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

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 Mục lục 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….) Thép chất lượng cao: + Thép chế tạo máy : dùng trong các bộ phận Ô tô (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 3 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) 4 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 Giảnđồ phaFe-C(Fe–Fe 3 C) đượctrìnhbàyvớicáckýhiệu cáctọađộ(nhiệt độ, 0 C- thành phầncacbon,%)đãđượcquốctếhóa nhưsau: 5 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) 6 - 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 Fe 3 C. Trong thực tế, Fe với C tồn tại ở 3 dạng hợp chất là FeC, Fe 2 C, Fe 3 C song xêmentít (Fe 3 C) ổn định về thành phần hóa học ở mọi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy nên dùng Fe 3 C làm cấu tử. Bảng tọa độ các điểm : Điểm %C Nhiệt độ Điểm %C Nhiệt độ A 0 1539 E 2,14 1147 H 0,1 1499 C 4,3 1147 J 0,16 1499 F 6,67 1147 B 0,51 1499 R 0,02 727 N 0 1392 S 0,8 727 D 6,67 1600 K 6,67 727 G 0 910 Q 0,006 0 Mộtsốđườngcóý nghĩathựctếrất quantrọngnhưsau: - ABCDlàđườnglỏngđểxácđịnhnhiệtđộchảylỏnghoàntoànhaybắtđầukếttinh. - AHJECFlàđườngrắnđểxácđịnhnhiệtđộbắtđầuchảyhaykếtthúckếttinh. - ECF(1147 0 C)làđườngcùngtinh,xảyraphảnứngcùngtinh(eutectic). 7 - PSK(727 0 C)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. 8 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 9 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. 10 [...]... TỔ CH C TẾ VI, TÍNH CHẤT A Tổ ch c tế vi Hợp kim Fe- C (0.4%) là thép trư c cùng tích Hình 4 Tổ ch c tế vi c a thép trư c cùng tích (0.4 %C) (X500) Hợp kim Fe- C (0.8%) là thép c ng tích Hình 8 Tổ ch c tế vi thép c ng tích a) Peclit tấm b) Peclit hạt Hợp kim Fe- C (1.2%) là thép sau c ng tích 16 Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe- C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ xêmentit là pha giòn trong tổ ch c cũng... sâu c a thép phụ thu c nhiều vào hàm lượng cacbon Thép c ng ít cacbon c ng dễ hàn chảy và dập Hàm lượng cacbon c ng c ảnh hưởng đến tính gia c ng c t c a thép Nói chung thép c ng c ng c ng khó c t nên thép c hàm lượng cacbon c tính gia c ng c t kém Song thép quá mềm và dẻo c ng gây khó khăn cho c t gọt, nên thép c cacbon thấp c ng c tính gia c ng c t kém Nói chung tính đ c c a thép không cao 19... ứng (c thêm 0,10 %C sẽ tăng thêm 1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ ch c tế vi ở trạng thái c n bằng (ủ) - C ≤ 0,05% - thép trư c cùng tích c tổ ch c thuần ferit coi như sắt nguyên chất - C = 0,10 - 0,70% - thép c tổ ch c ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng peclit tăng lên đó là c c thép trư c cùng tích - C = 0,80% - thép c tổ ch c peclit đó là thép c ng tích - C ≥ 0,90% - thép c tổ ch c peclit... hỗn hợp c h c c ng tinh, kết tính từ pha lỏng c nồng độ 4,3 %C ở 1147 0C L c đầu mới tạo thành nó gồm γ và Xe (trong khoảng 727 0C γ 1147 0C) Khi làm nguội xuống dưới 727 0C, γ chuyển biến thành P do vậy Lêdeburit là hỗn hợp c h c c a Peclit và Xementit Như vậy cuối c ng Lêdeburit c 2 pha làP và Xe trong đó Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Leđeburit rất c ng và dòn 12 B QUÁ TRÌNH KẾT TINH C A HỢP KIM Fe- C VỚI... trò c a cacbon C ng dụng c a thép theo thành phần cacbon Chính do cacbon c ảnh hưởng lớn đến c tính như vậy nên nó quyết định phần lớn c ng dụng c a thép Muốn dùng thép vào vi c gì điều c n xem xét trư c tiên là hàm lượng cacbon sau đó mới tới c c nguyên tố hợp kim Điều khá kỳ diệu là chỉ c n thay đổi chút ít hàm lượng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%) c thể tạo ra c c nhóm thép c c tính... ch c 2 pha - Peclit (ký hiệu là P hay [Fe +Xe]): Peclit là hỗn hợp c h c c ng tích c a Ferit và Xementit (Fe + Xe) tạo thành ở 727 0C từ dung dịch rắn Auxtenit chứa 0,8 %C Trong Peclit c 88% Ferit và 12% Xementit Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trong quá trình làm nguội, thành phần cacbon c a Auxtenit sẽ biến đổi và khi đến 727 0C có 0,8 %C (c c hợp kim c lượng cacbon nhỏ hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit... trong mọi hợp kim Fe – C Khi sắt nóng chảy nguội đi, nó kết tinh ở 1538 C ở dạng thù hình δ, dạng này c c u tr c tinh thể lập phương tâm khối (bcc) Khi nó nguội nhiều hơn c u tr c tinh thể c a nó chuyển sang dạng lập phương tâm mặt (fcc) ở 1394 C, khi đó nó c ở dạng sắt γ, hay auxtenit Ở 912 C cấu tr c tinh thể lại chuyển sang dạng bcc là sắt α, hay ferit, và ở 770 C (điểm Curie, Tc) sắt trở... đường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra dung dịch rắn trư c Khi nhiệt độ hạ xuống tới 1499 0C (ứng với đường HB), hợp 13 kim c hai phalà dung dịch rắn δ chứa 0,10 %C và dung dịch rắn auxtenit chứa 0,16 %C: C c hợp kim c 0,1 – 0,16 %C sau phản ứng bao tinh c n thừa pha δ và khi làm nguội tiếp, pha này tiếp t c chuyển biến thành pha γ C c hợp kim c 0,16 – 0,51 %C sau phản ứng bao tinh c n thừa pha lỏng... + xêmentit II khi %C tăng lên lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, đó là c c thép sau c ng tích Chính do sự thay đổi tổ ch c như vậy c tính c a thép c ng biến đổi theo Hình 5.1 ảnh hưởng c a cacbon đến c tính c a thép thường (ở trạng thái ủ) B 1 Tính chất C tính: Ảnh hưởng c a cacbon đến c tính c a thép thường ở trạng thái ủ đư c trình bày trên hình 5.1 Cacbon c ảnh hưởng b c nhất (theo quan hệ... 0.8%, 1.2 %C KHI LÀM NGUỘI CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG + Phần trên c a giản đồ Phần trên c a giản đồ trạng thái Fe – C ứng với sự kết tinh từ trạng thái lỏng thấy c ba khu v c rõ rệt ứng với ba khoảng thành phần cacbon kh c nhau Khu v c có thành phần 0,1 – 0,51 %C (c phản ứng bao tinh) Tất c c c hợp kim c thành phần cacbon 0,1 – 0,51 %C khi kết tinh sẽ xảy ra phản ứng bao tinh: δH + LB → γJ L c đầu, khi . hỗn hợp cơ 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. 12 B. QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C. được 3 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. 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. Lúc đầu, khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh