Vì sao phải nghiên cứu về hợp kim? pdf

1
TỔ CHỨC HỢP KIM VÀ
GiẢN ĐỒ PHA
PHẦN I
CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA
KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Cấutrúctinhthể củahợpkim
Hợp kim là gì?
Æ
là vậtthể gồmnhiều nguyên tố và mang tính kim loại
Nhiều nguyên tố:
nguyên tố chínhlàkimloại, các nguyên tố còn
lạicóthể là kim loạihoặc phi kim
Mang tính kim loại: tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo, dễ biếndạng
và có anh kim
Thành phần nguyên tố tính trong hợpkim
- Thành phầnvề phầntrămkhốilượng (thường dùng)
- Thành phầnvề phầntrăm nguyên tử
Mộtsố chi tiếtlàmtừ hợpkim
2
Vì sao phải nghiên cứuvề hợpkim?
Æ
Vì nó có mộtsốưuviệtvề gia công, tính kinh tế hơnso
với KL nguyên chất
1. Có độ bềncaochịu đượctảitrọng cao và vẫn đảmbảo
vậtliệu không quá cứng dẫn đếnpháhuỷ giòn
2. Có tính công nghệđadạng
3. Có giá thành rẻ
Mộtsố khái niệm:
Cấutử: là các nguyên tố (hoặchợpchất hoá họcbềnvững)
Hệ: dùng để chỉ mộttậphợpcácvậtthể riêng biệtcủaHK

trong điềukiệnxácđịnh
Pha: là phần đồng nhấtcủahệ có cùng cấutrúcvàcáctính
chấtcơ-lý-hoá tính xác định
HợpkimAl-Cu với hai pha α và β
Giữa các pha luôn có bề mặt phân cách
Pha α
Pha β
Trạng thái của hệ (pha)
Trạng thái cân bằng ổn định: trong
điềukiện P, T và thành phầnxác
định
Æ
cấutrúc, tínhchấtcủahệ
không phụ thuộcthờigian
Trạng thái không cân bằng (không
ổn định): trong điềukiệnP, T hoặc
thành phầnthayđổi
Æ
cấutrúc,
tính chấtcủahệ sẽ chuyển sang
trạng thái cân bằng mới
Trạng thái giảổn định: trong điềukiện P, T và thành phầnxác
định, hệ có thể tồntại ở trạng thái năng lượng cao hơnttcbổn
định
3
Các loạitương tác trong hợpkim
Khôngcótương tác
Æ
Các cấutử không hoà tan, tương tác vào nhau
Æ

thể hiện
trên các vùng vớimàusắc khác nhau trên ảnh tổ chứctế vi
Có tương tác
- Hoà tan vào nhau tạo dung dịch rắn(giữ nguyên kiểumạng củanền)
-Phản ứng hoá họctạohợpchấtmớivớikiểumạng khác
Dung dịch rắn
Dung dịch rắnlàgì?
Æ
là pha đồng nhất, có cấutrúcmạng như của dung môi
ngay cả khi thành phần được thay đổi
Khả năng hòa tan
-Vô hạn
-Có hạn
Dung dịch rắnthaythế
Æ
các nguyên tử của nguyên tố hoà tan có thể thay thế vị
trí các nút mạng của nguyên tử nguyên tố dung môi
Điềukiệnthaythế (hoà tan) vô hạn
- tương quan về kiểumạng
- tương quan về kích thước
- tương quan về nồng độ điệntử
- tương quan về tính âm điện
Dụng dịch rắnxenkẽ
Nguyên tử xen kẽ
Æ
các nguyên tử của nguyên tố hoà tan phảicókíchthước
nhỏđểnằmlọttrongcáclỗ hổng của dung môi
4
Các đặctínhcủa dung dịch rắn
-Kiểumạng tinh thếđơn gian: A1, A2….

-Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn rõ rệtso với
kim loại nguyên chất
-Tăng khả năng chống ănmònđiện hoá cho vậtliệu
Pha trung gian
Thế nào là pha trung gian?
Æ
là các hợpchất hoá học có trong hợpkim
Đặc điểm
1) Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn với nguyên tố thành phần,
2) Luôn luôn có tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố và biểu diễn bằng công
thức hóa học AmBn với m, n là các số nguyên,
3) Tính chất khác hẳn các nguyên tố thành phần với đặc điểm là giòn (khác
hẳn với kim loại),
4) Có nhiệt độ nóng chảy cố định và khi tạo thành tỏa ra một lượng nhiệt
đáng kể,
5) không tuân theo quy luật hóa trị,
6) không có thành phần hóa học chính xác (hay nói đ
úng hơn dao động
trong một khoảng quanh thành phần chính xác theo công thức),
7) có liên kết kim loại.
Các loại pha trung gian thông dụng
• Pha xen kẽ là pha tạo nên giữa các kim loại chuyển tiếp (có bán
kính nguyên tử lớn) với các á kim có bán kính nguyên tử bé
Các nitrit Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N
Cácbit Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6
• Pha điện tử (Hum - Rothery) là hợp chất hóa học có nồng độ điện tử
N (số điện tử hóa trị tính cho một nguyên tử) xác định là: 3/2 (21/14),
21/13 và 7/4 (21/12)
Cu - Zn : CuZn (pha β, N = 3/2), Cu5Zn8 (pha γ, N = 21/13),
CuZn3 (pha ε, N = 7/4)

