Cấu tạo và liên kết nguyên tử nguyên tử = hạt nhân + electron = (proton + nơtron) + electron nơtron không mang điệ n proton mang điệ n duơng = điện tích của electron? nguyên tử trung hoà
36 Phần II Hợp kim biến đổi tổ chức Chơng Hợp kim giản đồ pha 3.1 Cấ u trúc tinh thể hợp kim 3.1.1 Khái niệ m hợp kim a Đị nh nghĩ a Hợ p kim hỗn hợp kim loại với nhiề u kim loại kim khác La tô ng= hợp kim Cu + Zn hợ p kim đơn giả n gồm nguyê n tố Gang: Fe+Mn+Si C+P+S, nguyê n tố chí nh Fe (kim loạ i) hợp kim phức tạ p Nguyê n tố kim loạ i chí nh (> 50%) đợc gọi nề n hay nguyê n tố së b −u viƯ t cđa hỵ p kim so với kim loại u hợp Hợ p kim: đ ộ bề n, đ ộ cứng, tí nh chống mà i mòn cao hơn, tí nh công nghệ tốt hơn: ®óc, c¾ t gä t, nhiƯ t lu n ® ể hoá bề n tố t hơ n, rẻ Kim loạ i nguyê n chấ t: dẫ n nhiệ t, dẫ n điệ n tốt (dâ y dẫ n, trang søc, ®iƯ n cùc Pt, Au) c Mé t số khái niệ m ã Pha: cù ng cấ u trú c, cù ng trạ ng thá i, kiể u thông số mạ ng, cá c tí nh chấ t - lý hó a xá c đ ị nh, phâ n cá ch mặ t phâ n chia pha ã Cấ u tử cá c phầ n độc lậ p có khối lợng không đổi, chúng tạ o nê n cá c pha hợp kim ã Hệ tậ p hợ p cá c pha, câ n bằ ng hoặ c không câ n bằ ng ã Trạ ng thá i không câ n bằ ng (3) = không ổn đị nh: thờng gặ p: tôicơ tí nh (bỊ n, cøng) cao h¬n, xu ∆G h− í ng→(1&2) ã Trạ ng thá i giả ổ n đ ị nh (2) muố n sang (1) phả i thắ ng G ã ổn đ ị nh (1) d Phâ n loạ i tơ ng tá c Chế tạ o hợ p kim = nấ u chả y % xá c đị nh m nguội Hì nh 3.1 Sơ đồ cá c vị trí Từ pha lỏng đồng nhấ t m nguội có tơng tá c tạ o ổn đị nh (1), giả ổn đị nh (2) nê n cá c pha c không ổn đ ị nh (3) Tạ o nh hỗ n hợp học A + B tá c: Khi có tơng tác: trờng hợp xả y ra: - hòa tan nh dung dị ch rắ n, tổ chức pha nh kim loạ i nguyê n chấ t (hì nh 3.2b) dung môi - phả n ứ ng với nh hợp chấ t hóa học, tạ o nh kiể u mạ ng c hẳ n 3.1.2 Dung dị ch rắn a Khái niệ m - phâ n loạ i phân loại Đ/n: hợ p kim hay nhiề u nguyê n tố hoà tan o m¹ ng tinh thĨ cđa kim lo¹ i chiÕ m đ a số đ ợc gọi nề n Dung môi chiế m đa số, nguyê n tố chiế m tỷ lệ í t chấ t tan Đ/điể m: kiể u mạ ng dung môi, nồng ®é chÊ t tan cã thĨ thay ®ỉi mét phạ m vi mà khô ng m mấ t ® i sù ®å ng nhÊ t ® ã Dung dị ch rắ n B A: A(B), m¹ ng cđ a A xen kÏ 37 thay Các kiể u: thay xen kẽ (hì nh 3.3) Hì nh 3.3 Sơ đồ xếp nguyên tử hòa tan thay xen kẽ vào dung môi có mạng lập phơng tâm mặt, mặt (100) b Dung dị ch rắ n thay Đ/n: nguyê n tử chấ t tan thay vị trí nguyê n tử dung môi Đ/kiệ n: sai c dnguyê n tử khô ng 15% Tí nh chấ t hoá lý tơng tự Phâ n loạ i: theo giới hạ n h/tan gồ m loạ i: dd rắ n hoà tan có hạ n dd rắ n hoà tan vô hạ n theo phâ n bố ng/tử chấ t tan, có loạ i: dd rắ n có tr/tự dd rắ n o có tr/tự Giớ i hạ n hò a tan nồng độ chấ t tan lớn nhấ t mà vẫ n bả o tồn đ ợc mạ ng tinh thể Điề u kiệ n hoà tan vô hạn: (cã o) x¶ y tháa m· n yế u tố sau: tan a-thay Hì nh 3.5 Sự xô lệch mạng dd rắn: a hßa tan thay thÕ rht > rchđ, b hßa tan xen kẽ rht> rlỗ hổng ban đầ u Hì nh 3.4 Sơ đồ thay để tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn hai kim loại A B 1- kiể u mạ ng, 2-đ ờng kí nh nguyê n tử c í t (< 8%) lftk → Ce ≤ 1,48, 3-tho¶ m· n giới hạ n nồng độ điệ n tử: ví dụ: m¹ ng lftm → Ce ≤ 1,36, 4-cã cï ng hoá trị , tí nh â m điệ n sai c í t Ngoà i ra, tí nh lý - hóa (đặ c biệ t nhiệ t độ chả y) giống dễ tạ o nh dung dị ch rắ n hò a tan vô h¹ n VÝ dơ : Ag - Au (m¹ ng A1, ∆r = 0,20%, cïng nhãm IB), Cu - Ni (mạ ng A1, r = 2,70%, IB VIII), Fe - Cr (mạ ng A2, r = 0,70%, VIB VIII) trậ t tự: Dung dị ch rắn có trật tự : cá c nguyê n tử chấ t tan sắ p xế p có trậ t tự mạ ng tinh thể dung mô i, (đợ c nguộ i rÊ t chË m kho¶ ng nO nhÊ t đị nh) Đa số trờng hợp không trậ t tự c Dung dị ch rắn xen kẽ Đ/n: cá c nguyê n tử hòa tan nằ m xen kẽ o cá c lỗ hổng mạ ng tinh thể dung môi Điề u kiệ n: bá n kí nh nguyê n tử chấ t tan phả i rấ t nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) B (0,091nm) có khả nă ng xen kẽ o cá c lỗ hổng cá c nguyê n tư lín nh− Fe (0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm), Lỗ hổng lớn nhấ t mạ ng A1 loạ i mặ t bằ ng 0,414dng/tử , ngoà i H, o có kim nà o bỏ lọt đẩ y cá c nguyê n tư chđ bao quanh gi· n ra, g© y xô lệ ch mạ nh mạ ng (hì nh 3.5) có dung dị ch rắ n xen hò a tan có hạ n b-xen kẽ d Cá c đặ c tí nh dung dị ch rắ n Cã kiĨ u m¹ ng tinh thĨ cđa kim lo¹ i dung môi có đặ c trng cơ, lý, hãa tÝ nh cđa kim lo¹ i nỊ n: 1) Mạ ng tinh thể , đơn giả n xí t chặ t (A1, A2 ) kim loạ i với liê n kế t kim loạ i 2) Cơ tí nh giống kim loạ i sở: 38 dẻ o, có giả m đ i chút song vẫ n đ ủ cao, dễ biế n ng dẻ o, cá biệ t tă ng độ dẻ o: Cu(Zn) vớ i 30%Zn dẻ o Cu chi tiế t dậ p sâ u, đồ dá t = latông tă ng độ bề n, độ cứng, khả nă ng chị u tả i hẳ n kim loạ i nguyê n chấ t nồ ng đ ộ chấ t tan cà ng lớn dẻ o cà ng giả m, bề n cà ng tă ng Quá lớn gâ y giò n, dễ bị gà y, vỡ chọn nồng độ thí ch hợp 3) Dẫ n nhiệ t, dẫ n điệ n tốt nhng ké m kim loạ i nguyê n chấ t, thay đổi tí nh chống ă n mòn Dung dị ch rắ n pha bả n chiÕ m tíi 90% thË m chÝ 100% vË t liÖ u kÕ t cÊ u 3.1.3 Pha trung gian Trê n giả n đồ pha phí a dung dị ch rắ n, cá c pha trung gian a Bả n chấ t phân loại Đặ c đ iể m: 1) Có mạ ng tinh thể phức tạ p c hẳ n với nguyê n tố nh phầ n 2) Có tỷ lệ chí nh xá c cá c nguyê n tố theo công thức hóa học AmBn 3) Tí nh chấ t : c hẳ n cá c nguyê n tố nh phầ n giòn 4) Có nhiệ t độ chả y xá c đị nh, tạ o nh tỏa nhiệ t 5) c vớ i cá c