3. Giản đồ pha Fe C (Fe Fe3C)
3.2. Các tổ chức trên giản đồ
3.2.1. Các tổ chức một pha
Ở trạng thái rắn có thể gặp bốn pha sau:
* Ferit (có thể ký hiệu bằng hay F hay Fe ) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα với mạng lập phương tâm khối (a = 0,286 ÷0,291nm) song do lượng hòa tan quá nhỏ (lớn nhất là 0,02%C ở 727oC - điểm P, ở nhiệt độ thường thấp nhất chỉ còn 0,006%C - điểm Q) nên có thể coi nó là Feα, cacbon không thể chui vào lỗ hổng của Feα, lượng cacbon hòa tan không đáng kể này là nằm ở các khuyết tật mạng, chủ yếu là ở vùng biên giới hạt). Ferit có tính sắt từ nhưng chỉ đến 768oC. Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ. Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền. Độ cứng của ferit đạt 80 HB. Hình 2.9a biểu diễn tổ chức tế vi của ferit.
* Austenit [ có thể ký hiệu bằng γ, A, Feγ(C) ] là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ với mạng lập phương tâm mặt (a ≈ 0,364nm) với lượng hòa tan đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% Khác với ferit, austenit không có tính sắt từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (> 727oC). Độ cứng của Austenit đạt 200 HB. Hình 2.9b biểu diễn tổ chức tế vi của austenit . * Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xê, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67%C, ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ. Đặc tính của xêmentit là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe - C. Độ cứng của xementit đạt 800 HB.
Hình 2.9: tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b) (x500).
3.2.2. Các tổ chức hai pha
*Peclit (có thể ký hiệu bằng P, [F + Fe3C])
Peclit là hỗn hợp cùng tích của ferit và xêmentit được tạo thành từ austenit với 0,80%C và ở 727oC. Trong peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong nhau, nhờ kết hợp giữa một lượng lớn pha dẻo với lượng nhất định pha cứng nên peclit là tổ chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu của vật liệu kết cấu và công cụ. Peclit và các biến thể của nó (xoocbit, trôxtit, bainit) có mặt trong hầu hết các hợp kim Fe - C). Độ cứng của peclit đạt (180 ÷ 200) HB. Hình 2.10 biểu diễn tổ chức tế vi của peclit.
Hình 2.11: tổ chức tế vi của lêđêburit
Các tên gọi pha và tổ chức kể trên với các nghĩa và xuất xứ như sau: để kỷ niệm các nhà khoa học lỗi lạc trong ngành là Robert Austen (người Anh) cho austenit, Ledebur (người Đức) cho lêđêburit; từ bản chất hay đặc trưng tính chất là 108 ferrum (sắt, tiếng latinh) cho ferit, pearl (vân) cho peclit, cement (ximăng, cứng) cho xêmentit.
3.3. Phân loại
Thép và gang đều là hợp kim Fe - C (ngoài ra có thể có ít nhiều các nguyên tố khác), trong đó phân biệt ít hơn 2,14%C là thép, nhiều hơn 2,14%C là gang.
3.3.1.Thép
Căn cứ vào tổ chức khác nhau trên giản đồ pha ta có ba loại thép và khác nhau. Thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C là loại hợp kim ngoài Fe với C < 2,14% ra chỉ chứa lượng không đáng kể các nguyên tố khác được gọi là thép cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ sau đây.
+Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%
+ Thép cùng tích với thành phần 0,80%C (có thể xê dịch một chút) tức ứng với điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit.
+Thép sau cùng tích với thành phần ≥ 0,90%C (thường chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2,0 ÷ 2,2%) tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai.
3.3.2. Gang
Căn cứ vào tổ chức khác nhau trên giản đồ pha ta có ba loại gang khác nhau. Gang tương ứng với giản đồ pha Fe - C là loại hợp kim ngoài Fe với C (2,14% ÷ 6,67)%
+ Gang trước cùng tinh với thành phần cacbon ít hơn 4,3% ở bên trái điểm C, có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit
*Lêđêburit [có thể ký hiệu bằng Le, hay (γ + Xe) hay (P + Xe)]. Lêđêburit là hỗn hợp cùng tinh của austenit và xêmentit ở nhiệt độ >7270C và hỗn hợp cùng tinh của peclit và xêmentit ở nhiệt độ < 7270C, tạo thành từ pha lỏng với 4,3%C ở 1147oC. Lêđêburit cứng và giòn (vì có quá nhiều, tới 2/3 là xêmentit), độ cứng đạt 600 HB. Hình 2.11:biểu diễn tổ chức tế vi của lêđêburit
+ Gang cùng tinh có 4,3%C ứng đúng điểm C, với tổ chức chỉ là lêđêburit.
