Đề tài tiểu luận: Quá trình kết tinh của các hợp kim FeC, 0,4% C, 0,8% C và 1,2% C khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng. Nêu nhận xét về tổ chức tế vi và tính chất của các hợp kim đó.Quá trình kết tinh của hợp kim FeC cân bằng giả ổn định, 3,0% C, 4,3% C và 5,0% C khi làm nguội đủ nhanh. Nêu nhận xét về tổ chức tế vi và tính chất của các hợp kim đó.QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM FeC VỚI 3.0%, 4.5%, 5.0% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ NHANH
Trang 1BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
BÀI TẬP VẬT LIỆU HỌC GV: Phạm Thị Hồng Nga LỚP: 13145CL1
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 11 năm 2014
Trang 2Đề tài 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 Nêu nhận xét về tổ chức tế vi
và tính chất của các hợp kim đó.Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C cân bằng giả ổn định, 3,0% C, 4,3% C và 5,0% C khi làm nguội đủ nhanh Nêu nhận xét
về tổ chức tế vi và tính chất của các hợp kim đó.
Giản đồ pha Fe-C
1, Austenite solid solution of carbon in gamma iron: dung dịch rắn austenite của
các- bon trong sắt gamma
2, Austenite in liquid: austenite phân tán trong pha lỏng (đây là vùng tồn tại của
austenite và pha lỏng)
3, Primary austenite begins to solidify: đường giới hạn mà austenite sơ cấp bắt
Trang 3đầu kết tinh
4, CM begins to solidify: đường giới hạn mà xê- men- tít bắt đầu kết tinh
5, Austenite ledeburite and cementite: vùng tồn tại của các pha austenite, lê- đê-
bu- rít và xê- men- tít
6, Cementite and ledeburite: vùng tồn tại của các pha xê- men- tít và lê- đê- bu-
rít
7, Austenite to pearlite: đường giới hạn mà austenite chuyển pha thành péc- lit.
8, Pearlite and ferrite: vùng tồn tại của các pha péc- lít và ferrite
9, Pearlite and Cementite: vùng tồn tại của các pha péc- lít và xê- men- tít
10, Cementite, pearlite and transformed ledeburite: vùng tồn tại của các pha
xê- men- tít, péc- lít và lê- đê- bu- rít đã chuyển biến (dưới 723 độ C, thành phần austenite trong tổ chức lê- đê- bu- rít chuyển biến thành péc- lít, do đó, dưới 723 độ
C, lê- đê- bu- rít được gọi là lê- đê- bu- rít đã chuyển biến)
11, Hypo- eutectoid: trước cùng tích
12, Hyper- eutectoid: sau cùng tích
13, Steel: thép (quy ước)
14, Cast iron: gang (quy ước)
A 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 Nêu nhận xét về tổ chức tế vi
và tính chất của các hợp kim đó
Trang 4-Chuyển biến bao tinh xảy ra ở 14990C trong các hợp kim có 0,10 - 0,50%C (đườngHJB)
δH +LB→ γH H hay δ0,10+L0,50→ γH 0,16 (1)
song người ta thường không để ý đến phản ứng này vì xảy raở nhiệt độ quá cao và không có ảnh hưởng gì đến tổ chức của thép khi gia công và sử dụng
-Chuyển biến cùng tinh xảy ra ở 11470C trong các hợp kim có >2,14%C (đườngECF)
LC→ (γH E+ Fe3CF)hay L4,3→ (γH 2,14+Fe3C6,67) (2)
- Chuyển biến cùng tích xảy ra ở 727 0C hầu như với mọi hợp kim (đường PSK)
γH S →*ααP+Fe3CK]hay γH 0,8→*αα0,02+ Fe3C6,67] (3)
Sự tiết pha Fe3C dư ra khỏi dung dịch rắn của cacbon trong các dung dịch rắn:trong
FeγH theo đường ES và trong Feα theo đường PQ
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 → γH J
Trang 5Lúc đầu, khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra dung dịch rắn trước Khi nhiệt độ hạ xuống tới 1499oC (ứng với đường HB), hợp kim có hai pha là dung dịch rắn δ chứa 0,10%C và dung dịch rắn ôstenit chứa 0,16%C:
Các hợp kim có 0,1 – 0,16%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha δ và khi làm nguội tiếp, pha này tiếp tục chuyển biến thành pha γH
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 γH Như vậy, cuối cùng hợp kim 0,10 – 0,51%C khhi làm nguội xuống dưới đường NJE chỉ có tổ chức một pha ôstenit
Khu vực có thành phần 0,51 – 2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch rắn ôstenit
Hợp kim thành phần 2,14 – 4,3%C: khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC nó
sẽ kết tinh ra ôstenit Làm nguội tiếp tục, ôstenit 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 ôstenit
Hợp kim có thành phần 2,14 – 4,3%C, kết thúc kết tinh bằng sự kết tinh của dung dịch lỏng có thành phần ứng với điểm C ra hai pha: ôstenit có thành phần ứng với điểm E và xêmentit ở 1147oC
Trang 6QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VÓI 0.4%C
