Bài giảng về hợp kim

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 cá ch 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 loạ i nguyê n chấ t (hì nh 3.2b) dung môi - phả n ứng với nhau thà nh hợp chấ t hóa học, tạ o thà nh kiể u mạng mới khác hẳn. 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), mạ ng của A. Trạng thái không câ n bằ ng (3) = không ổn đị nh: th ờng 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 phả i 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 mạ ng 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, gây ra xô lệch mạnh 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 vẫn 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 nă ng 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 i ể m : 1) Có mạ ng tinh thể phức tạ p và khác 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 cá c 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. Cá c 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 cá c 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 nh ng 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 cá c 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 giả n. 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 mà i 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 40 + > 500 o C lỏng hoà n toà n L, < 245 o C rắ n hoàn toà n, trong khoả ng (500 ữ 245 o 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 cánh tay đòn p dụng quy tắc cánh tay đònp dụng quy tắc cánh tay đòn p dụng quy tắc cánh tay đòn: :: : - tạ i điể m a tỷ lệ pha rắ n %Sb= aa/aa=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha lỏng %L=63,5% - tạ i điể m b tỷ lệ pha rắ n %Sb= bb/bb= (60-13)/(100-13)=54%, pha lỏng %L=46% áp dụng quy tắc pha: p dụng quy tắc pha:p dụng quy tắc pha: p dụng quy tắc pha: tạ i điể m 1& a T=2-2+1= 1 đông đặ c trong khoả ng n o có thể thay đổi trên điểm 1 T=2-1+1=2 thay đổi cả % và n o mà pha lỏng (hệ ) vẫ n bả o tồn tạ i điể m cùng tinh E T=2-3+1=0 đông đặ c cùng tinh thì n o không đổi giống KL ng/chấ t Phả n ứng cùng tinh: L E (A + B) hay L 13%Sb (Pb + Sb). Hợp kim có thà nh phầ n ở chí nh điể m E hợp kim cùng tinh, có nhiệ t độ chả y thấ p nhấ t, Hợp kim < 13%Sb = HK tr ớc cùng tinh, HK>13%Sb sau cùng tinh (tự khả o sá t HKTCT) 3.2.4. 3.2.4.3.2.4. 3.2.4. Giản đồ loại II Giản đồ loại IIGiản đồ loại II Giản đồ loại II Đ/n: là GĐP 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 điể n hì nh Cu - Ni ở hì nh 3.10.a và hệ Al 2 O 3 - Cr 2 O 3 ở hì nh 3.10b. Sơ đồ biểu diễn sự hình thành tổ chức khi kết tinh ở các nhiệt độ khác nhau. a) b) Hì nh 3.10. Giản đồ pha loại II, hệ Cu-Ni (a) và hệ Al 2 O 3 - Cr 2 O 3 (b). 3.2.5. 3.2.5.3.2.5. 