Ôn tập giản đồ pha của vật liệu

- Khi 2 nguyên tố hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn, một nguyêntố giữ nguyên kiểu mạng gọi làdung môi, còn nguyêntố kia phân bố đều vào mạng của nguyên tố dung môi gọi là nguyên tố hoa t

Trang 1

Ôn tập:

Giản đồ pha

Giản Đồ Pha Các khái niệm cơ bản:

a, Pha

- Pha là dạng vật chất có thành phần đồng nhất, ở cùng một trạng thái và kiểu mạng tinh thể.

Các phangăn cách nhau bằng bề mặt phân chia

b, Hệ

- Tập hợp các pha, có thể ở trạng thái cân bằng hoặc không

cân bằng

+ Điều kiện:

-Mỗi pha trong đó phải đạt được giá trị năng lượng tự do bé nhất

+ (1): cân bằng ổn định + (2): giả cân bằng + (3): không cân bằng

c, Nguyên (cấu tử)

- Là những chất độc lập có thành phần hoá học không đổi

(có thể là nguyên tố hoá học hoặc hợp chất hoá học ), chúng

tạo nên tất cả các pha của hệ.

Có thể đưa một vài ví dụ để làm rõ khái niệm này:

+Một hệ gồm 2 pha là nước lỏng và nước đá (ở 00C),chỉ có

một nguyên tử là H2O

+Hợp kim Cu- Ni là một hệ gồm 2 nguyên (Cu, Ni) ở trạng

tháirắn hoặc lỏng chỉ có một pha vì chúng tạo ra dung dịch rắn

hoặc lỏng đồng nhất

Trang 2

CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

Cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim phức tạp hơn kim loại

nguyênchất

-Nếu mạng tinh thể của hợp kim vẫn giữ nguyên kiểu

mạngcủa kim loại nguyên chất, nhưng làm biếnđổi thông

số mạngvàgây xô lệchthìdạng cấu tạo này gọi làdung

dịch rắn.

- Nếu mạng tinh thể của hợp kim khác hẳn với mạng

của các nguyên tố thành phần thì dạng cấu tạo này gọi là

hợp chất hoá họchaypha trung gian.

CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

Dung dịch rắn:

a, Khái niệm:

- Dung dịch rắn có nhiều điểm giống với dung dịch lỏng, song điểm khác nhau cơ bản giữa chúng là dung dịch rắn có cấu tạo tinh thể.

- Khi 2 nguyên tố hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn, một nguyêntố giữ nguyên kiểu mạng gọi làdung môi, còn nguyêntố kia phân bố đều vào mạng của nguyên tố dung môi gọi là

nguyên tố hoa tan.

- Ký hiệu của dung dịch rắn bằng các chữ  ,  , 

hoặc A (B): trong đó: A – dung môi, B – nguyên tố hoà tan.

- Dung dịch rắn có nhiều điểm giống với dung dịch lỏng, song điểm khác nhau cơ bản giữa chúng là dung dịch rắn có cấu tạo tinh thể.

Dung dịch rắn

b, Các đặc tính chung của dung dich rắn

- Có liênkết kim loại;

- Cókiểu mạng tinh thể của kim loại dung môi;

- Thànhphần các nguyên tố có thể thay đổi trong phạm vi

nàođó mà vẫn không làm thay đổi kiểu mạng;

- Độ bền, độ cứng cao hơn kim loại dung môi còn độ dẻo

vẫn khá cao do vẫn giữ nguyên kiểu mạng của kim loại dung

môi, (Do mạng tinh thể bị xô lệch).

-Tuỳ theo vị trí phân bố của nguyên tố hoà tan trong mạng

tinhthể của dung môi, sẽ có hai loại dung dịch rắn thay thế

và xen kẽ.

c, Dung dịch rắn thay thế

- Khi nguyên tử của nguyên tố hoà tan thế vào vị trí nút mạng của nguyên tố dung môi thì tạo nên dung dịch rắn thay thế.

Điều kiện:Dntht Dntdm

- Tuy nhiên vẫn làm xô lệch mạng tăng độ bền, độ cứng và giảm một chút độ dẻo dai so với dung môi

-nguyên tử dung môi

-nguyên tử hoà tan

Trang 3

Theo độ hoà tan lại chia ra dung dich rắn (thay thế) hoà tan

vô hạn và hoà tan có hạn.

