Giản đồ pha và ứng dụng trong Khoa học vật liệu

Giản đồ pha và công dụng

Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (tỷ lệ) các pha (hoặc tổ chức) của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Trong thực tế không có hai giản đồ pha nào giống nhau hoàn toàn vì tương tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức tạp từ kiểu pha, các phản ứng cho đến nhiệt độ tạo thành. Hệ một cấu tử không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha của nó chỉ có một trục, trên đó đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) và các nhiệt độ chuyển biến thù hình (nếu có) như ở hình 3.6 cho trường hợp của sắt.

Theo chiều từ trái sang phải tỷ lệ cấu tử B tăng lên, còn từ phải sang trái tỷ lệ của cấu tử A tăng lên, hai đầu mút tương ứng với hai cấu tử nguyên chất: A (trái), B (phải). Căn cứ vào điểm nhiệt độ - thành phần đ∙ cho (tạm gọi là tọa độ) nằm trong vùng nào của giản đồ pha sẽ có tổ chức pha tương ứng với vùng đó: nằm ở vùng một pha, hợp kim có tổ chức một pha; nằm trong vùng hai pha - có tổ chức hai pha. Nếu tọa độ nằm trong vùng một pha thì thành phần của pha cấu tạo nên hợp kim bằng chính thành phần của hợp kim đ∙ chọn.

Khi tọa độ nằm trong vùng hai pha việc xác định có phức tạp hơn: kẻ đường nằm ngang (đẳng nhiệt) qua tọa độ này, hai giao điểm của nó với hai đường biên giới với hai vùng một pha gần nhất sẽ chỉ rừ thành phần của từng pha tương ứng. • Nhiệt độ chảy (kết tinh): thường hợp kim nóng chảy (kết tinh) trong một khoảng nhiệt độ (bắt đầu và kết thúc) tương ứng với hai đường chạy ngang suốt giản đồ, đường chạy ngang trên được gọi là đường lỏng - liquidus (ở cao hơn. đường này hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng), đường ngang sát ở dưới được gọi là đường rắn (hay đường đặc) - solidus (ở thấp hơn đường này hợp kim hoàn toàn ở trạng thái rắn). Sự xuất hiện hoặc biến mất của các pha (khi nung và khi nguội chậm) cũng như nhiệt độ xảy ra, tương ứng với các đường ở dưới.

Giản đồ pha hai cấu tử của các hệ thực tế có loại rất phức tạp, song dù phức tạp đến bao nhiêu cũng có thể coi như gồm nhiều giản đồ cơ bản gộp lại. Dưới đây khảo sát một số dạng thường gặp trong các giản đồ đó mà các cấu tử đều hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, song khác nhau về tương tác ở trạng thái rắn với vận dụng xác định các thông tin trên cho các trường hợp cụ thể.

Giản đồ loại I

• Dự đoán các tổ chức tạo thành ở trạng thái không cân bằng (khi nguội nhanh). Vì vậy giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu khi nghiên cứu các hệ hợp kim. Giản đồ pha hai cấu tử của các hệ thực tế có loại rất phức tạp, song dù phức tạp đến bao nhiêu cũng có thể coi như gồm nhiều giản đồ cơ bản gộp lại. Dưới đây khảo sát một số dạng thường gặp trong các giản đồ đó mà các cấu tử đều hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, song khác nhau về tương tác ở trạng thái rắn với vận dụng xác định các thông tin trên cho các trường hợp cụ thể. áp dụng quy tắc cánh tay đòn, tỷ lệ của hai pha này là. Tỷ lệ của hai pha này là. Đó là phản ứng cùng tinh. Quy ước biểu thị tổ chức cùng tinh trong ngoặc. Sự kết tinh kết thúc ở đây và khi làm nguội đến nhiệt độ thường không có chuyển biến gì khác. độ quá nguội lớn). Tương tự bằng các nguyên tắc đ∙ nêu ở mục 3.2.2 có thể biết được diễn biến kết tinh (sự tạo thành các tổ chức) của mọi hợp kim của hệ. “thoạt tiên pha lỏng kết tinh ra một trong hai cấu tử nguyên chất trước và làm cho pha lỏng nghèo cấu tử này và biến đổi thành phần đến điểm cùng tinh E, đến đây pha lỏng còn lại mới kết tinh ra cấu tử thứ hai tức ra hai cấu tử cùng một lúc “.

Ngoài ra có nhận xét là thoạt tiên khi đưa thêm cấu tử khác vào cấu tử bất kỳ đều làm cho nhiệt độ kết tinh giảm đi, đạt đến giá trị thấp nhất sau đó mới tăng lên. • Hợp kim có thành phần ở chính điểm E hay lân cận được gọi là hợp kim cùng tinh hay eutectic (có nhiệt độ chảy thấp nhất, thấp hơn cả cấu tử dễ chảy nhất), nó kết tinh ngay ra hai cấu tử cùng một lúc và ở nhiệt độ không đổi. • Hợp kim có thành phần ở bên trái, bên phải điểm E được gọi lần lượt là.

