Chương 4_Khái niệm về hợp kim và giản đồ trạng thái

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

CHƯƠNG 4

VẬT LIỆU KỸ THUẬT

KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ
TRẠNG THÁI

Giảng viên: TS. Nguyễn Thị Hằng Nga

NỘI DUNG

Email:

4.1.
4.2.
4.3.
4.4.

4.1. KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM
3

Khái niệm về hợp kim
Các pha và tính chất các pha trong hợp kim
Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên
Giản đồ trạng thái Sắt – Carbon

4.1. KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM
4

4.1.1. Định nghĩa hợp kim

4.1.2. Đặc tính của hợp kim

Hợp kim là vật thể gồm nhiều nguyên tố mang tính chất kim
loại. Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim mang tính chất kim loại.

+ Cơ tính cao: - Độ bền, độ cứng, giới hạn chảy, đàn hồi của
hợp kim cao hơn hẳn so với kim loại nguyên chất, còn độ dẻo,
độ dai vẫn đủ cao.

Thành phần nguyên tố hoá học trong hợp kim thường được biểu
thị bằng % trọng lượng, cũng có khi biểu thị bằng % ngun tử.

+ Tính cơng nghệ phù hợp với chế tạo cơ khí như: tính đúc,
tính gia cơng cắt gọt, có thể hố bền bằng nhiệt luyện v.v…

+ Chế tạo (luyện) hợp kim: dễ và kinh tế hơn nhiều so với kim
VD: Thép 40 có 0,4%C;
Thép 40X có 0,4%C và 1%Cr
Thép 80W18Cr4V có 0,8%C, 18%W, 4%Cr và 1%V

loại nguyên chất.
- Do luyện hợp kim không cần phải khử triệt để tạp chất, mà chỉ
cần khống chế chúng ở mức độ nào đó.

4.1. KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM
5

4.1. KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM
6

4.1.3. Các khái niệm về hệ hợp kim

c. Nguyên (cấu tử)

a. Pha

Là những chất độc lập có thành phần hố học khơng đổi (có thể là

- Pha là dạng vật chất có thành phần đồng nhất, ở cùng một
trạng thái và kiểu mạng tinh thể.

nguyên tố hoá học hoặc hợp chất hoá học), chúng tạo nên tất cả

Các pha ngăn cách nhau bằng bề mặt phân chia.
b. Hệ
- Hệ là một dạng tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng.

+ Điều kiện:
- Mỗi pha trong đó phải đạt được giá trị năng lượng tự do bé
nhất.

các pha của hệ.
Có thể đưa một vài ví dụ để làm rõ khái niệm này:
+ Một hệ gồm 2 pha là nước lỏng và nước đá (ở 0C), chỉ có

một nguyên tử là H2O.
+ Hợp kim Cu-Ni là một hệ gồm 2 nguyên (Cu, Ni) ở trạng thái
rắn hoặc lỏng chỉ có một pha vì chúng tạo ra dung dịch rắn hoặc
lỏng đồng nhất.

1


4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

7

8

Cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim phức tạp hơn kim loại

4.2.1. Dung dịch rắn

a. Khái niệm:

nguyên chất.

- Nếu mạng tinh thể của hợp kim vẫn giữ nguyên kiểu mạng
của kim loại nguyên chất, nhưng làm biến đổi thông số mạng và
gây xơ lệch thì dạng cấu tạo này gọi là dung dịch rắn.
- Nếu mạng tinh thể của hợp kim khác hẳn với mạng của các

nguyên tố thành phần thì dạng cấu tạo này gọi là hợp chất hố

- Dung dịch rắn có nhiều điểm giống với dung dịch lỏng, song
điểm khác nhau cơ bản giữa chúng là dung dịch rắn có cấu tạo
tinh thể.
- Khi 2 nguyên tố hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn, một
nguyên tố giữ ngun kiểu mạng gọi là dung mơi, cịn nguyên tố
kia phân bố đều vào mạng của nguyên tố dung mơi gọi là ngun
tố hịa tan.
- Ký hiệu của dung dịch rắn bằng các chữ , , ... hoặc A (B).

học hay pha trung gian.

Trong đó: A – dung mơi,
B – ngun tố hồ tan.

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

9

10

c. Dung dịch rắn thay thế

b. Các đặc tính chung của dung dịch rắn
- Có liên kết kim loại;
- Có kiểu mạng tinh thể của kim loại dung mơi;

- Thành phần các ngun tố có thể thay đổi trong phạm vi nào
đó mà vẫn khơng làm thay đổi kiểu mạng;

- Khi nguyên tử của nguyên tố hồ tan thế vào vị trí nút mạng của
ngun tố dung mơi thì tạo nên dung dịch rắn thay thế.
- Điều kiện: Dntht  Dntdm
- Tuy nhiên vẫn làm xô lệch mạng tăng độ bền, độ cứng và
giảm một chút độ dẻo dai so với dung môi.

- Độ bền, độ cứng cao hơn kim loại dung mơi cịn độ dẻo vẫn
khá cao do vẫn giữ nguyên kiểu mạng của kim loại dung môi, (Do
mạng tinh thể bị xô lệch).

- Ngun tử dung mơi

- Tuỳ theo vị trí phân bố của nguyên tố hoà tan trong mạng
tinh thể của dung mơi, sẽ có hai loại dung dịch rắn thay thế và
xen kẽ.

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP
11

KIM

- Ngun tử hồ tan

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
12

Theo độ hoà tan lại chia ra dung dịch rắn (thay thế) hồ tan vơ

hạn và hồ tan có hạn.
❖ Dung dịch rắn hồ tan vơ hạn
- Khi ngun tử hồ tan B có thể lần lượt thay thế các vị trí của
ngun tử dung mơi A một cách liên tục, ta được dung dịch rắn
hoà tan vơ hạn.

Điều kiện cần để hai kim loại hịa tan vơ hạn vào nhau là:
- Có cùng kiểu mạng
- Đường kính nguyên tử sai khác nhau ít (dưới 8% khi hồ tan
vào Fe)

- Các tính chất lý, hố gần giống nhau nhất là nhiệt độ chảy
- Có cùng hố trị

A(B)

A(B)

B(A)

2


4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
14

13

❖ Dung dịch rắn hồ tan có hạn
- Khi ngun tử hồ tan B chỉ có thể thay thế vị trí các ngun
tử dung mơi A đến một giới hạn nào đó (nếu hồ tan thêm sẽ có
kiểu mạng khác), ta được dung dịch rắn hồ tan có hạn.

d. Dung dịch rắn xen kẽ
- Khi nguyên tử hoà tan xen kẽ vào giữa các nút mạng của kim
loại dung môi (tức là xen kẽ vào giữa các lỗ hổng của mạng) ta có
dung dịch rắn xen kẽ.

- Nguyên tử dung mơi
- Ngun tử hồ tan
- Chỉ cần khơng thoả mãn một trong 4 điều kiện trên sẽ tạo nên
dung dịch rắn hồ tan có hạn. Đây là trường hợp thường gặp.

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
15

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
16

❖ Đặc điểm:
- Các lỗ hổng của mạng có kích thước nhỏ so với nguyên tử
dung môi A;
- Nguyên tử hoà tan B hoà tan xen kẽ vào mạng của dung mơi
A khi tỷ số đường kính của chúng thoả mãn hệ thức:

dB
 0,59
dA

- Là loại dung dịch hoà tan có hạn;
- Thường được tạo thành bởi dung mơi
là kim loại có đường kính ngun tử
lớn như: Fe, Cr, W, Ti... và các nguyên
tố hoà tan là các á kim có đường kính
ngun tử nhỏ như : C, N, H, B…

B
A

B

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
17

4.2.2. Pha trung gian
+ Đặc tính chung:
- Mạng tinh thể của pha trung gian thường phức tạp và khác
các nguyên tố tạo thành nó, nên tính dẻo kém;
- Có tính giịn, độ cứng cao và nhiệt độ nóng chảy khá cao;

- Thành phần cố định hoặc có thể thay đổi trong phạm vi hẹp.
Có thể biểu diễn được bằng cơng thức hố học;
- Có thể ở nhiều dạng liên kết khác nhau: Liên kết kim loại,
ion, đồng hoá trị.
- Các pha trung gian thường gặp là pha xen kẽ, pha điện tử 
đó là các pha có liên kết kim loại.

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP
KIM

18

a. Pha xen kẽ

+ Thành phần hố học có cơng thức đơn giản như: KA, KA2,

- Là loại pha trung gian được tạo nên giữa kim loại và á kim với
các đặc tính sau đây:
+ Đường kính nguyên tử á kim (dA) bé hơn của kim loại (dK)
rất nhiều. Chúng cũng thoả mãn bất đẳng thức:

dA
 0,59
dK
+ Mạng tinh thể có dạng đơn giản như lục giác xếp chặt, lập
phương diện tâm, trong đó nguyên tử á kim nằm xen kẽ ở lỗ

K4A, KA4;

(Ví dụ như những loại các bít đơn giản mà thường gặp: WC,
TiC, TaC)
+ Các kim loại có đường kính nguyên tử lớn như: Ti, W, Mo,
V, Nb, Zr, Ta và đôi khi cả Cr, Mn, Fe, thường kết hợp với
những á kim có đường kính ngun tử nhỏ như: C, N, H, B, để

tạo thành pha xen kẽ;
+ Tính chất điển hình là rất cứng và nhiệt độ chảy rất cao.

hổng của mạng;

3


4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
19

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
20

b. Pha điện tử (Pha Hum - Rôđêri)

Mỗi giá trị này lại ứng với một kiểu mạng:

Là pha phức tạp tạo nên giữa 2 kim loại và có đặc tính sau:

3
2

- Về thành phần: Gồm 2 kim loại thuộc 2 nhóm sau:
+ Nhóm 1: Cu, Ag, Au (hố trị 1) và Fe, Co, Ni, Pd, Pt (nhóm kim
loại chuyển tiếp).
+ Nhóm 2: Be, Mg, Zn, Cd, (hố trị 2); Al(3), Si , Sn (4).
- Có nồng độ điện tử (Số điện tử hoá trị / số nguyên tử) bằng
một trong các giá trị sau:

3 21 7
; ;
2 13 4

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM

21

- Lập phương thể tâm (pha )

21
- Lập phương phức tạp (pha )
13
7
4

- Lục giác xếp chặt (pha )

+ Thành phần hoá học có thể thay đổi trong phạm vi hẹp;
+ Ở nhiệt độ thấp có tính dịn cao.

4.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
22

VD: Ở hệ Cu - Zn có các pha điện tử sau:

4.2.3. Hỗn hợp cơ học

Sau khi kết tinh, các hợp kim ở một trong hai dạng tổ chức sau:
- CuZn – pha 

1.1 2.1 3

11
2

- Cu5Zn8 – pha 

1.5 2.8 21

58 13

- CuZn3 – pha 

1.1 2.3 7

1 3
4

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
23

4.3.1. Khái niệm về giản đồ trạng thái
a. Định nghĩa

Giản đồ trạng thái là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha theo
nhiệt độ và thành phần hoá học của hệ ở trạng thái cân bằng.
Giản đồ trạng thái được xây dựng trong điều kiện nung nóng và

làm nguội vơ cùng chậm tức là ở trạng thái cân bằng.

- Có tổ chức một pha: pha dung dịch rắn hoặc pha trung gian;
- Có tổ chức hai hay nhiều pha: đó chính là hỗn hợp cơ học.
Khái niệm
- Hỗn hợp cơ học gồm hai hay nhiều pha hỗn hợp với nhau
chứ khơng hồ tan vào nhau.

Ví dụ :
+ Hỗn hợp cơ học của hai dung dịch rắn; của dung dịch rắn và
pha trung gian...
+ Hai dạng điển hình của hỗn hợp cơ học là cùng tinh và cùng
tích.

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
24

b. Công dụng của giản đồ trạng thái
Từ giản đồ trạng thái có thể biết được:
- Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của hợp kim với
thành phần đã cho khi nung nóng và làm nguội.
 Xác định dễ dàng các chế độ nhiệt khi nấu luyện (để đúc), khi
gia công áp lực và nhiệt luyện;
- Trạng thái pha (gồm những pha nào, thành phần của mỗi
pha và tỷ lệ giữa những pha đó) của hệ hợp kim ở các nhiệt độ
và thành phần khác nhau.
 Dự đốn được tính chất của hợp kim đã cho để sử dụng
vào mục đích khác nhau.
Các chỉ dẫn trên giản đồ trạng thái vẫn là cơ sở cho các suy
luận, giải thích.

4


4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
26

25

c. Cấu tạo của giản đồ trạng thái hai nguyên
- Đối với kim loại nguyên chất
Giản đồ pha của Fe
(Giản đồ một nguyên)
- Đối với hệ hợp kim 2 nguyên

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

+ Mỗi điểm trên giản đồ  biểu
thị một hợp kim có thành phần
nhất định, hai đầu mút ứng với
hai nguyên chất (100%A + 0%B
và 100%B + 0%A).
+ Đường thẳng bất kỳ trên giản đồ ứng với sự biến đổi nhiệt
độ của một hợp kim. Ví dụ đường thẳng vẽ trên giản đồ ứng với
hợp kim 80%B + 20%A.
+ Khoảng diện tích giữa 2 trục tung được các đường phân
chia thành từng vùng có trạng thái pha giống nhau và được gọi
là vùng tổ chức.
+ Hợp kim có trục toạ độ rơi vào vùng nào đó sẽ có trạng thái
tương ứng và tổ chức tại vùng đó.

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

27

28

+ Tỉ lệ (về số lượng) giữa các pha hoặc tổ chức được xác
định theo quy tắc đòn bẩy:

4.3.2. Giản đồ trạng thái hai nguyên loại một
Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B, hồn tồn hồ tan vào
nhau ở trạng thái lỏng, khơng hồ tan vào nhau ở trạng thái rắn
và khơng tạo thành pha trung gian.
B

631

327
245

Sb+L

A
Pb+L E

D

Nhiệt độ,0C

L

C

Lượng pha phải

=

Độ dài đoạn thẳng bên phải (đòn bên phải)

Pb + Sb

x

100%A

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
29

a. Một số khái niệm
- Đường lỏng - đường
AEB: là đường mà khi
nguội đến đó, hợp kim
lỏng sẽ bắt đầu kết tinh;
- Đường đặc - đường
CED: là đường mà khi
làm nguội đến đó hợp
kim lỏng sẽ kết thúc kết
tinh, nghĩa là dưới đường
đặc sẽ khơng cịn pha
lỏng nữa;

20

Pb

20

E

B+L
D

B + (A+B)

40

60

80

100%B

%B

13

Độ dài đoạn thẳng bên trái (đòn bên trái)

A+L

A+(A+B)

C

Lượng pha trái

B

L
A

(A+B)

Nhiệt độ,0C

HK

40

60

80

Sb

%Sb

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
30

- Khu vực nằm trên đường lỏng, hợp kim hoàn toàn ở trạng
thái lỏng (L);
- Khu vực nằm giữa đường lỏng và đường đặc sẽ gồm hai pha
lỏng và pha rắn đã được kết tinh;

Ví dụ:
- Khu vực AEC - ( L + A).
- Khu vực BED - ( L + B).

