CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI (Cơ học ứng dụng)

CHƯƠNG 3. CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI
3.1. Các khái niệm cơ bản
3.2. Các dạng cấu trúc hợp kim cơ bản
3.3. Giản đồ trạng thái của hợp kim
3.4.Giản đồ trạng thái Fe - C

CHƯƠNG 3. CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI
Trong kỹ thuật, đặc biệt là trong chế tạo cơ khí rất ít dùng kim loại
nguyên chất, mà thường dùng các hợp kim. Do đó, trong chương này sẽ khảo
sát cấu tạo và giản đồ trạng thái của hợp kim.

3.1. Các khái niệm cơ bản
3.1.1. Khái niệm về hợp kim
Hợp kim là hỗn hợp đồng nhất về mặt tổ chức của từ hai nguyên tố trở lên trong
đó có ít nhất một ngun tố là kim loại và nguyên tố kim loại đóng vai trị chính
tức là có hàm lượng lớn nhất, tính chất của nó thể hiện rõ rệt nhất.
Hay có thể định nghĩa hợp kim là hỗn hợp của kim loại với một hoặc nhiều kim
loại hoặc á kim khac.
Ví dụ: Latong = hợp kim của Cu và Zn -> hợp kim đơn giản chỉ gồm 2 nguyên
tố
Gang: Fe + Mn + Si và C + P + S, nguyên tố chính là Fe (kim loại )-> hợp kim
phức tạp.
Nguyên tố kim loại chính > 50% được gọi là nền hay nguyên tố cơ sở.
3.1.2. Đặc điểm của hợp kim
- Hợp kim dễ sản xuất hơn so với kim loại nguyên chất.
- Hợp kim có nhiều tính chất tốt hơn so với kim loại nguyên chất (như độ bền,
độ cứng, tính chống mài mịn cao hơn).
- Hợp kim có thể tạo ra những tính chất đặc biệt mà kim loại nguyên chất khơng thể
có.
- Hợp kim có giá thành rẻ hơn so với kim loại ngun chất.
- Hợp kim có tính cơng nghệ cao hơn so với kim loại nguyên chất và được thể hiện

ở:
Tính dẻo: Khi sử dụng hợp kim cho tính dẻo cao, do đó khả năng biến dạng dẻo
tốt, dễ dàng cho việc gia cơng áp lực.
Tính đúc: Khi sử dụng các hợp kim có thể thu được điều kiện nóng chảy thấp hơn
kim loại nguyên chất, do đó tính chẩy loảng cao nên có thể điền đầy các lịng
khn phức tạp.
Tính cắt gọt tốt hơn.
Tính nhiệt luyện để hóa bền tốt hơn.
Chính vì thế trong thực tế hầu như chỉ sử dụng hợp kim.
3.1.3. Các định nghĩa cơ bản về hợp kim

1


- Pha (F): là cấu phần đồng nhất của hợp kim cùng tổ chức và cùng trạng thái
(khi ở trạng thái rắn phải có cùng kiểu mạng và thơng số mạng), được ngăn cách
bằng một bề mặt phân pha đủ lớn.
- Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng (các pha tồn tại ổn định trong một
điều kiện bên ngồi xác định) hoặc khơng cân bằng.
+ Trạng thái không cân bằng (3) = Không ổn định , thường gặp khi tơi -> cơ tính
(bền, cứng) cao hơn -> Xu hướng (1 & 2)
+ Trạng thái giả ổn định (2) muốn sang (1) phải thắng ∆G

Hình 3.1. Sơ đồ các vị trí ổn định(1), giả ổn định (2) và không ổn định (3)
- Hệ cân bằng: hệ được coi là hệ cân bằng khi các qúa trình xảy ra trong hệ có
tính thuận nghịch.
Qúa trình thuận nghịch: những qúa trình mà khi có sự thay đổi của một yếu tố
bên ngoài hoặc bên trong sẽ làm hệ biến đổi theo một hướng. Khi yếu tố bên
ngồi đó thay đổi theo chiều ngược lại và đi qua các giai đoạn như hướng biến
đổi trước.

- Cấu tử (nguyên) (N): là những cấu phần độc lập của hệ (có thể là đơn chất
hoặc hợp chất) có thành phần hóa học ổn định mà nó có nhiệm vụ cấu tạo nên
tất cả các pha của hệ.
- Bậc tự do của hệ (T): là số các yếu tố bên ngoài (P, T0) hoặc bên trong
(thành phần) có thể thay đổi được mà hệ không bị thay đổi trạng thái.
Quy tắc pha (Gibbs) để tính bậc tự do: T = N - F + 2
Trong đó:
N: là số cấu tử cấu tạo nên hệ
F: là số pha của hệ tại điểm tính bậc tự do
2: là số yếu tố bên ngoài (P, T0)
Trong thực tế, coi P = const nên: T = N - F + 1 (công thức Gibbs).
Ý nghĩa của bậc tự do: giúp chúng ta biết được trạng thái của hệ. Khi T = 0 thì
hệ sẽ suy biến thành một điểm.
Nếu T = 0 tức là F = N + 1 khi đó hệ là vơ biến, hay khơng có yếu tố nào (nhiệt
độ hay thành phần) có thể thay đổi được. Ví dụ kim loại nguyên chất (N = 1) khi
nóng chảy hay kết tinh sẽ tồn tại 2 pha (F = 2 nên T = 0), điều này chứng tỏ kim
loại nguyên chất nóng chảy sau kết tinh ở nhiệt độ khơng đổi (vì trong hệ một
ngun khơng có biến số về thành phần hóa học).
2


Nếu T = 1 tức là F = N hệ là đơn biến tức là chỉ có một yếu tố (hoặc nhiệt độ
hoặc là thành phần) có thể thay đổi được. Ví dụ hợp kim Cu - Ni khi nung nóng
sẽ biến thành dung dịch lỏng, vì vậy số pha F = 2 nên T = 1 do N = 2, điều này
chứng tỏ q trình nóng chảy của hợp kim Cu - Ni xảy ra trong một khoảng
nhiệt độ hoặc là tại một nhiệt độ nào đấy trong quá trình nóng chảy ta có thêm
vào một ít Cu (hoặc Ni) mà vẫn không làm thay đổi số pha của hệ.
Nếu T = 2 tức là F = N - 1 hệ là nhị biến tức là cùng một lúc có thể thay đổi cả
2 yếu tố nhiệt độ và thành phần. Ví dụ, phần lớn các hợp kim 2 ngun ở trạng
thái lỏng đều hịa tan vơ hạn vào nhau nên chỉ có tổ chức một pha là dung dịch

lỏng, điều này chứng tỏ ở trạng thái lỏng ta có thể thay đổi thành phần hoặc
nhiệt độ khá dễ dàng mà hợp kim vẫn chỉ có tổ chức một pha.

3.2. Các dạng cấu trúc hợp kim cơ bản
- Dung dịch rắn
- Các pha trung gian
- Hỗn hợp cơ học
3.2.1. Dung dịch rắn
3.2.1.1. Khái niệm
Dung dịch rắn là một dạng cấu trúc hợp kim tạo bởi hai nguyên, trong đó một
nguyên bảo tồn được kiểu mạng gọi là dung môi, ngun thứ hai hịa tan vào trong
kiểu mạng đó gọi là chất tan. Hay được định nghĩa như sau dung dịch rắn là hợp kim
trong đó 1 hay nhiều nguyên tố hòa tan vào mạng tinh thể của kim loại chiếm đa số
được gọi là nền.
Với thực tế, có thể dung dịch rắn có nhiều chất tan.
Đặc điểm: Kiểu mạng của dung mơi, nồng độ chất tan có thể thay đổi trong một
phạm vi mà không làm mất đi sự đồng nhất đó.
3.2.1.2. Phân loại dung dịch rắn
Dựa vào kiểu hịa tan của chất tan trọng mạng dung mơi, nghĩa là kiểu sắp xếp
của nguyên tử chất tan trong mạng tinh thể dung mơi thì dung dịch rắn được
phân thành: dung dịch rắn thay thế, dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn có
trật tự.
3.2.1.2.1. Dung dịch rắn thay thế
- Khái niệm: Dung dịch rắn thay thế là dung dịch rắn trong đó các nguyên tử
chất tan chiếm chỗ của ngun tử dung mơi tại vị trí các nút mạng là.

Ngun tử chất tan
Ngun tử dung mơi

3

Hình 3.2. Dung dịch rắn thay thế


- Đặc điểm: Dung dịch rắn thay thế giữ nguyên kiểu mạng của dung môi nhưng
tạo ra các sai lệch điểm trong mạng tinh thể nên tạo ứng suất dư trong mạng và
dấu của ứng suất dư phụ thuộc vào đường kính nguyên tử chất tan.
- Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế:
Điều kiện kích thước:
(3.1)
với: d = dA - dB;
(3.2)
Trong đó:
dA: đường kính ngun tử dung mơi
dB: đường kính nguyên tử chất tan
Nếu sai khác đường kính nguyên tử càng nhỏ thì càng dễ tạo dung dịch rắn thay
thế.
- Các loại dung dịch rắn thay thế: Dung dịch rắn thay thế có thể có dạng hịa tan
vơ hạn hoặc hịa tan có hạn.
Dung dịch rắn thay thế hịa tan có hạn: tồn tại một giới hạn hịa tan của chất tan
trong dung môi.
Tỉ lệ dung môi xA: xA + xB = 1
Tỉ lệ chất tan xB: xB < 1
Dung dịch rắn thay thế hịa tan vơ hạn: xB = 1
- Điều kiện tạo thành hịa tan vơ hạn:

Hình 3.3. Sơ đồ thay thế để tạo dung dịch rắn hịa tan vơ hạn giữa hai kim
loại A và B
a.cùng kiểu mạng b. Đường kính nguyên tử khác nhau ít (<8%)
c. Thỏa mãn giới hạn nồng độ điện tử

d. Có cùng hóa trị, tính âm điện sai khác ít
+ Dung mơi và chất tan phải có cùng kiểu mạng.
Từ ngun lý "thay thế" thấy rằng: nếu hai nguyên A và B hịa tan vơ hạn vào
nhau thì chúng phải có kiểu mạng giống nhau. Điều kiện giống nhau về kiểu
mạng chỉ mới là điều kiện cần. Khả năng tạo thành dung dịch rắn vơ hạn cịn
phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Nhiều nguyên tố có kiểu mạng giống nhau
nhưng chưa chắc đã tạo nên dung dịch rắn vô hạn. Dựa vào bảng hệ thống tuần
hồn ta thấy thơng thường các ngun tố cùng một chu kỳ thì có kiểu mạng
giống nhau.
+
Sự tương quan về đường kính nguyên tử khi đường kính nguyên tử của các
nguyên thành phần A và B khơng giống nhau nên khi hịa tan vào nhau chúng
tạo ra sai lệch điểm và xung quanh một nguyên tử hoà tan xuất hiện trường sai
lệch đàn hồi. Sự sai khác đường kính nguyên tử giữa các nguyên A và B càng
lớn, nồng độ hịa tan càng cao thì mức độ sai lệch mạng càng nhiều và đến một
mức nào đó mạng trở nên khơng ổn định. Khi đó, sự sai khác về đường kính
4


nguyên tử chất tan (dB) và đường kính nguyên tử dung môi (d A) không vượt quá
15%. Điều này giải thích tại sao đại đa số các dung dịch rắn thay thế được tạo
thành giữa các kim loại với nhau, chỉ một số ít trường hợp là giữa kim loại và á
kim.
+ Chỉ số nồng độ điện tử C e (số điện tử hóa trị của dung dịch rắn tạo thành) phải
nhỏ hơn Ce giới hạn.
Ce = xA.vA + xB.vB
(3.3)
vA, vB: Hóa trị của các nguyên
Ce = vA.xA +vB.(1 - xA)
Thực nghiệm và lý thuyết cho thấy, khi tạo thành dung dịch rắn thay thế dạng

hịa tan vơ hạn thì trị số nồng độ điện tử nhỏ hơn giới hạn nhất định. Giới hạn
này phụ thuộc vào kiểu mạng và bản chất của dung môi. Thông thường, người
ta thấy rằng ngun tố B muốn hịa tan vơ hạn vào trong A thì phải có hóa trị
bằng hoặc nhỏ hơn hóa trị của A.
+ Tương quan về độ âm điện (): Sai khác về độ âm điện càng nhỏ thì khả năng
hịa tan vơ hạn càng tăng.
3.2.1.2.2. Dung dịch rắn xen kẽ
Ngun tử chất tan
Ngun tử dung mơi

Hình 3.4. Dung dịch rắn xen kẽ
- Khái niệm: Dung dịch rắn xen kẽ là loại dung dịch rắn mà các nguyên tử chất
tan đi vào vị trí các lỗ hổng trong mạng tinh thể dung môi.
- Đặc điểm của dung dịch rắn xen kẽ:
+ Giữ nguyên kiểu mạng của dung môi, tồn tại các sai lệch điểm loại nút xen kẽ,
tạo ra trường ứng suất lớn hơn do kích thước lỗ hổng nhỏ hơn nhiều so với
đường kính ngun tử.
+ Khơng thể xảy ra dạng dung dịch rắn hịa tan vơ hạn.
+ Dung dịch rắn xen kẽ có độ bền và độ cứng cao hơn so với dung dịch rắn thay
thế do mức độ xô lệch mạng lớn hơn.
- Điều kiện tạo dung dịch rắn xen kẽ:
Điều kiện kích thước:
(3.4)
Nếu sai khác nguyên tử càng lớn thì càng dễ tạo ra dung dịch rắn xen kẽ.
3.2.1.2.3. Dung dịch rắn có trật tự
Chỉ xảy ra với dung dịch rắn thay thế. Trong trường hợp này các nguyên tử chất
tan được sắp xếp theo một quy luật xác định trong mạng tinh thể của dung môi,
được nguội rất chậm trong khoảng nhiệt độ nhất định. Đa số các trường hợp là
không trật tự
- Điều kiện tạo dung dịch rắn có trật tự:

5


(3.5)
Trong đó:
EA: Năng lượng biên của miền Brillouin trong chất tan
EB: Năng lượng biên của miền Brillouin trong dung mơi.
3.2.1.3.Tính chất chung của dung dịch rắn
- Mang tính chất của dung môi: với hợp kim, dung môi phải là kim loại do
đó dung dịch rắn mang tính kim loại.
- Trong dung dịch rắn tồn tại nhiều khuyết tật mạng do sự xen kẽ hoặc
thay thế của các nguyên tử chất tan, mức năng lượng tự do cao hơn nguyên tử
nguyên chất do đó kém ổn định hơn.
- Độ bền, độ cứng và khả năng chịu tải thường cao hơn kim loại nguyên
chất.
- Độ dẻo có giảm đi 1 chút song vẫn đủ cao, dễ biến dạng dẻo.
- Nồng độ chất tan càng lớn -> tính dẻo càng giảm, độ bền càng tăng. Quá
lớn -> gây ra giòn, dễ bị gãy vỡ -> chọn nồng độ thích hợp.
- Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt nhưng kém hơn kim loại nguyên chất, thay đổi
tính chống ăn mịn.
Dung dịch rắn là pha cơ bản chiếm tới 90% thậm chí tới 100% trong vật liệu kết
cấu.
3.2.2. Các pha trung gian
3.2.2.1. Khái niệm
Các pha trung gian là dạng cấu trúc hợp kim tạo bởi các cấu tử có kiểu
mạng riêng biệt của mình, khơng phụ thuộc vào kiểu mạng của các nguyên tạo ra
nó.
Đặc điểm:
- Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn với nguyên tố thành phần.
- có tỷ lệ chính xác giữa các ngun tố theo cơng thức hóa học AmBn

- Tính chất: khác hẳn các ngun tố thành phần -> giịn
- Có nhiệt độ chảy xác định, khi tạo thành tỏa nhiệt.
- Khác với các hợp chất hóa học thơng thường, các pha trung gian khơng hồn
tồn tn theo quy luật hóa trị -> khơng có thành phần hóa học chính xác theo
cơng thức, có liên kết kim loại.
3.2.2.2. Các loại pha trung gian
Các pha trung gian có rất nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào kích thước
nguyên tử tương đối giữa các ngun, hóa trị của các ngun và vị trí của các
nguyên trong bảng hệ thống tuần hoàn:
- Hợp chất hóa học hóa trị
- Pha xen kẽ
- Pha điện tử
- Pha Lavies
- Pha 
- Cấu trúc khuyết
3.2.2.2.1. Hợp chất hóa học hóa trị

6


Là pha được tạo thành trên cơ sở các nguyên tố có tính chất hóa học khác nhau
theo liên kết hóa trị (Fe2O3, FeO, Al2O3, SiO2...). Loại pha này ít gặp trong hợp
kim.
3.2.2.2.2. Pha xen kẽ
Là các pha tạo thành có kiểu mạng riêng và là hợp chất hóa học tạo nên
giữa các kim loại ở nhóm chuyển tiếp có đường kính ngun tử lớn với các á
kim có đường kính nguyên tử bé và thỏa mãn điều kiện kích thước:
- Khi dB/ dA < 0,59 tạo thành pha xen kẽ với các kiểu mạng đơn giản của các
nguyên tố kim loại, có kiểu mạng khác cả A và B (pha xen kẽ đơn giản). Thường
là các loại các bít VC, WC, TiC ...

Đặc điểm: Độ hạt nhỏ, độ cứng và độ bền cao, được dùng làm các pha hóa
bền lý tưởng cho hợp kim.
- Khi dB/ dA > 0,59 tạo thành pha xen kẽ có kiểu mạng tinh thể phức tạp, có tới
hàng chục ơ cơ bản trong một nguyên tử (pha xen kẽ phức tạp). Ví dụ : Fe 3C,
Mn3C, Cr7C3 ...
Đặc điểm: Có kiểu mạng rất phức tạp.
Tính chất: Có độ cứng, độ bền cao và nhiệt độ nóng chảy cao. Thường dùng hóa
bền cho hợp kim làm việc ở nhiệt độ thường.
3.2.2.2.3. Pha điện tử (Pha Hume – Rothery)
Là pha tạo nên bởi các kim loại có hóa trị khác nhau, được hình thành có kiểu
mạng riêng nhưng phải thỏa mãn quy luật về trị số nồng độ điện tử Ce.
Pha điện tử có ba dạng cơ bản:
- Pha : Ce = 3 / 2 - Có kiểu mạng lập phương thể tâm A2
- Pha : Ce = 21 / 13 - Có kiểu mạng lập phương phức tạp với 52 nguyên tử
trong một ô cơ bản
- Pha : Ce = 7 / 4 - Có kiểu mạng lục giác.
Với
(3.6)
Trong đó:
nA, nB: chỉ số của các nguyên trong cấu tạo pha
vA, vB: hóa trị của các nguyên.
Ví dụ: Trong hợp kim Cu - Zn
Các dạng cấu trúc:
- Pha  (CuZn):
- Pha  (Cu5Zn8):
- Pha  (CuZn3):
Chú ý: Cấu tạo pha điện tử chỉ có tác dụng tính tốn chỉ số C e, từ đó chỉ ra
kiểu mạng. Bản thân các pha điện tử tồn tại trong phạm vi thành phần.
Tính chất: Pha điện tử có độ hạt rất nhỏ, độ cứng và độ bền cao. Số lượng
khơng lớn, vùng thành phần khơng rộng do đó ít dùng trong việc hóa bền.