Giản đồ loại II

Như vậy lúc đầu có khác xa, song trong quá trình kết tinh dung dịch rắn tạo thành biến đổi dần dần về đúng thành phần của hợp kim. Nếu làm nguội nhanh, do không kịp khuếch tán làm đều thành phần, trong mỗi hạt dung dịch rắn tạo thành sẽ có nhiều lớp với các thành phần khác nhau: ở trung tâm giàu cấu tử khó chảy hơn cả, càng gần biên giới càng nghèo đi. Để tránh nó phải tiến hành nguội chậm khi đúc hay khắc phục bằng cách ủ khuếch tán vật đúc ở nhiệt độ gần đường rắn.

Trong giản đồ loại I cũng có thể xảy ra thiên tích với kiểu khác gọi là thiên tích theo khối lượng khi hai cấu tử có khối lượng riờng khỏc nhau rừ rệt, cấu tử kết tinh trước nếu nhẹ hơn thỡ nổi lờn, nếu nặng hơn thì chìm xuống dưới thỏi. Để tránh nó phải tiến hành nguội nhanh khi đúc và một khi đ∙ bị thiên tích loại này không có cách gì khắc phục được.

Giản đồ loại III

• Nhóm chứa rất ít cấu tử thứ hai (bên trái F, bên phải G), sau khi kết tinh xong chỉ có một dung dịch rắn α hoặc β, có đặc tính như giản đồ loại II. • Nhóm chứa một lượng hạn chế cấu tử thứ hai (từ F đến C’ và D’ đến G), ban đầu kết tinh ra dung dịch rắn, song khi nhiệt độ hạ xuống thấp hơn đường CF và DG chúng trở nên quá b∙o hòa, tiết ra lượng cấu tử hòa tan thừa dưới dạng dung dịch rắn thứ cấp (α thừa B tiết ra pha βII giàu B, β thừa A tiết ra pha αII giàu A). • Nhóm chứa lượng lớn cấu tử thứ hai [từ C (C’) đến D (D’)], ban đầu kết tinh ra dung dịch rắn (αC hay βD), pha lỏng còn lại biến đổi thành phần theo đường lỏng đến điểm E, tại đây có sự kết tinh của cùng tinh.

Các hợp kim trong nhóm này có diễn biến kết tinh khá giống với giản đồ loại I. - Tại 245oC hợp kim bắt đầu kết tinh ra α2’ với 13,3%Sn, khi làm nguội tiếp tục dung dịch rắn được tạo thành và pha lỏng còn lại đều biến đổi thành phần theo chiều tăng lên của hàm lượng Sn. - Đến nhiệt độ cùng tinh 183oC, trước khi kết tinh cùng tinh tỷ lệ giữa hai pha này là.

Nếu tính tỷ lệ giữa hai pha β (chỉ có trong cùng tinh) và α (gồm cả loại độc lập lẫn cả loại cùng tinh) thì ở 183oC có. Cùng tinh Pb - Sn bao gồm các phần tử Pb nhỏ mịn tối phân bố đều trên nền Sn sáng (hình a). Còn hợp kim trước cùng tinh được khảo sát có tổ chức tế vi (hình b): các hạt Pb kết tinh trước (hạt tối, to) và phần cựng tinh (Pb + Sn) như của hỡnh a.

Rừ ràng là pha hoặc tổ chức nào kết tinh ở nhiệt độ càng thấp hạt càng nhỏ mịn.

Các giản đồ pha với các phản ứng khác

Vậy nó chỉ khác phản ứng cùng tinh ở pha ban đầu (ở cùng tinh là pha lỏng, ở cùng tích là pha rắn) và được ký hiệu trong ngoặc vuông [ ]. Trên giản đồ pha, giới hạn hòa tan của Sn trong Pb được biểu thị bằng đường cong CF. Pha β tạo thành do sự tiết pha từ dung dịch rắn đôi khi được ký hiệu là βII.

Đáng chú ý là do xảy ra ở trạng thái rắn, nhiệt độ thấp, sự khuếch tán khó khăn nên pha thứ hai cứng được tiết ra có dạng các phần tử nhỏ mịn, phân tán, phân bố đều trong nền pha mẹ, nâng cao rất mạnh độ bền của nhiều hợp kim, hiệu ứng này được gọi là hóa bền tiết pha. Với nhiều nguyên tố, hợp chất hóa học có biến đổi thù hình theo nhiệt độ, các giản đồ pha của chúng có dạng phức tạp hơn nhiều, Ngoài các đường CF, DG còn xuất hiện nhiều đường ở khu vực dưới đường.