5


4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
31

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
32

- Điểm E gọi là điểm cùng tinh. Pha lỏng có thành phần ứng
với điểm E  có tính chất đặc biệt là tại nhiệt độ này pha lỏng
kết tinh ra đồng thời cả hai pha rắn (A + B) và được gọi là hỗn
hợp cơ học cùng tinh.
Quy ước như sau:
- Hợp kim có thành phần ở chính
điểm E gọi là hợp kim cùng tinh;
- Hợp kim có thành phần ở bên
trái điểm E gọi là hợp kim trước
cùng tinh.
- Hợp kim có thành phần ở bên
phải điểm E gọi là hợp kim sau
cùng tinh.

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
33

Ví dụ: Xét sự kết tinh của hợp kim: 60%Sb + 40%Pb
+ Phía trên điểm 1 hợp kim?

+ Phía dưới điểm 2 hợp kim?
+ Trong khoảng 12 hợp kim?

 Tại 1 là điểm bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy và tại 2
là điểm bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh.

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
34

VD: Xác định tỉ lệ các pha của hợp kim 60%Sb + 40%Pb tại 400C.
- Hợp kim lỏng tại a’’(37%Sb) và tinh thể B tại a’ là 1(100%Sb).

L a aa 

Ba aa 
L37 100  60  40


Sb100 60  37  23
 Pha lỏng chiếm

40
63,5% , pha rắn chiếm 23 36,5%
63
63

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

35

b. Các đặc tính của hợp kim
+ Cơ lý tính:
- Hợp kim sẽ có tính chất trung gian giữa ngun A và B
theo quan hệ đường thẳng.
- Tính chất của hợp kim = %A x tính chất của A + %B x
tính chất của B.
Ví dụ:
Chì có độ cứng 4 HB,
ăntimon có độ cứng 30 HB.
Thì hợp kim 60%Pb + 40%Sb
có độ cứng là:
60%x4 + 40%x30 = 14 HB

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
36

+ Tính công nghệ:

4.3.3. Giản đồ trạng thái hai nguyên loại hai

- Tính đúc tốt, nhất là những hợp kim lân cận cùng tinh;

Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B hoà tan hoàn toàn vào
nhau ở trạng thái lỏng cũng như trạng thái rắn, khơng tạo thành
pha trung gian.

- Tính gia cơng cắt gọt nói chung là tốt vì phoi dễ gẫy nên năng
suất cắt gọt cao;

- Cịn tính gia cơng áp lực nói chung kém vì tính dẻo của hợp

- Đường lỏng - AmB

kim thuộc loại này không cao.

- Đường đặc - AnB

m
A

B

n

- Vùng giữa hai đường lỏng
và đặc gọi là khoảng đông vùng
này gồm hai pha là pha lỏng và
dung dịch rắn   ( L + ) .
-  là dung dịch rắn hồ tan vơ hạn của A(B) hoặc B(A).

6


4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

37

38

- Trong thực tế hệ hợp kim Cu – Ni, Al2O3 – Cr2O3  có kiểu
giản đồ này.
L

❖ Ví dụ: Xét sự kết tinh của hệ hợp kim 35%Cu – 65%Ni
+ Tại điểm 1 – 1300C tồn tại
pha lỏng.
+ Tại điểm 2 – 1270C,
2’’ – dung dịch rắn (49%Ni)
+ Tại điểm 3 – 1250C, gồm:
- Hợp kim: 3 – 35%Ni;
- Pha lỏng: 3’ – 30%Ni;
- Dung dịch rắn: 3’’ – 43%Ni.

60

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

39

40

❖ Các đặc tính của hợp kim

❖ Tỉ lệ giữa các pha tại 1250C:

+ Cơ lý tính:

L 3' 33' '

α 3'' 33'

- Cơ lý tính phụ thuộc vào thành phần theo quan hệ đường
cong có cực trị;
- Độ bền, độ cứng cao hơn kim loại dung mơi và chúng có giá

43 - 35  8
35 - 30 5

trị lớn nhất khi hai kim loại hoà tan vào nhau nhiều nhất (50%A +
50%B);

33'' 4335 8
 L3'  
  61,5%
3'3'' 4330 13

- Tính dẻo tuy khơng cao bằng kim loại dung mơi, song vẫn
60

cịn đủ cao để gia cơng áp lực tốt.

33' 3530 5
3' 


  38,5%
3'3'' 4330 13

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUN
41

42

+ Tính cơng nghệ:
- Tính đúc của hệ hợp kim này nói chung kém, song nó phụ thuộc
vào khoảng đơng;
Khoảng đơng càng hẹp tính đúc càng tốt, bởi vì thành phần
giữa pha lỏng và pha rắn khơng khác nhau nhiều  do đó khả
năng điền đầy khuôn và mật độ vật đúc cao hơn.
L
- Tính gia cơng áp lực tốt vì độ dẻo
cao;
-Tính gia cơng cắt gọt nói chung
kém vì độ dẻo cao làm phoi khó
gẫy.

