Vật liệu kim loại ( Hoàng Văn Vương ) - Chương 3. Hợp kim và giản đồ pha potx

09/2010

Chương 3. Hợp kim và giản đồ pha

Chương 3. Hợp kim và giản đồ pha
3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim
3.2 Giản đồ pha hai cấu tử
3.3 Giản đồ pha Fe – C

1


09/2010

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim
3.1.1 Khái niệm về hợp kim
a) Khái niệm: Hợp kim là hợp chất giữa các nguyên tố kim
loại hay kim loại với á kim, mang tính chất của KL – nền
VD:
Thép: Fe + C, Mn, Si, Cr…
Đura: Al + Cu, Mg
b) Ưu điểm: Độ bền, độ cứng, tính chống mài mịn cao
hơn; tính cơng nghệ tốt hơn, nhiệt luyện hóa bền tốt hơn
và rẻ hơn

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim
3.1.1 Khái niệm về hợp kim
c) Các khái niệm cơ bản:
- Pha: phần đồng nhất về: thành phần hóa học, cơ tính,
hóa lý tính, có cấu trúc tinh thể xác định. Giữa các pha
phân cách nhau bởi biên giới pha

- Cấu tử: là các nguyên tố (hoặc hc hóa học bền vững) tạo
nên pha trong hợp kim
- Hệ: tập hợp các pha, có thể ở trạng thái cân bằng hoặc
khơng cân bằng
2
+ (1): giả cân bằng
+ (2): không cân bằng
1
+ (3): cân bằng ổn định
3

2


09/2010

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim
3.1.1 Khái niệm về hợp kim
d) Phân loại tương tác:
Không tương tác:
Ở trạng thái lỏng nguyên tố A
và B hòa tan vào nhau, khơng
hịa tan ở trạng thái rắn, tạo
hỗn hợp cơ học: A+B
Có tương tác:
- Hịa tan vào nhau tạo dung
dịch rắn A(B) – giữ nguyên
kiểu mạng của nền
- Phản ứng tạo hợp chất hóa
học với kiểu mạng khác hẳn

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim
3.1.2 Dung dịch rắn
Khái niệm: là pha đồng nhất có cấu trúc mạng như của
dung mơi (kim loại nền), các ngun tử hịa tan sắp xếp
lại trong mạng dung mơi một cách đều đặn
Kí hiệu: A(B) = A là dung mơi, B chất hịa tan
a) Dung dịch rắn thay thế
- B thay thể A trong mạng tinh thể
- Δd = ⎢dA-dB⎥/dA < 15%(>15% không tồn tại)
Điều kiện để hịa tan vơ hạn:
- Cùng kiểu mạng tinh thể
- Δd < 8%
- Số điện tử hóa trị như nhau
- Tính âm điện gần như nhau

3


09/2010

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim
3.1.2 Dung dịch rắn
b) Dung dịch rắn xen kẽ
- Các nguyên tử hịa tan nằm ở vị trí xen kẽ (lỗ hổng) trong
mạng tinh thể dung mơi (rB ≤ rlh)
- Bán kính nguyên tử hòa tan nhỏ, giới hạn hòa tan thấp
Các đặc tính của dung dịch rắn:
- Có đặc trưng cơ lý hóa tính của
kim loại

- Mạng tinh thể bị biến dạng
- Tăng độ cứng, độ bền so với kim
loại nguyên chất
- B tăng: tăng cứng, bền; dẻo giảm
- Tính chống ăn mòn, dẫn điện,
nhiệt kém kim loại nguyên chất

3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim
3.1.2 Dung dịch rắn
b) Pha trung gian
- Các hợp chất hóa học có trong hợp
kim nằm giữa hai vùng dung dịch
rắn trên giản đồ pha
Đặc điểm:
- Có kiểu mạng tinh thể phức tạp,
khác hẳn với nguyên tố thành
phần
- Có tỉ lệ giữa các nguyên tố xác
định, biểu diễn bằng cơng thức
hóa học AmBn
- Tính chất khác hẳn so với các
nguyên tố thành phần
- Có nhiệt độ nóng chảy xác định

Fe3C

4


09/2010

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
Khái niệm: giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha theo
nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng
Quy tắc pha Gibbs
- Xác định bậc tự do: F = C – P + 1 (F: Số bậc tự do, C: số
cấu tử, P: số pha)

1
3
2

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
Quy tắc đòn bảy: xác định tỉ lệ các pha, tổ chức
trên giản đồ pha: M α.Xα = Mβ.Xβ

Thành phần, %B

5


09/2010

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
a) Giản đồ pha loại 1: Giản đồ pha hệ hai cấu tử khơng có
bất kỳ tương tác nào (Pb-Sb)
- aEb: Đường lỏng
- cEd: Đường đặc
- a, b nhiệt độ chảy
của A và B

- E điểm cùng tinh
- Phản ứng cùng tinh:
L → (A + B)

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Ví dụ: Cu-Ni, Al2O3-Cr2O3
- amb: đường lỏng
- anb: đường đặc
- α = A(B), B(A)
- %L = ?, AL = ?, BL = ?
- %α = ?, Aα = ?, Bα = ?

