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. I. Khái niệm về giản đồ trạng thái 1.Các khái niệm cơ bản. a – Pha: là những tổ phần đồng nhất của hợp kim (hệ). Chúng có thành phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng, ở cùng một trạng thái (lỏng, rắn hay khí), nếu ở trạng thái rắn phải cùng kiểu và thông số mạng và ngăn cách với các phần còn lại (với các pha khác) bằng bề mặt phân chia. b – Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng. Hệ được coi là cân bằng nếu quá trình chuyển biến xảy ra trong nó có tính chất thuận nghịch. Rất khó đạt được cân bằng tuyệt đối khi nung nóng, làm nguội và chỉ đạt được cân bằng tuyệt đối khi nung nóng, làm nguội và chỉ đạt được khi nung nóng và làm nguội vô cùng chậm. c – Cấu tử (nguyên): là những chất độc lập, có thành phần không đổi, chúng tạo nên các pha của hệ. Ví dụ: Nước (H2O) ở 0oC gồm có nước (lỏng) và nước đá (rắn) là hệ một cấu tử, có hai pha khác nhau về trạng thái tồn tại (lỏng và rắn). d – Qui tắc pha: là qui tắc cho phép xác định quan hệ giữa số bậc tự do T với số cấu tử N và số pha F. Số bậc tự do là số yếu tố bên trong (thành phần) và yếu tố bên ngoài (nhiệt độ, áp suất) có thể thay đổi được trong phạm vi nào đó mà không làm thay đổi trạng thái pha của hợp kim đó. T = N – F + 2 trong đó: T – Số bậc tự do; N – số cấu tử; F – số pha có thể tồn tại trong hệ; 2 – các yếu tố bên ngoài, nhiệt độ và áp suất. Thông thường khi khảo sát hợp kim thì nó được tiến hành ở áp suất không đổi, nên số yếu tố bên ngoài chỉ còn 1 (nhiệt độ), vì thế: T = N – F + 1; 1 – chỉ nhiệt độ. Khi T = 0 tức là hợp kim không có sự thay đổi của nhiệt độ và thành phần. Ví dụ: Nếu kim loại lỏng kết tinh sẽ có hai pha rắn và lỏng nếu T = 1 – 2 + 1 = 0, lúc đó nhiệt độ không thay đổi. Trên đường nguội sẽ có đoạn nằm ngang. Khi T = 1, hợp kim không thay đổi số pha khi thay đổi nhiệt độ hoặc một thành phần. Khi T = 2 tức là hợp kim sẽ không thay đổi số pha ngay cả khi thay đổi đồng thời và một thành phần. e – Quy tắc đòn bẩy: Quy tắc đòn bẩy cho phép xác định tỉ lệ thành phần cấu tạo của hợp kim, thành phần hóa học, tỉ lệ giữa các pha, tỉ lệ giữa các tổ chức. Xác định trạng thái pha của hợp kim: Muốn biết hợp kim đã cho với thành phần %x và nhiệt độ toC có tổ chức pha như thế nào, người ta xác định tọa độ trạng thái của hợp kim ứng với thành phần % và nhiệt độ toC đó trong hệ tọa độ thành phần – nhiệt độ. Nếu giao điểm rơi vào cùng một pha, thì hợp kim chỉ có tổ chức một pha và thành phần hóa học của pha chính là tỉ lệ giữa các nguyên của hợp kim đã cho (tức điểm %x). Nếu điểm giao rơi vào vùng hai pha thì hợp kim có tổ chức hai pha đó là khác nhau. Ví dụ trên H 2.1, hai pha M và N sẽ có thành phần hóa học tương ứng là x1 và x2. Để xác định tỉ lệ giữa hai pha này, ta dùng quy tắc đòn bẩy. Quy tắc đòn bẩy: Điểm 0 là điểm giao của đường gióng thành phần x%B và ở nhiệt độ toC. Điểm 0 rơi vào vùng có hai pha. Gọi hai pha đó là M và N. Gọi x1 là % nguyên tố B trong pha M.
Giản đồ trạng thái hợp kim hai cấu tử I n ản đồ ạn a – Pha: tổ phần đồng hợp kim (hệ) Chúng có thành phần đồng điều kiện cân bằng, trạng thái (lỏng, rắn hay khí), trạng thái rắn phải kiểu thông số mạng ngăn cách với phần lại (với pha khác) bề mặt phân chia b – Hệ: tập hợp pha trạng thái cân Hệ coi cân trình chuyển biến xảy có tính chất thuận nghịch Rất khó đạt cân tuyệt đối nung nóng, làm nguội đạt cân tuyệt đối nung nóng, làm nguội đạt nung nóng làm nguội vơ chậm c – Cấu tử (nguyên): chất độc lập, có thành phần khơng đổi, chúng tạo nên pha hệ Ví dụ: Nước (H2O) 0oC gồm có nước (lỏng) nước đá (rắn) hệ cấu tử, có hai pha khác trạng thái tồn (lỏng rắn) d – Qui tắc pha: qui tắc cho phép xác định quan hệ số bậc tự T với số cấu tử N số pha F Số bậc tự số yếu tố bên (thành phần) yếu tố bên (nhiệt độ, áp suất) thay đổi phạm vi mà khơng làm thay đổi trạng thái pha hợp kim T=N–F+2 đó: T – Số bậc tự do; N – số cấu tử; F – số pha tồn hệ; – yếu tố bên ngoài, nhiệt độ áp suất Thơng thường khảo sát hợp kim tiến hành áp suất khơng đổi, nên số yếu tố bên ngồi (nhiệt độ), thế: T = N – F + 1; – nhiệt độ Khi T = tức hợp kim khơng có thay đổi nhiệt độ thành phần Ví dụ: Nếu kim loại lỏng kết tinh có hai pha rắn lỏng T = – + = 0, lúc nhiệt độ khơng thay đổi Trên đường nguội có đoạn nằm ngang Khi T = 1, hợp kim không thay đổi số pha thay đổi nhiệt độ thành phần Khi T = tức hợp kim không thay đổi số pha thay đổi đồng thời thành phần e – Quy tắc đòn bẩy: Quy tắc đòn bẩy cho phép xác định tỉ lệ thành phần cấu tạo hợp kim, thành phần hóa học, tỉ lệ pha, tỉ lệ tổ chức Xác định trạng thái pha hợp kim: Muốn biết hợp kim cho với thành phần %x nhiệt độ toC có tổ chức pha nào, người ta xác định tọa độ trạng thái hợp kim ứng với thành phần % nhiệt độ toC hệ tọa độ thành phần – nhiệt độ Nếu giao điểm rơi vào pha, hợp kim có tổ chức pha thành phần hóa học pha tỉ lệ nguyên hợp kim cho (tức điểm %x) Nếu điểm giao rơi vào vùng hai pha hợp kim có tổ chức hai pha khác Ví dụ H 2.1, hai pha M N có thành phần hóa học tương ứng x1 x2 Để xác định tỉ lệ hai pha này, ta dùng quy tắc đòn bẩy Quy tắc đòn bẩy: Điểm điểm giao đường gióng thành phần x%B nhiệt độ toC Điểm rơi vào vùng có hai pha Gọi hai pha M N Gọi x1 % nguyên tố B pha M Hình 2.1 Xác định tỉ lệ hai pha theo quy tắc đòn bẩy Gọi x2 % nguyên tố B pha N Bài tốn cần giải tìm lượng tương đối hai pha m n Ta có: mx1 lượng nguyên tố B pha M; nx2 lượng nguyên tố B pha N; mx1 + nx2 = x m + n = 100% = Ta có hệ: Giải hệ phương trình với hai ẩn m n, ta có: hay: Quan hệ giống quy tắc tổng hợp lực song song, giống quy tắc đòn bẩy Quy tắc giúp tỉ lệ pha hợp kim có cấu tạo hai pha Công dụng gi đồ trạng thái Giản đồ pha (còn gọi giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) hệ công cụ để biểu thị mối quan hệ nhiệt độ, thành phần số lượng (tỷ lệ) pha (hoặc tổ chức) hệ trạng thái cân Các hệ có giản đồ pha khác chúng xây dựng thực nghiệm Trong thực tế hai giản đồ pha giống hồn tồn tương tác cấu tử xảy phức tạp từ kiểu pha, phản ứng nhiệt độ tạo thành Hiện người ta xây dựng hầu hết hệ hai cấu tử kim loại, kim loại với kim hệ ba cấu tử thường gặp thuận tiện cho việc tra cứu Hệ cấu tử khơng có biến đổi thành phần nên giản đồ pha có trục, đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) nhiệt độ chuyển biến thù hình (nếu có) hình 3.6 cho trường hợp sắt Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục: trục tung biểu thị nhiệt độ, trục hoành biểu thị thành phần (thường theo % khối lượng) với đường phân chia khu vực pha theo nguyên tắc sau: - Xen hai khu vực pha khu vực hai pha tương ứng - Mỗi điểm trục hoành biểu thị thành phần xác định hệ Theo chiều từ trái sang phải tỷ lệ cấu tử B tăng lên, từ phải sang trái tỷ lệ cấu tử A tăng lên, hai đầu mút tương ứng với hai cấu tử nguyên chất: A (trái), B (phải) Ví dụ hình 3.7 điểm C ứng với thành phần có 30%B (tỷ lệ cấu tử thứ hai phần lại, tức 70%A), điểm D: 80%B + 20%A Hình 3.6 Giản đồ pha sắt Hình 3.7 Các trục giản đồ pha hệ hai cấu tử - Đường thẳng đứng biểu thị thành phần xác định nhiệt độ khác Ví dụ đường thẳng đứng qua D biểu thị thay đổi nhiệt độ thành phần (80%B +20%A) - Hai trục tung giản đồ pha cấu tử tương ứng (trái cho A, phải cho B) Do biểu thị mặt phẳng cách xác nên từ giản đồ pha hệ hai cấu tử dễ dàng xác định thông số sau cho thành phần xác định nhiệt độ • Các pha tồn Căn vào điểm nhiệt độ - thành phần cho (tạm gọi tọa độ) nằm vùng giản đồ pha có tổ chức pha tương ứng với vùng đó: nằm vùng pha, hợp kim có tổ chức pha; nằm vùng hai pha - có tổ chức hai pha • Thành phần pha Nếu tọa độ nằm vùng pha thành phần pha cấu tạo nên hợp kim thành phần hợp kim chọn Khi tọa độ nằm vùng hai pha việc xác định có phức tạp hơn: kẻ đường nằm ngang (đẳng nhiệt) qua tọa độ này, hai giao điểm với hai đường biên giới với hai vùng pha gần rõ thành phần pha tương ứng • Tỷ lệ (về số lượng) pha tổ chức Tiếp theo xác định tỷ lệ chúng nhờ quy tắc đòn bẩy hay cánh tay đòn theo nguyên tắc sau: ba điểm (tọa độ hai pha) tạo nên hai đoạn thẳng mà độ dài đoạn biểu thị tỷ lệ tương đối pha đối diện hợp kim, hay cách đơn giản: lượng pha trái độ dài đoạn thẳng phải (đòn bên phải) = -lượng pha phải độ dài đoạn thẳng trái (đòn bên trái) giống cân đòn bẩy lượng pha trái x đòn trái = lượng pha phải x đòn phải (hình 3.8) Hình 3.8 Sự cân đòn bẩy • Suy đốn tính chất hợp kim Theo quy tắc kết hợp tính chất hợp kim Phk tổng hợp tính chất pha Ppha theo tỷ lệ bậc Ngoài từ giản đồ pha hệ hai cấu tử biết được: • Nhiệt độ chảy (kết tinh): thường hợp kim nóng chảy (kết tinh) khoảng nhiệt độ (bắt đầu kết thúc) tương ứng với hai đường chạy ngang suốt giản đồ, đường chạy ngang gọi đường lỏng- liquidus (ở cao đường hợp kim hoàn toàn trạng thái lỏng), đường ngang sát gọi đường rắn (hay đường đặc) - solidus (ở thấp đường hợp kim hồn tồn trạng thái rắn) • Các chuyển biến pha Sự xuất biến pha (khi nung nguội chậm) nhiệt độ xảy ra, tương ứng với đường đường đặc • Dự đốn tổ chức tạo thành trạng thái khơng cân (khi nguội nhanh) Vì giản đồ pha thiếu nghiên cứu hệ hợp kim Giản đồ pha hai cấu tử hệ thực tế có loại phức tạp, song dù phức tạp đến coi gồm nhiều giản đồ gộp lại Dưới khảo sát số dạng thường gặp giản đồ mà cấu tử hòa tan vơ hạn vào trạng thái lỏng, song khác tương tác trạng thái rắn với vận dụng xác định thông tin cho trường hợp cụ thể II Cấu tạo giản đồ trạng thái hai cấu tử Gi đồ loại I Hình 3.9 Dạng tổng quát giản đồ pha loại I (a) giản đồ pha Pb - Sb (b) 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 quát trình bày hình 3.9a hệ điển hình có kiểu hệ chì antimoan (Pb - Sb) hình 3.9b Giản đồ gồm cặp đường lỏng – rắn, đường AEB đường lỏng, đường nằm ngang CED (245oC) đường rắn, A nhiệt độ chảy (kết tinh) cấu tử A (Pb với 327oC), B - nhiệt độ chảy (kết tinh) cấu tử B (Sb - 631oC) Hợp kim nóng chảy hay kết tinh khoảng hai đường với tồn hai hay ba pha (pha lỏng với hai pha rắn 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 (500oC), (245oC), hai mốc nhiệt độ đáng ý: + Ở cao (500oC) hợp kim trạng thái lỏng hoàn toàn L + Ở thấp (245oC) hợp kim trạng thái rắn A +B (Pb + Sb) + Ở khoảng - (500 - 245oC) 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 (245oC) 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 (500oC) 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 (400oC) 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 (245oC) 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 (245oC), 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 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 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 245oC 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 Gi đồ loại II Hình 3.10 Dạng tổng quát giản đồ pha loại II (a) giản đồ pha hệ Cu - Ni (b), hệ Al2O3 - Cr2O3 (c) Là giản đồ pha hệ hai cấu tử với tương tác hòa tan vơ hạn vào nhau, có dạng tổng qt trình bày hình 3.10a hệ điển hình có kiểu hệ đồng - niken (Cu - Ni) hình 3.10.b hệ Al2O3 - Cr2O3 hình 3.10c, 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” Hãy xét kết tinh hợp kim cụ thể 35%Ni + 65%Cu hình 3.11 - Ở 1300oC ứng với điểm (nằm vùng L), hợp kim trạng thái lỏng (chưa kết tinh), trạng thái tồn điểm Ở 1270oC 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) - Có thể tính dễ dàng tỷ lệ hai pha nhiệt độ xác định, ví dụ điểm 3, 1250oC Với ba tọa độ: hợp kim - 35%Ni hai pha: lỏng 3’ - 30%Ni, dung dịch rắn α3’’ - 43%Ni có tác dụng hóa bền, nhờ hợp kim Fe - C trở nên bền cứng (sắt) sử dụng cách rộng rãi Sự hòa tan cacbon vào sắt Như nói quan hệ kích thước ngun tử (cacbon nhỏ sắt, rC = 0,077nm, rFe = 0,1241nm) nên cacbon hòa tan có hạn vào sắt dạng dung dịch rắn xen kẽ Như biết, sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phương tâm khối A2 (tồn < 911oC - Feα 1392 1539oC - Feδ) lập phương tâm mặt A1 (911 - 1392oC - Feγ) với lỗ hổng có kích thước khác khả hòa tan cacbon khác Bằng tính tốn hình học đơn giản (đã khảo sát 1.4.1a) thấy Feα Feδ với mạng lập phương tâm khối mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng, song lỗ hổng lại có kích thước q nhỏ (lỗ tám mặt có r = 0,154rFe, lỗ bốn mặt lớn có r = 0,291rFe), lớn chưa 30% kích thước nguyên tử sắt hay gần nửa kích thước nguyên tử cacbon, chứa khối cầu r = 0,0364nm, chứa nguyên tử cacbon Do nguyên lý Feα Feδ khơng có khả hòa tan cacbon hay độ hòa tan cacbon chúng khơng đáng kể (có thể coi không) Khác với Feα Feδ, Feγ với mạng lập phương tâm mặt A1 có mật độ thể tích cao hơn, lỗ hổng lại có loại có kích thước lớn (lỗ bốn mặt r = 0,225rFe, lỗ tám mặt r = 0,414rFe) Ở lỗ hổng tám mặt chứa khối cầu r = 0,052nm, nên có khả thu xếp để nguyên tử cacbon lọt vào cách giãn nguyên tử sắt xa Do có Feγ hòa tan cacbon, nhiên nói ngun tử hòa tan khơng thể xen kẽ vào lỗ hổng tám mặt nên giới hạn hòa tan cacbon Feγ 10% nguyên tử Tương tác hóa học Fe C Khi lượng cacbon đưa vào sắt vượt giới hạn hòa tan (phụ thuộc vào dạng thù hình nhiệt độ), sau vào lỗ hổng để tạo nên dung dịch rắn xen kẽ, nguyên tử cacbon thừa kết hợp với sắt thành Fe3C gọi xêmentit Như biết pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, có thành phần 6,67%C + 93,33%Fe Thực có grafit pha ổn định xêmentit, nhiên hợp kim Fe - C tạo thành grafit khó khăn khơng muốn nói khơng thể được, xêmentit pha giả ổn định coi ổn định Trong thực tế tạo thành grafit dễ dàng nhiều có yếu tố thuận lợi thành phần tốc độ nguội Gi đồ trạng thái Fe - C tổ chức Giản đồ trạng thái Fe – C Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) trình bày hình 3.18 với ký hiệu tọa độ (nhiệt độ, oC - thành phần cacbon, %) quốc tế hóa sau: A (1539 - 0); B (1499 - 0,5); C (1147 - 4,3); D (~1250 - 6,67); E (1147 - 2,14); F (1147 - 6,67); G (911 - 0); H (1499 - 0,10); J (1499 - 0,16); K (727 - 6,67); L (0 - 6,67); N (1392 - 0); P (727 - 0,02); S (727 - 0,80) Q (0 - 0,006); Một số đường có ý nghĩa thực tế quan trọng sau: - ABCD đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh - AHJECF đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh - ECF (1147oC) đường tinh, xảy phản ứng tinh (eutectic) - PSK (727oC) đường tích, xảy phản ứng tích (eutectoid) - ES - giới hạn hòa tan cacbon Feγ - PQ - giới hạn hòa tan cacbon Feα Hình 3.18 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) Các chuyển biến làm nguội chậm Như nói, giản đồ có đầy đủ chuyển biến khảo sát - Chuyển biến bao tinh xảy 1499oC hợp kim có 0,10 - 0,50%C (đường HJB) δH + LB → γH hay δ0,10 + L0,50 → γ0,16 (3.1) song người ta thường không để ý đến phản ứng xảy nhiệt độ cao khơng có ảnh hưởng đến tổ chức thép gia công sử dụng - Chuyển biến tinh xảy 1147oC hợp kim có > 2,14%C (đường ECF) LC → (γE + Fe3CF) hay L4,3 → (γ2,14 + Fe3C6,67) (3.2) - Chuyển biến tích xảy 727oC với hợp kim (đường PSK) γS → [αP + Fe3CK] hay γ0,8 → [α0,02 + Fe3C6,67] (3.3) - Sự tiết pha Fe3C dư khỏi dung dịch rắn cacbon dung dịch rắn: Feγ theo đường ES Feα theo đường PQ Các tổ chức pha Ở trạng thái rắn gặp bốn pha sau Ferit (có thể ký hiệu α hay F hay Feα) dung dịch rắn xen kẽ cacbon Feα với mạng lập phương tâm khối (a = 0,286 - 0,291nm) song lượng hòa tan nhỏ (lớn 0,02%C 727oC - điểm P, nhiệt độ thường thấp 0,006%C - điểm Q) nên coi Feα (theo tính tốn lý thuyết mục 3.3.1a, cacbon khơng thể chui vào lỗ hổng Feα, lượng cacbon hòa tan không đáng kể nằm khuyết tật mạng, chủ yếu vùng biên giới hạt) Ferit có tính sắt từ đến 768oC Trên giản đồ tồn vùng GPQ (tiếp giáp với Feα trục sắt) Do không chứa cacbon nên tính ferit sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm bền Trong thực tế ferit hòa tan Si, Mn, P, Cr nên cứng bền song dẻo dai Ferit hai pha tồn nhiệt độ thường sử dụng (< 727oC), song với tỷ lệ cao (trên 90%), nên đóng góp tỷ lệ quan trọng tính hợp kim Fe - C Tổ chức tế vi ferit trình bày hình 3.19a có dạng hạt sáng, đa cạnh Hình 3.19 Tổ chức tế vi ferit (a) austenit (b) (x500) Austenit [ ký hiệu γ, A, Feγ(C) ] dung dịch rắn xen kẽ cacbon Feγ với mạng lập phương tâm mặt (a ≈ 0,364nm) với lượng hòa tan đáng kể cacbon (cao tới 2,14% hay khoảng 8,5% số nguyên tử 1147oC - điểm E, tức tối đa tính bình qn ba - bốn ô sở cho phép nguyên tử cacbon định vị vào lỗ hổng tám mặt chúng, 727oC 0,80%C - điểm S) Khác với ferit, austenit khơng có tính sắt từ mà có tính thuận từ, tồn nhiệt độ cao (> 727oC) vùng NJESG (tiếp giáp với Feγ trục sắt) nên khơng có quan hệ trực tiếp đến khả sử dụng hợp kim lại có vai trò định biến dạng nóng nhiệt luyện Với tính dẻo cao (là đặc điểm mạng A1) mềm nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi bán thành phẩm) thép thực trạng thái austenit đồng (thường 1000oC) Vì tiến hành biến dạng nóng hợp kim Fe - C với C < 2,14% nhiệt độ thường thể độ cứng tính giòn cao Làm nguội austenit với tốc độ khác nhận hỗn hợp ferit - xêmentit với độ nhỏ mịn khác hay mactenxit với tính cao đa dạng, đáp ứng rộng rãi yêu cầu sử dụng gia cơng Tổ chức tế vi austenit trình bày hình 3.19b có hạt sáng, với màu đậm nhạt khác đôi chút (do định hướng tẩm thực) đường song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể tính dẻo cao) Xêmentit (có thể ký hiệu Xe, Fe3C) pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có cơng thức Fe3C thành phần 6,67%C, ứng với đường thẳng đứng DFKL giản đồ Đặc tính xêmentit cứng giòn, với ferit tạo nên tổ chức khác hợp kim Fe - C Người ta phân biệt bốn loại xêmenntit: - Xêmentit thứ (XeI) tạo thành giảm nồng độ cacbon hợp kim lỏng theo đường DC hạ nhiệt độ, có hợp kim có > 4,3%C Do tạo thành nhiệt độ cao (> 1147oC) nên xêmentit thứ có dạng thẳng, thơ to (hình 3.24b) đơi thấy mắt thường - Xêmentit thứ hai (XeII) tạo thành giảm nồng độ cacbon austenit theo đường ES hạ nhiệt độ, thường thấy rõ hợp kim có > 0,80 2,14%C Do tạo thành nhiệt độ tương đối cao (> 727oC) tạo điều kiện cho tập trung biên giới hạt, nên xêmentit thứ hai với lượng đủ lớn tạo thành lưới liên tục bao quanh hạt austenit ((peclit) biểu thị hình 3.23, tức tạo khung giòn, làm giảm mạnh tính dẻo dai hợp kim - Xêmentit thứ ba (XeIII) tạo thành đo giảm nồng độ cacbon ferit theo đường PQ hạ nhiệt độ, với số lượng (tỷ lệ) nhỏ (nhiều 2o/oo) nên khó phát tổ chức tế vi thường bỏ qua - Xêmentit tích tạo thành chuyển biến tích austenit → peclit Loại xêmentit có vai trò quan trọng, trình bày mục Grafit tạo thành hợp kim Fe - C cao chứa lượng đáng kể silic, pha quan trọng tổ chức gang Các tổ chức hai pha Peclit (có thể ký hiệu P, [Feα + Fe3C]) Peclit hỗn hợp tích ferit xêmentit tạo thành từ austenit với 0,80%C 727oC phản ứng (3.3) Trong peclit có 88% ferit 12% xêmentit phân bố nhau, nhờ kết hợp lượng lớn pha dẻo với lượng định pha cứng, peclit tổ chức bền, cứng đủ dẻo, dai đáp ứng tốt yêu cầu vật liệu kết cấu công cụ Peclit biến thể (xoocbit, trơxtit, bainit) có mặt hầu hết hợp kim Fe - C Người ta phân biệt hai loại peclit peclit hạt Peclit (hình 3.20a) thường gặp cả, có cấu trúc (lớp phiến), tức hai pha dạng nằm đan xen nhau, nên mặt cắt ngang để lại vạch theo hướng hay đa hướng, vạch tối mỏng (với lượng hơn) xêmentit, vạch sáng dày (với lượng nhiều hơn, gọi nền) ferit nên tổng thể có dạng vân Peclit hạt (hình 3.20b) gặp hơn, có cấu trúc hạt tức xêmentit dạng thu gọn (bề mặt nhất) - hạt xêmentit phân bố ferit Giữa hai loại có khác biệt nhỏ tính: so với peclit hạt, peclit có độ bền, độ cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp đôi chút Austenit đồng dễ tạo thành peclit tấm, austenit đồng dễ tạo thành peclit hạt Peclit hạt ổn định peclit nên nung lâu nhiệt độ tương đối cao (ví dụ 600 - 700oC) peclit có xu hướng chuyển thành peclit hạt Hình 3.20 Tổ chức tế vi peclit (a) peclit hạt (b) (x500) Lêđêburit [có thể ký hiệu Le, hay (γ + Xe) hay (P + Xe)] Hình 3.21 Tổ chức tế vi lêđêburit - (P+Xe) (x500) Lêđêburit hỗn hợp tinh austenit xêmentit tạo thành từ pha lỏng với 4,3%C 1147oC nhờ phản ứng (3.2), nhiên làm nguội tiếp tục lại có phản ứng tích (3.3) để austenit chuyển biến thành peclit nên tổ chức tế vi cuối quan sát (hình 3.21) hỗn hợp peclit (các hạt tối nhỏ) xêmentit sáng Lêđêburit cứng giòn (vì có q nhiều, tới 2/3, xêmentit) có hợp kim Fe - C dạng gang trắng, gặp Các tên gọi pha tổ chức kể với nghĩa xuất xứ sau: để kỷ niệm nhà khoa học lỗi lạc ngành Robert Austen (người Anh) cho austenit, Ledebur (người Đức) cho lêđêburit; từ chất hay đặc trưng tính chất ferrum (sắt, tiếng latinh) cho ferit, pearl (vân) cho peclit, cement (ximăng, cứng) cho xêmentit IV Quá trình kết tinh hợp kim Fe – C Phần gi đồ Phần giản đồ trạng thái Fe – C ứng với kết tinh từ trạng thái lỏng thấy có ba khu vực rõ rệt ứng với ba khoảng thành phần cacbon khác Khu vực có thành phần 0,1 – 0,51%C (có phản ứng bao tinh) Tất hợp kim có thành phần cacbon 0,1 – 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 tới 1499oC (ứng với đường HB), hợp kim có hai pha dung dịch rắn δ chứa 0,10%C dung dịch rắn ôstenit chứa 0,16%C: Các hợp kim có 0,1 – 0,16%C sau phản 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 vậy, cuối hợp kim 0,10 – 0,51%C khhi làm nguội xuống đường NJE có tổ chức pha ơstenit Khu vực có thành phần 0,51 – 2,14%C kết thúc kết tinh tạo thành dung dịch rắn ôstenit Hợp kim thành phần 2,14 – 4,3%C: làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC kết tinh ơstenit Làm nguội tiếp tục, ơstenit có thành phần thay đổi theo đường JE, hợp kim lỏng lại thay đổi theo đường BC Khu vực có thành phần 0,51 – 2,14%C kết thúc kết tinh tạo thành dung dịch rắn ơstenit Hợp kim có thành phần 2,14 – 4,3%C, kết thúc kết tinh kết tinh dung dịch lỏng có thành phần ứng với điểm C hai pha: ơstenit có thành phần ứng với điểm E xêmentit 1147oC Hỗn hợp tinh lêđêburit Sau kết tinh xong hợp kim có tổ chức ôstenit + lêđêburit (γ + Xe) Khu vực có thành phần 4,3 – 6,67%C (kết tinh xêmentit thứ nhất) Phần hợp kim 4,3 – 6,67%C: hợp kim làm nguội tới đường lỏng DC kết tinh xêmentit gọi xêmentit thứ Khi làm nguội tiếp tục phản ứng tạo nên tinh lêđêburit xảy 1147oC Sau kết tinh xong, hợp kim có tổ chức xêmentit thứ + lêđêburit (γ + Xe) Tóm lại: kết tinh từ pha lỏng, hợp kim Fe – C có xảy trình sau: kết tinh δ (< 0,51%C) phản ứng tinh (2,14 – 6,67%C) Phầ gi đồ Phần giản đồ ứng với chuyển biến trạng thái rắn Có ba pha chuyển biến đáng ý sau xuất phát từ ôstenit Sự tiết xêmentit thứ hai từ ơstenit Các hợp kim có thành phần cacbon lớn 0,8% làm nguội từ 1147oC đến 727oC, ôstenit bị giảm thành phần cacbon theo đường ES, vậy, tiết xêmentit mà ta gọi xêmentit thứ hai Cuối 727oC, ơstenit có thành phần cacbon 0,8% ứng với điểm S Sự tiết ferit từ ơstenit Các hợp kim có thành phần cacbon nhỏ 0,8% làm nguội từ 911oC ÷ 727oC, ơstenit tiết ferit pha cacbon, ơstenit lại giàu cacbon theo đường GS Cuối 727oC hợp kim gồm hai pha ferit ứng với điểm P (0,02%C) ôstenit ứng với điểm S (0,8%C) Như làm nguội tới 727oC tổ chức hợp kim Fe – C chứa ôstenit với 0,8%C (ứng với điểm S) Chuyển biến tích: ơstenit thành peclit Tại 727oC ôstenit có thành phần 0,8%C chuyển biến thành peclit hỗn hợp hai pha ferit xêmentit Như nói trên, chuyển biến có hợp kim Fe – C V Tổ chức tế vi hợp kim Fe – C g t g g Thép gang hợp kim Fe - C (ngồi có nhiều ngun tố khác), phân biệt 2,14%C thép, nhiều 2,14%C gang Một cách gần thấy điểm E giản đồ pha phân biệt hai loại vật liệu này: bên trái E thép, bên phải E gang Chính điều giải thích đặc điểm khác chúng Như tất thép dù với lượng cacbon, tổ chức tính khác nhiệt độ thường tương đối cao (< 727oC), nung nóng cao đường GSE tương ứng, có pha austenit với độ dẻo cao nên dễ biến dạng Chính thép coi vật liệu dẻo, cung cấp dạng bán thành phẩm cán nóng (dây, thanh, ống, tấm, hình ) tiện lợi cho sử dụng Các thép cacbon mềm dẻo có khả biến dạng nguội Tính đúc thép nói chung thấp (do nhiệt độ chảy cao, khơng có tổ chức tinh) sử dụng để chế tạo vật đúc Ngược lại với thép, nung nóng, gang khơng thể đạt tổ chức pha austenit mà xêmentit (hay grafit) nên khơng thể đem biến dạng nguội lẫn nóng, song bù lại có nhiệt độ chảy thấp hơn, tổ chức có tinh với khả điền đầy khn cao Chính gang vật liệu đúc, cung cấp dạng vật đúc (các sản phẩm định chi tiết máy phức tạp: thân bệ, hộp, vỏ hay đơn giản nhống ) Gang có thành phần gần tinh tính đúc cao Nói chung tính dẻo gang thấp, số loại có tính dẻo định song không đem biến dạng dẻo Khi lượng cacbon nằm vùng giáp ranh thép gang (1,80 - 2,20%) tính đúc lẫn tính chịu biến dạng dẻo lúc xếp hợp kim Fe - C vào loại tùy thuộc vào thành phần khác, cách tạo hình cơng dụng Như khơng loại trừ số trường hợp gang có 1,80 - 2,00%C, thép lại có 2,20 - 2,40%C t g gt g đồ pha Fe – C Căn vào tổ chức khác giản đồ pha ta có ba loại thép ba loại gang khác Thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C loại hợp kim Fe với C < 2,14% chứa lượng không đáng kể nguyên tố khác (xem mục 5.1.1a), gọi thép cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ sau - Thép trước 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 tổ chức tế vi trình bày hình 3.22 Phần lớn thép thường dùng nằm loại nhỏ song tập trung vào loại ≤ 0,20%C tiếp đến 0,30 - 0,40%C Theo tính tốn từ quy tắc đòn bảy, lượng cacbon tăng lên tổ chức tế vi tỷ lệ phần peclit (màu tối) tăng lên, phần ferit (màu sáng) giảm Nếu khơng chứa cacbon (hay q ít, 0,02 - 0,05%) coi sắt nguyên chất với tổ chức ferit (hình 3.19a) tức có hạt sáng Với 0,10%C (hình 3.22a) phần tối (peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,40%C (hình 3.22b) 1/2 với 0,60%C (hình 3.22c) 3/4, cuối 0,80%C (hình 2.20a) tồn màu tối (peclit tấm) Vậy loại thép lượng cacbon tính tỷ lệ phần tối nhân với 0,80% - Thép tích với thành phần 0,80%C (có thể xê dịch chút) tức ứng với điểm S có tổ chức gồm peclit Hình 3.22 Tổ chức tế vi thép trước tích (x500): a 0,10%C, b 0,40%C, c 0,60%C - Thép sau tích với thành phần ≥ 0,90%C (thường tới 1,50%, cá biệt tới 2.0 2,2%) tức bên phải điểm S có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai thường dạng lưới sáng bao bọc lấy peclit hình 3.23 Gang tương ứng với giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) gang trắng, sử dụng q cứng, giòn, khơng thể gia công cắt Theo khác tổ chức ta gặp ba loại gang trắng sau - Gang trắng trước tinh với thành phần cacbon 4,3% bên trái điểm C, có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit (hình 3.24a) - Gang trắng tinh có 4,3%C ứng điểm C hay lân cận, với tổchức lêđêburit (hình 3.21) - Gang trắng sau tinh với thành phần > 4,3%C bên phải điểm C, có tổ chức lêđêburit + xêmentit thứ (hình 3.24b) Hình 3.23 Tổ chức tế vi thép sau tích (1,20%C) (x500) Hình 3.24 Tổ chức tế vi gang trắng (x500): trước tinh (a) sau tinh (b) đ ểm tới hạn thép Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe - C (hình 3.18), khu vực thép có nhiều đường ứng với chuyển biến pha khác Để đơn giản hóa việc gọi tên chuyển biến pha người ta ký hiệu (đánh số) đường tương ứng chữ A (từ tiếng Pháp arrêt có nghĩa dừng, có chuyển biến pha nhiệt độ biến đổi chậm lại dừng hẳn) với số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, cm, chúng gọi điểm (hay nhiệt độ) tới hạn Các điểm tới hạn thường dùng gồm: A1 - đường PSK (727oC) ứng với chuyển biến austenit ←→ peclit, có loại thép A3 - đường GS (911 - 727oC) ứng với bắt đầu tiết ferit khỏi austenit làm nguội hay kết thúc hòa tan ferit vào austenit nung nóng, có thép trước tích Acm - đường ES (1147 - 727oC) ứng với bắt đầu tiết xêmentit khỏi austenit làm nguội hay kết thúc hòa tan xêmentit vào austenit nung nóng, có thép sau tích [Các điểm tới hạn khác A0 (210oC) - điểm Curi xêmentit, A2 (768oC) - điểm Curi ferit, A4 - đường JN (1499 - 1392oC) ứng với chuyển biến γ ←→ δ] Có thể dễ dàng xác định (gần đúng) giá trị A3 Acm thép có thành phần cacbon khác theo giản đồ pha Fe - C cách gióng hay tính tốn với quy ước đường tương ứng GS ES thẳng Tuy nhiên điểm tới hạn tìm với trạng thái cân (nung nóng hay làm nguội vơ chậm), không phù hợp với trường hợp nung nóng, làm nguội thơng thường nhanh Cũng giống tượng nguội (khi kết tinh), nung (khi nấu chảy) điểm tới hạn thấp xuống cao lên làm nguội nung nóng; tốc độ cao cách biệt lớn Để phân biệt điểm tới hạn cho hai trường hợp: nung nóng làm nguội, người ta thêm chữ c (chauffage) nung nóng, thêm chữ r (refroidissement) làm nguội Với thép có: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3 , A tính theo giản đồ pha Ac cao phụ thuộc vào tốc độ nung, Ar thấp phụ thuộc vào tốc độ nguội, tốc độ cao sai khác mạnh