Pha Laves Pha LavesPha Laves Pha Laves Đ/ n : Đ/ n :Đ/n : Đ/ n : Pha tạ o bởi hai nguyê n tố A, B có tỷ lệ bán kí nh nguyê n tử r A / r B = 1,2 (1,1 ữ 1,6) với công thức AB 2 có kiể u mạ ng A3: MgZn 2 , MgNi 2 hay A1 (MgCu 2 ). Do giòn nê n chỉ đ ợc dùng trong HKTG hoặ c cá c pha hoá bề n. 39 3.2. 3.2.3.2. 3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử Giản đồ pha của hệ hai cấu tửGiản đồ pha của hệ hai cấu tử Giản đồ pha của hệ hai cấu tử Đ/ n : Đ/ n :Đ/n : Đ/ n : GĐP là giả n đồ biể u thị sự biế n đổi thà nh phầ n và trạ ng thá i pha ở câ n bằ ng theo nhiệ t độ và thà nh phầ n của hệ d ới áp suất không đổi (1 at). Cách biể u diễ n: Cách biể u diễ n:Cách biể u diễ n: Cách biể u diễ n: Đặ c điể m: GĐP chỉ đúng và phù hợp với hợp kim ở trạ ng thá i câ n bằ ng (nguội rấ t chậ m hay ủ), Công dụng: Công dụng:Công dụng: Công dụng: xá c đị nh cấ u trúc của hợp kim, xá c đị nh n o chảy, chuyển biến pha nấ u luyệ n và xử lý nhiệ t, gia công (biế n dạ ng, đúc, rè n, cá n, ké o, ), rấ t quan trọng. 3.2.1. 3.2.1.3.2.1. 3.2.1. Quy tắc pha và ứng dụng Quy tắc pha và ứng dụngQuy tắc pha và ứng dụng Quy tắc pha và ứng dụng Quy tắ c pha của Gibbs: T= N-F+2 khi P=1at thì T=N-F+1 T TT T= == =0 0 0 0 hệ bấ t biế n, cả % và n o , lúc đó F = N + 1 (số pha=số cấ u tử +1). Ví dụ kim loạ i nguyê n chấ t (N = 1) khi nóng chả y: T=1-2+1=0 nhiệt độ không đổi. T=1: T=1:T=1: T=1: Ví dụ, khi kế t tinh HK 2 nguyê n: (T = 2 - 2 + 1=1) kế t tinh hoặ c nóng chả y trong khoả ng nhiệ t độ hoặ c %. T TT T = 2 = 2 = 2 = 2: :: : hệ cùng một lúc có thể thay đổi cả hai yế u tố nhiệ t độ và thà nh phầ n Đặ c đ iể m : Đặ c đ iể m : Đặ c đ iể m : Đặ c đ iể m : T 0 số pha nhiề u nhấ t của hệ (ở trạ ng thá i câ n bằ ng!) F max = N + 1 hệ một cấ u tử F max = 2, hai cấ u tử F max = 3, ba cấ u tử F max = 4. 3.2.2. Quy tắc đòn bẩy 3.2.2. Quy tắc đòn bẩy3.2.2. Quy tắc đòn bẩy 3.2.2. Quy tắc đòn bẩy Đ/ n : Đ/ n :Đ/n : Đ/ n : là quy tắ c cho phé p xá c đị nh tỷ lệ của cá c pha, cá c tổ chức trê n GĐP. Biể u thức: Biể u thức: Biể u thức: Biể u thức: Q A .X A =Q B .X A Trong vùng 2 pha: điể m khả o sá t cà ng gầ n pha nà o thì tỷ lệ pha ấ y cà ng lớn + = + = XX X % XX X % F A .X A =F B .X B F A =F B (X B /X A ) M .X =M .X 3.2.3. 3.2.3.3.2.3. 