3.2.5. Giản đồ loại III Giản đồ loại IIIGiản đồ loại III Giản đồ loại III Đ/ n : Đ/ n :Đ/ n : Đ/ n : Là giả n đồ 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 cùng 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 đây là + T ơng tự nh giả n đồ loạ i I, nhiệ t độ chả y của HK giả m khi tă ng cấ u tử thứ hai. cá c dung dị ch rắ n có hạ n và thay thế cho cá c cấ u tử A và B. AEB - đ ờng lỏng, ACEDB- đ ờng rắ n. Hì nh 3.12. Giản đồ loại III, hệ Pb - Sn và sơ đồ hình thành tổ chức khi kết tinh ở trạng thái cân bằng của hợp kim F G A B 245 200 19 , 2 61 , 9 97 , 5 183 100 13 , 3 300 20 40 60 80 Sn Pb %Sn E a a 2 3 4 1 2 C D +Sn 18 , 5 57 nhiệ t độ, o C L L+40%S 1 13,3%Sn L 40%Sn 2 3 4 %Cr 2 O 3 Cr 2 O 3 Al 2 O 3 20 40 80 60 2000 2100 2200 nhi ệ t đ ộ , L L+ 2266 2045 %Ni Ni Cu 20 40 80 60 1000 1200 1400 nhi ệ t 1455 1083 đờng đờng L L+ 1 2 2 0 1 41 + Điể m cùng tinh E với phả n ứng cùng tinh : L E [ + ] hay L 61,9 [ 19,2 + 97,5 ] + HK < 61,9%Sn tr ớc cùng tinh (trá i E) và HK> 61,9%Sn HK sau cùng tinh (phả i E) + CF và DG là giới hạ n hòa tan. Độ hòa tan max ở nhiệ t độ cùng tinh 183 o C + Có thể chia cá c hợp kim của hệ thà nh ba nhóm sau. Nhóm chứa rấ t í t cấ u tử thứ hai (bê n trái F, bê n phả i G), sau khi kế t tinh xong chỉ có một dung dị ch rắ n hoặ c , có đặ c tí nh nh giản đồ loại II. Nhóm có thà nh phầ n nằ m trong khoả ng (từ Fđế n C và D đế n G), n o < CF và DG II & II . Nhóm già u nguyê n tố HK (từ C đế n D), sau khi tiế t ra dung dị ch rắ n ( C hay D ), pha lỏng còn lạ i điể m cùng tinh E. Khả o sá t HK 40%Sn của hệ Pb - Sn (hì nh 3.12). - Trê n 245 o C HK chảy lỏng hoàn toàn, ở 245 o C hợp kim bắ t đầ u kế t tinh ra 2 với 13,3%Sn, nguội tiế p tục dung dị ch rắ n AC, pha lỏng còn lạ i AE chiề u tă ng lê n của hà m l ợng Sn. áp dụng quy tắc đòn bẩy: ở 200 o C 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 độ cùng tinh (L E [ C + D ]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, và %=48,7% trong cùng tinh %=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% và %=54,5% Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m : hai loạ i dung dị ch rắ n : loạ i kế t tinh đầ u tiê n ở trê n 183 o C và loạ i cùng kế t tinh với ở nhiệt độ không đổi (183 o C) 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. 3.2.6. 3.2.6.3.2.6. 3.2.6. Giản đồ loại IV Giản đồ loại IVGiản đồ loại IV Giản đồ loại IV Đ/n: Là GĐP hai cấ u tử có tạ o thà nh hợp chấ t hóa học A m B n , Trên đâ 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 đồ pha phức tạp với các phản ứng khác. 3.2.7. 3.2.7.3.2.7. 3.2.7. Các giản Các giảnCác giản Các giản đồ pha với các phản ứng khác đồ pha với các phản ứng khác đồ pha với các phản ứng khác đồ pha với các phản ứng khác G GG GĐP với các p ĐP với các pĐP với các p ĐP với các phản ứng bao tinh (peritectic) (peritectic) (peritectic) (peritectic): :: :L+R 1 R 2 .Ví dụ GĐP Fe-CL 0,5 + 0,1 0,16 Dạ ng điể n hì nh là hệ HK Mg-Ca (hì nh 3.14) với hợp chấ t hoá học ổn đị nh Mg 4 Ca 3 , = tổng của hai giản đồ loại I: Mg - Mg 4 Ca 3 và Mg 4 Ca 3 -Ca. Đ ợc khả o sá t nh 2 giả n đồ độc lậ p. Hì nh 3.14. Giản đồ loại IV, hệ Mg-Ca %Ca Ca M g 20 40 80 60 400 600 800 nhi ệ t đ ộ , 55,3 L L+Ca Mg 4 Ca 3 +Ca M g +M g 4 Ca 3 L+Mg 4 Ca 3 Mg 4 Ca 3 +L M g +L 516 445 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 [ + ] 42 Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m :Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m : rắn mới R 2 nằ m giữa L bt & R 1 trê n GĐP, p/ứ bao tinh