Ôn tập giản đồ pha của vật liệu

Giản Đồ Pha Các khái niệm bản: Ôn tập: Giản đồ pha a, Pha - Pha dạng vật chất có thành phần đồng nhất, trạng thái kiểu mạng tinh thể Các pha ngăn cách bề mặt phân chia b, Hệ - Tập hợp pha, trạng thái cân không cân + Điều kiện: - Mỗi pha phải đạt giá trị lượng tự bé + (1): cân ổn định + (2): giả cân + (3): không cân Giản Đồ Pha Giản Đồ Pha c, Nguyên (cấu tử) - Là chất độc lập có thành phần hố học khơng đổi (có thể ngun tố hố học hợp chất hoá học), chúng tạo nên tất pha hệ Có thể đưa vài ví dụ để làm rõ khái niệm này: + Một hệ gồm pha nước lỏng nước đá (ở 00C), có nguyên tử H2O + Hợp kim Cu- Ni hệ gồm nguyên (Cu, Ni) trạng thái rắn lỏng có pha chúng tạo dung dịch rắn lỏng đồng CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM Cấu trúc mạng tinh thể hợp kim phức tạp kim loại nguyên chất - Nếu mạng tinh thể hợp kim giữ nguyên kiểu mạng kim loại nguyên chất, làm biến đổi thông số mạng gây xơ lệch dạng cấu tạo gọi dung dịch rắn - Nếu mạng tinh thể hợp kim khác hẳn với mạng nguyên tố thành phần dạng cấu tạo gọi hợp chất hoá học hay pha trung gian Dung dịch rắn b, Các đặc tính chung dung dich rắn - Có liên kết kim loại; - Có kiểu mạng tinh thể kim loại dung môi; - Thành phần nguyên tố thay đổi phạm vi mà khơng làm thay đổi kiểu mạng; - Độ bền, độ cứng cao kim loại dung mơi độ dẻo cao giữ nguyên kiểu mạng kim loại dung môi, (Do mạng tinh thể bị xô lệch) - Tuỳ theo vị trí phân bố ngun tố hồ tan mạng Dung dịch rắn: a, Khái niệm: - Dung dịch rắn có nhiều điểm giống với dung dịch lỏng, song điểm khác chúng dung dịch rắn có cấu tạo tinh thể - Khi nguyên tố hoà tan vào trạng thái rắn, nguyên tố giữ ngun kiểu mạng gọi dung mơi, nguyên tố phân bố vào mạng nguyên tố dung môi gọi nguyên tố hoa tan - Ký hiệu dung dịch rắn chữ ,  ,  A (B): đó: A – dung mơi, B – ngun tố hồ tan Dung dịch rắn c, Dung dịch rắn thay - Khi nguyên tử nguyên tố hoà tan vào vị trí nút mạng ngun tố dung mơi tạo nên dung dịch rắn thay Điều kiện: Dntht  Dntdm - Tuy nhiên làm xô lệch mạng tăng độ bền, độ cứng giảm chút độ dẻo dai so với dung môi -nguyên tử dung môi -nguyên tử hồ tan tinh thể dung mơi, có hai loại dung dịch rắn thay xen kẽ Dung dịch rắn Dung dịch rắn Theo độ hoà tan lại chia dung dich rắn (thay thế) hoà tan vơ hạn hồ tan có hạn * Dung dịch rắn hồ tan vơ hạn - Khi ngun tử hồ tan B thay vị trí ngun tử dung mơi A cách liên tục, ta dung dịch rắn hồ tan vơ hạn * Dung dịch rắn hồ tan vơ hạn :Điều kiện cần để hai kim loại hòa tan vơ hạn vào là: - Có kiểu mạng; - Đường kính nguyên tử sai khác (dưới 8% hồ tan vào Fe); - Các tính chất lý, hố gần giống nhiệt độ chảy; - Có hoá trị A(B) A(B) B(A) Dung dịch rắn * Dung dịch rắn hồ tan có hạn - Khi ngun tử hồ tan B thay vị trí ngun tử dung mơi A đến giới hạn (nếu hồ tan thêm có kiểu mạng khác), ta dung dịch rắn hồ tan có hạn Dung dịch rắn d, Dung dịch rắn xen kẽ - Khi nguyên tử hoà tan xen kẽ vào nút mạng kim loaị dung môi (tức xen kẽ vào lỗ hổng mạng) ta có dung dịch rắn xen kẽ -ngun tử dung mơi -ngun tử hồ tan - Chỉ cần khơng thoả mãn điều kiện tạo nên dung dịch rắn hồ tan có hạn Đây trường hợp thường gặp Dung dịch rắn + Đặc điểm: - Các lỗ hổng mạng có kích thước nhỏ so với ngun tử dung mơi A; - Ngun tử hồ tan B hoà tan xen kẽ vào mạng dung mơi A tỷ số đường kính chúng thoả mãn hệ thức: B dB  0,59 dA Pha trung gian + Đặc tính chung: - Mạng tinh thể pha trung gian thường phức tạp khác nguyên tố tạo thành nó, nên tính dẻo kém; - Có tính dòn, độ cứng cao nhiệt độ nóng chảy cao; - Thành phần cố định thay đổi phạm vi A - Là loại dung dịch hồ tan có hạn; - Thường tạo thành dung mơi kim loại có đường kính ngun tử lớn như: Fe, Cr, W, Ti ngun tố hồ tan kim có đường kính nguyên tử nhỏ : C, N, H, B… hẹp Có thể biểu diễn cơng thức hố học; - Có thể nhiều dạng liên kết khác nhau: Liên kết kim loại, ion, đồng hoá trị - Các pha trung gian thường gặp pha xen kẽ, pha điện tử, pha có liên kết kim loại Pha trung gian a, Pha xen kẽ - Là loại pha trung gian tạo nên kim loại kim với đặc tính sau đây: + Đường kính nguyên tử kim (dA) bé kim loại(dK) nhiều Chúng thoả mãn bất đẳng thức: dA  0,59 dK + Mạng tinh thể có dạng đơn giản lục giác xếp chặt, lập phương diện tâm, nguyên tử kim nằm xen kẽ lỗ hổng Pha trung gian + Thành phần hố học có cơng thức đơn giản như: KA, KA2,, K4A, KA4; (Ví dụ loại bít đơn giản mà thường gặp :WC, TiC, TaC) + Các kim loại có đường kính ngun tử lớn như: Ti, W, Mo, V, Nb, Zr, Ta Cr, Mn, Fe, thường kết hợp với kim có đường kính nguyên tử như: C, N, H, B, để tạo thành pha xen kẽ; + Tính chất điển hình cứng nhiệt độ chảy cao mạng; Pha trung gian b, Pha điện tử (Pha Hum - Rôđêri) Pha trung gian Mỗi giá trị lại ứng với kiểu mạng: - Là pha phức tạp tạo nên kim loại có đặc tính sau: - Lập phương thể tâm (pha ) + Về thành phần: Gồm kim loại thuộc nhóm sau: Nhóm 1: Cu, Ag, Au (hố trị 1) Fe, Co, Ni, Pd, Pt (nhóm kim loại chuyển tiếp) 21 - Lập phương phức tạp (pha ) 13 Nhóm 2: Be, Mg, Zn , Cd, (hố trị 2); Al(3), Si , Sn (4) + Có nồng độ điện tử (Số điện tử hoá trị/số nguyên tử) giá trị sau: 21 ; ; 13 + Thành phần hoá học thay đổi phạm vi hẹp; + Ở nhiệt độ thấp có tính dòn cao Hỗn hợp học Pha trung gian VD: Ở hệ Cu - Zn có pha điện tử sau: - CuZn – pha  - Cu5Zn8 – pha  - CuZn3 – pha  1.1  2.1  11 1.5  2.8 21  58 13 1.1  2.3  1 - Lục giác xếp chặt (pha ) Sau kết tinh, hợp kim hai dạng tổ chức sau: - Có tổ chức pha: pha dung dịch rắn pha trung gian; - Có tổ chức hai hay nhiều pha hỗn hợp học Khái niệm - Hỗn hợp học gồm hai hay nhiều pha hỗn hợp với khơng hồ tan vào Ví dụ : Hỗn hợp học hai dung dịch rắn; dung dịch rắn pha trung gian + Hai dạng điển hình hỗn hợp học tinh tích GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN Khái niệm giản đồ trạng thái Khái niệm giản đồ trạng thái a, Định nghĩa - Giản đồ trạng thái giản đồ biểu thị biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ thành phần hoá học hệ trạng thái cân Giản đồ trạng thái xây dựng điều kiện nung nóng làm nguội vơ chậm tức trạng thái cân b, Công dụng giản đồ trạng thái Từ giản đồ trạng thái biết được: - Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha hợp kim với thành phần cho nung nóng làm nguội  Xác định dễ dàng chế độ nhiệt nấu luyện (để đúc), gia công áp lực nhiệt luyện; Khái niệm giản đồ trạng thái c, Cấu tạo giản đồ trạng thái hai nguyên - Đối với kim loại nguyên chất Giản đồ pha Fe (Giản đồ nguyên) - Đối với hệ hợp kim nguyên - Trạng thái pha (gồm pha nào, thành phần pha tỷ lệ pha đó) hệ hợp kim nhiệt độ thành phần khác  Dự đốn tính chất hợp kim cho để sử dụng vào mục đích khác Các dẫn giản đồ trạng thái sở cho suy luận, giải thích Khái niệm giản đồ trạng thái + Mỗi điểm giản đồ biểu thị hợp kim có thành phần định, hai đầu mút ứng với hai nguyên chất (100%A + 0%B 100%B + 0%A) + Đường thẳng giản đồ ứng với biến đổi nhiệt độ hợp kim Ví dụ đường thẳng vẽ giản đồ ứng với hợp kim 80%B + 20%A + Khoảng diện tích trục tung đường phân chia thành vùng có trạng thái pha giống gọi vùng tổ chức + Hợp kim có trục toạ độ rơi vào vùng có trạng thái tương ứng tổ chức vùng Khái niệm giản đồ trạng thái + Tỉ lệ (về số lượng) pha tổ chức xác định theo quy tắc đòn bẩy: GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN Giản đồ trạng thái hai nguyên loại I - Giản đồ trạng thái hai nguyên A B, hoàn toàn hoà tan vào trạng thái lỏng, khơng hồ tan vào trạng HK Lượng pha trái Lượng pha phải = Độ dài đoạn thẳng bên phải (đòn bên phải) Độ dài đoạn thẳng bên trái (đòn bên trái) GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN - Khu vực nằm đường lỏng, hợp kim hoàn toàn trạng thái rắn không tạo thành pha trung gian a, Một số khái niệm - Đường lỏng - đường AEB: đường mà nguội đến đó, hợp kim lỏng bắt đầu kết tinh; - Đường đặc - đường CED: đường mà làm nguội đến hợp kim lỏng kết thúc kết tinh, nghĩa đường đặc khơng pha lỏng nữa; GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN VD: Xét kết tinh hợp kim: 60%Sb + 40%Pb thái lỏng (L); - Khu vực nằm đường lỏng đường đặc gồm hai pha lỏng pha rắn kết tinh; + Phía điểm hợp kim? + Phía điểm hợp kim? + Trong khoảng 12 hợp kim? Ví dụ: - Khu vực AEC - ( L +A) - Khu vực BED - ( L +B)  Tại điểm bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy điểm bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN - Điểm E gọi điểm tinh Pha lỏng có thành phần ứng với Giản đồ trạng thái hai ngun loại II điểm E có tính chất đặc biệt nhiệt độ pha lỏng kết tinh - Giản đồ trạng thái hai nguyên A B hoà tan hoàn toàn vào trạng thái lỏng trạng thái rắn, không tạo thành pha trung gian đồng thời hai pha rắn (A +B) gọi hỗn hợp học tinh Quy ước sau: - Hợp kim có thành phần điểm E gọi hợp kim tinh; - Hợp kim có thành phần bên trái điểm E gọi hợp kim trước tinh hợp kim có thành phần bên phải điểm E gọi hợp kim sau tinh Giản đồ trạng thái hai nguyên loại II - Trong thực tế hệ hợp kim Cu – Ni, Al203 – Cr203có kiểu giảng đồ m Đường lỏng- AmB Đường đặc - AnB A B n - Vùng hai đường lỏng đặc gọi khoảng đông vùng gồm hai pha pha lỏng dung dịch rắn  ( L + ) -  dung dịch rắn hồ tan vơ hạn A(B) B(A) Giản đồ trạng thái hai nguyên loại II - Xét kết tinh hệ hợp kim 65%Cu – 35%Ni + Tại điểm – 13000C tồn pha lỏng + Tại điểm – 12700C, 2’’ – dung dịch rắn (49%Ni) + Tại điểm – 12500C, gồm: - Hợp kim: – 35%Ni; - Pha lỏng: 3’ – 30%Ni; - Dung dịch rắn: 3’’ – 43%Ni 60 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN Giản đồ trạng thái hai nguyên loại II Giản đồ trạng thái hai nguyên loại III - Tỉ lệ pha 12500C: L 3' 33' '  α 3'' 33' + Đường lỏng AEB + Đườmg đặc ACEDB + CED - Đường tinh 43 - 35  35 - 30  L3'   α3'  Điển hình hệ hợp kim chì - thiếc (Pb-Sn) 33'' 43 35    61,5% 3'3'' 43 30 13 E 60 - Giản đồ trạng thái hai nguyên A B hào tan vô hạn vào trạng thái lỏng, hồ tan có hạn vao trạng thái rắn, không tạo thành pha trung gian 33' 35  30    38,5% 3'3'' 43  30 13 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN - : dung dịch rắn hồ tan có hạn A(B) Sự hồ tan có hạn thể đường CF chỗi phía trái chứng tỏ nhiệt độ thấp độ hồ tan giảm; - Giản đồ loại III hai giản đồ loại I loại II ghép lại, - : dung dịch rắn hồ tan có hạn B(A) - Sự hồ tan có hạn thể đường DG choãi bên phải, chứng tỏ nhiệt độ thấp độ hồ tan giảm quy luật kết tinh giống giản đồ loại II; khác chỗ hồ tan có hạn Có thể phân tích sau: + Các hợp kim nằm phía trái điểm F phía phải điểm G có + Các hợp kim có thành phần nằm khoảng C’D’ có quy luật kết tinh giống giản đồ loại I; E E + Các hợp kim có thành phần nằm khoảng FC’ D’G có quy luật kết tinh khác; Giản đồ trạng thái hai nguyên loại III - Xét kết tinh hệ hợp kim 60%Pb – 40%Sn Giản đồ trạng thái hai nguyên loại III - Tỉ lệ pha 2000C: α a' 57 - 40  17  L a'' 40 - 18,5 21,5 + Tại điểm – 3000C tồn pha lỏng + Tại điểm – 2450C, 2’ – dung dịch rắn (13,3%Sn) L+ + Tại điểm – 2000C, chứa: - Dung dịch rắn: a’ – 18,5%Sn; L+ - Pha lỏng: a’’ – 57%Sn  α a'  3a' ' 17   44,16% a' a' ' 38,5  L a''  GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN Giản đồ trạng thái hai nguyên loại IV 3a' 21,5   55,84 % a' a' ' 38,5 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN Giản đồ trạng thái hai nguyên loại IV - Giản đồ trạng thái hai ngun A B khơng hồ tan vào trang thái rắn tạo nên pha trung gian ổn định - Pha trung gian có cơng thức tổng qt AmBn (viết tắt H) biểu thị đường thẳng đứng, điểm H điểm chảy 10 Ví dụ 1: Xét hợp kim 40%Si-60% Al% (% khối lượng) 700oC giản đồ Xác định % khối lượng pha lỏng L pha rắn β (gần đúng) a) 25% L 75% β b) 20% L 80% β c) 75% L 25% β d) 80% L 20% β Giải: %L = MB/ABx100% = 60/80x100% =75 Xác định thành phần pha lỏng trường hợp a) 20% Si 80% Al b) 25% Si 75% Al c) 80% Si 20% Al d) 75% Si 25 Al Giải: Từ điểm A hạ đường thẳng vng góc với trục hoành Thành phần pha lỏng L 20% Si 80%-Al %β= MA/ABx100%= 20/80x100% = 25% Xác định khối lượng tổ chức tinh: a) 12.6% b) 31.4% c) 68.6% d) 88.8% Giải: Tại điểm N tách lỏng (tổ chức tinh điểm I) rắn β (điểm J) % khối lượng tổ chức tinh điểm I: % LE = (99.83-40)/(99.83-12.6) = 68.6% Xác định bậc tự hợp kim 700oC a) -1 b) c) d) Giải: C: số cấu tử (Chỉ có Si Al) P: Số pha = (Lỏng L + rắn β) F=2–2+1=1 11 Phản ứng tinh giản đồ 577oC a) L12,6%Si → α1,65Si + β99,83%Si b) L12,6%Si → (α1,65%Si + β99,83%Si) c) L12,6%Si → [α1.65Si + β99.83Si] d) L12,6%Si → (α40%Si + β60%Si) Bản chất pha α a) Dung dịch rắn xen kẽ b) Dung dịch rắn thay c) Pha trung gian d) Pha liên kết kim loại 577oC Ví dụ 2: Cho giản đồ pha hệ Sn – Pb sau Xét hợp kim 46% Sn-54%Pb Ở 44oC hệ tồn dạng pha: a) L + α b) L c) α + β d) L+ β Giải: Điểm A: α + β Xét hợp kim 77% Sn-23% Pb Ở 190oC hệ tồn dạng pha: Xét hợp kim 25% Sn –75% Pb Ở 200oC dạng pha tồn thành phần a) L + α b) L c) α + β d) L + β a) α = 17% Sn - 83 % Pb; L = 55.7 % Sn – 44,3 % Pb Giải: Điểm B: L + β C(25%, 200oC) b) L = 25 % Sn - 75 % Pb; α = 25 % Sn - 75 % Pb c) α = 17 % Sn - 83 % Pb; β = 55.7 % Sn – 44,3 % Pb d) α = 18,3 % Sn – 81,7 % Pb; β = 97,8 % Sn – 2,2 % Pb Giải: Điểm C: L + α, với α=17 % Sn; L = 55.7 % Sn 12 10 Xét hợp kim 40% Sn60% Pb Ở 150oC tỷ lệ khối lượng pha là: a)66% α + 34 %β b)34 % α + 66%β c)10% α + 90%β d)2% α + 98%β Giải: Tại điểm D: Tỷ lệ khối lượng pha là: %α = (98-40)/(98-10) = 66%; %β = 34 % 11 Hợp kim tạo thành từ 1.25 kg Sn 14 kg Pb 200oC có pha thành phần: a) L = 17% Sn - 83% Pb; L = 55.7% Sn – 44.3% % Pb b) L = 25%Sn -75% Pb; α = 25% Sn - 75 % Pb c) α = 17% Sn - 83% Pb; β = 55.7% Sn – 44.3% Pb d) α với Cα = 8.2% Sn 91.8 Pb Giải: % Sn = 1.25/[1.25 +14] = 8.2% % Pb = 100-8.2 = 91.8% Điểm E 100% α với Cα = 8.2% Sn 91.8 Pb 12 Xét hợp kim 15% Sn-85% Pb Ở 100oC dạng pha tồn thành phần là: a) α = 17% Sn - 83 % Pb; L = 55.7 % Sn – 44,3 % Pb b) L = 25 % Sn - 75 % Pb; α = 25 % Sn - 75 % Pb c) α = % Sn - 95 % Pb; β = 98 % Sn – % Pb d) α = 18,3 % Sn – 81,7 % Pb; β = 97,8 % Sn – 2,2 % Pb Giải: Điểm F: α β, α = % Sn; β = 98 % Sn 13 ... rắn pha trung gian + Hai dạng điển hình hỗn hợp học tinh tích GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN Khái niệm giản đồ trạng thái Khái niệm giản đồ trạng thái a, Định nghĩa - Giản đồ trạng... nấu luyện (để đúc), gia công áp lực nhiệt luyện; Khái niệm giản đồ trạng thái c, Cấu tạo giản đồ trạng thái hai nguyên - Đối với kim loại nguyên chất Giản đồ pha Fe (Giản đồ nguyên) - Đối với hệ... Khái niệm giản đồ trạng thái + Tỉ lệ (về số lượng) pha tổ chức xác định theo quy tắc đòn bẩy: GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN Giản đồ trạng thái hai nguyên loại I - Giản đồ trạng