giãn đồ trạng thái fe c

23/02/2019 ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU VÀ CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHƯƠNG GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI FE-C TS Trương Công Tiễn 2.1 Khái niệm giản đồ trạng thái 2.1.1 Định nghĩa  giản đồ trạng thái biểu đồ biểu thị trạng thái tổ chức hệ hợp kim cho hệ trục nhiệt độ thành phần hóa học  Ngày nay, người ta lập giản đồ trạng thái hầu hết hợp kim quan trọng 2.1.2 Công dụng giản đồ trạng thái hệ hợp kim cho  Cho biết cấu tạo bên hợp kim với thành phần xác định khác thông qua giản đồ trạng thái để biết tính chúng, qua biết cách sử dụng hợp lý vật liệu làm hợp kim  Qua giản đồ trạng thái xác định chế độ nhiệt luyện cho công nghệ:  Luyện kim đúc: xác định nhiệt độ nóng chảy t°nc  Rèn: xác định nhiệt độ bắt đầu kết thúc gia công  Nhiệt luyện: xác định nhiệt độ phương pháp nhiệt luyện  Hàn: xác định nhiệt độ hợp kim có thành phần xác định Vật liệu Công nghệ Chế tạo 23/02/2019 2.1 Khái niệm giản đồ trạng thái 2.1.3 Ví dụ Giản đồ hệ nguyên tố Fe:  Khi ta có hệ hợp kim Fe – nguyên tố khác, nguyên tố hợp kim hóa 0% giản đồ biểu diễn hệ trục tung nhiệt độ (trục hồnh: thành phần hóa học điểm ứng với 100%Fe) sơ đồ tính thù hình Fe biểu diễn hình bên  Qua giản đồ bên, người ta xác định trạng thái Fe loại cấu tạo khác Fe trạng thái rắn khoảng nhiệt độ khác nhau:  Feα: pha  Fe: pha  Feδ: pha  Fe lỏng Vật liệu Công nghệ Chế tạo 2.1 Khái niệm giản đồ trạng thái 2.1.3 Ví dụ Giản đồ trạng thái hệ hai nguyên tố Cu - Ni  Hình bên biểu diễn hệ hợp kim Cu-Ni hệ trục nhiệt độ thành phần hóa học Ni thay đổi từ 0% đến 100%, từ thấy:  Khi hợp kim Cu-Ni có N = 20% nung đến 1500°, ta thấy:  Từ nhiệt độ thường đến t1, hợp kim thể rắn α  Từ t1 đến t2, cấu tạo hợp kim α+L  Từ t2 đến 1500°, hợp kim có cấu tạo hồn tồn lỏng Việc ứng dụng giản đồ trạng thái giúp người dùng hiểu cấu tạo bên hệ hợp kim hợp kim có thành phần xác định từ suy tính chất để biết cách sử dụng hợp lý hiệu Vật liệu Công nghệ Chế tạo  L: dung dịch lỏng Cu Ni (1 pha)  α: dung dịch rắn Ni hòa tan Cu [Cu(Ni)] (1 pha)  α+L: Hợp kim hai trạng thái: rắn α lỏng L (2 pha) 23/02/2019 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)  giản đồ trạng thái Fe-Fe3C hệ hợp kim Fe-C biểu diễn nhiệt độ trục tung, thành phần %C trục hoành đến giá trị tối đa 6,67% Fe Tại đây, C tác dụng hóa học với Fe để tạo thành hợp chất hóa học Fe3C cần hiều:  Tại điểm 0%C có 100%Fe ký hiệu Fe  Tại 6,67%C có 100%Fe3C ký hiệu Fe3C 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)  giản đồ trạng thái Fe-Fe3C trình bày theo ký hiệu A, B,… (t°C-%C) quốc tế hóa xếp điểm ký hiệu theo thứ tự thành phần %C tăng sau: A(1539 - 0); N(1392 - 0); G(911 - 0); H(1499 - 0,10); J(1499 - 0,16); B(1499 - 0,5); C(1147 - 4,3); Q(0 - 0,006); P(727 - 0,02); S(727 - 0,80); E(1147 - 2,14); D(~1250 - 6,67); F(1147 - 6,67); K(727 - 6,67); L(0 - 6,67);  Ta thấy điểm A: nhiệt độ t = 1539°C %C = 0% Vật liệu Công nghệ Chế tạo 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) °C A δ+L 1539 B δ 1392 J N H δ+ °C L +L E +XeII+Lê(+Xe) α+ S A1 Nhiệt độ (°C) α(F) P+α Q P(α+Xe) P P+XeII 0,8 Thép Fe Vật liệu Công nghệ Chế tạo P+XeII+Lê(P+Xe) 2,14 (P+Xe) Lê(+Xe) (As) G 911 D 1200 L+XeI 1147 F C Lê(+Xe)+XeI K 727 Xe(Fe3C) Lê(P+Xe)+XeI 4,3 Thành phần Carbon (%C) Gang trắng L 6,67 %C Fe3C 23/02/2019 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) Các tổ chức pha hệ hợp kim Fe-C giản đồ Fe-Fe3C Chú ý: 