Chương 3:Giáo trình Khoa học vật liệu

80 Phần II Hợp kim biến đổi tổ chức Chương Hợp kim giản đồ pha Trong thực tế, đặc biệt khí xây dựng, người ta không dùng kim loại nguyên chất, nguyên tố hóa học hợp chất hóa học mà thường tổ hợp chất Khi hòa trộn nguyên tố, hợp chất hóa học với cách nấu chảy lỏng chúng, trình làm nguội chất đưa vào có tương tác với nhau, tạo nên cấu trúc có tính chất khác đi, khác hẳn, vật liệu trở nên đa dạng hơn, thích ứng sử dụng Chính chương giải vấn đề cho hệ hợp kim (vật liệu kim loại) nguyên lý cho hợp kim hoàn toàn thích hợp ứng dụng cho hệ vật liệu vô - ceramic cho hệ vật liệu hữu - polyme 3.1 Cấu trúc tinh thể hợp kim 3.1.1 Khái niệm hợp kim a Định nghĩa Hợp kim vật thể nhiều nguyên tố mang tính kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim) Hợp kim tạo thành sở kim loại: hai kim loại với (như latông: Cu Zn) mà kim loại với kim (như thép, gang: Fe C), song nguyên tố kim loại, hợp kim đơn giản hay nguyên tố kim loại với hai hay nhiều nguyên tố khác, hợp kim phức tạp Nguyên tố kim loại chính, chứa nhiều (> 50%) gọi hay nguyên tố chủ Thành phần nguyên tố hợp kim (và ceramic) thường biểu thị phần trăm khối lượng (khi phần trăm nguyên tử phải định rõ kèm theo), polyme biểu thị phần trăm thể tích b ưu việt hợp kim Các kim loại nguyên chất thể rõ ưu việt dẫn nhiệt, dẫn điện chúng có tiêu cao dây dẫn điện làm nhôm, đồng nguyên chất Tuy nhiên chế tạo khí, thiết bị, đồ dùng vật liệu đem dùng thường hợp kim so với kim loại nguyên chất có đặc tính phù hợp sử dụng, gia công kinh tế 1) Trước hết vật liệu khí phải có độ bền cao để chịu tải cao làm việc đồng thời không giòn để dẫn đến phá hủy Các kim loại nguyên chất nói chung dẻo (rất dễ dát mỏng, kéo sợi trạng thái nguội - 81 nhiệt độ thường) có độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn xa hợp kim (từ vài ba đến hàng chục lần) Nhờ dùng hợp kim tuổi bền máy, kết cấu tăng lên gấp bội Tuy nhiên độ bền, độ cứng tăng lên thường dẫn đến làm giảm độ dẻo, độ dai gây giòn song phải ®đ, tèt sư dơng Qut ®Þnh chän ®é bỊn, độ cứng cao đến mức bị hạn chế độ dẻo độ dai cho phép cho trường hợp cụ thể để vừa chịu tải tốt vừa không bị phá hủy giòn Nhờ hợp kim loại vật liệu có kết hợp tốt đặc tính học kể với tỷ lệ áp đảo máy móc thiết bị 2) Tính công nghệ đa dạng thích hợp Để tạo thành bán thành phẩm sản phẩm, vật liệu phải có khả chế biến thích hợp gọi tính công nghệ Kim loại nguyên chất dễ biến dạng dẻo khó cắt gọt, đúc không hóa bền nhiệt luyện Trái lại, hợp kim với nhiều chủng loại khác có tính công nghệ đa dạng phù hợp với điều kiện riêng gia công, chế tạo sản phẩm cụ thể - Hầu hợp kim tạo hình hai phương pháp: biến dạng dẻo: cán, kéo, ép chảy (chủ yếu cho bán thành phẩm dài), rèn (tạo phôi cho cắt gọt), dập (thành sản phẩm) đúc (chủ yếu cho sản phẩm có hình dạng phức tạp) - Nói chung hợp kim có tính gia công cắt định để bảo đảm sản phẩm có kích thước, hình dạng xác, bề mặt nhẵn bóng, điều đặc biệt quan trọng lắp ghép với máy móc, thiết bị - Nhiều hợp kim, đặc biệt thép (chiếm tới 90% tổng sản lượng vật liệu kim loại) nhạy cảm với nhiệt luyện để tạo tính đa dạng phù hợp với điều kiện làm việc gia công 3) Trong nhiều trường hợp, luyện hợp kim đơn giản rẻ so với luyện kim loại nguyên chất, chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào Có thể thấy điều qua hai trường hợp thường gặp sau - So với luyện sắt nguyên chất, luyện hợp kim Fe - C (thép gang) đơn giản nhiệt độ chảy thấp (xem hình 3.18) không ph¶i hay Ýt ph¶i khư bá cacbon s¶n phÈm lò cao Xét mặt đòi hỏi độ bền cao, việc luyện sắt đòi hỏi khử bỏ cacbon tạp chất khác cách triệt để không cần thiết mà có hại - Khi pha Zn vào kim loại chủ Cu ta latông vừa bền lại vừa rẻ (do kẽm rẻ đồng nhiều) c Một số khái niệm Khi khảo sát hợp kim vật liệu khác, thường gặp số khái niệm cần phân định cho rõ ã Cấu tử nguyên tố (hay hợp chất hóa học bền vững) cấu tạo nên hợp kim Ví dụ latông (hợp kim Cu-Zn) có hai cấu tử Cu Zn Nhiều phân biệt cấu tử hòa tan với cấu tử dung môi (mục 3.1.2a) ã Hệ từ dùng để tập hợp vật thể riêng biệt hợp kim điều kiện xác định loạt hợp kim khác với cấu tử giống ã Pha tổ phần đồng hệ (hợp kim) có cấu trúc tính chất - lý - hóa xác định, pha có bề mặt phân cách Các đơn chất, dung dịch lỏng, dung dịch rắn, chất khí, dạng thù hình pha khác VÝ dơ: 82 - N­íc ë 00C lµ hƯ mét cấu tử (hợp chất hóa học bền vững H2O) có hai pha (pha rắn: nước đá, pha lỏng: nước) - Chi tiết hợp kim Cu - Ni (hình 3.10b vµ 3.11) lµ hƯ hai cÊu tư (Cu vµ Ni) song có pha (dung dịch rắn hai kim loại đó) ã Trạng thái cân (ổn định) Về mặt nhiệt động học, trạng thái cân hay ổn định gắn