hợp chấ t hóa học thông thờng, cá c pha trung gian không hoà n n tuâ n theo quy luậ t hó a trị khô ng có nh phầ n hóa học chí nh xá c theo công thức, có liê n kế t kim loạ i Cá c pha trung gian hợp kim thờng gặ p: pha xen kẽ , pha điệ n tử pha Laves b Pha xen kẽ Đ/n: Là pha tạ o nê n giữ a cá c kim loạ i chuyể n tiế p (có bá n kí nh nguyê n tử lín) víi c¸ c ¸ kim cã b¸ n kÝ nh nguyê n tử bé nh C, N, H (và B): cacbit, nitrit, hyđrit (và borit) Đ/điể m: Mạ ng tinh thĨ cđ a pha xen kÏ ∈ t−¬ng quan kí ch thớc nguyê n tử kim (X) kim loạ i (M): rX / rM < 0,59 ba kiể u mạ ng A1, A2, A3 (tuy khô ng giữ lạ i kiể u mạ ng vốn có nhng vẫ n mang đặ c điể m kim loạ i), cá c nguyê n tử kim xen kẽ o cá c lỗ hổng mạ ng, tạ o nê n hợp chấ t với cá c công thức đơn giả n nh M4X, M2X rX / rM > 0,59 → mạ ng tinh thể phức tạ p (đợc gọi pha xen kÏ ví i m¹ ng phø c t¹ p) t ơng ứng với công thức M3X, M7X3, M23X6 T/chấ t: Nhiệ t đ ộ chả y rấ t cao (th−êng > 2000 ÷ 3000oC), rÊ t cøng (HV > 2000 ữ 5000) giòn hó a bề n, nâ ng cao tí nh chố ng mà i mòn chị u nhiệ t hợp kim H N có kí ch thớc nguyê n tử nhỏ nª n rX / rM < 0,59, → Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N có mạ ng đơn giả n C có rX / rM>0,57 nê n tạ o Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6,WC, TiC, Mo2C, VC → m¹ ng phø c tạ p tă ng đ ộ ng tí nh chống mà i mòn hợp kim c Pha điệ n tử (Hum - Rothery) Đ/n: Là pha có kiể u mạ ng xá c đị nh, tạ o nh với nồng độ điệ n tử N xá c đị nh (số điệ n tử hó a trị /số nguyê n tử ): 3/2 (21/14), 21/13 7/4 (21/12), tỷ lệ ứng với cấ u tró c m¹ ng phø c t¹ p nhÊ t đị nh Th ờng hợp kim Cu, Ag, Au víi Zn, Sn, Cd Víi Cu1+, Zn2+ ta cã : Ce = 21/14 → pha β m¹ ng A1: CuZn, AgZn, AuZn (Ce=(1.1+1.2)/2=3/2) Ce = 21/13 → pha γ m¹ ng lf phøc t¹ p: Cu5Zn8, Ag5Sn8 (Ce=(5.1+8.2)13=21/13) (Ce=(1.1+3.2)/4=7/4=21/12) Ce = 21/12 → pha ε, m¹ ng lgxc: CuZn3, AgZn3 d Pha Laves Đ/n: Pha tạ o bở i hai nguyê n tố A, B có tỷ lệ bá n kÝ nh nguyª n tư rA / rB = 1,2 (1,1 ữ 1,6) vớ i cô ng thứ c AB2 cã kiĨ u m¹ ng A3: MgZn2, MgNi2 hay A1 (MgCu2) Do giòn nê n đ ợc dù ng HKTG hoặ c cá c pha hoá bề n 39 3.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử Đ/n: GĐP giả n đ biể u thị biế n đổi nh phầ n trạ ng thá i pha câ n bằ ng theo nhiệ t đ ộ nh phầ n hệ d ới p suấ t không đổi (1 at) Cá ch biể u diễ n: Đặ c đ iể m: GĐP đ ú ng phù hợp với hợp kim trạ ng thá i c© n b» ng (nguéi rÊ t chË m hay ủ ), Cô ng dụng: xá c đ ị nh cấ u trúc hợp kim, xá c đị nh no ch¶ y, chu n biÕ n pha → nÊ u luyệ n xử lý nhiệ t, gia công (biế n ng, đúc, rè n, cá n, ké o, ), rÊ t quan träng 3.2.1 Quy t¾ c pha ứng dụng Quy tắ c pha Gibbs: T= N-F+2 P=1at th× T=N-F+1 o T=0 → hƯ bấ t biế n, % n , lúc ®ã F = N + (sè pha=sè cÊ u tử +1) Ví dụ kim loạ i nguyê n chấ t (N = 1) nãng ch¶ y: T=1-2+1=0 → nhiệ t độ không đổi Ví dụ, kế t tinh HK nguyª n: (T = - + 1=1) kế t tinh hoặ c nóng chả y T=1: khoả ng nhiệ t đ ộ hoặ c % 2: T = 2: hÖ cï ng mét lúc thay đổi hai yế u tố nhiệ t độ nh phầ n Đặ c ®iĨ m: T ≥ → sè pha nhiỊ u nhấ t hệ (ở trạ ng thá i câ n b» ng!) Fmax = N + → hÖ mét cÊ u tö Fmax = 2, hai cÊ u tö Fmax = 3, ba cÊ u tö Fmax = tắ c 3.2.2 Quy tắc đòn bẩy Đ/n: quy tắ c cho phé p xá c đị nh tû lƯ cđa c¸ c pha, c¸ c tỉ chøc trê n GĐP Biể u thức: T QA.XA=QB.XA FA XB FB XA Trong vï ng pha: ® iĨ m khả o sá t cà ng gầ n pha nà o α β M th× tû lƯ pha Ê y cµ ng lín %α = %β = Xβ Xβ Xα X α + Xβ FA.XA=FB.XB FA=FB(XB/XA) Xα Xα + Xβ %B M.X=M X 3.2.3 Giản đồ loại I loại §/n: Lµ G§P cđ a hƯ cÊ u tư bấ t kỳ tơng tá c nà o với Mô tả : AEB đ ng lỏ ng, CED (245oC) đờng rắ n, nhiệ t độ chả y (kế t tinh): B, A (hì nh 3.9a), điể n hì nh hệ Pb - Sb hì nh 3.9b (Pb chả y 327oC), (Sb chả y- 631oC) khoả ng giữ a hai đ ng lỏ ng đ ng đặ c: khoả ng kÕ t tinh L B nhiÖ t nhiÖ t 631 1’ L a’’ a 327 A Pb+L 245 b’’ B+(A+B) a) 100%A L+Sb E [Pb+Sb] A+ (A+B) E A+B A+L L+B %B → 100%B Pb a’ 13 b b’ Sb+[Pb+Sb] b) 37 60 %Sb → Sb H× nh 3.9 Dạng tổng quát giản đồ pha loại I (a) giản đồ pha Pb - Sb (b) Hợp kim 1: 60%Sb + 40%Pb Bắ t đầ u đông đặ c (500oC), kế t thúc đông đặ c ë (245oC) 40 + > 500 C → ng hoµ n toµ n L, < 245 C rắ n hoà n n, khoả ng (500 ÷ 245 C) pha (láng + r¾ n) = (L + Sb) Khi m nguội tinh thể B (Sb) tạ o nh cà ng nhiề u áp dụng quy tắc cá nh tay đò n: n: p - tạ i đ iể m a tỷ lệ pha r¾ n %Sb= a’’a/a’’a’=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha láng %L=63,5% - tạ i đ iể m b tỷ lệ pha rắ n %Sb= b’’b/b’’b’= (60-13)/(100-13)=54%, pha láng %L=46% ¸p dơng quy tắc pha: tạ i điể m 1& a T=2-2+1= đông đặ c khoả ng nocó thể thay p ®ỉi trª n ® iĨ m T=2-1+1=2 → thay đổi % no mà pha lỏng (hệ ) vẫ n bả o tồn tạ i đ iể m cù ng tinh E T=2-3+1=0 đông đặ c tinh no không đổi giống KL ng/chấ t hay L13%Sb → (Pb + Sb) Ph¶ n ø ng cï ng tinh: LE → (A + B) Hỵ p kim có nh phầ n chí nh đ iể m E → hỵp kim cïng tinh, cã nhiƯ t độ chả y thấ p nhấ t, Hợ p kim < 13%Sb = HK tr−íc cï ng tinh, HK>13%Sb →sau tinh (tự khả o sá t HKTCT) 3.2.4 Giản đồ loại II Đ/n: GĐP hệ cấ u tử hoà tan vô hạ n trạ ng thá i rắ n lỏng (hì nh 3.10) Hệ ® iĨ n h× nh Cu - Ni ë h× nh 3.10.a hệ Al2O3 - Cr2O3 hì nh 3.10b Sơ đồ biểu diễn hình thành tổ chức kết tinh nhiệt độ khác o o 1455 nhiÖ t 1400 2’’ 1’ L+α 1200 Cu 40 60 %Ni 80 L+α 2100 2045 2000 α 20 L 2200 ®− êng 1083 1000 2266 nhiƯ t ®é , L ®− êng o Ni α Al2O3 20 40 60 80 %Cr2O3 Cr2O3 H× nh 3.12 Giản đồ loại III, hệ Pb - Sn sơ đồ hình thành tổ chức