Nhiệt độ

b) Giản đồ pha loại 2: Giản đồ pha hệ hai cấu tử tương tác
và hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn
X Lỏng (L)

m
L+α

A

B

C

b
n

a

α
A

%B

B

6


09/2010

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Ví dụ: Pb-Sn, Cu-Ag
- aEb: đường lỏng
- acEdb: đường đặc
- α = A(B),
- β = B(A)
- E: điểm cùng tinh:
L→α+β

Nhiệt độ

c) Giản đồ pha loại 3: Giản đồ pha hệ hai cấu tử tương tác
và hịa tan có vơ hạn vào nhau ở trạng thái rắn
X1X2

X3

X

a

Lỏng (L)
b

L+α
α

E

c

L+β
d

β

α+β

Ag

f B

%B

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Nhiệt độ

d) Giản đồ pha loại 4: Giản đồ pha hệ hai cấu tử có tương
tác hóa học tạo ra pha trung gian AmBn (Mg-Ca: Mg4Ca3)
Lỏng (L)
a

c

L+A

E1

L+AmBn

E2
L+AmBn AmBn+B

A+AmBn

A

b

B+AmBn
AmBn

B

Tách thành hai giản đồ pha 2 cấu tử loại 1

7


09/2010

3.3 Giản đồ pha (GĐP) Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.1 Tương tác giữa Fe và C
+
+
+
-

C: rnt = 0,077nm Fe: rnt = 0,124nm

Tạo dung dịch rắn xen kẽ:
Feα (A2; < 9110C): F(α) = Feα(C), %Cmax = 0,02%, 7270C
Feγ (A1; 911-13920C): A(γ) = Feγ(C), %Cmax = 2,14%, 11470C
Feδ (A2; > 13920C): δ = Feδ(C), %Cmax = 0,1%, 11390C
Tương tác hóa học giữa Fe và C: Fe3C (%C = 6,67%)

r4m = 0,291rnt = 0,036nm

r8m = 0,414rnt = 0,052nm

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha

8


09/2010

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha
a) Các chuyển biến khi nguội chậm
- Chuyển biến bao tinh: tại 14990C, điểm J:
δ0,1 + L0,5 → γ0,16
- Chuyển biến cùng tinh: 11470C, điểm C:
L4,3 → (γ2,14 + Xe6,67)
- Chuyển biến cùng tích: 7270C, điểm S:
γ0,8 → [α0,02 + Xe6,67]

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha
b) Các tổ chức một pha
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

Ferit (F, α):

Dung dịch rắn hòa tan của C trong Feα
Giới hạn hòa tan 0,02%C tại 7270C
Tổ chức hạt sáng đa cạnh
Austenit (A, γ):
Dung dịch rắn hòa tan của C trong Feγ
Giới hạn hòa tan 2,14%C tại 11470C, 0,8 tại
7270C
Tổ chức hạt sáng, đường song tinh
Xemantit (Fe3C, Xe):
XeI: sinh ra từ trạng thái lỏng, dạng tấm thô to
XeII: tiết ra từ austenit, dạng lưới bao quanh hạt
XeIII: tiết ra từ ferit, rất ít
Xe cùng tích: tạo từ chuyến biến cùng tích

9


09/2010

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha
c) Các tổ chức hai pha
- Peclit (P):
+ Hỗn hợp cùng tích F và Xe: 88%F +
12%Xe
+ Tạo ra từ phản ứng cùng tích
+ Tổ chức: P tấm, P hạt
- Lêđêburit (Le):
+ Hỗn hợp cùng tinh γ và Xe (> 7270C);
p và Xe (< 7270C) (43,1%P + 56,9%Xe)

+ Sinh ra từ phản ứng cùng tinh
+ Tổ chức có dạng da báo

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.3 Phân loại thép và gang theo GĐP
a) Khái niệm: Thép và gang là hợp kim của Fe-C (Mn, Si, P, S…tạp
chất)
- Thép: %C < 2,14%
- Gang: %C > 2,14%
b) Đặc điểm:
- Thép có tổ chức một pha
γ khi nung nóng (trên
đường GSE), có độ dẻo
cao dễ biến dạng
- Tính đúc của thép thấp
- Gang không đạt trạng
thái một pha γ khi nung
nóng nên giịn cứng, khó
gia cơng biến dạng
- Gang có tính đúc tơt

10


09/2010

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha
c) Phân loại thép và gang theo GĐP
Thép theo GĐP: có 3 loại

- Thép trước cùng tích: %C < 0,8%
+ Tổ chức: P + F(sáng)
- Thép cùng tích: %C = 0,8%
+ Tổ chức 100% P: Ptấm, Phạt
- Thép sau cùng tích: 0,8% < %C < 2,14%
+ Tổ chức: P + XeII (dạng lưới)

F+P

Phạt

Ptấm

P + XeII

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha
c) Phân loại thép và gang theo GĐP
Gang theo GĐP là gang trắng: có 3 loại
+
+
+

Gang trước cùng tinh: %C < 4,3%
Tổ chức: P(đen) + XeII + Le
Gang cùng tinh: %C = 4,3%
Tổ chức 100% Le (da báo)
Gang sau cùng tinh: %C > 4,3%
Tổ chức: Le + XeI (dải sáng)

P(đen) + XeII(sáng) + Le

Le

Le + XeI(đại lộ)

11


09/2010

3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha
d) Các điểm tới hạn: tương ứng với các điểm
chuyển biến pha trong thép A1, A3, Acm
- A1: đường PSK (7270C), ứng với chuyển
biến γ → P [F + Xe], có trong mọi thép
- A3: đường GS (911-7270C), ứng với chuyển
biến γ → γ + α có trong thép trước cùng tích
- Acm: đường SE (727-11470C), ứng với
chuyển biến γ → γ + XeII có trong thép sau
cùng tích
- Nung nóng thêm chữ “c”, làm nguội “r”
Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3;
Accm > Acm > Arcm
A3 = 727 + 230(0,8-x) 0C; Acm = 727 + 313(y-0,8) 0C;x, y là %C)

12