quá trình kết tinh của các hợp kim fe – c, 0 4% c, 0 8% c, và 1 2% c khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng

MỤC LỤC Trang PHẦN : Bài tập: QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM CHÌ VÀ THIẾC (Pb-Sb) KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG TỪ GIẢN ĐỒ LOẠI III VÀ TÍNH CHẤT CỦA HỢP LIM Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG: ………………………………………………………………………………… Khái niệm giản đồ trạng thái…………………………………………… Giản đồ III hợp kim điển hình Pb-Sb………………………………… 2 3.Tính chất đặc biệt hợp kim…………………………………………… PHẦN 2: Tiểu luận QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA CÁC HỢP KIM Fe – C, 0.4% C, 0.8% C, VÀ 1.2% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG……………………………………………………………………………… A GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe-C VÀ CÁC TỔ CHỨC………………… I.Giải thích thuật ngữ………………………………………………… II Tương tác Fe-C………………………………………………… III Giản đồ pha Fe-C…………………………………………………… IV Các tổ chức pha………………………………………………… V Các tổ chức hai pha…………………………………………………… 11 B QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA CÁC HỢP KIM Fe – C, 0.4% C, 0.8% C, VÀ 1.2% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG………… PHẦN TỒ CHỨC TẾ VI VÀ TÍNH CHẤT……………………………………… 12 14 Phần1: Quá trình kết tinh hợp kim Chì Thiếc (Pb-Sb) làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng từ giản đồ loại III tính chất hợp kim trạng thái cân bằng: 1.Khái niệm giản đồ trạng thái: _ Định nghĩa: + Là biểu đồ biểu thị trạng thái tổ chức hệ hợp kim cho hệ trục nhiệt độ thành phần hóa học + Do cơng sức nhiều nhà khoa học viện nghiên cứu, người ta lập nên hầu hết giản đồ trạng thái hệ hợp kim quan trọng tìm chúng tài liệu kỹ thuật _ Công cụ giản đồ trạng thái hệ hợp kim cho + Cho biết cấu tạo bên hợp kim với thành phần xác định khác thông qua giản đồ trạng thái để biết tính chúng, biết cách sử dụng hợp lý vật liệu làm hợp kim + Qua giản đồ trạng thái xác định chế độ nhiệt cho công nghệ: luyện kim đúc (xác định tonc ), rèn (xác định to bắt đầu kết thúc gia công), nhiệt luyện (xác định to phương pháp nhiệt luyện), hàn (to hàn) hợp kim có thành phần xác định Giản đồ III hợp kim điển hình Pb-Sb: _ Là giản đồ pha hai cấu tử với tương tác hòa tan có hạn vào nhau, có dạng tổng qt trình bày hình 1.1a hệ điển hình có kiểu hệ chì - thiếc (Pb - Sn) hình 1.1b Giản đồ có dạng giống với giản đồ loại I với khác dung dịch rắn có hạn α β thay cho cấu tử A B Các dung dịch rắn có hạn sở (nền) cấu tử nguyên chất nằm hai phía đầu mút giản đồ Ở AEB đường lỏng, ACEDB - đường rắn Sau vài nhận xét kiểu giản đồ này: Hình 1.1 Dạng tổng quát giản đồ loại III (a) giản đồ pha hệ Pb – Sn sơ đồ hình thành tổ chức kết tinh trạng thái cân hợp kim 40%Sn (b) + Cũng giống giản đồ loại I nhiệt độ chảy cấu tử tiên giảm đưa thêm cấu tử thứ hai + Điểm E gọi điểm tinh (eutectic) xảy phản ứng tinh LE → (α + β) hay L61,9→ (α19,2 + β97,5) + Cũng có hợp kim tinh (có thành phần diểm E hay lân cận), trước tinh (trái E) sau tinh (phải E) + Các dung dịch rắn có hạn với đường CF DG rõ giới hạn hòa tan Nói chung độ hòa tan đạt giá trị lớn nhiệt độ tinh giảm mạnh hạ thấp nhiệt độ, nên CF DG có dạng xỗi chân hai phía + Có thể chia hợp kim hệ thành ba nhóm sau: • Nhóm chứa cấu tử thứ hai (bên trái F, bên phải G), sau kết tinh xong có dung dịch rắn α β, có đặc tính giản đồ loại II • Nhóm chứa lượng hạn chế cấu tử thứ hai (từ F đến C’ D’ đến G), ban đầu kết tinh dung dịch rắn, song nhiệt độ hạ xuống thấp đường CF DG chúng trở nên bão hòa, tiết lượng cấu tử hòa tan thừa dạng dung dịch rắn thứ cấp (α thừa B tiết pha βII giàu B, β thừa A tiết pha αII giàu A) • Nhóm chứa lượng lớn cấu tử thứ hai [từ C (C’) đến D (D’)], ban đầu kết tinh dung dịch rắn (αC hay βD), pha lỏng lại biến đổi thành phần theo đường lỏng đến điểm E, có kết tinh tinh Các hợp kim nhóm có diễn biến kết tinh giống với giản đồ loại I Ví dụ, xét hợp kim trước tinh có 40%Sn hệ Pb - Sn (hình 3.12b) - Ở cao 245°C hợp kim hoàn toàn trạng thái lỏng - Tại 245°C hợp kim bắt đầu kết tinh α2’ với 13,3%Sn, làm nguội tiếp tục dung dịch rắn tạo thành pha lỏng lại biến đổi thành phần theo chiều tăng lên hàm lượng Sn Ví dụ, 200°C pha ỏ chứa 18,5%Sn (a’) L chứa 57%Sn (a’’), tỷ lệ chúng là: αa’ / La’’ = (57 - 40) / (40 - 18,5) = 17 / 21,5 pha αa’ chiếm tỷ lệ 44,2% La’’ - 55,8% - Đến nhiệt độ tinh 183oC, trước kết tinh tinh tỷ lệ hai pha là: αC / LE = (61,9 - 40) / (40 - 19,2) = 21,9 / 20,8 Cũng nhiệt độ sau phản ứng tinh LE → (αC + βD), hợp kim có tổ chức αC + (αC + βD) với tỷ lệ αC / (αC + βD) 21,9 / 20,8 Hình 1.2 Tổ chức tế vi hợp kim Pb - Sb: tinh với 40%Sn [α độc lập hạt lớn bao bọc tinh (α+β)] a Cùng tinh (α+β), màu tối α giàu Pb; b Trước màu tối bị _ Như tổ chức cuối hợp kim có hai loại dung dịch rắn α: loại kết tinh độc lập vùng α + L (ở cao 183oC) loại kết tinh với β nhiệt độ không đổi (183oC) gọi α tinh Nếu tính tỷ lệ hai pha β (chỉ có tinh) α (gồm loại độc lập lẫn loại tinh) 183oC có: β / α = (40 - 19,2) / (97,5 - 40) = 20,8 / 57,5, nên β chiếm tỷ lệ 26,6%, α chiếm tỷ lệ 73,4% _ Trên hình 3.13 tổ chức tế vi hai hợp kim hệ Cùng tinh Pb – Sn bao gồm phần tử Pb nhỏ mịn tối phân bố Sn sáng (hình a) Còn hợp kim trước tinh khảo sát có tổ chức tế vi (hình b): hạt Pb kết tinh trước (hạt tối, to) phần tinh (Pb + Sn) hình a Rõ ràng pha tổ chức kết tinh nhiệt độ thấp hạt nhỏ mịn 3.Tính chất đặc biệt hợp kim: Hình 1.3 Trạng thái cân (hình thành Eutectic) Pb Sn: _ Hợp kim hàn thiếc/chì có sẵn quy mô thương mại với hàm lượng thiếc nằm khoảng 5% tới 70% theo trọng lượng Hàm lượng thiếc cao ứng suất căng ứng suất biến dạng hợp kim lớn Ở cấp độ bán lẻ có hợp kim phổ biến 60/40 Sn/Pb 63/37 Sn/Pb Tỷ lệ 63/37 đáng ý chỗ hỗn hợp eutecti, có nghĩa là: A Nó có điểm nóng chảy thấp (183 °C hay 361,4 °F) số tất hợp kim thiếc/chì; B Điểm nóng chảy thật điểm — khoảng Ở thành phần eutecti, hợp kim hàn lỏng đông đặc lại hỗn hợp eutecti, chứa pha chứa hạt mịn chì thiếc gần nguyên chất, thấy qua biểu đồ cân pha thiếc/chì _ Có độ cứng tương đối cao, nhiệt độ chảy tương đối thấp, nhiệt độ sơi cao, độ bền hố học lớn _ Dưới tác động axi bề mặt chì tạo nên lớp màng bảo vệ PHẦN 2: QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA CÁC HỢP KIM Fe – C, 0.4% C, 0.8% C, VÀ 1.2% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG A GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe-C VÀ CÁC TỔ CHỨC I.Giải thích thuật ngữ Một cách tổng quát, KHVL, giản đồ pha loại biểu diễn điều kiện cân pha riêng biệt (các pha phân biệt mặt nhiệt động) Hai loại giản đồ pha hay gặp: giản đồ nhiệt-áp suất( nước chẵng hạn - tiếng hóa lý) giản đồ nhiệt - thành phần(của hệt Fe-C, tiếng KHVL) Giản đồ pha Fe-C cho biết tọa độ (nhiệt độ, thành phần) xác định, tổ chức hợp kim sắt - cacbon Tất tổ chức (pha) đề cập dựa giả thiết trình chuyền biến diễn vơ chậm (cân bằng) Hình a Giản đồ trạng thái II Tương tác Fe-C Tạo Ferit Ferit ( ký hiệu α hay F hay Feα ) dung dịch rắn xen kẽ cacbon Feα mạng lập phương tâm khối Tạo Auxtenit Auxtenit (có thể ký hiệu γ, A hay Feγ(C) ) dung dịch rắn xen kẽ cacbon Feγ với mạng lập phương tâm diện Tạo pha xen kẽ Xêmenti ( ký hiệu Xe, Fe3C) pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp III Giản đồ pha Fe-C Giản đồ pha Fe-C trình bày với ký hiệu tọa độ ( nhiệt độ thành phần cacbon) quốc tế hóa sau: Hình b: giản đồ trạng thái (dạng đủ) Từ giản đồ ta có số thích sau: - Austentite soild solution of cacbon in gamma iron : dunh dịch rắn auxtentite cacbon Feγ - Austentite in liquid : austentite phân tán pha lỏng (đây vùng tồn austentite pha lỏng) - Primary austentite begins to solidify : đường giới hạn mà austentite sơ cấp bắt đầu kết tinh - CM begins to solidify: đường giới hạn mà xementit bắt đầu kết tinh - Austentite, ledeburite and cementite: vùng tồn pha austentite, ledeburit xementit - Hypo-eutectoid: trước tích - Hyper-eutectoid : sau tích - steel: thép (quy ước) - Castiron: gang (quy ước) Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe-C phải xây dựng từ 100% Fe đến 100% C song không dùng hợp kim Fe-C với lượng cacbon nhiều 5% nên ta xây dựng giản đồ đến 6.67% cacbon tức ứng với hợp chất hóa học Fe3C làm cấu tử Điểm A H J B N D G %C 0.1 0.16 0.51 6.67 Nhiệt độ 1539 1499 1499 1499 1392 1600 910 Điểm E C F R S K Q %C 2.14 4.3 6.67 0.02 0.8 6.67 0.006 Nhiệt độ 1147 1147 1147 727 727 727 Một số đường có ý nghĩa quan trọng sau: - ABCD đường lòng để xác định nhiệt độ bắt đầu chạy hay kết thúc kết tinh - AHJECF đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh - ECF(11740C) đường tinh, xảy phản ứng tinh (eutectic) - PSK(7270C) dường tích, xảy phản ứng tích (eutectoid) - ES giới hạn hòa tan cacbon Feγ - PQ giới hạn hòa tan cacvon Feα IV Các tổ chức pha Ở trạng thái rắn gặp bốn pha sau Ferit ( ký hiệu α hay F hay Feα ) dung dịch rắn xen kẽ cacbon Feα mạng lập phương tâm khối (a= 0.286 - 0.291nm) song lượng hòa tan nhỏ ( lớn 0.02%C 7270C điểm P, nhiệt độ thấp chì 0.006%C - điểm Q) nên có thề coi Feα Ferit có tính sắt từ đến 7680C Trên giản đồ khơng tồn vùng GPQ Do khơng chứa cacbon nên tính ferit sắt ngun chất Trong thực tế ferit có thề hòa tan Si, Mn, P, Cr, Nên cứng bền song củng dẻo dai Ferit hai pha tồn nhiệt độ thường sử dụng (7270C) vùng NJESG nên khơng có quan hệ trực tiếp đến khả sử dụng chúng hợp kim lại có vai trò định biến dạng nóng nhiệt luyện Với tính dẽo cao mềm nhiệt độ cao nên biến dạng nóng thép thực trạng thái auxtennit đồng (trên 1000 độ) Vì tiến hành biến dạng nóng hợp kim Fe-C với C < 2.14% nhiệt độ thường thể độ cứng tính dòn cao Làm nguội auxtenit với tốc độ khác nhận hỗn hợp ferit-xemantic với độ nhỏ mịn khác hay mactenxit với tính cao đa dạng, đáp ứng rộng rãi yêu cầu sử dụng gia công Xementic pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C thành phần 6.67%C ứng với đường DFKL giản đồ Đặc tính xemantic cứng giòn, với ferit tạo tổ chức khác hợp kim Fe-C Người ta phân biệt bốn loại xementit: - Xementit thứ : tạo thành giảm nồng độ cacbon hợp kim theo đường DC hạ nhiệt độ, có hợp kim > 4.3%C Do tạo thành nhiệt độ cao (>11470C ) nên Xementit thứ có dạng thẳng, thơ to đơi thấy mắt thường - xemnatit thứ hai tạo thành giàm nồng độ cacbon auxtenit theo đường ES hạ nhiệt độ, thường thấy rõ ỡ hợp kim có > 0.8 2.14%C Do tạo thành nhiệt độ tương đối cao (7270C) tạo điều kiện cho tập trung biên giới hạt, nên 10 xementit thứ hai với lượng đủ lớn tạo thành lưới liên tục bao quanh hạt auxtenit tạo khung giòn làm giảm mạnh tính dẽo dai hợp kim - xementit thứ ba tao thành giảm nồng độ cacbon ferit theo đường PQ hạ nhiệt độ, với số lượng nhỏ nên khó phát tổ chức tế vi thường bỏ qua - xementit tích tạo thành chuyển biến tích auxenit > peclit Loại có vai trò quan trọng V Các tổ chức hai pha - peclit(P): peclit hỗn hợp học tích ferit xementit tạo thành 7270C từ dung dịch rắn Autenit 0.8%C Trong Peclit có 88% Ferit 12% Xementit Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trình lam nguội, thành phần cacbon Auxetenit biến đổi đến 7270C có 0.8% C Lúc đó, Auxetenit có 0.8% C chuyển thành hỗn hợp tích ferit xementit: Tùy theo hình dạng xementit hổn hợp, người ta chia loại peclit peclit peclit hạt Peclit hổn hợp học nên có tính trung gian Kết hợp tính dẻo, dai Feα cứng, dòn Xe nên chung P có độ cứng, độ bền cao, tính dỏe thấp, nhiên có thề thay đổi phạm vi rộng phụ thuộc vào độ hạt Xe - Ledeburit : hổn hợp học tinh, kết tinh từ pha lỏng có nồng độ 4.3%C 11470C Lúc đầu tạo thành gồm γ Xe Khi làm nguội xuống 7270C, γ chuyển biến thành P Ledebirit có pha P Xe Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên ledeburit cứng giòn 11 B Q TRÌNH KẾT TINH CỦA CÁC HỢP KIM Fe – C, 0.4% C, 0.8% C, VÀ 1.2% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG + phần giản đồ 12 Phần giản đồ trạng thái Fe-C ứng với kết tinh từ trạng thái lỏng cho thấy có ba khu vực rõ rệt ứng với ba khoảng phần cacbon khác Khu vực có thành phần 0.1% đến 0.51%C kết tinh xảy phản ứng bao tinh : δH + LB > γJ Lúc đầu, làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng kết tinh dung dịch rắn trước Khi nhiệt độ hạ xuống 14990C (HB), hợp kim có hai pha dung dịch rắn δ chứa 0.1%C dung dịch rắn auxtenit chưa 0.16%C : Các hợp kim có 0.1%-0.16%C sau hản ứng bao tinh thừa pha δ làm nguội tiếp, pha tiếp tục chuyển biến thành pha γ Các hợp kim có 0.16-0.51%C sau phản ứng bao tinh thừa pha lỏng L, sau làm nguội pha lỏng tiếp tục chuyển biến thành pha γ Như cuối hợp kim 