chương 3 hợp kim giản đồ pha

Trạng thái không cân bằng (không ổn định) : trong điều kiện P, T hoặc thành phần thay đổi  cấu trúc, tính chất của hệ sẽ chuyển sang trạng thái cân bằng mới.. Trạng thái giả ổn định :[r]

Chương 3: HỢP KIM & GIẢN ĐỒ PHA 3.1 Cấu trúc tinh thể hợp kim

Hợp kim gì?

 là vật thể gồm nhiều nguyên tố mang tính kim loại

Nhiều nguyên tố: nguyên tố kim loại, nguyên tố cịn lại kim loại phi kim

Mang tính kim loại: tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo, dễ biến dạng và có anh kim

Thành phần nguyên tố tính hợp kim

Vì phải nghiên cứu hợp kim?

 Vì có số ưu việt gia cơng, tính kinh tế so với KL nguyên chất

1 Có độ bền cao chịu tải trọng cao đảm bảo vật liệu không cứng dẫn đến phá huỷ giòn

Một số khái niệm:

Cấu tử: nguyên tố (hoặc hợp chất hoá học bền vững)

Hệ: dùng để tập hợp vật thể riêng biệt HK trong điều kiện xác định

Pha: phần đồng hệ có cấu trúc tính

chất cơ-lý-hố tính xác định

Trạng thái cân ổn định: điều kiện P, T thành phần xác định  cấu trúc, tính chất hệ khơng phụ thuộc thời gian

Trạng thái không cân (không ổn định): điều kiện P, T thành phần thay đổi  cấu trúc, tính chất hệ chuyển sang trạng thái cân mới

Hợp kim Al-Cu với hai pha  và 

Giữa pha ln có bề mặt phân cách

Các loại tương tác hợp kim

Khơng có tương tác

 Các cấu tử khơng hồ tan, tương tác vào  thể trên vùng với màu sắc khác ảnh tổ chức tế vi

Có tương tác

Dung dịch rắn Dung dịch rắn gì?

 là pha đồng nhất, có cấu trúc mạng dung môi ngay thành phần thay đổi

Dụng dịch rắn thay thế

 các nguyên tử nguyên tố hoà tan thay vị trí nút mạng nguyên tử nguyên tố dung môi

Điều kiện thay (hồ tan) vơ hạn

- tương quan kiểu mạng - tương quan kích thước

Dụng dịch rắn xen kẽ

Nguyên tử xen kẽ

Các đặc tính dung dịch rắn

- Kiểu mạng tinh đơn gian: A1, A2….

- Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mịn rõ rệt so với kim loại nguyên chất

Pha trung gian

Thế pha trung gian?

 là hợp chất hố học có hợp kim

Đặc điểm:

- Có kiểu mạng tinh thể phức tạp, khác hẳn với nguyên tố thành phần

- Có thể biểu diễn cơng thức xác định AmBn

- Tính chất khác hẳn so với nguyên tố thành phần (do kiểu mạng tinh thể khác nhau)

- Có nhiệt độ nóng chảy xác định, toả nhiệt tạo thành

3.2 Giản đồ pha hai cấu tử

Quy tắc pha

F=C-P+1 Giản đồ pha

 Công cụ biểu thị mối quan hệ nhiệt độ, thành phần số lượng pha hệ trạng thái cân bằng

Loại cấu tử Loại hai cấu tử

Loại ba cấu tử

Nh

iệt

độ

Thành phần

10850C

Rắn Lỏng

Giản đồ pha loại 1 A B Lỏng (L) L+B A+L Nh iệt đ ộ (A + B) (A+B)+B A+(A+B) a E b c d %B

 Là loại giản đồ pha hệ hai cấu tử khơng có tương tác  tổ chức gồm hỗn hợp riêng rẽ cấu tử

Một số ý:

aEb  đường lỏng cEd  đường đặc a, b nhiệt độ chảy

của A và B

E điểm tinh

t C D F CB DB L  % CB CD B  %

Xác định thành phần các pha hợp kim X nhiệt độ t

X

Giản đồ pha loại 2

A %B B

Lỏng (L) L+  Nhiệt độ a b

 là giản đồ hệ hai cấu tử tương tác hoà tan vô hạn vào nhau

Một số ý:

m

n

amb  đường lỏng anb  đường đặc

a, b nhiệt độ chảy

của A và B

Một số hệ tương tác với giản đồ loại 2:

Cu-Ni, Al2O3-Cr2O3

X

Giản đồ pha loại (tiếp theo)