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 (1147°C) đường tinh, xảy phản ứng tinh (eutectic) - PSK (727°C) đường tích, xảy phản ứng tích (eutectoid)  Cùng tinh hỗn hợp học hai hay nhiều pha tạo thành từ trạng thái lỏng nên có kích thước tinh thể lớn dạng tích  Cùng tích hỗn hợp học hai hay nhiều pha tạo thành từ dung dịch rắn Vật liệu Công nghệ Chế tạo 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) Các tổ chức pha  Trạng thái lỏng (1 pha lỏng – ký hiệu L): dung dịch lỏng C hòa tan Fe  Trạng thái rắn: tác dụng nguyên tố Fe C, pha phân biệt kiểu mạng tinh thể gồm có: Các dung dịch rắn nguyên tố C hòa tan vào Feα, Fe, Feδ gọi tên quốc tế: Pha Ferit: dung dịch rắn C hòa tan Feα Feα(C) ký hiệu giản đồ α F, có lượng C hịa tan tối đa 0,006% t° thường (điểm Q) 0,02% t° = 727°C (điểm P) Đường PQ xem giới hạn hòa tan C Feα, xem α Feα lượng hịa tan C nhỏ Vật liệu Công nghệ Chế tạo Tổ chức tế vi ferit 23/02/2019 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) Các tổ chức pha  Trạng thái lỏng (1 pha lỏng – ký hiệu L): dung dịch lỏng C hòa tan Fe  Trạng thái rắn: tác dụng nguyên tố Fe C, pha phân biệt kiểu mạng tinh thể gồm có: Các dung dịch rắn nguyên tố C hòa tan vào Feα, Fe, Feδ gọi tên quốc tế: Pha Austenit: dung dịch rắn C hòa tan Fe Fe(C) ký hiệu giản đồ  As, có lượng C hòa tan tối đa 0,8% t° = 727°C (điểm S) 2,14% t° = 1147°C (điểm E) Đường SE xem giới hạn hòa tan C Fe Tổ chức tế vi austenit Vật liệu Công nghệ Chế tạo 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) Các tổ chức pha  Trạng thái lỏng (1 pha lỏng – ký hiệu L): dung dịch lỏng C hòa tan Fe  Trạng thái rắn: tác dụng nguyên tố Fe C, pha phân biệt kiểu mạng tinh thể gồm có: Các dung dịch rắn nguyên tố C hòa tan vào Feα, Fe, Feδ gọi tên quốc tế: Pha δ: dung dịch rắn C hòa tan Feδ Feδ(C) ký hiệu giản đồ δ, có lượng C hịa tan tối đa 0,1% t° = 1449°C (điểm H) Cơ tính chung dung dịch rắn có độ cứng, độ bền thấp, độ dẻo, độ dai cao  Độ cứng pha α: 80 ÷ 100 HB  Độ cứng pha : 180 ÷ 200 HB Nếu kích thước hạt tinh thể pha nhỏ độ dẻo giảm, độ cứng, dộ bền cao Vật liệu Công nghệ Chế tạo 10 23/02/2019 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) Các tổ chức pha Hợp chất hóa học: Pha Xementit: (tên quốc tế Cemen) hợp chất hóa học Fe tác dụng với C C = 6,67% có cơng thức hóa học Fe3C có kiểu mạng tinh thể trực phoi phức tạp (ký hiệu Xe Fe3C, trạng thái rắn hoàn toàn xác định đường thẳng nối điểm LKF) có độ cứng cao (≥ 700HB) giòn Ký hiệu XeI có hình dạng thơ lớn, XeII có hình dạng hạt nhỏ Kích thước tinh thể Xe nhỏ đỡ giịn Dạng hạt có độ dẻo, độ dai cao dạng Vật liệu Công nghệ Chế tạo Tổ chức tế vi xementit 11 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) Các tổ chức hai pha  Tổ chức lại hệ hợp kim giản đồ trạng thái tổ chức có cấu tạo hai pha:  Ở trạng thái lỏng rắn gồm pha lỏng pha rắn nằm đường rắn AHJECF đường lỏng ABCD Vật liệu Công nghệ Chế tạo 12 23/02/2019 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) Các tổ chức hai pha  Tổ chức lại hệ hợp kim giản đồ trạng thái tổ chức có cấu tạo hai pha:  Tại trạng thái rắn gồm hỗn hợp học có hai pha (hai kiểu mạng tinh thể), có hai dạng hỗn hợp học đặc biệt tồn thành phần C = 0,8% C = 4,3%:  C = 0,8%: hỗn hợp học tích Peclit gồm pha [α + Xe] hình thành từ dung dịch rắn  t = 727°C, ký hiệu P, có cấu tạo pha gồm 88%α + 12%Xe, độ cứng thấp, khoảng 200 ÷ 220 HB, độ dẻo, độ dai cao  Gọi C = 0,8% thành phần Carbon tích hợp kim có tổ chức tích P Tổ chức tế vi Peclit hạt Tổ chức tế vi