không xả y ra hoà n toà n, vì R 2 tạ o thà nh bao bọc lấ y R 1 tạ o nê n lớp mà ng ngă n cá ch không cho phả n ứng tiế p tục. GĐP có phản ứng cùng tí ch (eutectoid) (eutectoid) (eutectoid) (eutectoid): :: : R [R 1 +R 2 ] Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m :Đ/ đ i ể m : Đ/ đ i ể m : khá c với phả n ứng cùng tinh, cùng tí ch là pha rắ n 2 pha rắ n. Ví dụ: GĐP Fe - C: Fe (C) 0,8 [Fe + Fe 3 C] (sẽ khả o sá t sau). Sự tiế t pha khỏi dung dị ch rắ n Tiế t pha II & II (hì nh 3.12) là cá c phầ n tử nhỏ mị n, phâ n tá n, phâ n bố đề u trong nề n pha mẹ hoá bề n hóa bề n tiế t pha. 3.2.8. 3.2.8.3.2.8. 3.2.8. Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tí nh chất của hợp kim Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tí nh chất của hợp kimQuan hệ giữa dạng giản đồ pha và tí nh chất của hợp kim Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tí nh chất của hợp kim a. a. a. a. Tí nh chất các pha thành phần Tí nh chất các pha thành phầnTí nh chất các pha thành phần Tí nh chất các pha thành phần Hợp kim có tổ chức một pha tí nh chấ t của hợp kim là tí nh chấ t của pha đó HK có tổ chức bao gồm hỗn hợp của nhiề u pha thì tí nh chấ t của hợp kim là sự tổng hợp hay kế t hợp tí nh chấ t của cá c pha thà nh phầ n (không phả i là cộng đơn thuầ n), gồm cá c tr ờng hợp: HK là DDR (dung dị ch rắ n) + cá c pha trung gian: Quan hệ tí nh chấ t - nồng độ thông th ờng đ ợc xác đị nh bằng thực nghiệm. Đ/điể m tí nh chất và sự hì nh thành: Đ/điể m tí nh chất và sự hì nh thành:Đ/điể m tí nh chất và sự hì nh thành: Đ/điể m tí nh chất và sự hì nh thành: D DD Dung dị ch rắn ung dị ch rắnung dị ch rắn ung dị ch rắn (tí nh chấ t gần giống với KL dung môi), th ờng rấ t dẻ o, dai và mề m, Pha trung gian Pha trung gian Pha trung gian Pha trung gian : : : : tí nh chấ t khá c hẳ n với cá c cấ u tử nguyê n chấ t: cứng hoặ c rấ t cứng, giòn. P PP Pha trung gian chỉ xuất hiệ n ha trung gian chỉ xuất hiệ n ha trung gian chỉ xuất hiệ n ha trung gian chỉ xuất hiệ n khi đ a cấ u tử thứ hai và o với l ợng v ợt quá giới hạ n hòa tan. b. b.b. b. Tí nh chất của hỗn hợp các pha Tí nh chất của hỗn hợp các phaTí nh chất của hỗn hợp các pha Tí nh chất của hỗn hợp các pha: Quan hệ tuyế n tí nh: : Quan hệ tuyế n tí nh:: Quan hệ tuyế n tí nh: : Quan hệ tuyế n tí nh: hì nh 3.16, đơn giả n nhấ t Tí nh chấ t của hỗn hợp : = 1 n ii XTT , trong đó T i và X i là tí nh chấ t và tỷ lệ của pha i, đối với hợp kim 2 pha: P HK = T 1 X 1 + T 2 .X 2 hay P HK = T 1 + X 2 .(T 2 - T 1 ). Với X i GĐP (hì nh 3.16) Hì nh 3.16. Tí nh chất của hợp kim và giản đồ pha - quan hệ tuyến tí nh q/hệ tuyế n tí nh chỉ đúng khi cùng cỡ hạ t và cá c pha phâ n bố đề u đặ n. %B B A nhiệ t độ, P L L+B A+L P A+B %B A m B n A nhiệ t độ, P L +L P L+A m B n +A m B n %B B A nhiệ t độ, P L L+ P P A P B %B B A nhiệ t độ, P L +L P L+ + P P P A P B P P AmBn 43 Quan hệ phi tuyế n: Quan hệ phi tuyế n:Quan hệ phi tuyế n: Quan hệ phi tuyế n:. Trong tr ờng hợp hạ t nhỏ đi hoặ c to lê n, tí nh chấ t đạ t đ ợc sẽ thay đổi tuỳ theo trờng hợp: hạ t nhỏ di độ dai tă ng = bề n + dẻ o tă ng Chí nh vì thế mà tí nh chấ t của hợp kim có thể không còn tuâ n theo quan hệ tuyế n tí nh nhấ t là tạ i điể m cùng tinh, cùng tí ch và lâ n cậ n (hì nh 3.17). Hì nh 3.17. Quan hệ phi tuyế n giữa tí nh chấ t và GĐP 3.3. 