liền với khái niệm lượng tự đại lượng phụ thuộc vào lượng dự trữ (nội năng) hệ mức độ xếp trật tự nguyên tử, phân tử Hệ trạng thái cân (ổn định) pha có lượng tự nhỏ điều kiện nhiệt độ, áp suất thành phần xác định Điều có nghĩa điều kiện đặc tính (cấu trúc, tính chất) hệ hoàn toàn không biến đổi theo thêi gian, cø tån t¹i nh­ vËy m∙i m∙i Thông thường hệ với pha trạng thái cân b»ng bao giê cịng cịng cã ®é bỊn, ®é cøng thấp nhất, ứng suất bên trong, xô lệch mạng tinh thể hình thành làm nguội với tốc độ chậm Hình 3.1 Sơ đồ biểu thị vị trí ổn định (1), không ổn định (2) giả ổn định (3) ã Trạng thái không cân (không ổn định) Khi thay đổi nhiệt độ áp suất kéo theo tăng lượng tự do, hệ trở nên không cân bằng, lúc ®ã rÊt cã thĨ hƯ cã biÕn ®ỉi ®ét ngét sang trạng thái cân với lượng tự nhỏ tức có chuyển pha Nói chung trạng thái (tổ chức) không cân không ổn định, luôn có xu hướng tự biến đổi sang trạng thái (tổ chức) cân bằng, ổn định, bị nung nóng; nhiên nhiều trường hợp, nhiệt độ thường trình biến đổi không nhận thấy hay với tốc độ nhỏ nên thực tế trạng thái không cân tồn lâu dài, mặt lý thuyết tồn vĩnh viễn Trạng thái (tổ chức) không cân có ý nghĩa quan trọng thực tế thường đáp ứng yêu cầu tính (bền, cứng) cao Trạng thái không cân hình thành với tốc độ nguội nhanh nhiều hợp kim, đặc biệt thép sử dụng (làm việc) trạng thái ã Trạng thái giả ổn định Cũng tồn khái niệm trạng thái (tổ chức) giả ổn định trạng thái cân hay ổn định tuyệt đối tồn lý thuyết, đòi hỏi phải làm nguội vô chậm đến møc rÊt khã x¶y thùc tÕ (xem vÝ dơ ë hỵp kim Fe - C, mơc 3.3) VËy giả ổn định thực chất không ổn định thực tế lại tồn cách ổn định bị nung nóng phạm vi Để phân biệt ba trạng thái (tổ chức) dùng sơ đồ hình 3.1: tự nhiên viên bi vị trí trạng thái ổn định (năng lượng dự 83 trữ) nhỏ nhất; vị trí rõ ràng không ổn định lớn nhất, dễ dàng chuyển sang vị trí 1, 3; vị trí coi giả ổn định, tương đối thấp cao vị trí song khó hay chuyển vị trí phải vượt qua hàng rào lượng G lớn d Phân loại tương tác Phương pháp chế tạo hợp kim thông dụng hòa trộn (nấu chảy làm nguội) cấu tử trạng thái lỏng nói chung cấu tử tương tác với tạo nên dung dịch lỏng - pha đồng Người ta đặc biệt quan tâm đến tương tác cấu tử trạng thái rắn điều định cấu trúc tính chất hợp kim có hai trường hợp lớn xảy ra: không có tương tác với Khi hai cấu tử A B tương tác với nhau, tức "trơ" với nhau, nguyên tử, ion cấu tử không đan xen vào nhau, chúng giữ lại hai kiểu mạng cấu tử thành phần, dạng hạt riêng rÏ cđa hai pha n»m c¹nh víi tỉ chøc tế vi biểu thị hình 3.2a, hỗn hợp A + B Khi hai cÊu tư A vµ B cã tương tác với nhau, tức nguyên tử cấu tử đan xen vào tạo nên pha nhất, không lại hạt riêng rẽ cấu tử, lúc có hai trường hợp xảy ra: - hòa tan thành dung dịch rắn, lúc hợp kim giữ lại hai kiểu mạng ban đầu làm nền, có tổ chức pha kim loại nguyên chất (hình 3.2b), Hình 3.2 Tổ chức tế vi hợp kim hai kim loại: a.không tương tác với A+B, b hòa tan với thành dung dịch rắn A(B) - phản ứng hóa học với thành hợp chất hóa học, lúc không hai kiểu mạng ban đầu, mà tạo nên kiểu mạng khác hẳn Lần lượt khảo sát hai kiểu tương tác 3.1.2 Dung dịch rắn a Khái niệm - phân loại Giống dung dịch lỏng, cấu tử nhiều gọi dung 84 môi chất tan, dung dịch rắn phân biệt chúng theo cách: cấu tử giữ lại kiểu mạng gọi dung môi, nguyên tử chất hòa tan xếp lại mạng dung môi cách đặn ngẫu nhiên Như dung dịch rắn pha đồng có cấu trúc mạng dung môi (tức nguyên tố chủ) với thành phần (hay gọi nồng độ) thay đổi phạm vi mà không làm đồng Ký hiệu dung dịch rắn A(B) có kiểu mạng A cấu tử dung môi, B cấu tử hòa tan; B(A) có kiểu mạng B dung môi, A - chất tan Các nguyên tử hòa tan xếp lại mạng tinh thể dung môi theo hai kiểu khác nhau, tương ứng với hai loại dung dịch rắn: thay xen kẽ biểu thị hình 3.3 vòng tròn gạch chéo tô đen biểu thị nguyên tử hòa tan mạng cấu tử dung môi (vòng trắng) Rõ ràng yếu tố hình học có ý nghĩa quan trọng Hình 3.3 Sơ đồ xếp nguyên tử hòa tan thay xen kẽ vào dung môi có mạng lập phương tâm mặt, mặt (100) Lần lượt xét loại dung dịch rắn b Dung dịch rắn thay Trong dung dịch rắn thay nguyên tử hòa tan chiếm chỗ hay thay vào vị trí nút mạng kim loại chủ, tức có kiểu mạng số nguyên tử ô sở cấu tử dung môi Về mặt hình học thấy thay nguyên tử nguyên tử khác nhiều gây xô lệch mạng hai nguyên tố có đường kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau, thay xảy nguyên tố có kích thước nguyên tử khác kim loại với sai lệch không 15% Vượt giới hạn thay lẫn khó làm mạng xô lệch mạnh, trở nên ổn định Sự thay dung dịch rắn thường có hạn nồng độ chất tan tăng mạng bị xô lệch nồng độ bo hòa, lúc tăng tạo nên pha (dung dịch rắn khác hay pha trung gian), nồng độ bo hòa gọi giới hạn hòa tan Trong thực tế có số cặp kim loại chúng hòa tan vô hạn vào tức tạo nên dy dung dịch rắn có nồng độ thay đổi cách liên tục từ 100%A + 0%B qua 50%A + 50 %B cho ®Õn 0%A + 100%B biểu thị hình 3.4 Người ta nhận thấy có bốn yếu tố ảnh hưởng đến khả hòa tan vô hạn hay có hạn cặp nguyên tố (ở yếu tố cần mà chưa đủ 85 cặp thỏa mn bốn yếu tố tạo thành dung dịch rắn vô hạn) tương quan sau Hình 3.4 Sơ đồ thay để tạo nên dÃy dung dịch rắn liên tục (hòa tan vô hạn) hai kim loại A B lượng B tăng dần: a nguyên tố A; b, c, d dÃy dung dịch rắn liên tục A B; e nguyên tố B - Tương quan kiểu mạng: kiểu mạng hòa tan vô hạn, khác kiểu mạng hòa tan có hạn - Tương quan kích thước: đường kính nguyên tử sai khác (< 8%) hòa tan vô hạn, sai khác nhiều (8 ữ 15%) hòa tan có hạn, sai khác nhiều (> 15%) có khả không hòa tan lẫn - Tương quan nồng độ điện tử (số lượng điện tử hóa trị tính cho nguyên tử): đại lượng vượt giá trị xác định loại dung dịch rắn đ cho tạo nên pha khác tức dung dịch rắn có hạn Chỉ nguyên tố hóa trị hòa tan vô hạn vào nhau, nguyên tố khác hóa trị hòa tan có hạn - Tương quan tính âm điện Trong hóa học tính âm điện thường dùng để biểu thị khả tương tác hóa học tạo thành phân tử Nếu hai nguyên tố có tính âm điện khác biệt nhiều dễ tạo nên hợp chất hóa học, pha trung gian, hạn chế khả hòa tan vào thành dung dịch rắn ngược lại Hai tương quan sau thường đánh giá qua gần bảng tuần hoàn: nguyên tố nhóm hay nhóm cạnh thường có cấu tạo lớp vỏ điện tử hóa trị, tính âm điện đặc tính lý - hóa (đặc biệt nhiệt độ chảy) giống nhau, dễ tạo thành dung dịch rắn hòa tan vô hạn Chỉ cần không đạt bốn yếu tố dung dịch rắn tạo thành có hạn Đa số cặp nguyên tố tạo nên loại dung dịch rắn Các cặp nguyên tố hình thành dung dịch rắn vô hạn xảy kim loại, số cặp chúng thỏa mn điều kiện kể Ví dụ: Ag Au (mạng A1, ∆r = 0,20%, cïng nhãm IB), Cu - Ni (mạng A1, r = 2,70%, IB VIII), Fe - Cr (mạng A2, r = 0,70%, VIB VIII) Nói chung phân bố nguyên tử hòa tan mạng tinh thể chủ (dung môi) đặn, có tính ngẫu nhiên gọi dung dịch rắn không trËt tù Tuy nhiªn ë mét sè hƯ (vÝ dơ hƯ Au - Cu) mét sè ®iỊu kiƯn (nhiƯt độ, nồng độ) nguyên tử hòa tan phân bố đặn song lại có quy luật (ví dụ mạng A1, chúng chiếm tất đỉnh tất mặt bên hình lập phương), lúc có dung dịch rắn trật tự với thành phần (nồng độ) cố định hay biến đổi hẹp có tính chất khác (nói chung giòn hơn) 86 c Dung dịch rắn xen kẽ Trong dung dịch rắn xen kẽ nguyên tử hòa tan phải có kích thước bé hẳn để lọt vào lỗ hổng mạng kim loại chủ (dung môi), tức có kiểu mạng kim loại chủ số nguyên tử ô sở tăng lên Như đ nói chương 1, tất lỗ hổng nhỏ nên số kim với bán kính nguyên tử bé như: hyđrô (0,046nm), nitơ (0,071nm), cacbon (0,077nm) bo (0,091nm) có khả hòa tan xen kẽ vào kim loại chuyển tiếp có bán kính nguyên tử lớn sắt (0,1241nm), crôm (0,1249nm), vonfram (0,1371nm), môlipđen (0,136nm), vanađi (0,132nm), titan (0,145nm) Lỗ hổng lớn mạng tinh thể kim loại loại tám mặt A1 có rlỗ / rchủ 0,414, thực tế trừ H kim nhỏ đến mức vừa kích thước này, nhiên chen vào số lỗ hổng đẩy nguyên tử chủ bao quanh gin ra, gây xô lệch mạnh mạng (hình 3.5a) Do số lỗ hổng có hạn nguyên tử kim chui vào lỗ hổng mạng (vì gây xô lệch mạnh làm ổn định) nên dung dịch rắn xen kẽ có loại hòa tan vô hạn, loại có hạn, độ hòa tan thường nhỏ nhỏ Có thể thấy rõ điều xét hợp kim Fe - C với hai dung dịch rắn xen kẽ điển hình cacbon sắt austenit (mục 3.3.2c) mactenxit (mục 4.2.4a) Sự thay gây xô lệch mạng, tùy theo quan hệ kích thước nguyên tử mà nguyên tử chủ bao quanh nguyên tử hòa tan bị gin rht > rchủ (hình 3.5b) hay co vào rht < rchủ (hình 3.5c) Hình 3.5 Sự xô lệch mạng dung dịch rắn: a hßa tan xen kÏ, b hßa tan thay thÕ rht > rchđ, c hßa tan thay thÕ rht 0,59 sÏ tạo nên hợp chất với mạng tinh thể phức tạp (được gọi pha xen kẽ với mạng phức tạp) với công thức phức tạp M3X, M7X3, M23X6 Đặc tính bật pha xen kẽ có nhiệt độ chảy cao (thường > 2000 o ÷ 3000 C), rÊt cøng (HV > 2000 ÷ 5000) giòn, có vai trò lớn hóa bền, nâng cao tính chống mài mòn chịu nhiệt hợp kim Do hyđrô nitơ có kích thước nguyên tử nhỏ nên tỷ số < 0,59, hyđrit, nitrit pha xen kẽ mạng đơn giản Các nitrit Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N tạo thành thấm nitơ nâng cao mạnh độ cứng, tính chống mài mòn thép Do cacbon có kích thước nguyên tử lớn nên tạo thành pha xen kẽ có kiểu mạng đơn giản WC, TiC, Mo2C, VC chúng tạo nên cacbit với kiểu mạng phức tạp Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6 Các cacbit thành phần chủ yếu hợp kim cứng có thép có tác dụng làm tăng độ cứng tính chống mài mòn c Pha điện tử (Hum - Rothery) Là hợp chất hóa học có nồng độ ®iƯn tư N (sè ®iƯn tư hãa trÞ tÝnh cho nguyên tử) xác định là: 3/2 (21/14), 21/13 7/4 (21/12), mà tỷ lệ ứng với cấu trúc mạng phức tạp định Với nồng độ điện tử 3/2 gọi pha với kiểu mạng lập phương tâm khối hay lập phương phức tạp sáu phương, với nồng độ 21/13 gọi pha với mạng phức tạp, với nồng độ 7/4 gọi pha với mạng sáu phương xếp chặt Pha điện tử tạo thành kim loại hai nhóm: hóa trị (Cu, Ag, Au, Li, Na) vµ chun tiÕp (Mn, Fe, Co ) víi hãa trị từ hai đến năm (Be, Mg, Zn, Cd, Al ) Ví dụ hệ Cu - Zn tạo nên loạt pha điện tử: CuZn (pha , N = 3/2), Cu5Zn8 (pha γ, N = 21/13), CuZn3 (pha ε, N = 7/4) d Pha Laves Tạo nên hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính nguyên tử rA / rB = 1,2 (cã thĨ biÕn ®ỉi khoảng 1,1 ữ 1,6) với công thức AB2 có kiểu mạng sáu phương xếp chặt MgZn2, MgNi2 hay lập phương tâm mặt (MgCu2) Ngoài pha hợp kim gặp pha khác , , , Do đặc tính bật giòn nên không dùng hợp kim với tỉ chøc chØ cã mét pha nhÊt lµ pha trung gian Trong hợp kim lượng pha trung gian thường chiếm tỷ lệ nhỏ < 10% (đôi tới 20 ữ 30%), bên cạnh dung dịch rắn, có tác dụng cản trượt tăng độ bền, độ cứng 3.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử Tuy đ biết tương tác xảy hai nguyên tố, qua xác định cụ thể xác tương tác không dựa thực nghiệm để xây dựng giản đồ pha cho cặp cụ thể Giản đồ pha giản đồ biểu thị biến đổi tổ chức pha vào nhiệt độ thành phần hệ trạng thái cân Như nói chung giản đồ pha hoàn toàn phù hợp với hợp kim trạng thái cân (làm nguội chậm hay trạng thái ủ), 89 trường hợp làm nguội thông thường (trong không khí) thường gây nhiều sai khác, không hoàn toàn hay không phù hợp với giản đồ pha Tuy nhiên giản đồ pha sở xác định cấu trúc hợp kim đ cho (ứng với thành phần nhiệt độ xác định), sai lệch xuất hoàn toàn lý giải Vì giản đồ pha công cụ quan trọng để khảo sát hợp kim (và ceramic), qua biết điều yếu cấu trúc Biết đọc phân tích giản đồ pha điều cần thiết sở để hiểu sử dụng tốt hợp kim ceramic Do hạn chế thời gian trình bày giản ®å pha cđa hƯ hai cÊu tư, tøc chØ øng với hợp kim đơn giản 3.2.1 Quy tắc pha ứng dụng Trạng thái cân hệ xác định yếu tố bên (thành phần hóa học) bên (nhiệt độ, áp suất), nhiên yếu tố phụ thuộc lẫn Bậc tự số lượng yếu tố độc lập thay đổi giới hạn xác định mà không làm thay đổi trạng thái hệ, tức không làm thay đổi số pha đ có Quan hƯ gi÷a sè pha P (phase), sè cÊu tư C (component) số bậc tự F (freedom) xác định định luật hay quy tắc pha Gibbs (bằng toán học chứng minh quy tắc này) Do việc nghên cứu sử dụng vật liệu thường diễn khí nên ảnh hưởng áp suất không tính đến nên số yếu tố bên lại (là nhiệt độ) quy tắc pha có dạng sau: F=C-P+1 Nếu F = hệ vô biến, yếu tố thay đổi được, lúc P = C + (số pha nhiều số cấu tử một) Ví dụ kim loại nguyên chất (C = 1) nóng chảy hay kết tinh tồn hai pha (P = 2, láng, r¾n), sè bËc tù b»ng không (F = - + 1), điều chứng tỏ kim loại nguyên chất kết tinh hay nóng chảy xảy nhiệt độ không đổi Nếu F =1 hệ đơn biến, có yếu tố (hoặc nhiệt độ thành phần) thay đổi được, lúc P = C (số pha b»ng sè cÊu tư) VÝ dơ, hỵp kim Cu - Ni nhiệt độ thường có tổ chức dung dịch rắn, nung nóng chảy thành dung dịch lỏng, trình nóng chảy số pha hợp kim hai (dung dịch rắn, lỏng), số bËc tù b»ng mét (F = - + 1), điều chứng tỏ trình xảy khoảng nhiệt độ (tức nhiệt độ biến đổi) nhiệt độ trình nóng chảy ta thay đổi chút thành phần (thêm bớt Cu, Ni) mà giữ cho hợp kim trạng thái hai pha Nếu F = hệ nhị biến, lúc thay đổi hai yếu tố nhiệt độ thành phần, lúc P = C - (số pha số cấu tử một) Ví dụ, phần lớn hệ hai cấu tử trạng thái lỏng hòa tan vô hạn vào nên lúc có pha dung dịch láng vµ sè bËc tù b»ng hai (F = - + 1), điều chứng tỏ trạng thái lỏng hệ ta thay đổi đồng thời nhiệt độ thành phần dễ dàng mà tồn pha Rất thường gặp trường hợp kể khảo sát giản đồ pha Cần ý số bậc tự có giá trị âm, giá trị nhỏ b»ng kh«ng, vËy sè pha nhiỊu nhÊt cđa hƯ trạng thái cân Pmax = C + tức lớn số cấu tử đơn vị Như hệ cấu tö Pmax = 2, hai cÊu tö Pmax 97 phÝa + Có thể chia hợp kim hệ thành ba nhãm sau • Nhãm chøa rÊt Ýt cÊu tư thứ hai (bên trái F, bên phải G), sau kết tinh xong có dung dịch rắn , có đặc tính giản đồ loại II ã Nhóm chứa lượng hạn chế cấu tử thứ hai (từ F đến C D đến G), ban đầu kết tinh dung dịch rắn, song nhiệt độ hạ xuống thấp đường CF DG chúng trở nên bo hòa, tiết lượng cấu tử hòa tan thừa dạng dung dịch rắn thứ cấp (α thõa B tiÕt pha βII giµu B, β thừa A tiết pha II giàu A) ã Nhóm chøa l­ỵng lín cÊu tư thø hai [tõ C (C’) đến D (D)], ban đầu kết tinh dung dịch rắn (C hay D), pha lỏng lại