Peclit Vật liệu Công nghệ Chế tạo 13 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) Các tổ chức hai pha  C = 4,3%: hỗn hợp học tich Ledeburit gồm pha hình thành từ dung dịch lỏng L t = 1147°C, ký hiệu Lê • Khi t = 727°C ÷ 1147°C, Lê gồm ( + Xe) • Khi t < 727°C, Lê gồm (P + Xe), tức tổ chức có pha α + Xe, tương ứng 36%α + 64%Xe, độ cứng cao, khoảng 600HB Tổ chức tế vi Ledeburit  Gọi C = 4,3% thành phần Carbon tinh Vật liệu Công nghệ Chế tạo 14 23/02/2019 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)  Để đơn giảm, hiểu cấu tạo pha hệ hợp kim Fe-C biểu diễn giản đồ tổ chức pha hai pha sau: Vật liệu Công nghệ Chế tạo 15 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)  Hệ hợp kim Fe-C nhiệt độ nhỏ 727°C gồm hỗn hợp học hai pha Xe α, thành phần C thay đổi từ 0%C (100%Fe) đến 6,67%C (% lại Fe) ứng với thành phần pha Xe thay đổi từ 0%Xe (100%α) đến 100%Xe (%α)  Vậy nhờ cách biểu diễn thành phần pha suy thành phần C Fe tăng làm cho thành phần cấu tạo pha hệ hợp kim thay đổi theo nên độ cứng tăng, độ dẻo, dai giảm Vật liệu Công nghệ Chế tạo 16 23/02/2019 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.2 Phân loại hợp kim Fe-C theo giãn đồ trạng thái Fe-C  Theo hàm lượng %C, chia làm loại:  Khi %C < 2,14%: Thép  Khi %C > 2,14%: Gang trắng Thép  Định nghĩa: Thép hợp kim Fe-C thành phần %C < 2,14% (chứa lượng không đáng kể nguyên tố khác) gọi thép – carbon hay thép thường  Phân loại: theo giãn đồ trạng thái, thép phân làm ba loại  Thép trước tích có tổ chức P + α %C < 0,8%  Thép tích có tổ chức P(α + Xe) %C = 0,8%  Thép sau tích có tổ chức P + XeII %C > 0,8% 17 Vật liệu Công nghệ Chế tạo 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.2 Phân loại hợp kim Fe-C theo giãn đồ trạng thái Fe-C Thép  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) Phần lớn thép thường dùng nằm loại nhỏ song tập trung vào loại ≤ 0,20%C tiếp đến 0,30 - 0,40%C Khi 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 tức có hạt sáng Với 0,10%C phần tối (peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,40%C 1/2 với 0,60%C 3/4, cuối 0,80%C tồn màu tối (peclit tấm) Vậy loại thép lượng cacbon tính tỷ lệ phần tối nhân với 0,80% Tổ chức tế vi thép trước tích 0,1%C Vật liệu Công nghệ Chế tạo Tổ chức tế vi thép trước tích 0,4%C Tổ chức tế vi thép trước tích 0,6%C 18 23/02/2019 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.2 Phân loại hợp kim Fe-C theo giãn đồ trạng thái Fe-C Thép  Thép tích với thành phần 0,80%C (có thể xê dịch chút) tức ứng với điểm S có tổ chức gồm peclit  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 Tổ chức tế vi thép sau tích 1,2%C Vật liệu Cơng nghệ Chế tạo 19 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.2 Phân loại hợp kim Fe-C theo giãn đồ trạng thái Fe-C Gang trắng  Gang tương ứng với giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) gang trắng, sử dụng q cứng, giịn, 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  Gang trắng tinh có 4,3%C ứng điểm C hay lân cận, với tổ chức lêđêburit  Gang trắng sau tinh với thành phần > 4,3%C bên phải điểm C, có tổ chức lêđêburit + xêmentit thứ Tổ chức tế vi gang trắng trước tinh Tổ chức tế vi gang trắng sau tinh Vật liệu Công nghệ Chế tạo 20 10 23/02/2019 2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C) 2.2.3 Điểm đường tới hạn nhiệt độ Định nghĩa  Là nhiệt độ mà có thay đổi cấu tạo bên hợp kim trạng thái rắn ký hiệu A kèm theo 0, 1, 2, … ta xét điểm tới hạn thường dùng khí Các điểm tới hạn  