3.2.2.2.4. Pha Laves
Là hợp kim của nhóm các kim loại chuyển tiếp mà có thành phần không đổi
thường được biểu diễn bằng công thức AB2 (MgCu2, CuZn2 ...).
Đặc điểm của pha Laves: rất giòn làm giảm cơ tính của hợp kim, do đó trong sản
xuất hợp kim tránh sự xuất hiện của pha Laves.
7


Pha Laves có cấu trúc mạng tinh thể theo hệ lập phương và lục giác.
3.2.2.2.5. Pha 
Là các pha trung gian có dải thành phần từ A4B  AB4.
Đặc điểm: pha  có kiểu mạng rất phức tạp, tính giịn rất cao, vùng thành phần
rộng do đó làm giảm cơ tính rất mạnh của hợp kim, khi lựa chọn hợp kim tránh
hình thành pha .
3.2.3. Hỗn hợp cơ học
3.2.3.1. Khái niệm
Hỗn hợp cơ học là các tổ chức của hợp kim có hai pha cùng tồn tại trong một thể
thống nhất, hai pha được tạo ra cùng một lúc và giữ nguyên bề mặt phân pha.
3.2.3.2. Các loại hỗn hợp cơ học
- Hỗn hợp cơ học cùng tinh: là dạng hỗn hợp cơ học cùng một lúc kết tinh
ra hai pha từ thể lỏng.
L  [A + B]
T=2-3+1=0
Phản ứng cùng tinh xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định.
Đặc điểm của hỗn hợp cơ học cùng tinh là có nhiệt độ nóng chảy thấp nên có
tính đúc tốt, nhưng lại có tính giịn cao dẫn đến khó gia cơng áp lực.
- Hỗn hợp cơ học cùng tích: là dạng hỗn hợp cơ học tiết ra cùng một lúc ở
thể rắn.
RA  [RB + RC]
T=0

Phản ứng cùng tích xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định.
Đặc điểm của hỗn hợp cùng tích là có độ bền và độ cứng cao thích hợp với việc
sản xuất các sản phẩm yêu cầu cơ tính tốt. Tuy nhiên với độ cứng cao dẫn đến
khó gia cơng áp lực.
3.2.3.3. Thành phần tạo nên hỗn hợp cơ học
- Hai dung dịch rắn
- Một dung dịch rắn + một pha trung gian (phổ biến nhất)
- Hai pha trung gian

3.3. Giản đồ trạng thái của hợp kim
3.3.1. Khái niệm
Giản đồ trạng thái của hợp kim là đồ thị xây dựng mối quan hệ giữa tổ
chức pha của hợp kim phụ thuộc vào nhiệt độ. Hay là giản đồ biểu thị sự biến
đổi thành phần và trạng thái pha ở cân bằng theo nhiệt độ và thành phần của hệ
dưới áp suất không đổi (1at).
Các loại giản đồ trạng thái:
- Giản đồ một nguyên
- Giản đồ hai nguyên
- Giản đồ ba nguyên
- Giản đồ bốn nguyên
3.3.2. Ý nghĩa và phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái
3.3.2.1. Ý nghĩa
8


- Dùng để xác định tổ chức của hợp kim theo các điều kiện bên ngoài và
bên trong (nhiệt độ và thành phần).
- Xác định các trạng thái tới hạn của hợp kim ở tất cả các vị trí để phục vụ
cho xử lí nhiệt luyện hợp kim.
- Lựa chọn phương án sản xuất hợp kim một cách hợp lý nhất.

3.3.2.2. Phương pháp xây dựng
- Hệ tọa độ của giản đồ hai nguyên là nhiệt độ và thành phần.
- Thông thường là xây dựng bằng phương pháp phân tích nhiệt: Giả sử cần xây
dựng giản đồ trạng thái của hệ hai nguyên A và B người ta chế tạo các mẫu hợp
kim có thành phần thay đổi từ 100%A  100%B. Sau đó nung đến trạng thái
lỏng hồn tồn các mẫu rồi cho kết tinh với một tốc độ kết tinh đủ chậm để đo,
đánh dấu các điểm chuyển biến và nối các điểm cùng tính chất lại thu được giản
đồ trạng thái.
Hình 3.5. Phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái bằng thực nghiệm
3.3.3. Một số loại giản đồ trạng thái hai nguyên cơ bản
3.3.3.1. Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn ở trạng thái lỏng và trạng thái rắn
Phần lớn trường hợp hai nguyên hòa tan vơ hạn ở trạng thái lỏng, nhưng số
trường hợp hịa tan vơ hạn ở trạng thái rắn lại rất ít, đó là trường hợp của hệ: Cu
- Ni; Au - Ag; Au - Pt; Fe - Ni; Au - Ni; Cr - Mo ...
- Dạng giản đồ:

100%A

I

II

III

IV

V

100%B
0C

TA

I

0C
I
TA
L
L+

m

1
2

II

n

IV
V
III
100%A
0C
LA RA
L

0C
I

L+

100%B
L
T=2
L
T=1

TB

TB
A

100%A

100%A

100%B

T=2

100%B

Hình 3.6. Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn ở trạng thái lỏng và trạng
thái rắn
- Các đường trên giản đồ:
TA m TB: là đường lỏng
TA n TB: là đường đặc
: dung dịch rắn thay thế của B trong A hoặc A trong B.
Điểm TA và TB ứng với nhiệt độ nóng chảy của hai kim loại nguyên chất

tạo nên hệ hợp kim.
- Sự kết tinh của kim loại điển hình:
Trên điểm (1) - hợp kim lỏng.
9

LB RB
B


Từ điểm (1) đến (2) - lỏng chuyển sang rắn.
Dưới điểm (2) - kết thúc kết tinh .
- Đường nguội của hợp kim điển hình: hình vẽ
Phía trên đường lỏng là vùng tồn tại của dung dịch lỏng, phía dưới đường đặc
là vùng tồn tại của dung dịch rắn (), trong khoảng giữa 2 đường lỏng và đặc
gồm có cả 2 pha: dung dịch rắn và dung dịch lỏng, đấy là vùng ứng với sự kết
tinh hay nóng chảy của hợp kim.
- Đặc điểm của hợp kim:
Có tính dẻo cao do đồng nhất là một pha dung dịch rắn.
Luôn xảy ra sự thiên tích do đó ít sử dụng để sản xuất đúc.
* Quy tắc đòn bẩy để xác định thành phần pha trong hợp kim:
Khảo sát hợp kim chứa x%B ở nhiệt độ t 0 trạng thái này được biểu diễn
bởi điểm Q. Giả sử ở nhiệt độ đã cho, hợp kim bao gồm 2 pha M và N, trong
pha M có chứa x1%B, cịn trong pha N chỉ chứa x2%B. Ta cần tìm lượng tương
đối của 2 pha đó là m và n trong một đơn vị của hợp kim. Ta thấy m.x 1 là lượng
chứa của B trong M; n.x2 là lượng chứa của B trong N nên:
mx1 + nx2 = x và m + n = 1
(3.7)
 và hay và m =
(3.8)

0C

0C
Q

M

N
n

m

100%A

x1

x2

x

100%B

Hình 3.7. Quy tắc địn bẩy để xác định thành phần pha trong hợp kim

10


Hình 3.8. Sơ đồ quy tắc địn bẩy
(3.9)
Quy tắc này giúp ta tính được tỷ lệ pha của hợp kim nếu nó cấu tạo bởi 2 pha.

Ví dụ:

Hình 3.9. Giản đồ pha loại II
a. Hệ Cu – Ni
b. Hệ Al2O3 – Cr2O3
3.3.3.2. Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn ở trạng thái lỏng, khơng hịa tan
ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh
Trong thực tế, cũng có gặp trường hợp hai ngun hịa tan vơ hạn vào nhau ở
trạng thái lỏng, nhưng ở trạng thái rắn lại hồn tồn khơng hịa tan vào nhau, đó
là trường hợp của các hệ: Pb - Sb; Sn - Zn.
- Dạng giản đồ:
I

0C

II

0C

L

TA

TB
L+A

L+B

A + [A + B]
100%A

[A + B]

P

Q

I

II
L (T = 2)

L (T = 2)

L A (T = 1)

R
LQ [A + B]
(T = 0)

B + [A + B]

A + [A + B]
(T = 1)

LQ [A + B]
(T = 0)
[A + B]
(T = 1)

100%B

Hình 3.10. Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn ở lỏng,
khơng hịa tan ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh
- Các đường trên giản đồ:
TA Q TB: là đường lỏng
P Q R: là đường đặc (đường cùng tinh, điểm Q gọi là điểm cùng tinh).
Đường lỏng và đường đặc phân giản đồ làm 4 khu vực. Khu vực phía trên đường
lỏng là vùng tồn tại dung dịch lỏng, khu vực giữa đường lỏng T AQ và đường đặc
là vùng tồn tại của 2 pha dung dịch lỏng (L) và tinh thể A, khu vực giữa đường
lỏng TBQ và đường đặc là vùng tồn tại của hai pha dung dịch lỏng (L) và tinh thể
B, khu vực phía dưới đường đặc là vùng tồn tại của hai pha rắn A và B.
Do 2 nguyên hịa tan vơ hạn vào nhau ở trạng thái lỏng nên có thể tạo nên dung
dịch lỏng, vơ hạn (L). ở trạng thái rắn chúng khơng hịa tan vào nhau tạo nên
dung dịch rắn mà vẫn nằm ở trạng thái gồm các nguyên nguyên chất A và B.
11


Vậy các pha có thể tạo nên trong giản đồ này là dung dịch lỏng, nguyên nguyên
chất A và B nên số pha lớn nhất F = 3.
- Hợp kim có thành phần ứng với điểm Q có đặc trưng là có nhiệt độ nóng chảy
thấp, kết tinh ở nhiệt độ không đổi và kết tinh ra ngay hai pha rắn một lúc. Điểm
Q được gọi là điểm cùng tinh, phản ứng cùng tinh xảy ra như sau:
LQ  [A + B] (cùng một lúc kết tinh ra cả A và B)
Hợp kim ở bên trái điểm Q gọi là hợp kim trước cùng tinh, sau điểm Q gọi là
hợp kim sau cùng tinh.
- Đường nguội của hợp kim điển hình: hình vẽ
- Đặc điểm của hợp kim.
+ Tính dẻo kém do sự xuất hiện của cùng tinh [A + B].
+ Nhiệt độ nóng chảy của hợp kim giảm dần, thấp nhất tại thành phần cùng tinh

nên hay dùng để sản xuất đúc.
+ Cũng do xuất hiện cùng tinh [A + B] nên độ phân tán, độ cứng cao dẫn đến
khó gia cơng áp lực.
* Tam giác Tam man để xác định lượng cùng tinh:
- Theo quy tắc đòn bẩy:
Xét hợp kim I, hợp kim này sau khi kết tinh xong có tổ chức A + [A + B] trong
đó tinh thể A biểu diễn ở điểm C và cùng tinh [A + B] biểu diễn tại điểm E. Do
vậy:
%A = ; %[A + B] =
Theo cách tính từ tam giác Tamman:

I

0C

0C

A

L
B
H

C

L+A

a,

L+B

E

D

F 100% [A+B]
100%B

100%A
0C

0C

0C

0C

L
L+A

L
L+A

L+B
100%B

100%A

L+B

100%A

100%B

100%B

100%A

b,

c,

12


Hình 3.11. Tam giác Tam man để tính lượng cùng tinh (a)các và các pha A
(b), pha B (c)
Ngoài ra, trong hình vẽ trên, nếu coi EF là 100% lượng cùng tinh thì các đoạn
thẳng vng góc với CD và nằm trong các tam giác CEF và DEF sẽ chỉ rõ lượng
cùng tinh của các hợp kim tương ứng (hình a). Tương tự, cũng có thể xác định
lượng pha A (hình b) và pha B (hình c).
Giả sử ta có hệ giản đồ pha hệ 2 cấu tử Pb -Sb