kết tinh trạng thái cân hợp kim nhiệ t độ, oC a) b) Hì nh 3.10 Giản đồ pha loại II, hƯ Cu-Ni (a) vµ hƯ Al2O3 - Cr2O3 (b) 3.2.5 Giản đồ loại III Đ/n: Là giả n đ pha cđa hƯ hai cÊ u tư, hßa tan cã hạ n trạ ng thá i rắ n có tạ o nh cù ng tinh, hì nh 3.12 Hệ điể n hì nh Pb-Sn Dạ ng giống với giả n đồ loạ i I, c đ â y cá c dung dị ch rắ n có hạ n A β thay thÕ cho c¸ c cÊ u tư A vµ L+40%S L 300 B 2’ 245 B AEB - ®− êng ng, ACEDBL α a a 200 E đ ờng rắ n C 183 D 13,3%Sn α 19,2 61,9 100 97,5 G α+Sn F 13,3 18,5 Pb 20 57 40 %Sn 60 40%Sn 80 Sn + T− ¬ ng tù nh giả n đ loạ i I, nhiệ t độ chả y HK giả m tă ng cÊ u tư thø hai 41 + §iĨ m cïng tinh E víi ph¶ n øng cïng tinh : LE → [α+β] hay L61,9 → [α19,2+ β97,5] + HK < 61,9%Sn trớc tinh (trá i E) HK> 61,9%Sn → HK sau cïng tinh (ph¶ i E) + CF DG giới hạ n hòa tan Độ hòa tan max nhiệ t độ tinh 183oC + Có thể chia cá c hợ p kim củ a hệ nh ba nhóm sau ã Nhó m chø a rÊ t Ý t cÊ u tö thứ hai (bê n trá i F, bê n phả i G), sau kÕ t tinh xong chØ cã dung dị ch rắ n hoặ c , có đ ặ c tí nh nh giả n đồ loạ i II ã Nhóm có nh phầ n nằ m khoả ng (từ Fđế n C D đế n G), no< CF DG II&II ã Nhó m già u nguyê n tố HK (từ C ®Õ n D), sau tiÕ t dung dÞ ch r¾ n → (αC hay βD), pha ng cò n lạ i điể m tinh E Khả o sá t HK 40%Sn củ a hệ Pb - Sn (hì nh 3.12) - Trê n 245oC HK chả y lỏ ng hoà n n, 245oC hợp kim bắ t đầ u kế t tinh α2’ víi 13,3%Sn, ngi tiÕ p tơ c dung dÞ ch rắ n AC, pha lỏng lạ i AE chiề u tă ng lê n hà m l ợ ng Sn áp dụ ng quy tắ c đòn bÈ y: ë 200oC pha α chøa 18,5%Sn (a’) vµ L chøa 57%Sn (a’’), %r¾ n= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8% ë nhiƯ t ® é cïng tinh (LE → [αC + βD]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, vµ %α=48,7% cï ng tinh %=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% %=54,5% Hì nh 3.13 Tổ chức tÕ vi cđa hỵp kim Pb - Sb: a cïng tinh [α+β], mµu tèi lµ α giµu Pb, b tr−íc tinh với 40%Sn [ độc lập hạt lớn màu đen bị bao bọc tinh [+] 3.2.6 Giản đồ loại IV Đ/n: Là GĐP hai cấ u tử có tạ o nh hợp chấ t hóa học AmBn, Dạ ng đ iể n hì nh hệ HK Mg-Ca (hì nh 3.14) với hợp chấ t hoá học ổn đị nh Mg4Ca3, = tổng hai giả n đ loạ i I: Mg - Mg4Ca3 Mg4Ca3-Ca Đợc khả o sá t nh giả n đồ độc lậ p nhiệ t độ , Đ/điể m: hai loạ i dung dị ch rắ n : loạ i kế t tinh đầ u tiê n trê n 183oC loạ i kế t tinh vớ i nhiệ t độ không đổi (183oC) đợc gọi tinh (bỏ qua II) Hì nh 3.13 tổ chức tế vi hai hợp kim hệ nà y L Mg4Ca3+L 800 600 Mg+L L+Mg4Ca3 516 400 Mg+Mg4Ca3 L+Ca 445 Mg4Ca3+Ca 55,3 Mg Ca 20 60 40 80 Hì nh 3.14 Giản đồ loại IV, hệ Mg-Ca %Ca Trê n đ â y bốn giả n đồ pha hai cấ u tử bả n nhấ t, thực tế có nhiề u kiể u giả n đ pha phứ c tạ p với cá c phả n ứng c 3.2.7 Cá c giản đồ pha