A1 = 727°C (đường PSK): nhiệt độ tới hạn mà hợp kim Fe-C có chuyển biến tổ chức tích thuận nghịch P    Khi nung nhiệt độ A1: có chuyển biến P    Khi làm nguội nhiệt độ A1: có chuyển biến   P  A3 = 727°C ÷ 911°C (đường SG): nhiệt độ tới hạn mà thép trước tích có chuyển biến cấu tạo hai pha α    Khi nung nhiệt độ A3: α hòa tan hết vào   Khi làm nguội nhiệt độ A3: α tách từ   Acm = 727°C ÷ 1147°C (đường SE): nhiệt độ tới hạn mà thép sau tích có chuyển biến cấu tạo hai pha XeII    Khi nung nhiệt độ Acm: XeII hòa tan hết vào   Khi làm nguội nhiệt độ Acm: XeII tách từ  Vật liệu Công nghệ Chế tạo 21 2.3 Công dụng giản đồ trạng thái Fe-Fe3C với hệ hợp kim Fe-C 2.3.1 Phân tích chuyển biến cấu tạo hợp kim có thành phần C xác định nung nóng làm nguội Dựa vào giản đồ xét chuyển biến cấu tạo thép trước tích, sau tích (với thành phần C tự chọn) nung nóng đến 1000°C làm nguội đến nhiệt độ thường: Hướng dẫn:  Vẽ phần thép giãn đồ trạng thái  Căn %C chọn, xác định trục hoành  Xác định chuyển biến cấu tạo giản đồ trạng thái: từ %C (tại trục hồnh) gióng đường thẳng song song trục tung (trục nhiệt độ)  Căn đường nhiệt độ hợp kim có %C giản đồ trạng thái, tìm điểm đường tới hạn  Vẽ sơ đồ chuyển biến cấu tạo  Dùng lý thuyết học: Điểm đường tới hạn chuyển biến q trình nung (hoặc làm nguội) để phân tích chuyển biến cấu tạo thép Vật liệu Công nghệ Chế tạo 22 11 23/02/2019 2.3 Công dụng giản đồ trạng thái Fe-Fe3C với hệ hợp kim Fe-C 2.3.1 Phân tích chuyển biến cấu tạo hợp kim có thành phần C xác định nung nóng làm nguội Dựa vào giản đồ xét chuyển biến cấu tạo thép trước tích, sau tích (với thành phần C tự chọn) nung nóng đến 1000°C làm nguội đến nhiệt độ thường: 23 Vật liệu Công nghệ Chế tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Công Tiễn, Bài giảng Vật liệu Công nghệ chế tạo [2] Trần Thế Sang , Nguyễn Ngọc Phương, Vật liệu khí đại, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2012 [3] Hồng Tùng, Giáo trình Vật Liệu Cơ Khí Và Cơng Nghệ Cơ Khí, NXB Giáo Dục, 2006 [4] Nguyễn Thị Yên, Giáo trình vật liệu khí, NXB Hà Nội, 2005 [5] Nguyễn Tác Ánh, Giáo trình Cơng Nghệ Kim Loại, Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TP HCM, 2004 [6] Nguyễn Văn Thái, Công nghệ vật liệu, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 [7] Trần Dỗn Sơn, Cơng nghệ chế tạo máy – Tập 1, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2012 [8] Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường, Các phương pháp gia công đặc biệt, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2013 [9] W Bolton, Engineering Materials Technology, 2nd Edition, Newnes, 1994 [10] Serope Kalpakjian, Stevan R Schmid, Manufacturing Engineering and Technology, 6th Edition, Prentice Hall, 2009 Vật liệu Công nghệ Chế tạo 24 12 ... Fe3 C 23 / 02/ 2019 2. 2 Giản đồ trạng thái Fe- Fe 3C (Fe- C) 2. 2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe- Fe 3C (Fe- C) C? ?c tổ ch? ?c pha hệ hợp kim Fe- C giản đồ Fe- Fe 3C Chú ý: Một số đường c? ? ý nghĩa th? ?c tế... C nhỏ Vật liệu C? ?ng nghệ Chế tạo Tổ ch? ?c tế vi ferit 23 / 02/ 2019 2. 2 Giản đồ trạng thái Fe- Fe 3C (Fe- C) 2. 2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe- Fe 3C (Fe- C) C? ?c tổ ch? ?c pha  Trạng thái lỏng (1 pha... 23 / 02/ 2019 2. 2 Giản đồ trạng thái Fe- Fe 3C (Fe- C) 2. 2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe- Fe 3C (Fe- C) C? ?c tổ ch? ?c hai pha  Tổ ch? ?c lại hệ hợp kim giản đồ trạng thái tổ ch? ?c có c? ??u tạo hai pha:  Tại trạng