Hình 3.12.Giản đồ pha Pb – Sb
Hợp kim ở vị trí 1 trên giản đồ hình 3.8 ta thấy có : 60%Sb + 40%Pb, bắt
đầu đông đặc ở 1 là 5000C, kết thúc đông đặc ở 2 là 2450C
Khi ở nhiệt độ > 5000C  lỏng hoàn toàn, nhiệt độ < 2450C thì hệ Pb –Sb ở trạng
thái rắn hồn tồn, trong khoảng 500 ÷ 2450C khi làm nguội thì tinh thể Sb tạo
thành càng nhiều
- Áp dụng quy tắc cánh tay đòn :

+ Tại điểm a tỷ lệ pha rắn pha lỏng %L = 63.5%
+ Tại điểm b tỷ lệ pha rắn pha lỏng %L = 46%
- Áp dụng quy tắc pha : Tại điểm 1 & a thì ta có T = 2-2+ 1 = 1 đơng đặc trong
khoảng nhiệt độ có thể thay đổi
Trên điểm 1 : thì ta có T = 2- 1 + 1 = 2  thay đổi cả % và nhiệt độ mà pha lỏng
của hệ vẫn bảo tồn. Tại điểm cùng tinh E thì ta có T = 2 -3 + 1 =0  đơng đặc
cùng tinh thì nhiệt độ khơng đổi giống kim loại nguyên chất.
3.3.3.3. Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vơ hạn ở trạng thái lỏng, hịa tan có hạn
ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh
- Giản đồ trạng thái:
- Các đường trên giản đồ:
TA Q TB: là đường lỏng
TA P Q R TB: là đường đặc
P Q R: đường cùng tinh
Q: điểm cùng tinh
PE: đường giới hạn hoà tan của B trong A theo nhiệt độ
13


RF: đường giới hạn hoà tan của A trong B theo nhiệt độ
: dung dịch rắn xen kẽ của B trong A
: dung dịch rắn xen kẽ của A trong B
II, II: vẫn là ,  nhưng được tiết ra ở trạng thái rắn
[ + ]: hỗn hợp cơ học cùng tinh của A và B

P
[+II]

TB

L

L+

E
100%A

0C I

III

II

(T = 2)

L+
R

Q
+II+
[+]

L (T = 2)
L (T = 1)

+II+
[+]

II

III
L (T = 2)

L (T = 2)

L (T = 1)
LQ [P + R]
(T = 0)

[ + II]

I

[+]

0C
TA

LQ [P + R]
(T = 0)
+[+]
(T = 1)

[+]
(T = 1)

+ II (T = 1)

F
100%B

Hình 3.13. Giản đồ hệ hai nguyên hịa tan vơ hạn ở trạng thái lỏng,
hịa tan có hạn ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh
- Đường nguội của hợp kim điển hình: hình vẽ
- Đặc điểm của hợp kim: có hai vùng
+ Dung dịch rắn
+ Có hỗn hợp cơ học cùng tinh
 Tuỳ theo thành phần hợp kim người ta có thể lựa chọn các phương pháp gia
cơng khác nhau:
+ Các hợp kim có % B < % P và > % R: đây là hợp kim dẻo, có thể gia cơng áp
lực.
+ Các hợp kim có % B thuộc khoảng [ P, R ]: đây là hợp kim đúc, tính chất phụ
thuộc vào lượng  và .

14


Hình 3.14. Giản đồ hệ Pb – Sn và sơ đồ hình thành tổ chức khi kết tinh ở
trạng thái cân bằng của hợp kim
Nhìn trên giản đồ hình 3.13 ta có một số nhận xét sau:
+ Nhiệt độ chảy của hợp kim giảm khi tăng cấu tử thứ ha
+ Điểm cùng tinh E với phản ứng cùng tinh: hay
+ Hợp kim < 61.9% Sn  trước cùng tinh ở phía bên trái E và hợp kim > 61.9%
Sn  hợp kim cùng tinh ở bên phải điểm E
+ CF và DG là giới hạn hòa tan. Độ hòa tan lớn nhất ở nhiệt độ cùng tinh là
1830C
+ Có thể chia các hợp kim của hệ thành ba nhóm sau :
* Nhóm chứa rất ít cấu tử thứ hai (bên trái điểm F, bên phải G), sau khi
kết tinh xong chỉ có một dung dịch rắn α hoặc β
* Nhóm có thành phần nằm trong khoảng từ (F đến C và D đến G) nhiệt độ <

CF và DG  βII& αII
* Nhóm giàu nguyên tố hợp kim (từ C đến D),sau khi tiết ra dung dịch rắn  (αC
hay βD) pha lỏng cịn lại  điểm cùng tinh E
Nhìn trên giản đồ hình 3.13. ta khảo sát hợp kim với 40%Sn của hệ Pb – Sn
+ ở nhiệt độ trên 2450C hợp kim lỏng hoàn toàn, ở 245 0C hợp kim bắt đầu
kết tinh ra α2 với 13.3%Sn, nguội tiếp tục dung dịch rắn A C, pha lỏng còn lại
A  E chiều tăng lên của hàm lượng Sn.
+ Áp dụng quy tắc đòn bẩy : ở 2000C pha α chứa 18.5%Sn (a’) và L chứa
57%Sn (a’’)
ở nhiệt độ cùng tinh
Trong cùng tinh
3.3.3.4. Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng và tạo thành
bao tinh
- Dạng giản đồ: Hình 3.15.
- Các đường trên giản đồ:
TA M TB: là đường lỏng
TA N P TB: là đường đặc
M N P: đường bao tinh, xảy ra phản ứng bao tinh
LM + P  N

I

0C

II

0C
TB

L

II

I
L (T = 2)

L (T = 1)

L+
N

100%A

L (T = 1)
P
LM + P N (T = 1)

+II

TA

M
L+

Q

+
+ II

L (T = 2)

R
100%B

15

L (T = 1)
(T = 2)
+ II (T = 1)

(T = 2)
+ II
(T = 1)


Hình 3.15. Giản đồ hệ hai ngun hịa tan vơ hạn ở lỏng và tạo thành bao
tinh
3.3.3.5. Một số dạng giản đồ đặc biệt
- Loại tạo cùng tích (eutectoid)
0C

L (T=2)

0C

I

A

L

L(T=1)

B

L+
L+
N

G

M

+

(T=2)

E

(T=1)

+
P
100%A

S

K

+

R

T

100%B

S[p+k]
(T=0)

[+]+
(T=1)

Hình 3.16. Giản đồ tạo cùng tích
Phản ứng cùng tích :
[p + K] gọi là hỗn hợp cơ học cùng tích ở phản ứng này là 1 pha rắn tạo ra 2
pha rắn
Ví dụ: Giản đồ trạng thái Fe + C (sẽ nghiên cứu ở phần sau)
0C

0C
B

H

C

A+
[A+AmBn]

100%A

L+AmBn
Am+Bn +
[B+AmBn]

AmBn +
[A+AmB
n]

L+A

AmBn

L

D

tạo thành hợp chất hóa học
hợp chất hóa học tạo thành
định về thành phần hóa

L+B
B+
[B+AmBn]

B+AmB
n

L+AmBn

A

A+AmBn

- Loại
ổn định
Các
ln ổn
học.