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
4.3.4. Giản đồ trạng thái hai nguyên loại ba
Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B hoà tan vơ hạn vào nhau ở
trạng thái lỏng, hồ tan có hạn vào nhau ở trạng thái rắn, khơng
tạo thành pha trung gian .
+ Đường lỏng AEB.
+ Đườmg đặc ACEDB.
+ E - Điểm cùng tinh.
E

Điển hình là hệ hợp kim
chì - thiếc (Pb-Sn)

7


4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUN
- : là dung dịch rắn hồ tan có hạn A(B). Sự hồ tan có hạn
thể hiện ở đường CF chỗi về phía trái chứng tỏ nhiệt độ càng
thấp độ hoà tan càng giảm (độ hoà tan lớn nhất tại nhiệt độ cùng
tinh).
- : là dung dịch rắn
hồ tan có hạn B(A) Sự hồ tan có hạn thể
hiện ở đường DG chỗi
về bên phải, chứng tỏ
nhiệt độ thấp thì độ hoà
tan giảm.

- Giản đồ loại III này là do hai giản đồ loại I và loại II ghép lại, chỉ
khác ở chỗ hồ tan có hạn. Có thể phân tích như sau:
+ Các hợp kim nằm ở phía trái điểm F và ở phía phải điểm G
có quy luật kết tinh giống giản đồ loại II;
+ Các hợp kim có thành
phần nằm trong khoảng
C’D’ có quy luật kết tinh
giống như giản đồ loại I;

E

+ Các hợp kim có thành
phần nằm trong khoảng FC’
và D’G có quy luật kết tinh
hơi khác;

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
45

E

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
46

❖ Xét sự kết tinh của hệ hợp kim 60%Pb – 40%Sn
+ Tại điểm 1 – 300C tồn tại pha lỏng
+ Tại điểm 2 – 245C,
2’ – dung dịch rắn (13,3%Sn)
+ Tại điểm 3 – 200C, chứa:
- Dung dịch rắn: a’ – 18,5
%Sn;
- Pha lỏng: a’’ – 57%Sn.

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
44

43

❖ Tỉ lệ giữa các pha tại 200C:

57 - 40   17

α a'

L a'' 40 - 18,5  21,5
L+

L+

 α a' 

3a' ' 17

 44,16%
a' a' ' 38,5

 La'' 

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
47

3a' 21,5

 55,84%
a' a' ' 38,5

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
48

4.3.5. Giản đồ trạng thái hai nguyên loại bốn

4.3.6. Xử lý giản đồ pha hai cấu tử

Giản đồ trạng thái hai ngun A và B khơng hồ tan vào nhau
ở trang thái rắn nhưng tạo nên pha trung gian ổn định.

Đối với một nhiệt độ và thành phần nhất định, ta có thể sử dụng giản đồ
pha để xác định:
1) Các pha tồn tại
2) Thành phần của các pha
3) Tỷ lệ tương đối của các pha

- Pha trung gian có cơng
thức tổng qt là AmBn
(viết tắt là H) được biểu
thị bằng đường thẳng

đứng, còn điểm H là điểm
chảy của nó.
VD: Hệ Mg-Ca có pha
trung gian là: Mg4Ca3

❖ Tìm thành phần trong vùng hai pha:
1. Xác định vị trí thành phần và nhiệt độ trong
giản đồ.
2. Trong vùng hai pha vẽ đường nối nằm
ngang hoặc đẳng nhiệt.
3. Lưu ý giao điểm với các biên giới pha. Đọc
kết quả thành phần tại các điểm giao.
Đây là thành phần của các pha lỏng và pha rắn.

ng

X lá
B

XB

n
X r¾
B

8


4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUN

49

50

❖ Quy tắc địn bẩy - Tìm lượng pha trong vùng hai pha:

❖ Nguồn gốc của quy tắc đòn bẩy:

1) Toàn bộ vật liệu phải ở pha này hay pha cịn lại:

1. Xác định vị trí thành phần và nhiệt độ
trong giản đồ.
2. Trong vùng hai pha vẽ đường nối nằm
ngang hoặc đẳng nhiệt.

3. Tỷ lệ của một pha được xác định bởi việc
lấy chiều dài của đường nối nằm ngang đến
biên giới pha này cho pha còn lại, và chia cho
tổng chiều dài của đường nối nằm ngang.
Quy tắc đòn bẩy là một phép loại suy cơ
học cho việc tính tốn cân bằng khối lượng.
Đường nối nằm ngang trong vùng hai pha là
tương tự như một đòn bẩy cân bằng trên một
điểm tựa.

W  WL  1
2) Khối lượng của một cấu tử tồn tại trong cả hai pha sẽ bằng với
khối lượng của cấu tử này trong pha thứ nhất + khối lượng của cấu tử
này trong pha thứ hai:

W C  WLCL  C0
3) Nghiệm của các phương trình này cho chúng ta quy tắc địn bẩy.