với cá c phản ứng khác phản ứng bao tinh (peritectic):L+R1R2.Ví dụ GĐP Fe-CL0,5+ 0,1 0,16 (peritectic): GĐP vớ i cá c p 42 Đ/điể m: rắ n R2 nằ m Lbt& R1 trê n GĐP, p/ứ bao tinh không xả y hoà n n, R2 tạ o nh bao bọc lấ y R1 tạ o nê n lớp mà ng ngă n cá ch không cho phả n ứng tiế p tục GĐP có phả n øng cïng tÝ ch (eutectoid): R → [R1+R2] (eutectoid): Đ/điể m: c với phả n ứng tinh, tí ch pha rắ n pha rắ n Ví dụ : GĐP Fe - C: Fe(C)0,8 [Fe + Fe3C] (sẽ khả o sá t sau) Sự tiế t pha khỏi dung dị ch rắ n Tiế t pha II & II (hì nh 3.12) cá c phầ n tử nhỏ mị n, phâ n tá n, phâ n bố đề u nề n pha mĐ → ho¸ bỊ n → hã a bỊ n tiế t pha 3.2.8 Quan hệ ng giả n đồ pha tí nh chất hợp kim a Tí nh chất pha thành phần Hợ p kim cã tæ chøc mét pha → tÝ nh chấ t hợp kim tí nh chấ t cđa pha ®ã HK cã tỉ chø c bao gå m hỗ n hợ p củ a nhiề u pha tí nh chấ t hợp kim tỉ ng hỵ p hay kÕ t hỵ p tÝ nh chấ t củ a cá c pha nh phầ n (không phả i cộng đơn thuầ n), gồm cá c trờng hợ p: HK DDR (dung dị ch rắ n) + cá c pha trung gian: Quan hệ tí nh chấ t - nồng độ thô ng th ờng đ ợ c xá c đị nh bằ ng thực nghiệ m Đ/điể m tí nh chấ t hì nh nh: Dung dị ch rắ n (tí nh chấ t gầ n giống với KL dung môi), thờng rấ t dẻ o, dai mÒ m, Pha trung gian : tÝ nh chÊ t c hẳ n với cá c cấ u tử nguyê n chấ t: cứng hoặ c rấ t cứng, giòn Pha trung gian xuất hiệ n đa cấ u tử thứ hai o với lợng v ợt giới hạ n hòa tan pha: b Tí nh chất hỗ n hợ p cá c pha: Quan hệ tuyế n tí nh: hì nh 3.16, đơn gi¶ n nhÊ t TÝ nh chÊ t cđa hỗn hợp : T = Ti X i , Ti Xi tí nh chấ t tỷ lệ pha i, đối n vớ i hỵp kim pha: PHK = T1X1 + T2.X2 hay PHK = T1 + X2.(T2 - T1) Víi Xi ∈ GĐP (hì nh 3.16) L P PB PA A+B %B → A B α Pα PΣ α+L nhiƯ t ®é, PΣ nhiƯ t ®é, PΣ PB PA A PΣ α %B → B β Pβ α+β %B → A L L+α L L+β nhiƯ t ®é, PΣ A+L nhiƯ t ®é, PΣ α+L L+B B L L+AmBn α Pα A PAmBn PΣ α+AmBn %B → AmBn H× nh 3.16 TÝ nh chất hợp kim giản đồ pha - quan hÖ tuyÕn tÝ nh q/hÖ tuyÕ n tÝ nh đ úng cù ng cỡ hạ t cá c pha phâ n bố đề u đặ n 43 nhiƯ t ®é, PΣ n: Quan hƯ phi tu n: Trong tr ng hợp hạ t nhỏ hoặ c to lê n, tí nh chấ t đạ t đ ợc thay đổi tuỳ theo tr ng hợ p: hạ t nhỏ di đ ộ dai tă ng = bề n +L L + dẻ o tă ng Chí nh mà tí nh chấ t hợp kim không L+ tuâ n theo quan hệ tuyế n tí nh nhấ t tạ i điể m tinh, cù ng tí ch lâ n cậ n (hì nh 3.17) Pα H× nh 3.17 Quan hƯ phi tu n giữ a tí nh chấ t GĐP A P + %B P B 3.3 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) Giả n đ pha Fe - C (chØ xÐ t hÖ Fe - Fe3C) phức tạ p, rấ t điể n hì nh để minh họa cá c t ng tá c th ờng gặ p đ ợc sử dụng rÊ t nhiỊ u thùc tÕ Ngoµ i cò n có giả n đ Fe - grafit hệ câ n bằ ng ổn chủ yế u dùng gang 3.3.1 Tơ ng tác Fe C Fe, dẻ o (dễ biế n ng nguội), dai, bề n, cứng