16
100%B


Hình 3.17. Giản đồ tạo thành hợp chất hóa học ổn định
Ví dụ: Giản đồ trạng thái Mg – Ca

0C
780
690
560

0C
810

L
L+Mg

L+Mg4Ca3 L+Mg4Ca3

L+Ca
520

Hình 3.18. Giản đồ hệ Mg - Ca
Mg+Mg4Ca3
3.4.Giản
đồ trạng thái
Fe - C
Mg4Ca3+Ca

100%Mgg

3.4.1. Giới thiệu Các bon và Sắt
3.4.1.1. Các bon
52,5
77 IV trong bảng hệ thống tuần hồn và có
Các18bon là ngun tố
á kim thuộc nhóm
100%Ca
thể ở hai dạng thù hình: Graphít và kim cương. Trong điều kiện bình thường
Graphít là dạng thù hình ổn định cịn kim cương khơng ổn định. Trong hợp kim
Fe - C, các bon nguyên chất chỉ có thể tồn tại ở dạng Graphít - nó có mạng lục
giác và rất mềm.
3.4.1.2. Sắt
Sắt là nguyên tố hợp kim thuộc nhóm VII trong bảng hệ thống tuần hồn, nó
thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp. Cũng giống như các ngun tố khác nó khơng
thể tồn tại ở dạng tuyệt đối tinh khiết mà thường tồn tại dưới dạng hợp chất. Sắt
có các tính chất sau:
3.4.1.2.1. Cơ tính

- Giới hạn bền kéo b
: 250 N/mm2
17


- Giới hạn chảy 0,2
: 120 N/mm2
- Độ giãn dài tương đối  : 50 %
- Độ thắt tỷ đối  : 85 %
- Độ cứng HB
: 80 kG/mm2
- Độ dai va đập ak : 3000 kJ/m2
Như vậy so với nhiều kim loại thường dùng như nhơm, đồng, sắt có độ bền, độ
cứng cao hơn hẳn, nhưng vẫn còn thấp so với u cầu của chế tạo cơ khí. Đó là
nguyên nhân người ta hầu như không dùng sắt nguyên chất trong chế tạo cơ khí,
mà dùng hợp kim của nó vì có cơ tính cao hơn rõ rệt.
3.4.1.2.2. Tính thù hình
- Mạng lập phương thể tâm tồn tại ở hai khoảng nhiệt độ: Dưới 911 0C được gọi
là Fe() và từ (1392  1539)0C được gọi là Fe().
- Mạng lập phương diện tâm tồn tại ở khoảng (911  1392)0C được gọi là Fe().
Do mạng lập phương diện tâm có mật độ mạng Mv lớn hơn mạng lập phương thể
tâm nên khi nung nóng quá 9100C có chuyển biến thù hình từ Fe() sang Fe().

Năng lượng tự do

Lập phương thể tâm

Lập phương diện tâm

911

1392

t 0C

Hình 3.19. Dạng thù hình của Fe phụ thuộc vào nhiệt độ
3.4.2. Giản đồ trạng thái Fe – C
3.4.2.1. Tương tác giữa Fe và C
a. Sự hòa tan của C vào Fe
Tạo thành dung dịch rắn xen kẽ: Bán kính nguyên tử r C = 0.077nm, rFe =
0.1241nm  C chỉ có thể hịa tan có hạn vào Fe ở dạng dung dịch rắn xen kẽ.
Khả năng hòa tan cacbon vào các pha Fe khác nhau:
Feα và Feβ với mạng A2 tuy mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng song mỗi lỗ hổng
lại có kích thước quá nhỏ, lớn nhất cũng chỉ bằng 50% kích thước của ngun tử
sắt  Feα chỉ hịa tan được ≤ 0.02%C và Feγ ≤ 0,1%C
Feα, Feγ, Feδ với mạng A1: tuy có mật độ xếp cao hơn, nhưng lỗ hổng lại có kích
thước lớn hơn, nhưng vẫn cịn hơi nhỏ nờ các nguyên tử sắt có thể giãn ra  Feγ
hòa tan được các bon ≤ 2,14%C.
b. Tương tác hóa học giữa Fe và C.
18


Fe3C
6,67

K

727

1147

F

Le+XeI

Le=[+Xe]

P+XeII
Q0,02

Fe

G
910

N
1392

1499 H

1539 A

3.4.2.2. Giản đồ trạng thái

+XeIII

+

R

+

P+

0,8

S
J

L+

[P]

B

L+

E

+XeII

2,14

L

Le+
+XeII

P+XeII+Le

C

4,3

D
L+XeI

Le+XeI

Le=[P+Xe]

1250

Austenit (γ) là dung dịch rắn của C trong Fe γ, mạng A1, giới hạn hịa tan ở
7270C thì hịa tan được 0,8%C, ở nhiệt độ 11470C hòa tan 2,14%C
Ferrit (α) là dung dịch rắn của C trong Feα mạng A2 giới hạn hòa tan của C ở
200C là 0,006%C, ở 7270C là 0.8%C

Hình 3.20. Giản đồ pha Fe – Fe3C
Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải được xây dựng từ 100% Fe
đến 100%C song do không dùng các hợp kim Fe - C với lượng các bon nhiều
hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6,67% các bon tức là ứng với hợp chất
hóa học Fe3C. Trong thực tế, Fe với C tồn tại ở 3 dạng hợp chất là FeC, Fe 2C,
Fe3C song xêmentít (Fe3C) ổn định về thành phần hóa học ở mọi nhiệt độ nhỏ
hơn nhiệt độ nóng chảy nên dùng Fe3C làm cấu tử.