Làm nguội:Pha lỏng -> Hai pha ¥ +L ( nhiệt độ t nằm trong khoảng từ đường AE- -> AC của giản đồ trạng thái Fe –C) -> ¥( nhiệt độ t nằm trong khoảng đường GS- -> AE của giản đồ trạng thái Fe –C ) ->Hai pha F + ¥ (7270C < t< 911 o C ) ->Hai pha F + P(t<727oC)
QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VÓI 0.8%C
Làm nguội:Pha lỏng -> Hai pha ¥ +L ( nhiệt độ t nằm trong khoảngtừ đường AE ->AC của giản đồ trạng thái Fe –C) -> ¥( 727 o C< t < đườngAE của giản đồ trạng thái Fe –C) ->P=[F +Xe] (t<727oC )
QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VÓI 1.2%C
Làm nguội:Pha lỏng -> Hai pha ¥ +L ( nhiệt độ t nằm trong khoảng từ đường AE ->AC của giản đồ trạng thái Fe –C) -> ¥( nhiệt độ t nằm trong khoảng từ đường SE ->AE của giản đồ trạng thái Fe –C ) ->Hai pha ¥ +XeII (727 o C < t < đường SE của giản đồ trạng thái Fe –C) ->Hai pha P+ XeII (t<727oC )
Tổ chức tế vi và tính chất của các hợp kim đó:
1 Tổ chức tế vi:
Thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C là loại hợp kim ngoài Fe với C < 2,14% ra chỉ chứa lượng không đáng kể các nguyên tố khác,được gọi là thép cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ sau đây:
Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%, tức ứng với bên trái điểm S có tổ chức ferit (sáng) + peclit (tối) mà các tổ chức tế vi được trình bày ở hình 3.22 Phần lớn thép thường dùng nằm trong loại nhỏ này song tập trung
Trang 7hơn cả vào loại ≤ 0,20%C rồi tiếp đến 0,30 - 0,40%C Theo tính toán từ quy tắc đòn bảy, khi lượng cacbon tăng lên thì trên tổ chức tế vi tỷ lệ phần peclit (màu tối) cũng tăng lên, còn phần ferit (màu sáng) giảm đi Nếu không chứa cacbon (hay quá
ít, 0,02 - 0,05%) có thể coi là sắt nguyên chất với tổ chức hầu như ferit (hình
3.19a) tức chỉ có các hạt sáng Với 0,10%C (hình 3.22a) phần tối (peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,40%C (hình 3.22b) là 1/2 và với 0,60%C (hình 3.22c) là 3/4, cuối cùng là 0,80%C (hình 2.20a) thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm) Vậy đối với loại thép này lượng cacbon của nó được tính bằng tỷ lệ phần tối nhân với 0,80%
- Thép cùng tích với thành phần 0,80%C (có thể xê dịch một chút) tức ứng với điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit
Trang 8Hình 3.22 Tổ chức tế vi của các thép trước cùng tích (x500):
a 0,10%C,
b 0,40%C,
c 0,60%C
2 Tính chất
Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường song có thể nói cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp)
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 có tổ chức thuần ferit (hình 3.19a), coi như sắt nguyên chất
- C = 0,10 - 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép trước cùng tích
- C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), đó là thép cùng tích
- C ≥ 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), khi %C tăng lên lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, đó là các thép sau cùng tích
Trang 9Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo.
Cơ tính
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 (δ, 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%) δ 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 σb không đơn giản như đối với độ cứng b không đơn giản như đối với độ cứng Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 - 0,50%C σb không đơn giản như đối với độ cứng b tăng khoảng 70 -
90MPa, trong khoảng 0,60 -0,80%C σb không đơn giản như đối với độ cứng b tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại trong khoảng 0,80 - 1,00%C, khi vượt quá giá trị này σb không đơn giản như đối với độ cứng b 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 vậy σb không đơn giản như đối với độ cứng b 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 (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép không những giòn mà còn làm giảm giới hạn bền
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
Trang 10- 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
- Thép có cacbon cao (≥ 0,70%) với ưu điểm là có độ cứng và tính chống mài mòn đều cao, được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo
Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có lượng cacbon thay đổi từ 0,30 đến 0,65% Thật ra các giới hạn về thành phần cacbon kể trên để định ranh giới giữa các nhóm cũng không hoàn toàn cứng nhắc, có thể xê dịch đôi chút
Tính công nghệ
Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm lượng cacbon Thép càng ít cacbon càng dễ hàn chảy và dập
Hàm lượng cacbon cũng có ảnh hưởng đến tính gia công cắt của thép Nói chung thép càng cứng càng khó cắt nên thép có hàm lượng cacbon có tính gia công cắt
Trang 11kém Song thép quá mềm và dẻo cũng gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép có
cacbon thấp cũng có tính gia công cắt kém
B
QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VỚI 3.0%, 4.5%, 5.0% C KHI LÀM NGUỘI ĐỦ NHANH
Hợp kim thành phần 2,14 – 4,3% C: khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC nó
sẽ kết tinh ra ôstenit Làm nguội tiếp tục, ôstenit có thành phần thay đổi theo đường JE, hợp kim lỏng còn lại thay đổi theo đường BC
Hợp kim có thành phần 2,14–4,3%C, kết thúc kết tinh bằng sự kết tinh của dung dịch lỏng có thành phần ứng với điểm Crahaipha :ôstenit cóthànhphần ứng với điểm E và xêmentit ở 11470C
Hỗn hợp cùng tinh lêđêburit
Sau khi kết tinh xong hợp kim này có tổ chức ôstenit + lêđêburit (γH +Xe) Khu vực
có thành phần 4,3 – 6,67% C(kết tinh ra xêmentit thứ nhất)
Phần hợp kim 4,3 – 6,67% C: khi hợp kim được làm nguội tới đường lỏng DC nó kết tinh ra xêmentit và gọi là xêmentit thứ nhất Khi làm nguội tiếp tục sẽ phản ứng tạo nên cùng tinh lêđêburit xảy ra ở 1147oC Sau khi kết tinh xong, hợp kim này có tổ chức xêmentit thứ nhất+ lêđêburit (γH +Xe)
Trang 12Tóm lại: khi kết tinh từ pha lỏng ,trong hợp kim Fe–C có xảy ra các quá trình sau: kết
Tinh ra δ(<0,51%C) và phản ứng cùng tinh (2,14–6,67%C)
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 ôstenit
Sự tiết ra xêmentit thứ hai từ ôstenit
Các hợp kim có thành phần cacbon lớn hơn 0,8% khi làm nguội từ 11470C đến 7270C, ôstenit của nó bị giảm thành phần cacbon theo đường ES, do vậy, sẽtiết ra xêmentit mà ta gọi là xêmentit thứ hai Cuối cùng ở 7270C, ôstenit có thành phần cacbon 0,8% ứng với điểm S
Sự tiết ra ferit từ ôstenit
Các hợp kim có thành phần cacbon nhỏ hơn 0,8% khi làm nguội từ 9110C ÷ 7270C, ôstenit của nó sẽ tiết ra ferit là pha ít cacbon, do vậy ôstenit còn lại giàu cacbon theo đường GS Cuối cùng ở 7270C hợp kim gồm hai pha là ferit ứng với điểm P (0,02%C) và ôstenit ứng với điểm S (0,8%C)
Như vậy khi làm nguội tới 7270C trong tổ chức của mọi hợp kim Fe–C đều chứa ôstenit với 0,8% C (ứngvớiđiểmS)
Chuyển biến cùng tích :ôstenit thành peclit.
Trang 13Tại 7270C ôstenit có thành phần 0,8% C sẽ chuyển biến thành peclit là hỗn hợp của hai pha ferit và xêmentit
Như đã nói ở trên, chuyển biến này có ở trong mọi hợp kim Fe–C
Tổ chức tế vi:
Hợp kim Fe-C (2.14%C →6.67%C) là gang trắng:
Hợp kim Fe-C (3.0%) là gang trước cùng tích có tổ chức peclit + Xêmetit II + Lêđêburit II (peclít là các hạt tối to, xementít thứ hai là phần sáng giữa các hạt tối to còn ledeburít gồm các hạt tối nhỏ là peclít nổi đều trên nền sáng xementít.)
Tổ chức tế vi của gang trước cùng tích (X500)
Hợp kim Fe-C (4.3%) là gang cùng tích có tổ chức Lêđêburit II ( P + Xe )
Hợp kim Fe-C (5.0%) là gang sau cùng tích có tổ chức Lêđêburit II +
Xêmetit I ( xementít thứ nhất là các dải sáng to, thẳng
còn ledeburít là phần còn lại )
Trang 14Tổ chức tế vi của gang sau cùng tích (X500)
Tính chất:
Gang trắng rất cứng và giòn, độ cứng có thể đạt tới 450 – 650 HB, không thể gia công cắt gọt được, độ co khi đúc lại rất lớn nên rất ít được sử dụng trong cơ khí mà chủ yếu được dùng để làm nguyên liệu luyện thép, hoặc dùng để ủ ra gang dẻo hoặc dùng để đúc các chi tiết chịu mài mòn như bi nghiền xi măng, trục cán đá, … Trong những điều kiện nhất định về tốc độ nguội khi đúc, với tổng lượng % Si +
%C thích hợp, hoặc trong những điều kiện công nghệ nấu luyện cụ thể (thí dụ cho thêm Mg, Ce… vào gang lỏng) thì cácbon tự do ở trong gang có thể tồn tại một phần hay toàn bộ ở dạng graphít mà không tồn tại ở dạng liên kết Fe3
Tài liệu tham khảo:
http://www.meslab.org/mes/threads/2334-E-Gian-do-pha-Fe-C.html?
s=b72726458688e55de07027f950ba332b
https://sites.google.com/site/truongvanchinhvatlieucokhi/home/gian-do-trang-thai-
cua-hop-kim-hai-cau-tu/qua-trinh-ket-tinh-cua-hop-kim-fe -c/phan-tren-cua-gian-do