biến đổi thành phần theo đường lỏng đến điểm E, có kết tinh tinh Các hợp kim nhóm có diễn biến kết tinh giống với giản đồ loại I Ví dụ, xét hợp kim tr­íc cïng tinh cã 40%Sn cđa hƯ Pb - Sn (hình 3.12b) - cao 245oC hợp kim hoàn toàn trạng thái lỏng - Tại 245oC hợp kim bắt đầu kết tinh với 13,3%Sn, làm nguội tiếp tục dung dịch rắn tạo thành pha lỏng lại biến đổi thành phần theo chiều tăng lên hàm lượng Sn Ví dụ, 200oC pha α chøa 18,5%Sn (a’) vµ L chøa 57%Sn (a), tỷ lệ chúng a / La = (57 - 40) / (40 - 18,5) = 17 / 21,5 vËy pha αa’ chiÕm tû lƯ 44,2% vµ La’’ - 55,8% - Đến nhiệt độ tinh 183oC, trước kÕt tinh cïng tinh tû lƯ gi÷a hai pha nµy lµ αC / LE = (61,9 - 40) / (40 - 19,2) = 21,9 / 20,8 Cịng t¹i nhiƯt độ sau phản ứng tinh LE (C + βD), hỵp kim cã tỉ chøc αC + (αC + βD) víi tû lƯ αC / (αC + βD) cịng b»ng 21,9 / 20,8 H×nh 3.13 Tỉ chøc tÕ vi cđa hỵp kim Pb - Sb: a cïng tinh (α+β), mµu tèi lµ α giµu Pb, b tr­íc cïng tinh với 40%Sn [ độc lập hạt lớn màu tối bị bao bọc tinh (+)] Như vËy tỉ chøc ci cïng cđa hỵp kim cã hai loại dung dịch rắn : loại kết tinh độc lËp ë vïng α + L (ë cao h¬n 183oC) loại kết tinh 98 với nhiệt độ không đổi (183oC) gọi cïng tinh NÕu tÝnh tû lƯ gi÷a hai pha β (chỉ có tinh) (gồm loại độc lập lẫn loại tinh) 183oC cã β / α = (40 - 19,2) / (97,5 - 40) = 20,8 / 57,5, nªn β chiÕm tû lệ 26,6%, chiếm tỷ lệ 73,4% Trên hình 3.13 tổ chức tế vi hai hợp kim hệ Cùng tinh Pb - Sn bao gồm phần tử Pb nhỏ mịn tối phân bố Sn sáng (hình a) Còn hợp kim trước tinh khảo sát có tổ chức tế vi (hình b): hạt Pb kết tinh trước (hạt tối, to) phần tinh (Pb + Sn) hình a Rõ ràng pha tổ chức kết tinh nhiệt độ thấp hạt nhỏ mịn 3.2.6 Giản đồ loại IV Là giản đồ pha hai cấu tử với tương tác phản ứng hóa học với tạo pha trung gian AmBn, có dạng tổng quát trình bày hình 3.14a hệ điển hình có kiểu hệ magiê - canxi (Mg-Ca) hình 3.14b, có dạng ghép hai giản đồ loại I: A- AmBn (Mg - Mg4Ca3) vµ AmBn-B (Mg4Ca3- Ca) ë AmBn pha trung gian ổn định với nhiệt độ chảy cố định, không bị phân hủy trước nóng chảy coi cấu tử, Hợp kim đem xét có thành phần nằm giản đồ xét phạm vi giản đồ Hình 3.14 Dạng tổng quát giản đồ loại IV (a) giản đồ pha hệ Mg - Ca (b) Trên bốn giản đồ pha hai cấu tử Nói có nghĩa nhiều kiểu giản đồ pha phức tạp với phản ứng khác 3.2.7 Các giản đồ pha với phản ứng khác Phản ứng bao tinh (peritectic) phản ứng pha lỏng (L) với pha rắn (S1) sinh trước để tạo thành pha rắn (S2): L + S1 S2 Khác với phản ứng tinh đ học L (S1 + S2), đặc điểm phản ứng bao tinh không xảy tới (tức không hoàn toàn), S2 tạo thành bao bọc lấy S1 tạo nên lớp màng ngăn cách không cho L S1 tiếp xúc với để phản ứng tiếp tục, làm nguội chậm Có thể thấy phản ứng hợp kim Fe - C với 0,1 ữ 0,5%C với phản ứng L0,5 + 0,1 0,16 xảy 1499oC (xem hình 3.18 mục 3.3.2b) 99 Phản ứng tích (eutectoid) phản ứng tạo nên đồng thời hai pha rắn S1, S2 từ pha rắn ban đầu S [S1 + S2] Vậy khác phản ứng tinh pha ban đầu (ở tinh pha lỏng, tích pha rắn) ký hiệu ngoặc vuông [ ] Có thể thấy phản ứng hợp kim Fe - C: Fe(C)0,8 [Fe + Fe3C] (xem hình 3.18 mục 3.3.2b) Sự tiết pha khỏi dung dịch rắn Trở lại giản đồ pha hệ Pb - Sn (hình 3.12b), hy xem điều xảy với dung dịch rắn có hạn với nồng độ chất tan giảm làm nguội Trên giản đồ pha, giới hạn hòa tan Sn Pb biểu thị đường cong CF Tại nhiệt độ tinh giới hạn 19,2%, nhiệt độ thường 2%Sn Với hợp kim có 10%Sn kết tinh bắt đầu 310oC kết thúc 260oC với tạo nên pha (với 10%Sn) Trong khoảng từ 260oC đến 130oC pha ổn định giới hạn hòa tan lớn 10%Sn, từ 130oC trở xuống giới hạn hòa tan Sn Pb nhỏ 10%, nên phần Sn thừa tiết khỏi pha dạng pha giàu Sn nhiệt độ thường pha chứa 2%Sn pha lại hòa tan Pb nên coi Sn nguyên chất Ta có tỷ lệ hai pha ®ã nh­ sau: pha α chiÕm tû lƯ (100 - 10) / (100 - 2) = 0,92 hay 92%, pha β chiÕm tû lÖ (10 - 2) / (100 - 2) = 0,08 hay 8% Pha β t¹o thành tiết pha từ dung dịch rắn ký hiệu II để phân biệt với hay I tạo thành từ pha lỏng (cũng II phân biệt với hay I ) Đáng ý xảy trạng thái rắn, nhiệt độ thấp, khuếch tán khó khăn nên pha thứ hai cứng tiết có dạng phần tử nhỏ mịn, phân tán, phân bố pha mẹ, nâng cao mạnh độ bền nhiều hợp kim, hiệu ứng gọi hóa bền tiết pha Với nhiều nguyên tố, hợp chất hóa học có biến đổi thù hình theo nhiệt độ, giản đồ pha chúng có dạng phức tạp nhiều, Ngoài đường CF, DG xuất nhiều đường khu vực đường đặc Dạng điển hình loại giản đồ hệ Fe - C khảo sát mục 3.3 3.2.8 Quan hệ dạng giản đồ pha tính chất hợp kim a Tính chất pha thành phần Pha thành phần pha tạo nên tổ chức hợp kim Khi hợp kim có tổ chức pha pha thành phần đồng (đồng nghĩa) với hợp kim; tính chất hợp kim tính chất pha Trường hợp tổ chức