0.1%-0.51%C làm nguội xuống đường NJE có tổ chức pha auxtenit Khu vực có thành phần 0.51%-2.14%C kết thúc kết tinh tạo thành dung dịch rắn auxtenit Hợp kim có thành phần 2.14%-4.3%C làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC kết tinh auxtenit Làm nguội tiếp tục, auxtenit có thành phần thay đỗi theo đường JE, hợp kim lỏng lại thay đổi theo đường BC + phần giản đồ Phần giản đồ ứng với chuyển biến trạng thái rắn Có ba pha chuyển biến đáng ý sau xuất phát từ auxtenit - tiết xementit thứ hai từ auxtenit: Các hợp kim có thành phần cabon lớn 0.8% làm nguội từ 11470C đế 7270C, auxtenit bị giảm thành phần cacbon theo đường ES, tiết xementit mà ta gọi xementit thứ hai Cuối 7270C, auxtenit có thành phần cacbon 0.8% ứng với điểm S - tiết ferit từ auxtenit: Các hợp kim có thành phần cacbon nhỏ 0.8% làm nguội từ 9110C - 7270C auxtenit tiết ferit pha cacbon , auxtenit lại giàu cacbon theo đường GS Cuối 7270C hợp kim gồm hai pha ferit ứng với điểm P(0.02%C) auxtenit ứng với điểm S(0.8%C) Như làm nguội tới 7270C tổ chức hợp kim Fe-C chứa auxtenit với 0.8%C - chuyển biến pha tích : auxtenit thành peclit Tại 7270C auxtenit có thành phần 0.8%C chuyển thành peclit hổn hợp pha ferit pha xementit sắt 13 chảy nguội kết tinh 15380C có dạng thù hình δ, dạng có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối Khi nguội nhiều cấu trúc tinh thể chuyển sang dạng lập phương tâm diện 13940C Khi có dạng sắt γ hay auxtenit Ở 9120C có cấu trúc tinh thể lại chuyển sang dạng lập phươg tâm khối sắt α hay ferit PHẦN TỒ CHỨC TẾ VI VÀ TÍNH CHẤT Hợp kim Fe-C(0.4%) thép tích Hình d Tổ chức tế vi thép trước tích (0.4%C) Hợp kim Fe-C (0.8%C) thép tích 14 Hình e Tổ chức tế vi thép tích a Peclit b Peclit hạt Hợp kim Fe-C (1.2%) thép sau tích Như thấy rõ từ giản đồ phà Fe-C, hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ xementit pha giòn tổ chức tăng lên tương ứng ( thêm 0.1%C tăng thêm 1.5% xemnetit) làm thay đổi tổ chức tế vi trạng thái cân - C ≤ 0.05% : thép trước tích có tổ chức ferit coi sắt nguyên chất - C = 0.1 - 0.7% : thép có tổ chức ferit + peclit, %C tăng lên lượng peclit tăng lên thép trước tích - C = 0.8% thép có tổ chức peclit thép tích - C ≥ 0.9% thép có tổ chức peclit + xementit II C tăng lên lượng xementit II tăng lên tương ứng, thép sau tích Chính thay đổi tính cua thép củng biến đổi theo Hình f Ảnh hưởng cacbon đến tính thép thường 15 16 ... 2: QUÁ TRÌNH KẾT TINH C A C C HỢP KIM Fe – C, 0. 4% C, 0. 8% C, VÀ 1. 2% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG A GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe- C VÀ C C TỔ CH C I.Giải thích thuật ngữ Một c ch tổng quát,... HỢP KIM Fe – C, 0. 4% C, 0. 8% C, VÀ 1. 2% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ CHẬM TỪ TRẠNG THÁI LỎNG + phần giản đồ 12 Phần giản đồ trạng thái Fe- C ứng với kết tinh từ trạng thái lỏng cho thấy c ba khu v c rõ rệt... hợp chất hóa h c Fe3 C làm c u tử Điểm A H J B N D G %C 0. 1 0. 16 0. 51 6.67 Nhiệt độ 15 39 14 99 14 99 14 99 13 92 1 600 9 10 Điểm E C F R S K Q %C 2 .14 4.3 6.67 0. 02 0. 8 6.67 0. 006 Nhiệt độ 11 47 11 47 11 47