Cu Ni

Với điều kiện nguội vơ cùng chậm, q trình kết tinh hợp kim được mô tả:

a  chỉ có pha lỏng b  bắt đầu tiết pha rắn  với 46%Ni

c  tồn pha  tính % pha

d  hết pha lỏng

Giản đồ pha loại 3 A B Lỏng (L) L+  Nhiệt độ  + a E b c d %B L+ g f

 là giản đồ hệ hai cấu tử tương tác hồ tan có hạn vào nhau

Một số ý:

aEb  đường lỏng acdb  đường đặc

 dụng dịch rắn hoà tan B A  dụng dịch rắn hoà tan A B

Tại E xảy phản ứng cùng tinh:

L  (+)

X2

Bài tồn: mơ tả trình kết tinh hợp kim X, X1, X2, X3

Giản đồ pha loại (tiếp theo)

Hợp kim X1 Hợp kim X2

Giản đồ pha loại (tiếp theo)

Giản đồ pha loại (tiếp theo)

Giản đồ pha loại 4

 Là giản đồ pha hai cấu tử có tương tác hố học tạo pha trung gian AmBn

A B

Lỏng (L)

AmBn+B

Nhiệt độ a E1 b E2 L+A

AmBn L+AmBn

L+AmBn A+AmBn

B+AmBn

c

Một số phản ứng giản đồ pha

Phản ứng bao tinh

 phản ứng pha lỏng + pha rắn  sinh pha rắn mới

Phản ứng bao tinh

Fe %C N h iệt đ ộ

 phản ứng tạo nên 2 pha rắn đồng thời từ pha rắn ban đầu

Tiết pha khỏi dung dịch rắn

 do ngun tố hồ tan có giới hạn trong dung môi

* *

Quan hệ GĐP – Tính chất hợp kim

Tính chất pha thành phần

Tính chất hỗn hợp pha

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) Tương tác Fe C

- Sự hoà tan C vào Fe: dạng dung dịch rắn xen kẽ

- Fe(A2): hoà tan (0,02%C)

- Fe (A1): hồ tan nhiều (2,14%C)

- Fe(A2): hồ tan (0,1%C)

Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)

(tiếp theo)

+XeII +XeII+(+Fe3C) (



+F

e3

C)

(+Fe3C)+Fe3C L+XeI  +F e3 C II I (P)

(P+Fe3C)+XeI P+XeII P+XeII+(P+Fe3C)

+P

Các chuyển biến nguội chậm

Chuyển biến bao tinh: 14930 với hợp kim có 0,1-0,5%C

L

0,1%C

0,5%C

0,1+ L0,5 0,16

Chuyển biến tinh: 11470 với

hợp kim có %C > 2,14 L4,3

 2,14 + Fe3C6,67 Chuyển biến tích: 7270

0,76

 0,02 + Fe3C6,67

Chuyển biến tích

Các tổ chức pha GĐP Fe-Fe3C

Ferít (Fe )

 Dung dịch rắn hoà tan C Fe( giới hạn hoà tan 0,02%C 7270C) Dẻo, mềm, bền

Austenit (Fe )

 Dung dịch rắn hoà tan C Fe ( giới hạn hoà tan 2,14%C 11470C) Dẻo, mềm

Xêmentit (Fe3C )

- XeI: sinh từ Lỏng Dạng thẳng, thô tô tổ chức

- XeII: sinh từ Fe do giảm nồng độ C  Có thể tạo lưới bao quanh biên hạt  giảm dẻo dai hợp kim

Các tổ chức hai pha GĐP Fe-Fe3C

Peclit (P )

 hỗn hợp tích F Xe sinh từ Austenit 7270C 0,76%C

 thành phần pha P: 88%F + 12%Xe  2 loại P, P P hạt

Lêđêburit (Le )

Phân loại thép-gang

Thép:  là hợp kim Fe-C với hàm lượng C < 2,14% Đặc điểm:

- Khi nung nóng đạt tổ chức pha Austenit  có độ

dẻo cao, dễ biến dạng

- Có thể coi thép vật liệu dẻo, biến dạng nguội, nóng - Tính đúc kém

Gang:  là hợp kim Fe-C với hàm lượng C > 2,14% Đặc điểm:

- Khi nung nóng khơng đạt tổ chức pha Austenit 

khơng thể biến dạng nguội, nóng

Phân loại thép-gang theo GĐP

- Thép trước tích - Théo tích

- Thép sau tích

- Gang trước tinh - Gang tinh