Từ một trong các giản đồ pha loại I, II, III.Trình bày quá trình kết tinh của hợp kim điển hình khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng. Bài tập 03 môn Vật Liệu Học

Từ một trong các giản đồ pha loại I, II, III. Trình bày quá trình kết tinh của hợp kim điển hình khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng, nêu rõ: đồ thị quá trình kết tinh, các pha của hợp kim ở nhiệt độ thường,và tính chất của hợp kim ở trạng thái cân bằng. Đây là bài tập 03 môn Vật Liệu Học. Bài làm được trình bày 1 cách rõ ràng. Có các hình ảnh minh họa củ thể. Đảm bào là bài làm đạt chất lượng nhất mà các bạn tìm được.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA : ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO **o0o** BÀI TẬP MÔN HỌC VẬT LIỆU HỌC BÀI TẬP III Từ giản đồ pha loại I, II, III Trình bày trình kết tinh hợp kim điển hình làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng, nêu rõ: đồ thị trình kết tinh, pha hợp kim nhiệt độ thường,và tính chất hợp kim trạng thái cân ( NHÓM 11- Thứ :Tiết 11  12, E1.406 ) GV: Cơ PHẠM THỊ HỒNG NGA NHĨM 11: PHAN THẾ QUANG NGUYỄN VĂN SƠN PHẠM BÁ ĐỨC TRẦN ĐĂNG THỤC TP HỒ CHÍ MINH 05/2017 MSSV:15146090 (TN) MSSV:15146092 MSSV:15146029 MSSV: 15146103 BÀI TẬP VẬT LIỆU – BÀI TẬP 03 BÀI LÀM: I/ Giản đồ pha loại I trình kết tinh Pb-Sb a/ Giản đồ pha loại I dạng tổng quát b/ Giản đồ pha loại I Pb – Sb Là giản đồ pha hệ hai cấu tử khơng có tương tác nào, chúng tạo nên hỗn hợp riêng rẽ hai cấu tử, có dạng tổng qt trình bày hình (a) hệ điển hình có kiểu hệ chì - antimoan (Pb - Sb) hình (b) Giản đồ gồm cặp đường lỏng – rắn, đường AEB đường lỏng, đường nằm ngang CED (2450C) NHÓM 11 BÀI TẬP VẬT LIỆU – BÀI TẬP 03 đường rắn, A nhiệt độ chảy (kết tinh) cấu tử A (Pb với 3270C), B - nhiệt độ chảy (kết tinh) cấu tử B (Sb – 6310C) Hợp kim nóng chảy hay kết tinh khoảng hai đường với tồn hai hay ba pha (pha lỏng với hai pharắn A,B) Hãy xét kết tinh hợp kim cụ thể gồm 60%B (Sb) + 40%A (Pb) Đường thẳng đứng biểu thị hợp kim cắt đường lỏng, rắn tương ứng (5000C), (2450C), hai mốc nhiệt độ đáng ý: + Ở cao (5000C) hợp kim trạng thái lỏng hoàn toàn L + Ở thấp (2450C) hợp kim trạng thái rắn A +B (Pb + Sb) + Ở khoảng - (500 - 2450C) hợp kim trạng thái lỏng + rắn: L + B (L + Sb) ứng với trình kết tinh hay nóng chảy Vậy (500oC) nhiệt độ bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy (2450C) nhiệt độ bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh Sự kết tinh hợp kim từ trạng thái lỏng xảy sau: - Làm nguội đến (5000C) hợp kim lỏng bắt đầu kết tinh tinh thể B (Sb) nhiệt độ ứng với 1’ - Làm nguội tiếp tục, tinh thể B (Sb) tạo thành nhiều làm tỷ lệ B (Sb) hợp kim lỏng lại giảm nên điểm biểu diễn (tọa độ) dịch sang trái theo đường lỏng từ đến E Ví dụ toα (4000C) hợp kim lỏng (còn lại) với tọa độ điểm a’’ (37%Sb) tinh thể B với tọa độ điểm a’ tức 100%B (100%Sb) Áp dụng quy tắc cánh tay đòn, tỷ lệ hai pha La’’ / Ba’ = aa' / aa'' hay L40 / Sb100 = (100 60) / (60 - 37) = 40 / 23 tức pha lỏng 40 / 63 (63,5%), rắn 23 / 63 (36,5%) - Khi làm nguội đến đường rắn CED (2450C) hợp kim lỏng (còn lại) nghèo B (Sb) có tọa độ điểm E (13%Sb), pha rắn B (Sb) ứng với điểm D Tỷ lệ hai pha LE / BD = 2D / 2E hay L13 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 13) = 40 / 47 Tức pha lỏng khoảng 46%, pha rắn (Sb) kết tinh 54% Có nhận xét có hai cấu tử A B (Pb Sb) hợp kim kết tinh B (Sb) có phần B (Sb) hợp kim (54 60%) kết tinh, cấu tử (A, Pb) chưa kết tinh - Tại nhiệt độ đường rắn CED (2450C), LE (L13) kết tinh hai cấu tử A+B (Pb + Sb) lúc, hỗn hợp hai pha rắn tạo thành lúc (đồng thời) từ pha lỏng gọi tinh (cùng kết tinh) hay eutectic LE → (A + B) hay L13 → (Pb + Sb) Đó phản ứng tinh Quy ước biểu thị tổ chức tinh ngoặc đơn - ( ) Sự kết tinh kết thúc làm nguội đến nhiệt độ thường chuyển biến khác Cuối hợp kim có tổ chức B + (A + B) hay Sb + (Pb + Sb), NHÓM 11 BÀI TẬP VẬT LIỆU – BÀI TẬP 03 B (Sb) tạo thành trước nhiệt độ cao nên có kích thước hạt lớn (độ q nguội nhỏ) tinh (A + B) hay (Pb + Sb) tạo thành sau nhiệt độ thấp nên có cấu tạo (kích thước hạt) pha nhỏ mịn (do độ q nguội lớn) Có thể tính dễ dàng tỷ lệ pha tổ chức hợp kim 60%Sb + 40%Pb sau: - Tỷ lệ pha Pb / Sb = (100 - 60) / (60 - 0) = 40 / 60 hay 40%Pb, 60%Sb - Tỷ lệ tổ chức Sb / (Pb+Sb) = (60 - 13) / (100 - 60) = 47 / 40 hay 54% Sb (độc lập) lại 46% tinh (Pb + Sb) Tương tự nguyên tắc nêu mục 3.2.2 biết diễn biến kết tinh (sự tạo thành tổ chức) hợp kim hệ Ví dụ, loại 90%Pb + 10%Sb kết tinh chì (Pb) trước 2450C kết tinh tinh (Pb + Sb) Như hợp kim giản đồ loại I kết tinh theo thứ tự sau: “thoạt tiên pha lỏng kết tinh hai cấu tử nguyên chất trước làm cho pha lỏng nghèo cấu tử biến đổi thành phần đến điểm tinh E, đến pha lỏng lại kết tinh cấu tử thứ hai tức hai cấu tử lúc" Ngồi có nhận xét tiên đưa thêm cấu tử khác vào cấu tử làm cho nhiệt độ kết tinh giảm đi, đạt đến giá trị thấp sau tăng lên Quy ước: • Hợp kim có thành phần điểm E hay lân cận gọi hợp kim tinh hay eutectic (có nhiệt độ chảy thấp nhất, thấp cấu tử dễ chảy nhất), kết tinh hai cấu tử lúc nhiệt độ khơng đổi • Hợp kim có thành phần bên trái, bên phải điểm E gọi hợp kim trước tinh (hay hypoeutectic), sau tinh (hay hypereutectic), so với loại tinh chúng có nhiệt độ chảy cao hơn, kết tinh cấu tử trước xảy khoảng nhiệt độ II/ Giản đồ pha loại II trình kết tinh Cu-Ni a/ Dạng tổng quát giản đồ pha loại II NHÓM 11 BÀI TẬP VẬT LIỆU – BÀI TẬP 03 b/ Giản đồ pha hệ Cu – Ni Là giản đồ pha hệ hai cấu tử với tương tác hòa tan vơ hạn vào nhau, có dạng tổng qt trình bày hình (a) hệ điển hình có