Al, Cu nhiỊ u song vÉ n cßn rÊ t thÊ p so với yê u cầ u sử dụ ng Khi đa C o Fe giữ a hó a bề n, rẻ HK Fe-C trở nê n thông dụng a Sự hò a tan C o Fe Tạ o dung dị ch rắn xen kẽ : bá n kí nh nguyê n tử rC = 0,077nm, rFe = 0,1241nm) → C chØ cã thÓ hòa tan có hạ n o Fe ng dung dị ch rắ n xen kẽ Fe cã kiĨ u m¹ ng tinh thĨ : lftk A2 (no < 911oC - Fe 1392 ữ 1539oC - Fe) lftm A1 (911 ữ 1392oC - Fe), khả nă ng hòa tan cacbon o cá c pha Fe c nhau: mạng Fe Fe với mạng A2 mậ t độ xế p thấ p, có nhiề u lỗ hổng, song lỗ hổng lạ i có kí ch th ớc nhỏ (lỗ tá m mặ t có r = 0,02, lỗ bốn mặ t lín h¬n cã r = 0,036), lín nhÊ t cịng chØ b» ng 50% kÝ ch th− íc cđa nguyê n tử sắ t Fe hoà tan đ ợc 0,02%C Fe 0,1%C A1: Fe Feδ, Feγ víi m¹ ng A1: cã mË t độ xế p cao hơn, nh ng lỗ hổng lạ i có kí ch th ớc lớn hơ n (lỗ bố n mặ t r = 0,028nm, lỗ tá m mặ t r = 0,051nm), vẫ n nhỏ nh ng nhờ cá c nguyê n tử sắ t già n Fe hòa tan đ ợc cacbon 2,14%C b Tơ ng tá c hó a họ c Fe C Austenit () DDR C Fe, mạ ng A1, g/hạ n hoà tan: 727oC -0,8%C, 1147oC2,14%C Ferit (α) lµ DDR cđa C Fe, mạ ng A2, giới hạ n hoà tan: 20oC-0,006%C, 727oC-0,8%C Fe3C lµ pha xen kÏ , cã kiĨ u mạ ng phứ c tạ p, có nh phầ n 6,67%C + 93,33%Fe 3.3.2 Giản đồ pha Fe - Fe3C tổ chức a Giản đồ pha Fe - Fe3C Hì nh 3.18 với cá c ký hiệ u cá c tọa độ (no, oC - %C) nh− sau: Mé t sè ®−ê ng cã ý nghÜ a thực tế quan trọng: - ABCD đ ờng lỏng để xá c đ ị nh nhiệ t độ chả y đúc - AHJECF đ ờng rắ n kế t tinh hoà n n đúc - PSK (727oC) đờng tí ch → nhiƯ t lu n - ES - giíi h¹ n hò a tan cacbon Fe hoá nhiệ t luyÖ n, nhiÖ t luyÖ n 44 - PQ - giớ i hạ n hò a tan cacbon Feα → nhiÖ t luyÖ n kÐ m quan h¬n δ A H B A (1539 - 0) B (1499 - 0,5) J C (1147 - 4,3) H (1499 - 0,10) P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006) 1200 S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67) E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67) G (911 - 0) F (1147 - 6,67) J (1499 - 0,16) N (1392 - 0) F+P Q γ+Xª II+Lª γ+Xª II 0,8 2,14 %C → K Lª + Xª I P+Xª II+Lª P+Xª I F Lª + Xª I 727 peclit S L+Xê C 1147 lê đê buri A3 P Fe D Acm Hì nh 3.18 Giản ®å pha Fe - C500 (Fe - Fe3C) γ+L E γ nhiƯ t ®é, o C 910 G L 4,3 Fe3C b C¸c chu n biÕ n lµ m ng i chËm - Chu n biÕ n bao tinh x¶ y ë 1499oC: δH + LB → γJ hay δ0,10+ L0,50 → γ0,16 (3.1) o - Chu n biÕ n cïng tinh x¶ y ë 1147 C: LC→ (γE + Xª ) hay L4,3 → (γ2,14+ Xª ) (3.2) o - Chu n biÕ n cï ng tÝ ch x¶ y ë 727 C: γS → [αP + Xª ] hay γ0,8 → [α0,02+ Xª ] (3.3) o - Sù tiÕ t pha Fe3C d khỏ i dung dị ch rắ n cacbon: , n < ES Xê II , no< PQ Xê III c Cá c tổ chức pha Ferit (, F đà nê u trê n, Ferit pha tồn tạ i nhiệ t độ th êng, tû lƯ cao nhÊ t (tíi 90%), α F), quan trọ ng đ ó i vớ i tí nh cđ a hỵ p kim Fe - C Tỉ chøc tÕ vi cđa ferit (xem h× nh 3.22) cã ng cá c hạ t sá ng, đa cạ nh (C)], Austenit [, A, Fe(C) đà nê u trê n, c với F, tí nh sắ t từ, tồn tạ i nhiệ t o ® é cao (> 727 C), chØ tå n tạ i nhiệ t độ cao hoặ c TKG austenit, 13,nhng lạ i có vai trò quyế t đ ị nh biế n ng nóng nhiƯ t lu n TÝ nh chÊ t cđa γ: có tí nh dẻ o rấ t cao (mạ ng A1) Nhê γ cã tÝ nh dỴ o cao → thể tiế n hà nh biế n ng nóng mäi hỵp kim Fe - C víi C < 2,14% Là m nguộ i austenit với tốc độ tỉ chøc ≠ → c¬ tÝ nh ≠: ngi chË m → P+F mÒ m, nguéi nhanh → mactenxit cøng Tổ chức tế vi gồm cá c hạ t sá ng, với mà u đậ m nhạ t c đôi chút, có cá c ®−êng song tinh mentit X Xª mentit (Xª , Fe3C): pha xen kẽ với kiể u mạ ng phức tạ p có công thức Fe3C nh phầ n 6,67%C, cứng giòn, với ferit tạ o nê n cá c tổ chức c cđa hỵ p kim Fe - C Ng− êi ta phâ n biệ t loạ i Xê : - XeI tiÕ t tõ pha láng lµ m nguội HK > 4,3%C Xê I có ng thẳ ng, thô to (hì nh 3.24b) đô i thấ y đ ợc bằ ng mắ t thờng 45 - XeII đ ợ c tạ o nh m nguội theo đ ờng ES HK cã 0,80 4,3%C ë bª n phả i điể m C, có tổ chức Lê + Xê I (hì nh 3.24b) Hì nh 3.23 Tổ chức tÕ vi cđa thÐp sau cïng tÝ ch H× nh 3.24 Tỉ chøc tÕ vi cđa gang tr¾ng (x500): (1,20%C) (x500) tr−íc cïng tinh (a) vµ sau cïng tinh (b) c Cá c điể m tới hạ n thé p A (từ tiế ng Phá p arrê t=dừng, c- chauffer=nung nãng, r- refroidir=lµ m ngi) A ví i 1, 2, 3, 4, cm, ng đợc gọ i cá c điể m (hay nhiệ t độ) tới hạ n, gồm: A1 - đờng PSK (727oC) ứ ng ví i chu n biÕ n austenit ↔ peclit, cã loạ i thé p A3 - đờ ng GS (911 ữ 727oC) ứ ng với bắ t đầ u tiÕ t F khái γ lµ m nguội hay kế t thúc hò a tan ferit o austenit nung nã ng, chØ cã thÐ p tr−íc cïng tÝ ch Acm - ®− êng ES (1147 ữ 727oC) ứng với bắ t đầ u tiế t Xê II khỏi m nguội hay kế t thú c hòa tan Xê II o γ nung nãng, chØ cã thÐ p sau cïng tÝ ch A0- (210oC) - ® iĨ m Curi củ a Xê , A2- (768oC) - điể m Curi cđa ferit, Cïng mét thÐ p bao giê cịng cã: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3 , ... (1 539 - 0) B (1499 - 0,5) J C (1147 - 4 ,3) H (1499 - 0,10) P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006) 1200 S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67) E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67) G (911 - 0) F (1147 - 6,67) J (1499 -. .. cá nh tay đò n: n: p - tạ i đ iể m a tû lƯ pha r¾ n %Sb= a’’a/a’’a’=(6 0 -3 7)/(10 0 -3 7)= 36 ,5%, pha lỏng %L= 63, 5% - tạ i đ iể m b tû lƯ pha r¾ n %Sb= b’’b/b’’b’= (6 0-1 3) /(10 0-1 3) =54%, pha láng %L=46%... n= (5 7-4 0)/(5 7-1 8,5) = 44,2%, %L = 55,8% ë nhiƯ t ® é cïng tinh (LE → [αC + βD]), %L=(61, 9-4 0)/(61, 9-1 9,2)=51 ,3% , vµ %=48,7% cù ng tinh %=(97, 5-6 1,9)/(97, 5-1 9,2)= 45,5% %=54,5% Hì nh 3. 13 Tỉ chøc