*Dung dịch rắn hoà tan vô hạn

- Khi nguyên tử hoà tan B có thể lần lượt thay thế các vị trí

của nguyên tử dung môi A một cách liên tục, ta được dung

dịch rắn hoà tan vô hạn.

- Khi nguyên tử hoà tan B có thể lần lượt thay thế các vị trí

của nguyên tử dung môi A một cách liên tục, ta được dung

dịch rắn hoà tan vô hạn.

*Dung dịch rắn hoà tan vô hạn

Điều kiện cần để hai kim loại hòa tan vô hạn vào nhau là:

- Có cùng kiểu mạng;

- Đường kính nguyên tử sai khác nhau ít (dưới 8% khi hoà tan vào Fe);

- Các tính chất lý, hoá gần giống nhau nhất là nhiệt độ chảy;

- Có cùng hoá trị.

:

- Có cùng kiểu mạng;

- Đường kính nguyên tử sai khác nhau ít (dưới 8% khi hoà tan vào Fe);

- Các tính chất lý, hoá gần giống nhau nhất là nhiệt độ chảy;

- Có cùng hoá trị.

*Dung dịch rắn hoà tan có hạn

- Khi nguyên tử hoà tan B chỉ có thể thay thế vị trí các nguyên

tử dung môi A đến một giới hạn nào đó (nếu hoà tan thêm sẽ

có kiểu mạng khác), ta được dung dịch rắn hoà tan có hạn.

-Chỉ cần không thoả mãn một trong 4 điều kiện trên sẽ tạo nên

dungdịch rắn hoà tan có hạn.Đây là trường hợp thường gặp.

- Khi nguyên tử hoà tan B chỉ có thể thay thế vị trí các nguyên

tử dung môi A đến một giới hạn nào đó (nếu hoà tan thêm sẽ

có kiểu mạng khác), ta được dung dịch rắn hoà tan có hạn.

d, Dung dịch rắn xen kẽ

-Khi nguyên tử hoà tan xen kẽ vào giữa các nút mạng của kim loaị dung môi (tức là xen kẽ vào giữa các lỗ hổng của mạng) ta có dung dịch rắn xen kẽ.

-nguyêntử dung môi -nguyêntử hoà tan

-Khi nguyên tử hoà tan xen kẽ vào giữa các nút mạng của kim loaị dung môi (tức là xen kẽ vào giữa các lỗ hổng của mạng) ta có dung dịch rắn xen kẽ.

Trang 4

+ Đặc điểm:

- Các lỗ hổng của mạng có kích thước nhỏ so với nguyên tử

dung môi A;

- Nguyêntử hoà tan B hoà tan xen kẽ vào mạng của dung môi

A khitỷ số đường kính của chúng thoả mãn hệ thức:

0,59 dA

dB



- Làloại dung dịch hoà tan có hạn;

- Thường được tạo thành bởi dung môi là

kim loại có đường kính nguyên tử lớn như:

Fe, Cr, W, Ti và các nguyên tố hoà tan là

các á kim cóđường kính nguyên tử nhỏ như

: C, N, H, B…

A

B

Pha trung gian

+ Đặc tính chung:

-Mạng tinh thể của pha trung gian thường phức tạp và khác các nguyêntố tạo thành nó, nên tính dẻo kém;

- Có tính dòn,độ cứng cao và nhiệt độ nóng chảy khá cao;

- Thành phần cố định hoặc có thể thay đổi trong phạm vi hẹp Có thể biểu diễn được bằng công thức hoá học;

- Cóthể ở nhiều dạng liên kết khác nhau: Liên kết kim loại, ion,đồng hoá trị

- Các pha trung gianthường gặp là pha xen kẽ, pha điện tử,

đó là các pha có liên kết kim loại

Pha trung gian

a, Pha xen kẽ

- Là loại pha trung gian được tạo nên giữa kim loại và á kim

với các đặc tính sau đây:

+Đường kính nguyên tử á kim (dA) bé hơn của kim loại(dK)

rất nhiều Chúng cũng thoả mãn bất đẳng thức:

0,59 dK

dA



+Mạng tinh thể có dạng đơn giản như lục giác xếp chặt, lập

phương diện tâm, trong đó nguyên tử á kim nằm xen kẽ lỗ hổng

của mạng;

- Là loại pha trung gian được tạo nên giữa kim loại và á kim

với các đặc tính sau đây:

Pha trung gian

+ Thành phần hoá học có công thức đơn giản như: KA, KA2,, K4A, KA4;

(Ví dụ như những loại các bít đơn giản mà thường gặp :WC, TiC, TaC)

+ Các kimloại có đường kính nguyên tử lớn như: Ti, W, Mo,

V, Nb, Zr, Ta và đôi khi cả Cr, Mn, Fe, thường kết hợp với những á kim có đường kính nguyên tử như: C, N, H, B, để tạo thành pha xenkẽ;

+ Tínhchất điển hình là rất cứng và nhiệt độ chảy rất cao

Trang 5

Pha trung gian

b, Pha điện tử (Pha Hum - Rôđêri)

- Là pha phức tạp tạo nên giữa 2 kim loại và có đặc tính sau:

+Về thành phần: Gồm 2 kim loại thuộc 2 nhóm sau:

Nhóm 1: Cu, Ag, Au (hoátrị 1) và Fe, Co, Ni, Pd, Pt (nhóm kim

loại chuyển tiếp)

Nhóm 2: Be, Mg, Zn , Cd, (hoátrị 2); Al(3), Si , Sn (4)

+ Cónồng độ điện tử (Số điện tử hoá trị/số nguyên tử) bằng

một trong các giá trị sau:

4

7

; 13

21

; 2 3

-Là pha phức tạp tạo nên giữa 2 kim loại và có đặc tính sau:

Pha trung gian

Mỗi giá trị này lại ứng với một kiểu mạng:

2 3

13 21

4 7

-Lập phương thể tâm (pha )

-Lập phương phức tạp (pha )

-Lục giác xếp chặt (pha )

+ Thànhphần hoá học có thể thay đổi trong phạm vi hẹp;

+Ở nhiệt độ thấp có tính dòn cao

Pha trung gian

VD: Ở hệ Cu - Zn có các pha điện tử sau:

2

3 1 1

1 2 1 1





- CuZn – pha 

- Cu5Zn8– pha 

13

21 8

5

8 2 5 1





- CuZn3– pha 

4

7 3 1

3 2 1 1





Hỗn hợp cơ học

Sau khi kết tinh, các hợp kim ở một trong hai dạng tổ chức sau:

- Có tổ chức một pha: pha dung dịch rắn hoặc pha trung gian;

- Có tổ chức hai hay nhiều pha đó chính là hỗn hợp cơ học.

Khái niệm

- Hỗn hợp cơ học gồm hai hay nhiều pha hỗn hợp với nhau chứ không hoà tan vào nhau.

Vídụ : Hỗn hợp cơ học của hai dung dịch rắn; của dung dịch rắn

và pha trung gian

+ Haidạng điển hình của hỗn hợp cơ học là cùng tinh và cùng tích

Trang 6

GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

a, Định nghĩa

- Giản đồ trạng thái là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức

pha theo nhiệt độ và thành phần hoá học của hệ ở trạng thái

cân bằng.

Giản đồ trạng thái được xây dựng trong điều kiện nung

bằng.

b, Công dụng của giản đồ trạng thái

Từ giản đồ trạng thái có thể biết được:

-Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của hợp kim với

thànhphần đã cho khi nung nóng và làm nguội

 Xác định dễ dàng các chế độ nhiệt khi nấu luyện (để đúc),

khi gia công áplực và nhiệt luyện;

- Giản đồ trạng thái là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức

pha theo nhiệt độ và thành phần hoá học của hệ ở trạng thái

cân bằng.

Khái niệm về giản đồ trạng thái

- Trạng thái pha (gồm những pha nào, thành phần của mỗi pha và tỷ lệ giữa những pha đó) của hệ hợp kim ở các nhiệt độ

và thànhphần khác nhau

 Dự đoán được tính chất của hợp kim đã cho để sử dụng vàomục đích khác nhau

Cácchỉ dẫn trên giản đồ trạng thái vẫn là cơ sở cho các suy luận, giải thích

c, Cấu tạo của giản đồ trạng thái hai nguyên

-Đối với kim loại nguyên chất

-Đối với hệ hợp kim 2 nguyên

Giản đồ pha của Fe

(Giản đồ một nguyên)

+Mỗi điểm trên giản đồ biểu thị một hợp kim có thành phần nhất định, hai đầu mút ứng với hai nguyênchất (100%A + 0%B

và 100%B + 0%A).