hỗn hợp nhiều pha tính chất hợp kim tổng hợp hay kết hợp tính chất pha thành phần Như khảo sát phần trên, pha thành phần tạo nên tổ chức hợp kim nguyên tố hóa học, dung dịch rắn, pha trung gian thường gặp hợp kim với tổ chức hỗn hợp dung dịch rắn pha trung gian Hy xem hai pha có tính chất phụ thuộc vào cấu tử thành phần nào? Như đ nói, dung dịch rắn mang đặc tính cấu tử (dung môi, chủ với tỷ lệ áp đảo từ 50 đến gần 100%) song chịu ảnh hưởng rõ rệt cấu tử hòa tan Khi đưa thêm cấu tử vào, tính chất biến đổi không đều: thay đổi mạnh, sau mức độ thay đổi giảm (sẽ đạt đến cực trị 100 trường hợp hòa tan vô hạn) Vì biểu thị hình 3.15, tính chất dung dịch rắn phụ thuộc vào nồng độ chất tan theo đường cong, dốc lên hay xuống, nhiều hay tïy tÝnh chÊt vµ hƯ thĨ Quan hƯ tÝnh chất - nồng độ thông thường xác định thực nghiệm Hình 3.15 Sự biến đổi tính chất dung dịch rắn theo thành phần (nồng độ chất tan), vẽ tương ứng với dung dịch rắn có hạn biểu thị phần trên, PA, P'A tính chất cụ thể cấu tử (dung môi) Hình 3.16 Tính chất hợp kim hỗn hợp hai pha (vùng gạch chéo: xê dịch tính chất vùng phụ cận thành phần tinh tích) Khác với dung dịch rắn, pha trung gian xuất đưa cấu tử thứ hai vào với lượng vượt giới hạn hòa tan, có cấu trúc mạng nói chung phức tạp khác hẳn với cấu tử thành phần nên pha trung gian thường có tính chất không phụ thuộc vào thành phần khác hẳn tính chất cấu tử nguyên chất Ví dụ, kim loại nguyên chất thường dẻo, dai mềm, pha trung gian (hợp chất liên kim loại) thường giòn, nhiều trường hợp có độ cứng cao cao b Tính chất hỗn hợp pha Tính chất hỗn hợp pha tổng hợp hay kết hợp tính chất pha số lượng (tỷ lệ) chúng Ví dụ, xét hợp kim có giản đồ loại I hình 3.16 (phần trên), có tổ chức A + B, víi b%B vµ (100 - b)%A Pha A có tính chất đ cho PA, pha B PB, lúc tính chất hợp kim PHK = (100 - b)%.PA + b%.PB hay PHK = PA + b%.(PB - PA) Quan hƯ nµy cã thĨ biểu diễn hình 3.16 (phần dưới): tính chất hợp kim biến đổi theo quan hệ bậc với tính chất hai pha thành phần 101 biến đổi theo thành phần với quan hệ đường thẳng (nối giá trị tính chất hai pha đó) Tuy nhiên mối quan hệ đường thẳng cỡ hạt pha phân bố đặn Trong trường hợp hạt nhỏ đi, tính chất đạt cao thấp so với quan hệ này, độ bền, độ dẻo, độ dai cao hẳn Chính lý mà tính chất hợp kim không tuân theo quan hệ đường thẳng điểm tinh, tích vùng phụ cận Hình 3.17 Tính chất hợp kim giản đồ pha, PA PB tính chất cấu tử nguyên chất tương ứng c Quan hệ giản đồ pha tính chất hợp kim 102 Trên hình 3.17 đưa bốn dạng giản đồ pha thường gặp thay đổi tính chất theo thành phần dạng giản đồ Trong trường hợp hai cấu tử hòa tan vô hạn vào nhau, tính chất biến đổi theo thành phần với quan hệ đường cong có cực trị (hình a vẽ cho trường hợp cực đại) Trường hợp hai cấu tử tạo nên hỗn hợp tùy theo dạng hỗn hợp có ba kiểu sau - Hình b giản đồ pha với hỗn hợp hai cấu tử nguyên chất tính chất biến đổi theo thành phần với quan hệ đường thẳng chạy suốt trục hoành từ PA đến PB - Hình c giản đồ pha với hỗn hợp hai dung dịch rắn có hạn, tính chất biến đổi theo thành phần với hai quy luật: phần đường cong hai đầu mút ứng với hai dung dịch rắn có hạn đạt đến P P bo hòa phần đường thẳng nối P P hợp kim hỗn hợp hai dung dịch rắn có hạn nồng độ bo hòa - Hình d giản đồ pha với hỗn hợp dung dịch rắn có hạn pha trung gian, tính chất biến đổi theo thành phần với hai quy luật: phần dung dịch rắn có hạn theo quan hệ đường cong đạt đến P nồng độ đạt đến giới hạn bo hòa, phần hỗn hợp theo quan hệ đường thẳng PPH (PH tính chất pha trung gian) 3.3 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) Giản đồ pha Fe - C (chỉ xét hệ Fe - Fe3C) phức tạp, điển hình để minh họa tương tác thường gặp sử dơng rÊt nhiỊu thùc tÕ V× vËy hiĨu râ giản đồ pha mang lại nhiều điều bổ ích Nói giản đồ pha Fe - C song thực tế khảo sát phần (phần giàu Fe) với lượng cacbon đến 6,67 % (tương ứng với hợp chất Fe3C) - tức hệ Fe Fe3C Ngoài có giản đồ Fe - grafit hệ cân ổn định nhất, song thực tế khó đạt tới, nên giản đồ Fe - Fe3C coi cân ổn định (đúng cân ổn định giả) 3.3.1 Tương tác Fe C Sắt kim loại phổ biến vỏ đất Sắt nguyên chất kỹ thuật có tính sau: HB ≈ 80; σb ≈ 250MPa; σ0,2 ≈ 120MPa; δ ≈ 50%; Ψ ≈ 85%; aK ≈ 2500kJ/m2 So với kim loại khác (nhôm, đồng) dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, bền, cứng nhiều song thấp so với yêu cầu sử dụng Khi đưa cacbon vào sắt, hai nguyên tố xảy hai tương tác (hòa tan thành dung dịch rắn tạo nên pha trung gian), có tác dụng hóa bền, nhờ hợp kim Fe - C trở nên bền cứng (sắt) sử dụng cách rộng ri a Sự hòa tan cacbon vào sắt Như đ nói quan hệ kích thước nguyên 