3.3.3.3. 3.3. Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe - - C (Fe C (Fe C (Fe C (Fe - - Fe Fe Fe Fe 3 33 3 C) C)C) C) Giả n đồ pha Fe - C (chỉ xé t hệ Fe - Fe 3 C) khá phức tạ p, rấ t điể n hì nh để minh họa cá c t ơng tá c th ờng gặ p và đợc sử dụng rấ t nhiề u trong thực tế . Ngoà i ra còn có giả n đồ Fe - grafit là hệ câ n bằ ng ổn chủ yế u là dùng trong gang. 3.3.1. 3.3.1.3.3.1. 3.3.1. Tơng tác giữa Fe và C Tơng tác giữa Fe và CTơng tác giữa Fe và C Tơng tác giữa Fe và C Fe, Fe,Fe, Fe, khá dẻ o (dễ biế n dạ ng nguội), dai, tuy bề n, cứng hơn Al, Cu nhiề u song vẫ n còn rấ t thấ p so với yê u cầ u sử dụng. Khi đ a C và o Fe giữa hóa bề n, rẻ hơn HK Fe-C trở nê n thông dụng a. a.a. a. Sự hòa tan của Sự hòa tan của Sự hòa tan của Sự hòa tan của C CC C vào vào vào vào Fe FeFe Fe Tạo dung dị ch rắn xen kẽ : Tạo dung dị ch rắn xen kẽ :Tạo dung dị ch rắn xen kẽ : Tạo dung dị ch rắn xen kẽ : bá n kí nh nguyê n tử r C = 0,077nm, r Fe = 0,1241nm) C chỉ có thể hòa tan có hạ n và o Fe ở dạ ng dung dị ch rắ n xen kẽ . Fe có 2 kiể u mạ ng tinh thể : lftk A2 (n o < 911 o C - Fe và 1392 ữ 1539 o C - Fe ) và lftm A1 (911 ữ 1392 o C - Fe ), khả nă ng hòa tan cacbon và o cá c pha Fe khá c nhau: Fe FeFe Fe và Fe và Fe và Fe và Fe với m với m với m với mạng ạng ạng ạng A2 A2A2 A2 tuy mậ t độ xế p thấ p, có nhiề u lỗ hổng, song mỗi lỗ hổng lạ i có kí ch th ớc quá nhỏ (lỗ tá m mặ t có r = 0,02, lỗ bốn mặ t lớn hơn có r = 0,036), lớn nhấ t cũng chỉ bằ ng 50% kí ch th ớc của nguyê n tử sắ t Fe chỉ hoà tan đợc 0,02%C và Fe 0,1%C. Fe FeFe Fe v v v và Fe à Feà Fe à Fe , Fe , Fe, Fe , Fe với mạng A1 với mạng A1 với mạng A1 với mạng A1: :: : tuy có mậ t độ xế p cao hơn, nh ng lỗ hổng lạ i có kí ch th ớc lớn hơn (lỗ bốn mặ t r = 0,028nm, lỗ tá m mặ t r = 0,051nm), vẫ n còn hơi nhỏ nh ng nhờ cá c nguyê n tử sắ t có thể giã n ra Fe hòa tan đ ợc cacbon 2,14%C. b. b.b. b. Tơng tác hóa học Tơng tác hóa học Tơng tác hóa học Tơng tác hóa học giữa Fe và C giữa Fe và Cgiữa Fe và C giữa Fe và C Austenit () là DDR của C trong Fe , mạ ng A1, g/hạ n hoà tan: 727 o C -0,8%C, 1147 o C- 2,14%C Ferit () là DDR của C trong Fe , mạ ng A2, giới hạ n hoà tan: 20 o C-0,006%C, 727 o C-0,8%C Fe 3 C là pha xen kẽ , có kiể u mạ ng phức tạ p, có thà nh phầ n 6,67%C + 93,33%Fe. 3.3.2. 3.3.2.3.3.2. 3.3.2. Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe - - Fe Fe Fe Fe 3 33 3 C và các tổ chức C và các tổ chứcC và các tổ chức C và các tổ chức a. a.a. a. Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe Giản đồ pha Fe - - Fe Fe Fe Fe 3 33 3 C C C C Hì nh 3.18 với cá c ký hiệ u cá c tọa độ (n o , o C - %C) nh sau: Một số đờng có ý nghĩ a thực tế rất quan trọng: Một số đờng có ý nghĩ a thực tế rất quan trọng:Một số đờng có ý nghĩ a thực tế rất quan trọng: Một số đờng có ý nghĩ a thực tế rất quan trọng: - ABCD là đ ờng lỏng để xá c đị nh nhiệ t độ chả y đúc - AHJECF là đờng rắ n kế t tinh hoà n toà n đúc. - PSK (727 o C) là đ ờng cùng tí ch nhiệ t luyệ n - ES - giới hạ n hòa tan cacbon trong Fe hoá nhiệ t luyệ n, nhiệ t luyệ n. %B B A nhiệ t độ, P L +L P L+ + P P 44 - PQ - giới hạ n hòa tan cacbon trong Fe nhiệ t luyệ n ké m quan trong hơn A (1539 - 0) B (1499 - 0,5) C (1147 - 4,3) H (1499 - 0,10) P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006) S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67) E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67) G (911 - 0) F (1147 - 6,67) J (1499 - 0,16) N (1392 - 0) Hì nh 3.18. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe 3 C) b. Các chuyể n biế n khi làm nguội chậm b. Các chuyể n biế n khi làm nguội chậmb. Các chuyể n biế n khi làm nguội chậm b. Các chuyể n biế n khi làm nguội chậm - Chuyể n biế n bao tinh xả y ra ở 1499 o C: H + L B J hay 0,10 + L 0,50 0,16 (3.1) - Chuyể n biế n cùng tinh xả y ra ở 1147 o C: L C ( E + Xê ) hay L 4,3 ( 2,14 + Xê ) (3.2) - Chuyể n biế n cùng tí ch xả y ra ở 727 o C: S [ P + Xê ] hay 0,8 [ 0,02 + Xê ] (3.3) - Sự tiế t pha Fe 3 C d ra khỏi dung dị ch rắ n của cacbon: , n o < ES Xê II và , n o < PQ Xê III . c. c.c. c. Các tổ chức một pha Các tổ chức một phaCác tổ chức một pha Các tổ chức một pha Ferit FeritFerit Ferit ( , F , F, F , F), đã nê u ở trê n, Ferit là pha tồn tạ i ở nhiệ t độ th ờng, tỷ lệ cao nhất (tới 90%), quan trọng đói với cơ tí nh của hợp kim Fe - C. Tổ chức tế vi của ferit (xem hì nh 3.22) có dạ ng cá c hạ t sá ng, đa cạ nh. Austenit Austenit Austenit Austenit [ , A AA A, Fe FeFe Fe (C) (C)(C) (C)], đã nêu trê n, khác với F, không có tí nh sắ t từ, chỉ tồn tạ i ở nhiệ t độ cao (> 727 o C), chỉ tồn tạ i ở nhiệ t độ cao hoặ c TKG austenit, 13, nhng lạ i có vai trò quyế t đị nh trong biế n dạ ng nóng và nhiệ t luyệ n. Tí nh chấ t của : : : : có tí nh dẻ o rấ t cao (mạ ng A1). Nhờ có tí nh dẻ o cao có tí nh dẻ o cao có tí nh dẻ o cao có tí nh dẻ o cao thể tiế n hà nh biế n dạ ng nóng mọi hợp kim Fe - C với C < 2,14% Là m nguội austenit với tốc độ tổ chức cơ tí nh : nguội chậ m P+F mề m, nguội nhanh mactenxit cứng. Tổ chức tế vi của gồm cá c hạ t sá ng, có thể với mà u đậ m nhạ t khá c nhau đôi chút, có cá c đ ờng song tinh. Xê m Xê mXê m Xê mentit entitentit entit (X XX Xê êê ê , Fe FeFe Fe 3 33 3 C CC C): là pha xen kẽ với kiể u mạ ng phức tạ p có công thức Fe 3 C và thà nh phầ n 6,67%C, cứng và giòn, cùng với ferit nó tạ o nê n cá c tổ chức khác nhau của hợp kim Fe - C. Ng ời ta phân biệt 4 loại Xê: - Xe I tiế t ra từ pha lỏng khi là m nguội HK > 4,3%C. Xê I có dạ ng thẳ ng, thô to (hì nh 3.24b) đôi khi có thể thấ y đợc bằ ng mắ t thờng. +L L E C P G J B A H Q F+P p eclit lê đê buri P+Xê I P+Xê II +Lê Lê + Xê I 727 1147 A 3 A cm L+Xê Fe Fe 3 C 0 , 8 2,14 4,3 910 1200 nhiệ t độ, o C %C 1 2 3 4 5 6 500 D F K +Xê II +Xê II +Lê Lê + Xê I S 45 - Xe II đ ợc tạ o thà nh là m nguội theo đ ờng ES HK có 0,80<%C< 2,14, Dạ ng l ới bao quanh hạ t (peclit) hì nh 3.23, l ới liê n tục là m giả m mạ nh tí nh dẻ o và dai của hợp kim, l ới rá ch tă ng cứng và chị u mà i mòn tốt. - Xe III đ ợc tạ o thà nh khi là m nguội F d ới đ ờng PQ, quá nhỏ th ờng đ ợc bỏ qua. - Xê cùng tí ch đ ợc tạ o thà nh do chuyể n biế n cùng tí ch peclit, rấ t quan trọng, xé t sau. Grafit Grafit Grafit Grafit chỉ đ ợc tạ o thà nh trong gang vì có Si, khả o sá t trong gang sau nà y. d. d.d. d. Các tổ chức hai pha Các tổ chức hai phaCác tổ chức hai pha Các tổ chức hai pha Peclit PeclitPeclit Peclit (có thể ký hiệ u bằ ng P PP P, [Fe [Fe[Fe [Fe + Fe + Fe + Fe + Fe 3 33 3 C] C]C] C]). Đ/n: là hỗn hợp cùng tí ch của F và Xê đ ợc tạ o thà nh từ phả n ứng cùng tí ch (3.3). Đ/điể m: Trong P có 88% F và 12% Xê phâ n bố đề u kế t hợp dẻ o với pha cứng bề n cao, cứng nh ng cũng đủ dẻ o, dai là vậ t liệ u kế t cấ u và công cụ tốt, gồm: P tấ m và peclit hạ t. Peclit tấm (hì nh 3.21a): th ờng gặ p hơn, F & Xê đề u ở dạ ng tấ m nằ m xen kẽ nhau. Peclit hạt (hì nh 3.21b): í t gặ p hơn, Xê thu gọn lạ i thà nh dạ ng hạ t nằ m phâ n bố đề u trê n nề n F. So với peclit tấ m, peclit hạ t có độ bề n, độ cứng thấ p hơn, độ dẻo, độ dai cao hơn đôi chút. Peclit hạ t th ờng đ ợc tạ o thà nh khi giữ nhiệ t lâ u ở (600 ữ 700 o C). Lê đê burit Lê đê burit Lê đê burit Lê đê burit (Lê hay [ [[ [P + Xe P + XeP + Xe P + Xe]) trê n 727 o C là [+Xê ] d ới 727 o C là [P+Xê ] Hì nh 3.21: Lê = hỗn hợp của peclit tấ m (các hạ t tối nhỏ) trê n nề n xê mentit sá ng. Lê đê burit cứng và giòn vì tỷ lệ Xê cao (%Xê =(4,3-0,8)/(6,67-0,8)=59,6%) và chỉ có trong gang trắ ng. 3.3.3. 3.3.3.3.3.3. 3.3.3. Phân loại Phân loạiPhân loại Phân loại a. a.a. a. Khái niệ m Khái niệ m Khái niệ m Khái niệ m chung về thé p, gang chung về thé p, gangchung về thé p, gang chung về thé p, gang Thé p và gang đề u là hợp kim Fe-C, trong đó: < 2,14%C là thé p, 2,14%C là gang. Đ/điể m: tấ t cả cá c thé p khi đ ợc nung nóng trê n đ ờng GSE t ơng ứng đề u có 1 pha Tí nh đúc của thé p là thấ p (n o chả y cao, co nhiề u), í t đợc sử dụng để chế tạo vật đúc. Gang không thể nung nóng để có tổ chức một pha mà bao giờ cũng còn Xê (hay grafit) không biế n dạ ng nguội lẫ n nóng đợc (kể cả loại đ ợc gọi là gang rè n), tí nh đúc tốt. b. Các loại thé p, gang theo giản đồ pha Fe b. Các loại thé p, gang theo giản đồ pha Fe b. Các loại thé p, gang theo giản đồ pha Fe b. Các loại thé p, gang theo giản đồ pha Fe - - C C C C Thé p C: Thé p C: Thé p C: Thé p C: loạ i chỉ chứa C và 1 l ợng không đá ng kể cá c nguyê n tố khá c, gồm 3 loạ i: - Thé p tr ớc cùng tí ch: %C <0,8%, bê n trá i điể m S, tổ chức F (sá ng) + P (tối) (hì nh 3.22). Phần lớn thé p th ờng dùng là loại này mà tập trung ở loại 0,20%C rồi tiế p đế n 0,30 ữ 0,40%C. Khi %C %P , F - Thé p cùng tí ch: thé p chứa 0,80%C tổ chức peclit. - Thé p sau cùng tí ch: với thà nh phầ n > 0,80%C (th ờng chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2.0 ữ 2,2%), tổ chức P+Xê II (hì nh 3.23). Hì nh 3.21. Tổ chức tế vi của: a) Pec lit tấ m b) Peclit hạ t c) Lê đê burit b) a) c) . 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. 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. 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: