tiểu luận môn vật liệu học quá trình kết tinh của hợp kim fe c

Giản đồ pha Fe–C cho biết tại mỗi tọa độ nhiệt độ, thành phần xác định, tổ chức của hợp kim sắt –cacbon như thế nào.. Từ giản đồ+ tra sách, xin chú giải ở mức đơn giản cho giản đồ:- Aust

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM



-MÔN HỌC: VẬT LIỆU HỌC

Tiểu luận 1 Nhóm thực hiện: Nhóm 7 Tên thành viên:

Nguyễn Ngọc Duy Phạm Bá Phúc Lộc Nguyễn Minh Tuấn Nguyễn Đức Toàn

Lê Văn Thi

M c l c ục lục ục lục

PHẦN 1: VAI TRÒ CỦATHÉP 1

PHẦN 2: QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VỚI 0.4%, 0.8%, 1.2%C KHI LÀM NGUỘI CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG 6

A GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe-C VÀ CÁC TỔ CHỨC 6

I.Giải thích các thuật ngữ 6

II Tương tác giữa Fe- C 7

III.Giản đồ pha Fe- C 8

IV.Các tổ chức một pha 11

V Các tổ chức 2 pha 14

B QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VỚI 0.4%, 0.8%, 1.2%C KHI LÀM NGUỘI CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG 15

PHẦN 3 : TỔ CHỨC TẾ VI, TÍNH CHẤT 18

A Tổ chức tế vi 18

B Tính chất 21

PHẦN 1: VAI TRÒ CỦA THÉP

Trong thời đại hiện nay, vật liệu thép đóng một vai trò quan trọng đến hoạt động sản xuất và cả quá trình CNH-HĐH đất nước Ta có thể kể tên một vài công dụng của Thép như sau:

Thép chất lượng thường: các loại Thép xây dựng, théo đường ray xe lửa, thép dễ cắt Loại thép này được ứng dụng rộng rãi trong quá trình xây dựng (các thanh tròn, ống tròn, vuông, hình chữ nhật … làm Cốt thép trong các công trình xây dựng, làm đường ray xe lửa, vv….)

(lò xo, nhíp xe ), ổ lăn, khuôn dập ( khuôn dập trục truyền, khung dập đầu bu-lông, khuôn đúc nhôm…), Chốt Piston, trục cam, bánh răng, đĩa xích, vv…

+ Thép dụng cụ: các thép được sử dụng làm dụng

cụ cơ khí chính xác (panme, thước kẹp, vv ) dụng cụ gia công gỗ, khuôn dập cắt nguội, dụng cụ cắt gọt tốc độ cao, vv…

+ Thép đặc biệt: thép không gỉ (inox)

Từ đó, ta có thể thấy, Thép đóng vai trò rất quan trọng với cuộc sống chúng ta, thép xuất hiện ở rất nhiều nơi mà ta dễ dàng thấy được

PHẦN 2: QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VỚI 0.4%, 0.8%, 1.2%C

KHI LÀM NGUỘI CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG

A GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe-C VÀ CÁC TỔ CHỨC

I.Giải thích các thuật ngữ

Một cách tổng quát,trong KHVL, giản đồ pha được hiểu là một loại đồ thị biểu diễn các điều kiện cân bằng giữa các pha riêng biệt (các pha có thể phân biệt về mặt nhiệt động)

Hai loại giản đồ pha hay gặp: giản đồ nhiệt độ – áp suất (của nước chẳng hạn – rất nổi tiếng trong Hóa Lý ) và giản đồ nhiệt độ – thành phần ( của hệ Fe–C, rất nổi tiếng trong KHVL)

Giản đồ pha Fe–C cho biết tại mỗi tọa độ (nhiệt độ, thành phần) xác định, tổ chức của hợp kim sắt –cacbon như thế nào Tất cả các tổ chức (pha) đề cập ở đây dựa trên giả thiết là các quá trình chuyển biến xảy ra vô cùng chậm (cân bằng)