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 đ biết, sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phương tâm 103 khối A2 (tồn < 911oC - Fe 1392 ữ 1539oC - Fe) lập phương tâm mặt A1 (911 ữ 1392oC - Fe) với lỗ hổng có kích thước khác khả hòa tan cacbon khác Bằng tính toán hình học đơn giản (đ khảo sát 1.4.1a) thấy Fe Fe với mạng lập phương tâm khối mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng, song lỗ hổng lại có kích thước nhỏ (lỗ tám mặt có r = 0,154rFe, lỗ bốn mặt lớn h¬n cã r = 0,291rFe), lín nhÊt cịng ch­a b»ng 30% kích thước nguyên tử sắt hay gần nưa kÝch th­íc nguyªn tư cacbon, chØ chøa nỉi khèi cầu r = 0,0364nm, chứa nguyên tử cacbon Do nguyên lý Fe Fe khả hòa tan cacbon hay độ hòa tan cacbon chúng không đáng kể (có thể coi không) Khác với Fe Fe, Fe 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) lỗ hổng tám mặt chứa khối cầu r = 0,052nm, nên có khả thu xếp để nguyên tử cacbon lọt vào cách gin nguyên tử sắt xa Do có Fe hòa tan cacbon, nhiên đ nói nguyên tử hòa tan xen kẽ vào lỗ hổng tám mặt nên giới hạn hòa tan cacbon Fe 10% nguyên tử b 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 đ 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 không muốn nói 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 (xem 5.6.1b) 3.3.2 Giản đồ pha Fe - Fe3C tổ chức a Giản đồ pha Fe - Fe3C Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) trình bày hình 3.18 với ký hiệu tọa độ (nhiệt độ, oC - thành phần cacbon, %) đ quốc tÕ hãa nh­ 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); Q (0 - 0,006); S (727 - 0,80) Mét sè ®­êng cã ý nghÜa thùc tÕ rÊt quan träng nh­ sau: - ABCD lµ 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, x¶y ph¶n øng cïng tinh (eutectic) - PSK (727oC) đường tích, xảy phản ứng tích (eutectoid) 104 - ES - giới hạn hòa tan cacbon Fe - PQ - giới hạn hòa tan cacbon Fe Hình 3.18 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) b C¸c chun biÕn làm nguội chậm Như đ nói, giản đồ có đầy đủ chuyển biến đ khảo sát - Chuyển biến bao tinh xảy 1499oC hợp kim có 0,10 ữ 0,50%C (đường HJB) hay δ0,10 + L0,50 → γ0,16 (3.1) δH + LB H song người ta thường không để ý đến phản ứng xảy nhiệt độ cao ảnh hưởng đến tổ chức thép gia công sử dụng - Chuyển biến tinh xảy 1147oC hợp kim có > 2,14%C (đường ECF) LC (E + Fe3CF) hay L4,3 → (γ2,14 + Fe3C6,67) (3.2) - Chuyển biến tích xảy 727oC với hợp kim (đường PSK) S [P + Fe3CK] hay γ0,8 → [α0,02 + Fe3C6,67] (3.3) - Sù tiết pha Fe3C dư khỏi dung dịch rắn cacbon dung dịch 105 rắn: Fe theo đường ES Fe theo đường PQ c Các tổ chức pha trạng thái rắn gỈp pha sau Ferit (cã thĨ ký hiƯu b»ng hay F hay Fe) dung dịch rắn xen kẽ cacbon Fe với mạng lập phương tâm khối (a = 0,286 ữ 0,291nm) song lượng hòa tan nhỏ (lớn 0,02%C 727oC - ®iĨm P, ë nhiƯt ®é th­êng thÊp nhÊt chØ cßn 0,006%C - điểm Q) nên coi Feα (theo tÝnh to¸n lý thut ë mơc 3.3.1a, cacbon chui vào lỗ hổng Fe, 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 Fe trục sắt) Do không chứa cacbon nên tính ferit sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm bền Trong thực tế ferit cã thĨ hßa tan Si, Mn, P, Cr nên cứng bền song dẻo dai Ferit hai pha tồn nhiệt độ thường sử dụng (< 727oC), song víi tû lƯ cao nhÊt (trªn d­íi 90%), nªn đóng góp tỷ lệ quan trọng tÝnh cđa hỵp kim Fe - C Tỉ chøc tÕ vi ferit trình bày hình 3.19a có dạng hạt sáng, đa cạnh Hình 3.19 Tổ chức tế vi cđa ferit (a) vµ austenit (b) (x500) Austenit [ cã thĨ ký hiƯu b»ng γ, A, Feγ(C) ] lµ dung dịch rắn xen kẽ cacbon Fe 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 quân ba ữ 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 tính sắt từ mà cã tÝnh thn tõ, nã chØ tån t¹i ë nhiƯt ®é cao (> 727oC) vïng NJESG (tiÕp gi¸p víi Fe trục sắt) nên 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 106 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 víi C < 2,14% dï cho ë nhiƯt ®é th­êng 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 ri yêu cầu sử dụng gia công 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 (cã thĨ ký hiƯu b»ng Xe, Fe3C) lµ pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công 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, thô to (hình 3.24b) thấy mắt thường - Xêmentit thứ hai (XeII) tạo thành giảm nồng độ cacbon austenit theo đường ES hạ nhiệt độ, thường thấy rÊt râ ë hỵp kim cã > 0,80 cho tíi 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 (tû lƯ) rÊt nhá (nhiỊu nhÊt cịng chØ lµ 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 chøc cđa gang (mơc 5.6) d C¸c tỉ chøc hai pha Peclit (cã thĨ ký hiƯu b»ng P, [Feα + Fe3C]) Peclit hỗn hợp tích ferit xêmentit