+Đường thẳng bất kỳ trên giản đồ ứng với sự biến đổi nhiệt

độ của một hợp kim Ví dụ đường thẳng vẽ trên giản đồ ứng với hợp kim 80%B + 20%A.

+ Khoảng diện tích giữa 2 trục tung được các đường phân chia thành từng vùng có trạng thái pha giống nhau và được gọi

là vùngtổ chức

+ Hợp kim có trục toạ độ rơi vào vùng nào đó sẽ có trạng tháitương ứng và tổ chức tại vùng đó

Trang 7

HK

+ Tỉ lệ (về số lượng) giữa các pha hoặc tổ chức được xác

định theo quy tắc đòn bẩy:

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 hai nguyên A và B, hoàn toàn hoà tan vào nhau ở trạng thái lỏng, không hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn và không tạo thành pha trung gian.

a, Một số khái niệm

-Đường lỏng - đường AEB:là đường mà khi nguội đến đó, hợp kimlỏng sẽ bắt đầu kết tinh;

-Đường đặc - đường CED:là đường mà khi làm nguội đến đó hợp kim lỏng sẽ kết thúc kết tinh, nghĩa là dưới đường đặc sẽ không còn phalỏng nữa;

1 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại I

- Khu vực nằm trên đường lỏng, hợp kim hoàn toàn ở trạng

tháilỏng (L);

- Khuvực nằm giữa đường lỏng và đường đặc sẽ gồm hai pha

lỏng và pha rắn đã được kết tinh;

Ví dụ:

- Khu vực AEC - ( L +A)

- Khu vực BED - ( L +B).

VD: Xét sự kết tinh của hợp kim: 60%Sb + 40%Pb + Phía trên điểm 1 hợp kim?

+ Phía dưới điểm 2 hợp kim?

+ Trong khoảng 12 hợp kim?

 Tại 1 là điểm bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy và tại 2

là điểm bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh.

Trang 8

-ĐiểmEgọi là điểmcùng tinh Phalỏng có thành phần ứng với

điểmEcó tính chất đặc biệt là tại nhiệt độ này pha lỏng kết tinh

rađồng thờicả hai pha rắn (A +B)vàđược gọi làhỗn hợp cơ

học cùng tinh.

Quyước như sau:

-Hợp kim có thành phầnở chính

điểm Egọi làhợp kim cùng tinh;

- Hợp kim có thành phần ở bên

trái điểm E gọi là hợp kim trước

cùng tinh và hợp kim có thành

phần ởbên phải điểm Egọi làhợp

kim sau cùng tinh.

2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại II

- Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B hoà tan hoàn toàn vào nhau ở trạng thái lỏng cũng như trạng thái rắn, không tạo thành pha trung gian

n A

B m

Đường lỏng- AmB Đường đặc - AnB

- Vùng giữa hai đường lỏng và đặc gọi là khoảng đông vùng này gồm hai pha là pha lỏng và dung dịch rắn  ( L + )

-  là dung dịch rắn hoà tan vô hạn của A(B) hoặc B(A)

- Trongthực tế hệ hợp kim Cu – Ni, Al203– Cr203cókiểu giảng

đồ này

- Xétsự kết tinh của hệ hợp kim 65%Cu – 35%Ni

60

+ Tại điểm 1 – 13000C tồn tại pha lỏng + Tại điểm 2 – 12700C,

2’’–dung dịch rắn (49%Ni) +Tại điểm 3 – 12500C,gồm:

-Hợp kim: 3 – 35%Ni;

- Phalỏng: 3’ – 30%Ni;

- Dungdịch rắn: 3’’ – 43%Ni

Trang 9

- Tỉ lệ giữa các pha tại 12500C:

60

33'

' 33'

α

L

'

3'

3' 

8 30

-35

35

-43



 

  13 61 , 5 %

8 30 43

35 43

'

3'3'

'

33'

L3'  







  13 38,5%

5 30 43

30 35 '

3'3'

33'







2 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại II GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

3 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại III

- Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B hào tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, hoà tan có hạn vao nhau ở trạng thái rắn, không tạo thành pha trung gian

+ Đường lỏng AEB + Đườmg đặc ACEDB

+ CED -Đường cùng tinh

E

Điển hình là hệ hợp kim chì -thiếc (Pb-Sn)

E

- : là dungdịch rắn hoà tan có hạn A(B) Sự hoà tan có

hạn thể hiện ở đường CF choãi về phía trái chứng tỏ nhiệt độ

càng thấp độ hoà tan càng giảm;

- :là dungdịch rắn hoà tan có hạn B(A) -Sự hoà tan có hạn

thể hiện ở đường DG choãi về bên phải, chứng tỏ nhiệt độ

thấp thì độ hoà tan giảm.

E

- Giản đồ loại III này là do hai giản đồ loại I và loại II ghép lại,

chỉ khác ở chỗ hoà tan có hạn Có thể phân tích như sau:

+ Các hợp kim nằm ở phía trái điểm F và ở phía phải điểm G có quy luật kết tinh giống giản đồ loại II;

+ Các hợp kim có thành phần nằm trong khoảng C’D’ có quy luật kết tinh giống như giản đồ loại I;

+ Các hợp kim có thành phần nằm trong khoảng FC’ và D’G

có quyluật kết tinh hơi khác;

Trang 10

- Xétsự kết tinh của hệ hợp kim 60%Pb – 40%Sn

+ Tại điểm 1 – 3000C tồn tại pha lỏng

+ Tại điểm 2 – 2450C,

2’–dung dịch rắn (13,3%Sn)

+Tại điểm 3 – 2000C,chứa:

- Dungdịch rắn: a’ – 18,5%Sn;

- Phalỏng: a’’ – 57%Sn

L+

- Tỉ lệ giữa các pha tại 2000C:

  21 , 5

17 18,5 -40

40 -57 L

α

' a'

a'



% 84 , 55 5 , 38

5 , 21 ' a' a'

3a'

La''  



,16%

4 38,5

17 ' a' a'

' 3a'

αa'  



L+

4 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại IV

- Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B không hoà tan vào

nhau ở trang thái rắn nhưng tạo nên pha trung gian ổn định

- Pha trung gian có côngthức

tổng quát là AmBn (viết tắt là

H)được biểu thị bằng đường

thẳng đứng, còn điểm H là

điểm chảy của nó

4 Giản đồ trạng thái hai nguyên loại IV

Trang 11

Ví dụ 1: Xét hợp kim 40%Si-60% Al% (% khối lượng) tại 700 C

trên giản đồ

1 Xác định % khối lượng pha

lỏng L và pha rắn β (gần

đúng)

a) 25% L và 75% β

b) 20% L và 80% β

c) 75% L và 25% β

d) 80% L và 20% β

Giải:

%L = MB/ABx100% =

60/80x100% =75

%β= MA/ABx100%=

20/80x100% = 25%

2 Xác định thành phần pha lỏng của trường hợp trên

a) 20% Si và 80% Al

b) 25% Si và 75% Al c) 80% Si và 20% Al d) 75% Si và 25 Al

Giải:

Từ điểm A hạ đường thẳng vuông góc với trục hoành

Thành phần pha lỏng L là 20%

Si và 80%-Al

3 Xác định khối lượng tổ

chức cùng tinh:

a) 12.6%

b) 31.4%

c) 68.6%

d) 88.8%

Giải:

Tại điểm N tách ra lỏng (tổ chức

cùng tinh tại điểm I) và rắn β

(điểm J) % khối lượng của tổ chức

cùng tinh tại điểm I:

% LE = (99.83-40)/(99.83-12.6) =

68.6%

4 Xác định bậc tự do của hợp kim trên tại 700oC

a) -1 b) 0

c) 1

d) 2

Giải:

C: số cấu tử 2 (Chỉ có Si và Al)

P: Số pha = 2 (Lỏng L + rắn β)

F = 2 – 2 + 1 = 1

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	31,61 MB