WL 

C  C0
C  C L

W 

C0  C L
C  C L

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
51

52

4.4.1. Đặc điểm các nguyên tố (sắt - carbon)

❖ Ví dụ: Thành phần và lượng pha:

C0  35 wt. %
CL  31.5 wt. %
C  42.5 wt. %
Các tỷ lệ khối lượng:

S
R S
C  C0
WL  
 0.68
C  C L
WL 

a. Sắt
+ Đặc điểm:
- Sắt là nguyên tố kim loại thuộc nhóm VIII của hệ thống tuần

hồn, nó thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp;
- Rất khó luyện ra sắt nguyên chất tuyệt đối. Sắt nguyên chất
kỹ thuật chứa khoảng 99,3  99,9% và 0,1  0,7% tạp chất;

R
R S
C  CL
W  0
 0.32
C  C L
W 

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
53

- Về cơ tính sắt là kim loại dẻo dai song kém bền, các chỉ tiêu
về cơ tính như sau:
+ Giới hạn bền kéo:
b = 250 N/mm2;
+ Giới hạn chảy:
0,2 = 120 N/mm2;
+ Độ dãn dài tương đối:  = 50%;
+ Độ co thắt tương đối:  = 85%;
+ Độ dai va đập:
ak = 3000 kJ/m2;
+ Độ cứng:
HB = 80.
- Sắt là kim loại có tính thù hình gồm:
+ Mạng lập phương tâm khối:
Tồn tại ở 911C – Fe- và 1392C  1539C – Fe-);
+ Mạng lập phương tâm diện:
Tồn tại ở 911C  1392C – Fe-.

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

54

b. Carbon
Carbon là nguyên tố á kim thuộc nhóm IV của hệ thống tuần

hồn. Nó tồn tại dưới các dạng sau:
- Vơ định hình như than gỗ, than đá;
- Kim cương với kiểu mạng kim cương rất cứng. Đó là dạng
thù hình khơng ổn định. Ở nhiệt độ và áp suất cao kim cương
trở lên ổn định,

- Graphit với kiểu mạng lục giác xếp theo lớp. Khoảng cách
giữa các lớp khá xa nên lực liên kết giữa chúng yếu và rất dễ
tách lớp. Graphit rất mềm.

9


4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

55

56

4.4.2. Tương tác giữa các bon và sắt

a. Tạo thành dung dịch rắn của Carbon trong sắt

rc = 0,077 nm  rFe = 0,124 nm
 Có thể hoà tan vào mạng tinh thể của sắt dưới dạng xen
kẽ, song hai kiểu mạng tinh thể của sắt có khả năng hồ tan
rất khác nhau.

+ Mạng lập phương tâm khối – Fe- ,Fe-
Số lỗ hổng nhiều nhưng rlh  rc tuy nhiên Carbon vẫn hoà
tan vào Fe- (tại biên giới hạt và sô lệch mạng)

+ Mạng lập phương tâm mặt – Fe
Số lỗ hổng ít nhưng rlh  rc  nguyên tử Carbon chui vào lỗ
hổng dễ dàng và gây sô lệch mạng.

Thực tế ở 727C lượng Carbon có thể hồ tan tới 0,76%
(~0,8%) trong Fe-.

 Như vậy kiểu mạng lập phương tâm mặt có khả năng
hồ tan lượng Carbon nhiều hơn kiểu mạng lập phương
tâm khối.

Thực tế ở 727C Carbon hoà tan được 0,02% vào Fe-

ở 1499C Carbon hoà tan được 0,1% vào Fe-.

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

57

58

b. Tạo thành cácbít sắt
+ Fe3C - 6,67%C;
+ Fe2C - 9,67%;
+ FeC - 16,67%.
Thực tế các hợp kim Fe - C chỉ dùng với lượng Carbon không
vượt quá 5%, nên chỉ gặp hợp chất hoá học của Fe3C –
Xêmentit:
+ Fe3C là loại pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp, nhiệt độ
chảy khoảng 1600C rất cứng và giòn;
+ Fe3C là pha khơng ổn định, ở nhiệt độ cao nó phân tích
thành sắt và graphit.

4.4.3. Dạng của giản đồ
Giản đồ trạng thái Fe - C là hai nguyên Fe và C.

c. Tạo thành hỗn hợp cơ học
Hỗn hợp cơ học của hệ hợp kim Fe - C gồm cùng tinh và
cùng tích. Là hỗn hợp cơ học của dung dịch rắn và Xêmentit.

0,7
6

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

59

60

a. Giản đồ pha Fe – Fe3C
- ABCD là đường lỏng;
- AHJECF là đường
đặc;
- ECF là đường cùng
tinh;
- C là điểm cùng tinh;
- PSK là đường cùng
tích;
- S là điểm cùng tích;
- ES - Giới hạn hoà tan
C trong Fe;
- PQ - Giới hạn hoà
tan C trong Fe.

