Chương 3 Hợp kim và giản đồ pha
3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
3.2.8. Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tính chất của hợp kim
a. Tính chất các pha thành phần
Pha thành phần là pha tạo nên tổ chức của hợp kim. Khi hợp kim có tổ chức một pha thì pha thành phần duy nhất đó đồng nhất (đồng nghĩa) với hợp kim;
tính chất của hợp kim là tính chất của pha này. Trường hợp tổ chức là hỗn hợp của nhiều pha thì tính chất của hợp kim là sự tổng hợp hay kết hợp tính chất của các pha thành phần. Như khảo sát ở các phần trên, các pha thành phần tạo nên tổ chức của hợp kim có thể là nguyên tố hóa học, dung dịch rắn, pha trung gian và thường gặp hơn cả là hợp kim với tổ chức là hỗn hợp giữa dung dịch rắn và pha trung gian.
H∙y xem hai pha cơ bản này có tính chất phụ thuộc vào các cấu tử thành phần như
thế nào?
Như đ∙ nói, dung dịch rắn mang đặc tính cơ bản của cấu tử chính (dung môi, chủ với tỷ lệ áp đảo từ 50 đến gần 100%) song chịu ảnh hưởng rõ rệt của cấu tử hòa tan. Khi đưa thêm cấu tử này vào, tính chất biến đổi không đều: đầu tiên thay đổi rất mạnh, càng về sau mức độ thay đổi càng giảm đi (sẽ đạt đến cực trị
trong trường hợp hòa tan vô hạn). Vì thế như biểu thị ở hình 3.15, tính chất của dung dịch rắn sẽ phụ thuộc vào nồng độ chất tan theo đường cong, dốc lên hay xuống, nhiều hay ít là tùy tính chất và hệ cụ thể. Quan hệ tính chất - nồng độ thông thường được xác định bằng thực nghiệm.
Hình 3.15. Sự biến đổi tính chất của dung dịch rắn theo thành phần (nồng độ chất tan), vẽ tương ứng với dung dịch rắn có hạn biểu thị ở phần trên, PA, P'A là các tính chất cụ thể của cấu tử chính (dung môi).
Hình 3.16. Tính chất của hợp kim là hỗn hợp của hai pha (vùng gạch chéo:
xê dịch tính chất ở vùng phụ cận thành phần cùng tinh hoặc cùng tích).
Khác với dung dịch rắn, pha trung gian chỉ xuất hiện khi đưa cấu tử thứ hai vào với lượng vượt quá giới hạn hòa tan, hơn nữa do có cấu trúc mạng nói chung là phức tạp và khác hẳn với các cấu tử thành phần nên pha trung gian thường có tính chất không phụ thuộc vào thành phần và khác hẳn tính chất các cấu tử nguyên chất. Ví dụ, các kim loại nguyên chất thường rất dẻo, dai và mềm, còn các pha trung gian (hợp chất liên kim loại) thường giòn, nhiều trường hợp có độ cứng cao và rất cao.
b. Tính chất của hỗn hợp các pha
Tính chất của hỗn hợp các pha là sự tổng hợp hay kết hợp tính chất của từng pha và số lượng (tỷ lệ) của chúng. Ví dụ, xét một hợp kim có giản đồ loại I như ở hình 3.16 (phần trên), có tổ chức A + B, với b%B và (100 - b)%A. Pha A có tính chất đ∙ cho là PA, pha B là PB, lúc đó tính chất của hợp kim sẽ là
PHK = (100 - b)%.PA + b%.PB hay PHK = PA + b%.(PB - PA).
Quan hệ này có thể biểu diễn bằng hình 3.16 (phần dưới): tính chất của hợp kim biến đổi theo quan hệ bậc nhất với tính chất của hai pha thành phần hoặc
101
biến đổi theo thành phần với quan hệ đường thẳng (nối giá trị tính chất của hai pha
đó). Tuy nhiên mối quan hệ đường thẳng như vậy chỉ đúng khi cùng cỡ hạt và các pha phân bố đều đặn. Trong trường hợp hạt nhỏ đi, tính chất đạt được sẽ cao hoặc thấp hơn so với quan hệ này, như đối với độ bền, độ dẻo, độ dai thì cao hơn hẳn.
Chính vì lý do như vậy mà tính chất của hợp kim có thể không tuân theo quan hệ
đường thẳng tại điểm cùng tinh, cùng tích và vùng phụ cận.
Hình 3.17. Tính chất của hợp kim và giản đồ pha, trong đó PA và PB là tính chất của các cấu tử nguyên chất tương ứng.
c. Quan hệ giữa giản đồ pha và tính chất của hợp kim
Trên hình 3.17 đưa ra bốn dạng giản đồ pha thường gặp và sự thay đổi tính chất theo thành phần của mỗi dạng giản đồ.
Trong trường hợp hai cấu tử hòa tan vô hạn vào nhau, tính chất biến đổi theo thành phần với quan hệ đường cong có cực trị (hình a vẽ cho trường hợp cực
đại).
Trường hợp hai cấu tử tạo nên hỗn hợp thì tùy theo dạng hỗn hợp có ba
kiÓu sau ®©y.
- Hình b là giản đồ pha với hỗn hợp của hai cấu tử nguyên chất. ở đây tính chất biến đổi theo thành phần với quan hệ đường thẳng chạy suốt trục hoành từ PA
đến PB.
- Hình c là giản đồ pha với hỗn hợp của hai dung dịch rắn có hạn, do vậy tính chất biến đổi theo thành phần với hai quy luật: phần đường cong ở hai đầu mút ứng với hai dung dịch rắn có hạn và đạt đến Pα và Pβ khi b∙o hòa và phần
đường thẳng nối Pα và Pβ khi hợp kim là hỗn hợp của hai dung dịch rắn có hạn ở
nồng độ b∙o hòa này.
- Hình d là giản đồ pha với hỗn hợp của dung dịch rắn có hạn và pha trung gian, do vậy tính chất biến đổi theo thành phần với hai quy luật: ở phần dung dịch rắn có hạn theo quan hệ đường cong và đạt đến Pα khi nồng độ đạt đến giới hạn b∙o hòa, ở phần hỗn hợp theo quan hệ đường thẳng PαPH (PH là tính chất của pha trung gian).
3.3. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C)
Giản đồ pha Fe - C (chỉ xét hệ Fe - Fe3C) khá phức tạp, rất điển hình để minh họa các tương tác thường gặp và được sử dụng rất nhiều trong thực tế. Vì vậy hiểu rõ giản đồ pha này sẽ mang lại nhiều điều bổ ích.
Nói là giản đồ pha Fe - C song thực tế chỉ khảo sát một phần (phần giàu Fe) với lượng cacbon đến 6,67 % (tương ứng với hợp chất Fe3C) - tức hệ Fe - Fe3C. Ngoài ra còn có giản đồ Fe - grafit là hệ cân bằng ổn định nhất, song trong thực tế rất khó đạt tới, nên giản đồ Fe - Fe3C cũng được coi là cân bằng ổn định (đúng hơn là cân bằng ổn định giả).