tạo thành từ austenit với 0,80%C 727oC nh­ ph¶n øng (3.3) Trong peclit cã 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, trôxtit, 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 107 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 tÊm cã xu h­íng chun thµnh peclit hạt Hình 3.20 Tổ chức tế vi peclit (a) peclit hạt (b) (x500) Lêđêburit [có thể ký hiÖu b»ng 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 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 108 ferrum (sắt, tiếng latinh) cho ferit, pearl (vân) cho peclit, cement (ximăng, cứng) cho xêmentit 3.3.3 Phân loại a Khái niệm chung thép, gang Thép gang hợp kim Fe - C (ngoµi cã thĨ cã Ýt nhiều nguyên 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 đ giải thích đặc điểm khác chúng Như tất thép dù với lượng cacbon, tổ chức tính khác nhiệt độ thường tương đối cao (< 727oC), đ dược 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, tổ chức tinh) sử dụng để chế tạo vật đúc Ngược lại với thép, nung nóng, gang đạt tổ chức pha austenit mà xêmentit (hay grafit) nên đem biến d¹ng ngi lÉn nãng, song bï l¹i nã cã nhiƯt độ chảy thấp hơn, tổ chức có tinh với khả điền đầy khuôn 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 ống ) 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 ữ 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 công dụng Như không loại trừ số trường hợp gang có 1,80 ữ 2,00%C, thép lại có 2,20 ữ 2,40%C b Các loại thép, gang theo giản 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 thÐp cacbon hay thÐp th­êng, gåm ba lo¹i nhá sau - Thép trước tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%, tức ứng với bên trái ®iĨm S cã tỉ chøc ferit (s¸ng) + peclit (tèi) 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 ữ 0,40%C Theo tính toán 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 không chứa cacbon (hay ít, 0,02 ữ 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) toàn màu tối (peclit 109 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 cã tỉ chøc chØ gåm peclit H×nh 3.22 Tỉ chøc tÕ vi cđa c¸c thÐp tr­íc cïng tÝch (x500): a 0,10%C, b 0,40%C, c 0,60%C - ThÐp sau cïng tích với thành phần 0,90%C (thường tới 1,50%, cá biệt tới 2.0 ữ 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 cứng, giòn, 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 tổ chức lêđêburit (hình 3.21) 110 - Gang trắng sau tinh với thành phần > 4,3%C bên phải điểm C, có tổ chức lêđêburit + xêmentit thứ (hình 3.24b) H×nh 3.23 Tỉ chøc tÕ vi cđa thÐp sau cïng tÝch (1,20%C) (x500) H×nh 3.24 Tỉ chøc tÕ vi gang trắng (x500): trước tinh (a) sau tinh (b) c Các điểm tới hạn thép Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe - C (h×nh 3.18), khu vùc cđa thÐp cã rÊt nhiỊu 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 sè thø tù 0, 1, 2, 3, 4, vµ cm, chúng gọi điểm (hay nhiệt độ) tới hạn Các điểm tới hạn thường dùng gồm: A1 - ®­êng PSK (727oC) øng víi chun biÕn austenit ←→ peclit, có loại thép A3 - đường GS (911 ữ 727oC) ứng với bắt đầu tiết ferit khỏi austenit 111 làm nguội hay kết thúc hòa tan ferit vµo austenit nung nãng, chØ cã thép trước tích Acm - đường ES (1147 ữ 727oC) ứng với bắt đầu tiết xêmentit khỏi austenit làm nguội hay kết thúc hòa tan xêmentit vào austenit nung nãng, chØ cã thÐp sau cïng tích [Các điểm tới hạn khác A0 (210oC) - ®iĨm Curi cđa xªmentit, A2 (768oC) - ®iĨm Curi cđa ferit, A4 - ®­êng JN (1499 - 1392oC) øng víi chuyển biến ] Có thể dễ dàng xác định (gần đúng) giá trị A3 Acm thép có thành phần cacbon khác theo giản ®å pha Fe - C b»ng c¸ch giãng hay tÝnh toán với quy ước đường tương ứng GS ES thẳng Tuy nhiên điểm tới hạn tìm với trạng thái cân (nung nóng hay làm nguội vô chậm), không phù hợp với trường hợp nung nóng, làm nguội thông 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 diểm 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 mét thÐp bao giê còng cã: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3 , ®ã 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 ... giòn Nhờ hợp kim loại vật liệu có kết hợp tốt đặc tính học kể với tỷ lệ áp đảo máy móc thiết bị 2) Tính công nghệ đa dạng thích hợp Để tạo thành bán thành phẩm sản phẩm, vật liệu phải có khả chế... (thường gặp nhiều vật liệu vô - ceramic) với tư cách pha tham gia định tính chất (có thể thấy chúng hợp kim dạng vật lẫn, tạp chất ôxyt, sunfit với lượng nhỏ) Phần lớn hợp chất hóa học hợp kim có... âm điện Trong hóa học tính âm điện thường dùng để biểu thị khả tương tác hóa học tạo thành phân tử Nếu hai nguyên tố có tính âm điện khác biệt nhiều dễ tạo nên hợp chất hóa học, pha trung gian,