0,76

A
B
C
D
E
F
G
H
J
K
L

N
P
Q
S

–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–

1539C
1499C
1147C
1600C
1147C
1147C
911C
1499C
1499C

727C
0C
1392C
727C
0C
727C

–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–

0%C
0,5%C
4,3%C
6,67%C
2,14%C
6,67 %C
0%C

0,1%C
0,16%C
6,67%C
6,67%C
0%C
0,02%C
0,006%C
0,76%C

0,76

10


4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

61

62

b. Các chuyển biến khi làm nguội chậm

S

- Chuyển biến bao tinh: (1499C)

0,1 + L0,5  0,16

- Sự tiết pha Fe3C dư khỏi
dung dịch rắn của C – Fe trong
các dung dịch:

- Chuyển biến cùng tinh: (1147C)

hay

 [P + Fe3CK]

hay 0,76  [0,02 + Fe3C6,67]

H + LB  j
hay

- Chuyển biến cùng tích: (727C)

LC  (E + Fe3CF)

+ Trong Fe theo đường ES;

L4,3  (2,14 + Fe3C6,67)

+ Trong Fe theo đường PQ.

0,76

0,76

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

63

64

c. Tổ chức một pha

+ Xêmentit thứ nhất (XeI)

❖ Xêmentit (Xe - Fe3C)

được tạo thành từ dung

- Là pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp với 6,67%C;

dịch lỏng theo đường DC

- Độ cứng của Xe cao (khoảng 800 HB) rất cứng và giòn;

từ

- Xe được phân thành ba loại:

tinh thể thớ to.

+ XeI;

1600C1147C

với

- XeI chỉ được tạo thành

+ XeII;

khi %C > 4,3%.

+ XeIII.

0,76

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
66

65

+ Xêmentit thứ hai (XeII)
được tạo thành từ dung
dịch rắn Austenit theo
đường ES trong khoảng
nhiệt độ từ 1147727C,
khi độ hoà tan của Carbon
trong Fe giảm từ 2,14% 
0,76%:
- XeII chỉ được tạo thành
khi %C > 0,76%;

+ Xêmentit thứ ba (XeIII)
được tạo thành từ dung

dịch

rắn

Ferit

theo

đường PQ, ở nhiệt độ
<727C, Khi độ hoà tan
của Carbon trong Ferit
giảm từ 0,02  0,006%.
0,76

- XeII thường có dạng mạng lưới bao quanh hạt Peclit làm
giảm mạnh độ dẻo, độ dai.

+XeIII

- XeIII được tạo thành
rất ít với lượng nhỏ nên
có thể bỏ qua.

0,76

11

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
67

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
68

❖ Ferit ( - F - Fe)

❖ Austenit ( - A - Fe):

- Là dung dịch rắn xen kẽ của
Carbon trong Fe có mạng lập
phương tâm mặt trên giản đồ
trạng thái Ferit có ở vùng GPQ.
- Độ hoà tan của Carbon trong
Fe rất nhỏ:

- Là dung dịch rắn xen kẽ
của Carbon trong Fe có
mạng lập phương tâm mặt.
- Độ hoà tan của Carbon

+XeIII

trong Fe ở 1147C là 2,14%
và ở 727C là 0,76%.

+ Ở 727C là 0,02%,

+ Cịn ở 0C là 0,006%:

0,76

0,76

- Có thể coi Ferit là sắt nguyên chất;
- Ferit là pha dẻo và dai.

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
69

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
70

+ Austenit là pha dẻo dai song nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ lớn

d. Tổ chức hai pha
❖ Peclit (P- [Fe + Fe3C]):

hơn 727C;
+ Tổ chức Austenit là các hạt sáng đa cạnh có song tinh
(thỉnh thoảng có hai đường song song cắt ngang hạt). Rất ít khi

quan sát được tổ chức này vì nó ở nhiệt độ cao;
+ Khi lượng Mn hoặc Ni lớn mới làm Austenit tồn tại ở nhiệt

- Là hỗn hợp cơ học cùng tích của
Ferit và Xêmentit (F + Xe). Khi

thành phần hoá học của Austenit là
0,76%C sẽ xảy ra chuyển biến
cùng tích ở 727C:

độ thường.

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
71

Fe(C)0,76

[F +Xe]

Austenit

Peclit

0,76

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
72

- Gồm Peclit tấm và Peclit hạt;
+ Peclit tấm là tổ chức có Xêmentit ở dạng tấm. Tổ chức tế
vi có các vạch Xêmentit tối trên nền Ferit sáng;
+ Peclit hạt là tổ chức có Xêmentit ở dạng hạt.

❖ Lêđêburít [Le – ( + Xe) – (P + Xe) ]:
- Là hỗn hợp cơ học cùng tinh của Austenít và Xêmentít.
+ Khi hàm lượng C =

4,3%C và ở 1147C xảy ra
chuyển biến cùng tinh:

L4,3  ( + Xe)

+ Khi t < 727C: có phản
ứng cùng tích   Peclít.

Le  (P + Xe)

+ Lêđêburít là hỗn hợp
Ferit và Xêmentít, rất cứng
và dịn.