kiểu hệ đồng - niken (Cu - Ni), có dạng hai đường cong khép kín, đường đường lỏng, đường đường rắn, đường rắn vùng tồn dung dịch rắn α có thành phần thay đổi liên tục Các hợp kim hệ có quy luật kết tinh giống nhau: “nếu lấy đơn vị đo lượng cấu tử thành phần khó chảy tiên hợp kim lỏng kết tinh dung dịch rắn giàu hơn, pha lỏng lại bị nghèo đi, song làm nguội chậm tiếp tục dung dịch rắn tạo thành biến đổi thành phần theo hướng nghèo cuối đạt thành phần hợp kim” *Xét kết tinh hợp kim cụ thể 35% Ni + 65% Cu: - Ở 13000C ứng với điểm (nằm vùng L), hợp kim trạng thái lỏng (chưa kết tinh), trạng thái tồn điểm Ở 12700C ứng với điểm (chạm vào đường lỏng), hợp kim bắt đầu kết tinh dung dịch rắn α2’’ (49%Ni) Tiếp tục làm nguội chậm, lượng α nhiều lên, L thành phần hai pha biến đổi tương ứng theo đường rắn đường lỏng theo chiều giảm Ni (là cấu tử khó chảy hơn) NHĨM 11 BÀI TẬP VẬT LIỆU – BÀI TẬP 03 Có thể tính dễ dàng tỷ lệ hai pha nhiệt độ xác định, ví dụ điểm 3, 1250 C Với ba tọa độ: hợp kim - 35%Ni hai pha: lỏng 3’ - 30%Ni, dung dịch rắn α3’’ - 43%Ni Sơ đồ biểu diễn hình thành tổ chức kết tinh trạng thái cân hợp kim 35%Ni + 5%Cu L3’ / α3’’ = 33’’ / 33’ = (43 - 35) /(35-30)=8/5, L3’ = 33’’ / 3’3’’ = (43 -35) / (43-30) = / 13 = 0,615 hay 61,5%, α3'' = 33’ / 3’3’’ = (35 - 30) / (43-30) = / 13 = 0,385 hay 38,5% Đến 12200C ứng với điểm (chạm vào đường rắn), dung dịch rắn α có thành phần ứng với điểm tức thành phần hợp kim, đoạn 33’’ (bên phải) khơng tức khơng pha lỏng (lúc coi giọt lỏng ứng với điểm 4’ với 23%Ni, giọt lỏng kết tinh xong kết tinh coi kết thúc) Như lúc đầu có khác xa, song trình kết tinh dung dịch rắn tạo thành biến đổi thành phần hợp kim Tuy nhiên điều đạt kết tinh cân tức làm nguội chậm chậm nhờ kịp xảy khuếch tán làm thành phần Nếu làm nguội nhanh, không kịp khuếch tán làm thành phần, hạt dung dịch rắn tạo thành có nhiều lớp với thành phần khác nhau: trung tâm giàu cấu tử khó chảy cả, gần biên giới nghèo Hiện tượng gọi thiên tích thân hạt Để tránh phải tiến hành nguội chậm đúc hay khắc phục cách ủ khuếch tán vật đúc nhiệt độ gần đường rắn Trong giản đồ loại I xảy thiên tích với kiểu khác gọi thiên tích theo khối lượng hai cấu tử có khối lượng riêng khác rõ rệt, cấu tử kết tinh trước nhẹ lên, nặng chìm xuống thỏi Để tránh phải tiến hành nguội nhanh đúc bị thiên tích loại khơng có cách khắc phục III/ Giản đồ loại III trình kết tinh Pb-Sn Là giản đồ pha hai cấu tử với tương tác hòa tan có hạn vào nhau, có dạng tổng quát trình bày (a) hệ điển hình có kiểu hệ chì - thiếc (Pb - Sn) hình (b) 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 NHÓM 11 BÀI TẬP VẬT LIỆU – BÀI TẬP 03 a/ Dạng tổng quát giản đồ loại III b/ Giản đồ pha hệ Pb – Sn sơ đồ hình thành tổ chức kết tinh trạng thái cân hợp kim 40%Sn + Cũng giống giản