• Pha Laves được tạo nên bởi hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính
nguyên tử rA / rB = 1,2
MgZn2, MgNi2 hay MgCu2
PHẦN II
GiẢN ĐỒ PHA
5
3.2 Giản đồ pha hai cấutử
Quy tắc pha
F=C-P+1
Giản đồ pha
Æ
Công cụ biểuthị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phầnvàsố
lượng các pha củahệởtrạng thái cân bằng
Loạimộtcấutử Loại hai cấutử
Loạibacấutử
Nhiệt độ
Thành phần
1085
0
C
Rắn
Lỏng
Cu
Quy tắc giản đồ pha
Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục:
trục tung - nhiệt độ,
trục hoành biểu thị thành phần (thường theo % khối lượng)
với những đường phân chia các khu vực pha theo nguyên tắc:
D
- Xen giữa hai khu vực một pha là khu vực

hai pha tương ứng.
-Mỗi điểm trên trục hoành biểu thị một
thành phần xác định của hệ. 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
- Đường thẳng đứng bất kỳ biểu thị một
thành phần xác định nhưng ở các nhiệ
t độ
khác nhau
- Hai trục tung chính là giản đồ pha của
từng cấu tử tương ứng (trái cho A, phải cho
B).
Giản đồ pha loại1
A
B
Lỏng (L)
L+B
A+L
Nhiệt độ
(A+B)
(A+B)+B
A+(A+B)
a
E
b
cd
%B
Æ
Là loạigiản đồ pha củahệ hai cấutử không có bấtkỳ tương
tác nào

Æ
tổ chứcgồmhỗnhợp riêng rẽ của2 cấutử
Mộtsố chú ý:
aEb
Æ
đường lỏng
cEd
Æ
đường đặc
a, b nhiệt độ chảy
củaAvàB
E điểm cùng tinh
t
C
D
F
CB
DB
L =%
CB
CD
B =%
Xác định thành phần
các pha củahợpkim
X tại nhiệt độ t
X
Khi t = 25
0
C
%L = ? %B = ?

Giản đồ pha loại2
A
B
%B
Lỏng (L)
L+α
α
Nhiệt độ
a
b
Æ
là giản đồ củahệ hai cấutử tương tác và hoà tan vô hạn
vào nhau
Mộtsố chú ý:
m
n
amb Æ đường lỏng
anb
Æ đường đặc
a, b nhiệt độ chảy
củaAvàB
Mộtsố hệ tương tác vớigiản
đồ loại2:
Cu-Ni, Al
2
O
3
-Cr
2
O

3
X
Bài toàn: mô tả quá trình kếttinhcủahợpkimX
6
Giản đồ pha loại2 (tiếptheo)
Cu
Ni
Với điềukiện nguộivô
cùng chậm, quá trình
kếttinhcủahợpkim
đượcmôtả:
a
Æ
chỉ có pha lỏng
b
Æ
bắt đầutiết pha
rắn
α
với 46%Ni
c
Æ
tồntại 2 pha
Æ
tính % các pha
d
Æ
hết pha lỏng
e
Æ

chỉ có pha rắn
α
Giản đồ pha loại3
A
B
Lỏng (L)
L+β
α
Nhiệt độ
β
α+β
a
E
b
cd
%B
L+α
g
f
Æ
là giản đồ củahệ hai cấutử tương tác và hoà tan có hạn
vào nhau
Mộtsố chú ý:
aEb
Æ đường lỏng
acdb
Æ đường đặc
α
dụng dịch rắn hoà
tan của B trong A

β
dụng dịch rắn hoà
tan của A trong B
TạiE xảyraphản ứng
cùng tinh:
L
Æ
(
α
+
β
)
X2
Bài toàn: mô tả quá trình kếttinhcủacáchợp kim X, X1, X2, X3
X1 X3 X
Giản đồ pha loại3 (tiếptheo)
HợpkimX1 HợpkimX2
Pb
Sn
Pb
Sn
Giản đồ pha loại3 (tiếp theo)
HợpkimX
7
Giản đồ pha loại3 (tiếp theo)
HợpkimX3
Giản đồ pha loại4
Æ
Là giản đồ pha hai cấutử có tương tác hoá họctạo ra pha trung
gian A

m
B
n
A
B
Lỏng (L)
A
m
B
n
+B
Nhiệt độ
a
E1
b
E2
L+A
A
m
B
n
L+A
m
B
n
L+A
m
B
n
A+A

m
B
n
B+A
m
B
n
c
Æ
Cách nghiên cứu: tách thành hai giản đồ pha 2 cấutử loại1
Mộtsố phản ứng trong giản đồ pha
Phản ứng bao tinh
Æ
phản ứng giữamột pha lỏng + một pha rắn
Æ
sinh ra một pha
rắnmới
Phản ứng bao tinh
Fe
%C
Nhiệt độ
Æ phản ứng tạo nên
2 pha rắn đồng thời
từ một pha rắn ban
đầu
Tiếtphakhỏi dung
dịch rắn
Æ do các nguyên tố
hoà tan có giớihạn
trong dung môi

*
*
*
*
Quan hệ giữa GĐP – Tính chấthợpkim
Tính chất các pha thành phần
Tính chấthỗnhợp các pha
Quan hệ giữa GĐP -Tính chất
8
Quan hệ giữa
GĐP – Tính
chất hợp kim
Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe
3
C)
Tương tác giữaFe vàC
-Sự hoà tan củaC vàoFe: dạng dung dịch rắnxenkẽ
- Fe
α
(A2): hoà tan rất ít (0,02%C)
- Fe
γ
(A1): hoà tan nhiều (2,14%C)
- Fe
δ
(A2): hoà tan ít (0,1%C)
-Tương tác hoá họcgiữaFe vàC
Æ
Fe
3

C
Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe
3
C)
(tiếp theo)
γ+XeII
γ+XeII+(γ+Fe
3
C)
(γ+Fe
3
C)
(γ+Fe
3
C)+Fe
3
C
L+XeI
α+Fe
3
CIII (P)
P
+
F
e
3
C
(P+Fe
3
C)+XeI

P+XeII
P+XeII+(P+Fe
3
C)
α+P
Fe
Fe
3
C
Các chuyểnbiếnkhinguộichậm
Chuyểnbiến bao tinh: tại 1493
0
vớicáchợp kim có 0,1-0,5%C
L
0,1%C
0,5%C
δ
0,1
+ L
0,5
Æ γ
0,16
Chuyểnbiến cùng tinh: tại 1147
0
vớicác
hợp kim có %C > 2,14
L
4,3
Æ γ
2,14

+ Fe
3
C
6,67
Chuyểnbiến cùng
tích: tại 727
0
γ
0,76
Æ α
0,02
+ Fe
3
C
6,67
Chuyểnbiến
cùng tích
Chuyểnbiến
cùng tinh
9
Các tổ chứcmộtphatrên GĐP Fe-Fe
3
C
Ferít (Fe
α
)
Æ
Dung dịch rắn hoà tan của C trong Fe
α
( giớihạn hoà tan

0,02%C tại 727
0
C). Dẻo, mềm, kém bền
Các tổ chức một pha trên GĐP Fe-Fe
3
C
Austenit (Fe
γ
)
Æ
Dung dịch rắn hoà tan của C trong Fe
γ
( giớihạn hoà tan
2,14%C tại 1147
0
C). Dẻo, mềm
Các tổ chức một pha trên GĐP Fe-Fe
3
C
Xêmentit (Fe
3
C)
- Xe
I
: sinh ra từ Lỏng.
Dạng thẳng, thô tô
trong tổ chức
- Xe
II
: sinh ra từ Fe

γ
do
giảmnồng độ C trong
γ
.
C
ó thể tạolưới bao
quanh biên hạt
Æ
giảm
dẻo dai củahợpkim
- Xe
III
: sinh ra từ Fe
α
do
giảmnồng độ C trong
α
Các tổ chức hai pha trên GĐP Fe-Fe
3
C
Peclit (P )
Æ
hỗnhợpcùngtíchcủaF vàXeđượcsinhratừ Austenit tại
727
0
C và 0,76%C
Æ
thành phần pha trong P: 88%F + 12%Xe
Æ

2loạiP, P tấmvàP hạt
10
Các tổ chức hai pha trên GĐP Fe-Fe
3
C
Lêđêburit (Le )
Æ
hỗnhợp cùng tinh củaAustenitvàXetạo thành từ pha lỏng
tại 4,43%C và 1147
0
C
Phân loại thép-gang
Thép:
Æ
là hợpkimcủaFe-C với hàm lượng C < 2,14%
Đặc điểm:
- Khi nung nóng đạttổ chứcmột pha duy nhất Austenit
Æ
có độ
dẻo cao, dễ biếndạng
- Có thể coi thép là vậtliệudẻo, có thể biếndạng nguội, nóng
- Tính đúc kém
Gang:
Æ
là hợpkimcủaFe-C với hàm lượng C > 2,14%
Đặc điểm:
- Khi nung nóng không đạttổ chứcmột pha duy nhất Austenit
Æ
không thể biếndạng nguội, nóng
- Có khả năng điền đầy khuôn tốt

Æ
tính đúc cao
- Tính dẻocủa gang kém