Peclit hạt

Peclit tấm

Le  (F + XeI) + XeII

0,76

12


4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
74

73

e. Các điểm tới hạn
Các điểm tới hạn là các nhiệt độ chuyển biến ở trạng thái
rắn của hợp kim Carbon và được ký hiệu bằng chữ A.
Ở đây ta chỉ xét 3 điểm tới hạn có liên quan đến nhiệt
luyện là A1, A3 và Acm.

❖ A3 (911  727C) - GS.
- Khi làm nguội: Austenit  Ferít
- Khi nung nóng: Ferít hồ tan vào Austenit.

❖ A1 (727C) – PSK chuyển
biến cùng tích:

- Khi làm nguội:

Austenit  P(F + Xe);

❖ Acm (1147  727C) - ES.
- Khi làm nguội: Austenit  Xementit
- Khi nung nóng: Xementit hồ tan vào Austenit.

- Khi nung nóng:

P(F + Xe)  Austenit.

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
75

76

4.4.4. Tổ chức tế vi của thép và gang theo giản đồ trạng thái Fe - C

❖ Với nhiệt độ chuyển

a. Khái niệm về thép và gang
- Thép và gang đều là hợp chất
của Fe – C.
❖ Thép là hợp kim Fe - C với
thành phần C < 2,14%

biến khi nung nóng có
thêm chữ “c” và khi
làm nguội có thêm chữ

“r” điền vào sau chữ A.
- Ta ln có :
Ac1 > A1 > Ar1
Ac3 > A3 > Ar3
Accm > Acm > Arcm

0,7
6

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
77

❖ Gang là hợp kim Fe - C với
thành phần C > 2,14%

- Gang giòn khơng thể biến
dạng được;

- Gang có tính đúc tốt;
- Gang theo giản đồ trạng thái
Fe – C là gang trắng.

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

- Tất cả các loại thép có tổ chức
và cơ tính là khác nhau. Khi
nung nóng trên đường GSE thì
có chung một pha duy nhất là: 
- Thép được coi là vật liệu dẻo
- Thép có tính đúc thấp.

0,76

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
78

b. Các loại thép, gang theo giản đồ pha Fe – C
❖ Tổ chức tế vi của thép Carbon
+ Thép trước cùng tích
– Có hàm lượng carbon:
C = 0,1  0,7%
– Với tổ chức tế vi là:
Ferít (sáng) + Peclit (tối)
Khi C  0,05  thép có tổ
chức tế vi thuần Ferít  coi

như sắt nguyên chất.



0,76

13


4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

79

80





  Fe3C

Các thành phần
ở bên trái của
cùng
tích
(0,020,76%C) là
các
hợp

kim
trước cùng tích.

Peclit

Fe3C

 trước
cùng tích

 cùng tích

(Nhỏ hơn thành
phần cùng tíchtheo
tiếng
Hy
Lạp).

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
81

 trước
cùng tích

Peclit

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
82

Khi hợp kim có thành phần

cùng tích (0,76%C) được làm
nguội chậm thì nó sẽ tạo thành
peclit, tổ chức hai pha dạng
lớp hoặc tấm: -ferit và
Xêmentit (Fe3C).
Các lớp pha xen kẽ nhau
trong peclit được hình thành vì
lý do tương tự như tổ chức
dạng lớp của các tổ chức cùng
tinh: sự phân bố lại các
nguyên tử C giữa ferit (0,02%)
và xêmentit (6,67%) bởi sự
khuếch tán ngun tử.

+ Thép cùng tích
– Có hàm lượng C = 0.76 %
– Với tổ chức tế vi là Peclít (P).

Peclit tấm

Các hợp kim trước
cùng tích chứa ferit
trước cùng tích (được
hình thành ở trên
nhiệt độ cùng tích)
cùng với peclit cùng
tích mà ở đó chứa
ferit cùng tích và
xêmentit.

Peclit hạt

0,76

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
84

83

- Về mặt cơ học, peclit có các tính chất trung gian giữa
ferit mềm, dẻo và xêmentit cứng, giòn.
- Trong ảnh hiển vi, vùng tối là các lớp Fe3C tấm, pha sáng
là -ferit.

+ Thép sau cùng tích
– Có hàm lượng C > 0,76%
– Với tổ chức tế vi là P + XeII

Biên giới hạt Austenite

Xêmentit
(Fe3C)

Hướng phát
triển của peclit
Sự khuếch tán
của cacbon

0,76

14


4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
85

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
86

Các thành phần ở
bên phải của cùng


  Fe3C

  Fe3C

tích (0,762,14%C)
là các hợp kim sau
cùng tích.
(Lớn hơn thành
phần cùng tích-theo
tiếng Hy Lạp).

4.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CARBON
87

Các hợp kim sau cùng tích chứa xêmentit trước cùng tích

(được hình thành ở trên nhiệt độ cùng tích) cùng với peclit mà
ở đó chứa ferit cùng tích và xêmentit.
Các
Peclit
Fe3C trước
cùng tích
Fe3C trước
cùng tích


Peclit
Fe3C cùng tích

15