Hình 1 giản đồ trạng thái

II Tương tác giữa Fe- C

1 Tạo Ferit

Ferit (có thể ký hiệu bằng α hay F hay Feα) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong

Feα với mạng lập phương tâm khối

2 Tạo Auxtenit [có thể ký hiệu bằng γ, A, Feγ(C) ]

Auxtenit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ với mạng lập phương tâm mặt

3 Tạo pha xen kẽ:

Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xe, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp

III.Giảnđồ phaFe- C

0C-thành phầncacbon,%)đãđượcquốctếhóa nhưsau:

Hình 2 Giản đồ trạng thái ( dạng đầy đủ )

Từ giản đồ+ tra sách, xin chú giải (ở mức đơn giản) cho giản đồ:

- Austentite solid solution of carboningammairon: dung dịch rắn auxtenite của cacbon trong Feγ

- Austentite in liquid:auxtenite phân tán trong pha lỏng (đây là vùng tồn tại của auxtenite và pha lỏng)

- Primary austentite begins to solidify:đường giới hạn mà auxtenite sơ cấp bắt đầu kết tinh

- CM begins to solidify:đường giới hạn mà xê-men-tít bắt đầu kết tinh

- Auxtenite,ledeburite and cementite: vùng tồn tại của các pha auxtenite, ledeburit

và xementit

- Hypo-eutectoid: trước cùng tích

- Hyper-eutectoid:sau cùng tích

- Steel: thép (quy ước)

- Castiron:gang (quyước)

Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải được xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song do không dùng các hợp kim Fe - C với lượng các bon nhiều hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6,67% các bon tức là ứng với hợp chất hóa học

Bảng tọa độ các điểm :

A 0 1539 E 2,14 1147

Mộtsốđườngcóý nghĩathựctếrất quantrọngnhưsau:

- ABCDlàđườnglỏngđểxácđịnhnhiệtđộchảylỏnghoàntoànhaybắtđầukếttinh

- AHJECFlàđườngrắnđểxácđịnhnhiệtđộbắtđầuchảyhaykếtthúckếttinh

- ECF(11470C)làđườngcùngtinh,xảyraphảnứngcùngtinh(eutectic)

- PSK(7270C)làđườngcùngtích,xảyraphảnứngcùngtích (eutectoid)

- ES- giới hạn hòa tancacbontrongFeγ

- PQ- giới hạn hòa tancacbontrongFeα

IV.Cáctổchứcmộtpha

Ở trạng thái rắn có thể gặp bốn pha sau

Ferit (có thể ký hiệu bằng α hay F hay Feα) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα với mạng lập phương tâm khối (a = 0,286 - 0,291nm) song do lượng hòa tan quá nhỏ (lớn nhất là 0,02%C ở 727oC - điểm P, ở nhiệt độ thường thấp nhất chỉ còn 0,006%C - điểm Q) nên có thể coi nó là Feα (theo tính toán lý thuyết ở mục

3.3.1a, cacbon không thể chui vào lỗ hổng của Feα, lượng cacbon hòa tan không đáng kể này là nằm ở các khuyết tật mạng, chủ yếu là ở vùng biên giới hạt) Ferit

có tính sắt từ nhưng chỉ đến 768oC Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ (tiếp giáp với Feα trên trục sắt) Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền Trong thực tế ferit có thể hòa tan

Si, Mn, P, Cr nên sẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường và khi sử dụng (< 727oC), song với tỷ lệ cao nhất (trên dưới 90%), nên nó đóng góp một tỷ lệ quan trọng trong cơ tính của

hợp kim Fe - C Tổ chức tế vi của ferit trình bày ở hình 3 có dạng các hạt sáng, đa cạnh

Hình 3 Tổ chức tế vi của ferit (a) và auxtenit (b) (x500)

Auxtenit [ có thể ký hiệu bằng γ, A, Feγ(C) ] là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ với mạng lập phương tâm mặt (a ≈ 0,364nm) với lượng hòa tan đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% hay khoảng 8,5% về số nguyên tử ở 1147oC - điểm E, tức tối đa tính bình quân cứ ba - bốn ô cơ sở mới có thể cho phép một nguyên tử cacbon định vị vào một lỗ hổng tám mặt trong chúng, ở 727oC chỉ còn 0,80%C -điểm S) Khác với ferit, auxtenit không có tính sắt từ mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (> 727oC) trong vùng NJESG (tiếp giáp với Feγ trên trục sắt)

nên không có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng của hợp kim nhưng lại

có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện

Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) thép bao giờ cũng được thực hiện ở trạng thái auxtenit đồng nhất (thường ở trên dưới 1000oC) Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe - C với C < 2,14% dù cho ở nhiệt độ thường thể hiện độ cứng và tính giòn khá cao Làm nguội auxtenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hỗn hợp ferit - xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hay được mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công Tổ chức tế vi của auxtenit trình bày ở hình 3.19b có các hạt sáng, có thể với màu đậm nhạt khác nhau đôi chút (do định hướng khi tẩm thực) và các đường song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể hiện tính dẻo cao)

Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xe, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67%C, ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ Đặc tính của xêmentit là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe - C Người ta phân biệt bốn loại xêmenntit:

- Xêmentit thứ nhất (XeI) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ, chỉ có ở hợp kim có > 4,3%C Do tạo thành ở nhiệt độ cao (> 1147oC) nên xêmentit thứ nhất có dạng thẳng, thô to (hình 3.24b) đôi khi có thể thấy được bằng mắt thường

- Xêmentit thứ hai (XeII) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong auxtenit theo đường ES khi hạ nhiệt độ, thường thấy rất rõ ở hợp kim có > 0,80 cho tới 2,14%C Do tạo thành ở nhiệt độ tương đối cao (> 727oC) tạo điều kiện cho sự tập

trung ở biên giới hạt, nên khi xêmentit thứ hai với lượng đủ lớn sẽ tạo thành lưới liên tục bao quanh các hạt auxtenit ((peclit) như biểu thị ở hình 3.23, tức tạo ra khung giòn, làm giảm mạnh tính dẻo và dai của hợp kim

- Xêmentit thứ ba (XeIII) được tạo thành đo giảm nồng độ cacbon trong ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, với số lượng (tỷ lệ) rất nhỏ (nhiều nhất cũng chỉ là 2o/oo) nên rất khó phát hiện trên tổ chức tế vi và thường được bỏ qua

- Xêmentit cùng tích được tạo thành do chuyển biến cùng tích auxtenit → peclit Loại xêmentit này có vai trò rất quan trọng, được trình bày ở mục tiếp theo

Grafit chỉ được tạo thành trong hợp kim Fe - C cao và chứa lượng đáng kể silic, là pha quan trọng trong tổ chức của gang- Ferit (ký hiệu là F hay α): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trong Fe(α), có mạng lập phương thể tâm nên khả năng hòa

nhất ở nhiệt độ thường là 0,006%

- Auxtenit (kí hiệu là As hay γ): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe(γ), có mạng lập phương diện tâm nên khả năng hòa tan cacbon của Fe(γ) khá lớn, lớn

Auxtenit rất dẻo và dai khi các nguyên tố khác hòa tan vào không những làm độ cứng tăng lên và độ dẻo độ dai giảm đi đáng kể mà còn làm thay đổi động học chuyển biến do đó ảnh hưởng lớn tới nhiệt luyện

V Các tổ chức 2 pha

- Peclit (ký hiệu là P hay [Feα+Xe]): Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit

Trong Peclit có 88% Ferit và 12% Xementit Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trong quá trình làm nguội, thành phần cacbon của Auxtenit sẽ biến đổi và khi đến

Auxtenit biến đổi theo hướng tiết ra Ferit để làm tăng cacbon còn các hợp kim có lượng cacbon lớn hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết ra Xementit làm giảm cacbon, cả 2 trường hợp trên đều đưa đến lượng cacbon trong

hợp cùng tích của Ferit và Xementit:

Tùy theo hình dạng Xêmentit ở trong hỗn hợp, người ta chia ra 2 loại peclit là peclit tấm và peclit hạt (Peclit tấm Xe ở dạng tấm phiến còn Peclit hạt thì Xe ở dạng hạt) Peclit là hỗn hợp cơ học nên có tính chất trung gian Kết hợp giữa tính dẻo, dai của Feα và cứng, dòn của Xe nên nói chung P có độ cứng, độ bền cao, tính dẻo dai thấp Tuy nhiên cơ tính của nó có thể thay đổi trong phạm vi khá rộng phụ thuộc vào độ hạt của Xe

- Ledeburit (ký hiệu là Le hoặc [γ+Xe] hay [P+Xe]): Ledeburit là hỗn hợp cơ học

học của Peclit và Xementit Như vậy cuối cùng Lêdeburit có 2 pha làP và Xe trong

đó Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Leđeburit rất cứng và dòn

B QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VỚI 0.4%, 0.8%, 1.2%C KHI LÀM NGUỘI CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG

+ Phần trên của giản đồ

Phần trên của giản đồ trạng thái Fe – C ứng với sự kết tinh từ trạng thái lỏng thấy

có ba khu vực rõ rệt ứng với ba khoảng thành phần cacbon khác nhau Khu vực có thành phần 0,1 – 0,51%C (có phản ứng bao tinh)

Tất cả các hợp kim có thành phần cacbon 0,1 – 0,51%C khi kết tinh sẽ xảy ra phản ứng bao tinh: δH + LB → γJ H + LB → γJ

Lúc đầu, khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra

kim có hai phalà dung dịch rắn δH + LB → γJ chứa 0,10%C và dung dịch rắn auxtenit chứa 0,16%C:

Các hợp kim có 0,1 – 0,16%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha δH + LB → γJ và khi làm nguội tiếp, pha này tiếp tục chuyển biến thành pha γ

Các hợp kim có 0,16 – 0,51%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha lỏng L,

và sau khi làm nguội tiếp theo pha lỏng tiếp tục chuyển biến thành pha γ Như vậy, cuối cùng hợp kim 0,10 – 0,51%C khhi làm nguội xuống dưới đường NJE chỉ có tổ chức một pha auxtenit Khu vực có thành phần0,51 – 2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch rắn auxtenit

Hợp kim thành phần 2,14 – 4,3%C: khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng

BC nó sẽ kết tinh ra auxtenit Làm nguội tiếp tục, auxtenit có thành phần thay đổi theo đường JE, hợp kim lỏng còn lại thay đổi theo đường BC

Khu vực có thành phần 0,51 – 2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch rắn auxtenit

+Phần dưới của giản đồ

Phần dưới của giản đồ ứng với những chuyển biến ở trạng thái rắn Có ba pha chuyển biến đáng chú ý sau đây xuất phát từ auxtenit

Sự tiết ra xêmentit thứ hai từ auxtenit

phần cacbon 0,8% ứng với điểm S

Sự tiết ra ferit từ auxtenit

điểm P (0,02%C) và auxtenit ứng với điểm S (0,8%C)

chứa auxtenit với 0,8%C (ứng với điểm S)

Chuyển biến cùng tích: auxtenit thành peclit.