3.2.3. Giản đồ l Giản đồ lGiản đồ l Giản đồ loại I oại Ioại I oại I Đ/ n : Đ/ n : Đ/ n : Đ/n: Là GĐP của hệ 2 cấ u tử không có bấ t kỳ t ơng tá c nà o với nhau. Mô tả: Mô tả:Mô tả: Mô tả: AEB là đ ờng lỏng, CED (245 o C) là đờng rắ n, là nhiệ t độ chả y (kế t tinh): B, A (hì nh 3.9a), điể n hì nh là hệ Pb - Sb ở hì nh 3.9b. (Pb chả y 327 o C), (Sb chả y- 631 o C). khoả ng giữa hai đ ờng lỏng và đ ờng đặ c: khoả ng kế t tinh. a) b) Hì nh 3.9. Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I (a) và giản đồ pha Pb - Sb (b). Hợp kim 1: 60%Sb + 40%Pb. Bắt đầu đông đặc ở 1 (500 o C), kế t thúc đông đặ c ở 2 (245 o C) F A F B X A X B T %B M X X L L+B A+L B+ ( A+B ) E A B A+B A+ (A+B) 100%A 100%B %B nhiệ t L L+Sb Pb+L E 327 631 [ Pb+Sb ] Pb Sb %Sb nhiệ t 13 a a a 1 1 60 245 Sb+[Pb+Sb] 37 b b b [...]... của hệ 2 cấ u tử hoà tan vô hạ n ở trạ ng thá i rắ n và lỏng (hì nh 3.10) Hệ đ iể n hì nh Cu - Ni ở hì nh 3.10.a và hệ Al2O3 - Cr2O3 ở hì nh 3.10b Sơ đồ biểu diễn sự hình thành tổ chức khi kết tinh ở các nhiệt độ khác nhau o o 0 1 1455 nhiệ t 1400 2 1 L+ 120 0 Cu 2 40 60 %Ni 80 L+ 21 00 20 45 20 00 20 L 22 00 đ ờng 1083 1000 22 66 nhiệ t độ , L đ ờng o Ni Al2O3 20 40 60 80 %Cr2O3 Cr2O3 Hì nh 3. 12 Giản... Cu-Ni (a) và hệ Al2O3 - Cr2O3 (b) 3 .2. 5 Giản đồ loại III Đ/n: Là giả n đ ồ pha của hệ hai cấ u tử, hòa tan có hạ n ở trạ ng thá i rắ n và có tạ o thà nh cù ng tinh, hì nh 3. 12 Hệ điể n hì nh là Pb-Sn Dạ ng khá giống với giả n đồ loạ i I, khá c nhau ở đ â y là cá c dung dị ch rắ n có hạ n và 1 A thay thế cho cá c cấ u tử A và 1 L+40%S L 300 B 2 2 24 5 B AEB - đ ờng lỏ ng, ACEDBL 2 a a 3 20 0 E đ ờng rắ... Sn (hì nh 3. 12) - Trê n 24 5oC HK chả y lỏ ng hoà n toà n, ở 24 5oC hợp kim bắ t đầ u kế t tinh ra 2 với 13,3%Sn, nguội tiế p tụ c dung dị ch rắ n AC, pha lỏng còn lạ i AE chiề u tă ng lê n của hà m l ợ ng Sn áp dụ ng quy tắ c đòn bẩ y: ở 20 0oC pha chứa 18,5%Sn (a) và L chứa 57%Sn (a), %rắ n= (57-40)/(57-18,5) = 44 ,2% , %L = 55,8% ở nhiệ t đ ộ cùng tinh (LE [C + D]), %L=(61,9-40)/(61,9-19 ,2) =51,3%, và... n L, < 24 5 C rắ n hoà n toà n, trong khoả ng (500 ữ 24 5 C) 2 pha (lỏng + rắ n) = (L + Sb) Khi là m nguội thì tinh thể B (Sb) tạ o thà nh cà ng nhiề u áp dụng quy tắc cá nh tay đò n: n: p - tạ i đ iể m a tỷ lệ pha rắ n %Sb= aa/aa=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha lỏng %L=63,5% - tạ i đ iể m b tỷ lệ pha rắ n %Sb= bb/bb= (60-13)/(100-13)=54%, pha lỏng %L=46% áp dụng quy tắc pha: tạ i điể m 1& a T =2- 2+1= 1... m 1 T =2- 1+1 =2 thay đổi cả % và no mà pha lỏng (hệ ) vẫ n bả o tồn tạ i đ iể m cù ng tinh E T =2- 3+1=0 đông đặ c cùng tinh thì no không đổi giống KL ng/chấ t hay L13%Sb (Pb + Sb) Phả n ứ ng cù ng tinh: LE (A + B) Hợ p kim có thà nh phầ n ở chí nh đ iể m E hợp kim cùng tinh, có nhiệ t độ chả y thấ p nhấ t, Hợ p kim < 13%Sb = HK trớc cù ng tinh, HK>13%Sb sau cùng tinh (tự khả o sá t HKTCT) 3 .2. 4 Giản... 2 2 24 5 B AEB - đ ờng lỏ ng, ACEDBL 2 a a 3 20 0 E đ ờng rắ n C 183 D 13,3%Sn 4 19 ,2 61,9 100 97,5 G +Sn F 13,3 18,5 Pb 20 3 57 40 %Sn 60 40%Sn 80 Sn + T ơ ng tự nh giả n đ ồ loạ i I, nhiệ t độ chả y của HK giả m khi tă ng cấ u tử thứ hai 4 41 + Điể m cùng tinh E với phả n ứng cùng tinh : LE [+] hay L61,9 [19 ,2+ 97,5] + HK < 61,9%Sn trớc cùng tinh (trá i E) và HK> 61,9%Sn HK sau cùng tinh (phả... tinh (LE [C + D]), %L=(61,9-40)/(61,9-19 ,2) =51,3%, và %=48,7% trong cù ng tinh %=(97,5-61,9)/(97,5-19 ,2) = 45,5% và %=54,5% Hì nh 3.13 Tổ chức tế vi của hợp kim Pb - Sb: a cùng tinh [+], màu tối là giàu Pb, b trớc cùng tinh với 40%Sn [ độc lập là các hạt lớn màu đen bị bao bọc bởi cùng tinh [+] 3 .2. 6 Giản đồ loại IV Đ/n: Là GĐP hai cấ u tử có tạ o thà nh hợp chấ t hóa học AmBn, Dạ ng đ iể n hì nh là... và Mg4Ca3-Ca Đợc khả o sá t nh 2 giả n đồ độc lậ p nhiệ t độ , Đ/điể m: hai loạ i dung dị ch rắ n : loạ i kế t tinh đầ u tiê n ở trê n 183oC và loạ i cùng kế t tinh vớ i ở nhiệ t độ không đổi (183oC) và đợc gọi là cùng tinh (bỏ qua II) Hì nh 3.13 là tổ chức tế vi của hai hợp kim hệ nà y L Mg4Ca3+L 800 600 Mg+L L+Mg4Ca3 516 400 Mg+Mg4Ca3 L+Ca 445 Mg4Ca3+Ca 55,3 Mg Ca 20 60 40 80 Hì nh 3.14 Giản đồ... IV, hệ Mg-Ca %Ca Trê n đ â y là bốn giả n đồ pha hai cấ u tử cơ bả n nhấ t, thực tế còn có nhiề u kiể u giả n đ ồ pha phứ c tạ p với cá c phả n ứng khá c các 3 .2. 7 Cá c giản đồ pha với cá c phản ứng khác phản ứng bao tinh (peritectic):L+R1R2.Ví dụ GĐP Fe-CL0,5+ 0,1 0,16 (peritectic): GĐP vớ i cá c p . mm 2 0 ,25 8 0, 129 0,0645 0,0 32 0,016 0,008 0,004 0,0 02 0,001 0,0005 Cấ p hạt 9 10 11 12 13 14 Z(x100)/inch 2 25 6 5 12 1 024 20 48 4096 820 0 Z thực/mm 2 4096 820 0 16400 328 00 65600 13 120 0. bả ng 1 .2. Bả ng 1 .2. Các cấp hạt chuẩn chí nh theo ASTM Cấ p hạt 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Z(x100)/inch 2 0 ,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 128 Z thực/mm 2 4 8 16 32 64 128 25 6 5 12 1 024 20 48 S hạ. (C e =(1.1+1 .2) /2= 3 /2) C e = 21 /13 pha mạ ng lf phức tạ p: Cu 5 Zn 8 , Ag 5 Sn 8 (C e =(5.1+8 .2) 13 =21 /13) C e = 21 / 12 pha , mạ ng lgxc: CuZn 3 , AgZn 3 (C e =(1.1+3 .2) /4=7/4 =21 / 12) d. d.d. d.