- Trình bày được khái niệm của giản đồ pha, các điểm và các đường g i ới hạn xảy ra chuyển biến giữa các pha ;
3. Giản đồ pha Fe C (Fe Fe3C) Mục tiêu
3.1. Tương tác giữa Fe và C
Sắt là kim loại khá phổ biến trong vỏ quảđất. Sắt ngun chất kỹ thuật có cơ tính như sau:
HB ≈ 80; σb≈ 250MPa; σ0,2 ≈ 120MPa; δ ≈ 50%; Ψ ≈ 85%; aK ≈
2500kJ/m2
So với các kim loại khác (nhơm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn rất thấp so với yêu cầu sử dụng. Khi đưa cacbon vào sắt, giữa hai nguyên tố này xảy ra cả hai tương tác (hòa tan thành dung dịch rắn và tạo nên pha trung gian), đều có tác dụng hóa bền, nhờ đó hợp kim Fe - C trở nên bền cứng hơn (sắt) và đang được sử dụng một cách rộng rãi nhất.
3.1.1. Sự hòa tan của cacbon vào sắt
Như đã nói do quan hệ kích thước ngun tử (cacbon nhỏ hơn sắt, rC =
0,077nm, rFe = 0,1241nm) nên cacbon chỉ có thể hịa tan có hạn vào sắt ở dạng
dung dịch rắn xen kẽ. Như đã biết, sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phương tâm khối A2 (tồn tại ở < 911o
C - Feαvà 1392 ÷1539o
C - Feδ) và lập phương tâm
mặt A1 (911÷ 1392o
C - Feγ) với các lỗ hổng có kích thước khác nhau và do đó khả năng hịa tan cacbon khác nhau.
Bằng những tính tốn hình học đơn giản có thể thấy rằng Feα và Feδ với mạng lập phương tâm khối tuy mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng, song mỗi lỗ hổng lại có kích thước q nhỏ (lỗ tám mặt có r = 0,154rFe, lỗ bốn mặt lớn hơn có r = 0,291rFe), lớn nhất cũng chưabằng 30% kích thước của nguyên tử sắt hay gần một nửa kích thước nguyên tử cacbon, chỉ chứa nổi khối cầu r = 0,0364nm, không thể nào chứa nổi nguyên tử cacbon. Do vậy về nguyên lý Feα và Feδ khơng có khả năng hịa tan cacbon hay độ hòa tan cacbon trong chúng là khơng đáng kể (có thể coi bằng khơng).Khác với Feα và Feδ, Feγ với mạng lập phương tâm mặt A1 tuy có mật độ thể tích cao hơn, ít lỗ hổng hơn nhưng lại có loại có kích thước lớn hơn (lỗ bốn mặt r = 0,225rFe, lỗ tám mặt r = 0,414rFe). Ở lỗ
hổng tám mặt này có thể chứa được khối cầu r = 0,052nm, nên có khả năng thu
xếp để nguyên tử cacbon lọt vào bằng cách giãn các nguyên tử sắt ra xa. Do vậy chỉ có Feγ mới hịa tan được cacbon, tuy nhiên như đã nói ngun tử hịa tan khơng thể xen kẽ vào mọi lỗ hổng tám mặt đó nên giới hạn hịa tan cacbon trong Feγ chỉ là trên dưới 10% nguyên tử.
3.1.2. Tương tác hóa học giữa Fe và C
Khi lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hòa tan (phụ thuộc vào
dạng thù hình và nhiệt độ), sau khi đi vào các lỗ hổng để tạo nên dung dịch rắn xen kẽ, các nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp với sắt thành Fe3C gọi là xêmentit. Như đã biết đó là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, có thành phần
6,67%C + 93,33%Fe.
Thực ra cịn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên trong hợp
kim thuần Fe - C sự tạo thành grafit là rất khó khăn nếu khơng muốn nói là khơng thể được, vì vậy xêmentit là pha giả ổn định và được coi là ổn định. Trong thực tế sự tạo thành grafit có thể dễ dàng hơn nhiều khi có các yếu tố thuận lợi vềthành phần và tốc độ nguội .