đồ loại I nhiệt độ chảy cấu tử tiên giảm đưa thêm cấu tử thứ hai NHÓM 11 BÀI TẬP VẬT LIỆU – BÀI TẬP 03 + 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 2450C hợp kim hoàn toàn trạng thái lỏng Tại 2450C 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, 200oC pha ỏ chứa 18,5%Sn (a’) L chứa 57%Sn (a’’), tỷ lệ chúng αa’ / La’’ = (57 - 40) / (40 - 18,5) = 17 / 21,5 pha αa’ chiếm tỷ lệ 44,2% La’’ - 55,8% Đến nhiệt độ tinh 1830C, trước kết tinh tinh tỷ lệ hai pha 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 Tổ chức tế vi hợp kim Pb – Sb a/cùng tinh (α+β), màu tối α giàu Pb b/ Trước tinh với 40%Sn [α độc lập hạt lớn màu tối bị bao bọc tinh (α+β)] Như tổ chức cuối hợp kim có hai loại dung dịch rắn α: loại kết tinh độc lập vùng α + L (ở cao 1830C) loại kết tinh với β nhiệt độ không đổi (1830C) gọi α tinh Nếu tính tỷ lệ hai pha β (chỉ có tinh) α (gồm loại độc lập lẫn loại tinh) 1830C có NHĨM 11 BÀI TẬP VẬT LIỆU – BÀI TẬP 03 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 Vậy (5000C) nhiệt độ bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy (2450C) nhiệt độ bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh Sự kết tinh hợp kim từ trạng thái lỏng xảy sau Làm nguội đến (5000C) hợp kim lỏng bắt đầu kết tinh tinh thể B (Sb) nhiệt độ ứng với 1’ Làm nguội tiếp tục, tinh thể B (Sb) tạo thành nhiều làm tỷ lệ B (Sb) hợp kim lỏng lại giảm nên điểm biểu diễn (tọa độ) dịch sang trái theo đường lỏng từ đến E Ví dụ toα (4000C) hợp kim lỏng (còn lại) với tọa độ điểm a’’ (37%Sb) tinh thể B với tọa độ điểm a’ tức 100%B (100%Sb) Áp dụng quy tắc cánh tay đòn, tỷ lệ hai pha La’’ / Ba’ = aa' / aa'' hay L40 / Sb100 = (100 60) / (60 - 37) = 40 / 23 tức pha lỏng 40 / 63 (63,5%), rắn 23 / 63 (36,5%) Khi làm nguội đến đường rắn CED (2450C) hợp kim lỏng (còn lại) nghèo B (Sb) có tọa độ điểm E (13%Sb), pha rắn B (Sb) ứng với điểm D Tỷ lệ hai pha LE / BD = 2D / 2E hay L13 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 13) = 40 / 47 Tức pha lỏng khoảng 46%, pha rắn (Sb) kết tinh 54% Có nhận xét có hai cấu tử A B (Pb Sb) hợp kim kết tinh B (Sb) có phần B (Sb) hợp kim (54 60%) kết tinh, cấu tử (A, Pb) chưa kết tinh Tại nhiệt độ đường rắn CED (2450C), LE (L13) kết tinh hai cấu tử A+B (Pb + Sb) lúc, hỗn hợp hai pha rắn tạo thành lúc (đồng thời) từ pha lỏng gọi tinh (cùng kết tinh) hay eutectic LE → (A + B) hay L13 → (Pb + Sb) Đó phản ứng tinh Quy ước biểu thị tổ chức tinh ngoặc đơn - ( ) Sự kết tinh kết thúc làm nguội đến nhiệt độ thường khơng có chuyển biến khác Cuối hợp kim có tổ chức B + (A + B) hay Sb + (Pb + Sb), B (Sb) tạo thành trước nhiệt độ cao nên có kích thước hạt lớn (độ q nguội nhỏ) tinh (A + B) hay (Pb + Sb) tạo thành sau nhiệt độ thấp nên có cấu tạo (kích thước hạt) pha nhỏ mịn (do độ nguội) NHÓM 11