hợp của hai pha ferit và xêmentit

Như đã nói ở trên, chuyển biến này có ở trong mọi hợp kim Fe – C

Khi sắt nóng chảy nguội đi, nó kết tinh ở 1538 °C ở dạng thù hình δH + LB → γJ , dạng này có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối (bcc) Khi nó nguội nhiều hơn cấu trúc tinh thể của nó chuyển sang dạng lập phương tâm mặt (fcc) ở 1394 °C, khi đó

nó có ở dạng sắt γ, hay auxtenit Ở 912 °C cấu trúc tinh thể lại chuyển sang dạng bcc là sắt α, hay ferit, và ở 770 °C (điểm Curie, Tc) sắt trở thành sắt từ

PHẦN3 : TỔ CHỨC TẾ VI, TÍNH CHẤT

A Tổ chức tế vi

Hợp kim Fe-C (0.4%) là thép trước cùng tích

Hình 4 Tổ chức tế vi của thép trước cùng tích (0.4%C) (X500)

Hợp kim Fe-C (0.8%) là thép cùng tích

Hình 8 Tổ chức tế vi thép cùng tích

a) Peclit tấm b) Peclit hạt Hợp kim Fe-C (1.2%) là thép sau cùng tích

Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ xêmentit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,10%C sẽ tăng thêm 1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng (ủ)

- C ≤ 0,05% - thép trước cùng tích có tổ chức thuần ferit coi như sắt nguyên chất

- C = 0,10 - 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng peclit tăng lên đó là các thép trước cùng tích

- C = 0,80% - thép có tổ chức peclit đó là thép cùng tích

- C ≥ 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II khi %C tăng lên lượng xêmentit

II tăng lên tương ứng, đó là các thép sau cùng tích

Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo

Hình 5.1 ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường (ở trạng thái ủ)

B Tính chất

1 Cơ tính:

Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường ở trạng thái ủ được trình bày trên hình 5.1

Cacbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB Về mặt định lượng thấy rằng cứ tăng 0,10%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng 25 đơn vị

Thoạt tiên cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (δH + LB → γJ , ψ) và độ dai va đập (aK) làm cho ) và độ dai va đập (aK) làm cho các chỉ tiêu này giảm đi nhanh chóng, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi

Ví dụ: cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp (≤ 0,25%) δH + LB → γJ giảm 6%, aK giảm 300kJ/m2, còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 - 0,50%) tương ứng là 3% và 200kJ/m2 Như vậy hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai và càng giòn Có thể dễ dàng giải thích điều này là do lượng pha xêmentit cứng và giòn tăng lên

Ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền σbb không đơn giản như đối với độ cứng Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 - 0,50%C σbb tăng

khoảng 70 - 90MPa, trong khoảng 0,60 -0,80%C σbb tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại trong khoảng 0,80 - 1,00%C, khi vượt quá giá trị này σbb lại giảm đi Có thể giải thích như sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng số chốt cản trượt cho pha này do vậyσbb tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là peclit, khi vượt quá 0,80 - 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện lưới xêmentit II giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép không những giòn mà còn làm giảm giới hạn bền

Vai trò của cacbon Công dụng của thép theo thành phần cacbon

Chính do cacbon có ảnh hưởng lớn đến cơ tính như vậy nên nó quyết định phần lớn công dụng của thép Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét trước tiên là hàm lượng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim Điều khá kỳ diệu là chỉ cần thay đổi chút ít hàm lượng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%) có thể tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào có được Theo hàm lượng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với cơ tính và công dụng rất khác nhau như sau

- Thép có cacbon thấp (≤ 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt luyện tôi + ram không cao, được dùng làm kết cấu xây dựng, tấm lá để dập nguội Muốn nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + ram để nâng cao độ bền độ cứng phải qua thấm cacbon

- Thép có cacbon trung bình (0,30 - 0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá cao mặc dầu không phải là cao nhất, có hiệu quả tôi + ram tốt, tóm lại có cơ tính tổng hợp cao nên được dùng chủ yếu làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao

- Thép có cacbon tương đối cao (0,55 - 0,65%) với ưu điểm là có độ cứng tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiết đàn hồi