+ Gang trắng sau cùng tinh với thành phần > 4,3%C ở bên phải điểm C, có tổ chức lêđêburit + xêmentit thứ nhất .
3.3.3. Các điểm tới hạn của thép
Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe - C (hình 2.8), trong khu vực của thép có rất nhiều đường ứng với các chuyển biến pha khác nhau. Để đơn giản hóa việc gọi tên các chuyển biến pha này người ta ký hiệu (đánh số) các đường tương ứng bằng chữ A (từ tiếng Pháp arrêt có nghĩa là dừng, vì khi có chuyển biến pha nhiệt độ biến đổi chậm lại đôi khi dừng hẳn) với các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, và m, chúng được gọi là các điểm (hay nhiệt độ) tới hạn. Các điểm tới hạn thường dùng nhất gồm:
- A1- đường PSK (727oC) ứng với chuyển biến austenit ←→ peclit. Điểm tới hạn A1 có trong mọi loại thép.
- A3 - đường GS (911 ÷727oC) ứng với bắt đầu tiết ra ferit khỏi austenit khi làm nguội hay kết thúc hòa tan ferit vào austenit khi nung nóng. Điểm tới hạn A3 chỉ có trong thép trước cùng tích.
- Am - đường ES (1147÷727oC) ứng với bắt đầu tiết ra xêmentit khỏi austenit khi làm nguội hay kết thúc hòa tan xêmentit vào austenit khi nung nóng. Điểm tới hạn Am chỉ có trong thép sau cùng tích.
Các điểm tới hạn khác là A0 (210oC) - điểm Curi của xêmentit, A2 (768oC) - điểm Curi của ferit, A4 - đường JN (1499 - 1392oC) ứng với chuyển biến γ ←→ δ]. Có thể dễ dàng xác định (gần đúng) giá trị của A3 và Am của các thép có thành phần cacbon khác nhau theo giản đồ pha Fe - C bằng cách gióng hay tính toán với quy ước các đường tương ứng GS và ES là thẳng. Tuy nhiên các điểm tới hạn tìm được này chỉ đúng với trạng thái cân bằng (nung nóng hay làm nguội vô cùng chậm), không phù hợp với các trường hợp nung nóng, làm nguội thông thường và nhanh. Để phân biệt cùng một điểm tới hạn cho hai trường hợp: nung nóng và làm nguội, người ta thêm chữ c (chauffage) khi nung nóng, thêm chữ r (refroidissement) khi làm nguội.
Kiến thức cần thiết để thực hiện công việc
1. Khái niệm về hợp kim
2. Khái niệm về : pha, hệ, cấu tử
3. Cấu tạo của giản đồ và tính chất của các tổ chức trên giản đồ trạng thái Fe - C?
4. Phân loại gang thép trên giản đồ?
Các bước và cách thức thực hiện công việc
Câu 1. Nêu khái niệm về hợp kim? Trình bày tính chất ưu việt của hợp kim?
Câu 2. Thế nào là dung dịch rắn, nêu đặc điểm của dung dịch rắn xen kẽ và thay thế? Trình bày các đặc tính của dung dịch rắn.
3. Khái niệm về : pha, hệ, cấu tử.
Câu 4. Trình bày tính chất của các tổ chức trên giản đồ pha Fe – c? Câu 5. Phân loại gang và thép trên giản đồ pha Fe – C?
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập
Câu 1. Nêu khái niệm về hợp kim? Trình bày tính chất ưu của hợp kim? - Nêu khái niệm về hợp kim
- Những tính chất ưu việt của hợp kim
Câu 2. Thế nào là dung dịch rắn, nêu đặc điểm của dung dịch rắn xen kẽ và thay thế? Trình bày các đặc tính của dung dịch rắn.
- Nêu khái niệm về dung dịch rắn - Những đặc điểm của dung dịch rắn + Thay thế
+ Xen kẽ
3. Khái niệm về : pha, hệ, cấu tử
Câu 4. Trình bày tính chất của các tổ chức trên giản đồ pha Fe – c? a.Tính chất của các tổ chức 1 pha
- ferit (F) - Ostenit (Ô) - Xementit (XÊ) b.Tính chất của các tổ chức 2 pha - Peclit (P) - Lêđêburit (LÊ)
Câu 5. Phân loại gang và thép trên giản đồ pha Fe – C? a.Thép - Thép cùng tích - Thép trước cùng tích - Thép sau cùng tích b. Gang - Gang cùng tinh - Gang trước cùng tinh - Gang sau cùng tinh