19


Điểm
A

H
J
B
N
D
G

%C
0
0,1
0,16
0,51
0
6,67
0

Nhiệt độ
1539
1499
1499
1499
1392
1250
910

Điểm
E
C
F
R

S
K
Q

%C
2,14
4,3
6,67
0,02
0,8
6,67
0,006

Nhiệt độ
1147
1147
1147
727
727
727
0

Bảng 3.1. Bảng tọa độ các điểm
3.4.2.2.1. Các tổ chức của hợp kim Fe - C
Trên giản đồ, đường ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy  đúc
Đường AHJECF là đường đặc  kết tinh hồn tồn  đúc
PSK (7270C) là đường cùng tích  nhiệt luyện
ES giới hạn hòa tan cacbon trong Feγ  hóa nhiệt luyện, nhiệt luyện.
PQ – giới hạn hịa tan cacbon trong Feα  nhiệt luyện kém quan trọng hơn
3.4.2.2.2. Các chuyển biến khi làm nguội chậm

- Chuyển biến bao tinh xảy ra ở 14990C: hay
- Chuyển biến cùng tinh xảy ra ở 11470C : hay
- Sự tiết pha Fe3C dư ra khỏi dung dịch rắn của cacbon : γ , nhiệt độ < ES  XêII
và α, nhiệt độ < PQ  XêIII
3.4.2.2.3. Các tổ chức một pha
- Hợp kim lỏng (L): là dung dịch lỏng của cácbon trong sắt, tồn tại ở phía trên
đường lỏng ABCD.
- Xementit (ký hiệu là Xe hay Fe3C): là hợp chất hóa học của sắt với các bon Fe3C, ứng với đường thẳng đứng DFK. Với kiểu mạng phức tạp, pha này có cơ
tính cứng và giịn, Xê cùng với ferrit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp
kim Fe - C
+ Xementit thứ nhất (Xe I): là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, nó được tạo thành
trong các hợp kim chứa nhiều hơn 4,3% và trong khoảng nhiệt độ (1147 
1600)0C. Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên XeI có tổ chức hạt to.
+ Xementit thứ hai (XeII): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Auxtenit ở
trong khoảng nhiệt độ (727  1147)0C khi độ hòa tan của cacbon ở trong pha này
giảm từ 2,14% xuống cịn 0,8% do vậy XeII có trong hợp kim với thành phần các
bon lớn hơn 0,8%. Do tạo từ pha rắn và ở nhiệt độ không cao lắm nên Xe II có tổ
chức hạt nhỏ hơn, do được tiết ra từ Auxtenit nên thường ở dạng lưới bao quanh
Auxtenit.
+ Xemetit thứ ba (Xe III): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Ferit ở trong
khoảng nhiệt độ thấp hơn 7270C khi độ hòa tan giới hạn của cácbon trong Ferit
giảm từ 0,02% xuống 0,006%. XeIII có ở trong mọi hợp kim có thành phần C lớn
hơn 0,006% nhưng với lượng rất ít. Do tạo nên từ pha rắn và ở nhiệt độ thấp,
khả năng khuếch tán của nguyên tử rất kém nên XeIII thường ở dạng mạng lưới
hay hạt rất nhỏ bên cạnh Ferit.
20


Các dạng Xementit không khác nhau về bản chất pha, chỉ khác nhau về kích
thước hạt và sự phân bố do điều kiện tạo thành khác nhau.

- Ferit (ký hiệu là F hay ): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trong Fe(),
có mạng lập phương thể tâm nên khả năng hòa tan của cacbon ở trong Fe() là
không đáng kể, lớn nhất ở 7270C là 0,02% và nhỏ nhất ở nhiệt độ thường là
0,006%.
- Austenit (kí hiệu là A hay ): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe(),
có mạng lập phương diện tâm nên khả năng hòa tan cacbon của Fe() khá lớn,
lớn nhất ở nhiệt độ 11470C với 2,14% và nhỏ nhất ở 7270C với 0,8%C. Austenit
chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao > 7270C
Austenit rất dẻo và dai khi các nguyên tố khác hịa tan vào khơng những làm độ
cứng tăng lên và độ dẻo độ dai giảm đi đáng kể mà cịn làm thay đổi động học
chuyển biến do đó ảnh hưởng lớn tới nhiệt luyện và biến dạng nóng.
3.4.2.2.4. Các tổ chức 2 pha
- Peclit (ký hiệu là P hay [+Xe]): Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit
và Xementit ( + Xe) tạo thành ở 7270C từ dung dịch rắn Auxtenit chứa 0,8%C.
Trong Peclit có 88% Ferit và 12% Xementit. Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy
trong quá trình làm nguội, thành phần cacbon của Auxtenit sẽ biến đổi và khi
đến 7270C có 0,8%C (các hợp kim có lượng cacbon nhỏ hơn 0,8% thì thành
phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết ra Ferit để làm tăng cacbon cịn các hợp
kim có lượng cacbon lớn hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng
tiết ra Xementit làm giảm cacbon, cả 2 trường hợp trên đều đưa đến lượng
cacbon trong Auxtenit là 0,8% ở 727 0C). Lúc đó, Auxtenit có 0,8% C sẽ chuyển
biến thành hỗn hợp cùng tích của Ferit và Xementit:
hay
Tùy theo hình dạng Xêmentit ở trong hỗn hợp, người ta chia ra 2 loại peclit là
peclit tấm và peclit hạt (Peclit tấm Xe ở dạng tấm phiến cịn Peclit hạt thì Xe ở
dạng hạt). Peclit là hỗn hợp cơ học nên có tính chất trung gian. Kết hợp giữa
tính dẻo, dai của  và cứng, dịn của Xe nên nói chung P có độ cứng, độ bền
cao, tính dẻo dai thấp. Tuy nhiên cơ tính của nó có thể thay đổi trong phạm vi
khá rộng phụ thuộc vào độ hạt của Xe.
- Ledeburit (ký hiệu là Le hoặc [+Xe] hay [P+Xe]): Ledeburit là hỗn hợp cơ

học cùng tinh, kết tính từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C ở 11470C.
Lúc đầu mới tạo thành nó gồm  và Xe (trong khoảng 7270C  11470C). Khi làm
nguội xuống dưới 7270C,  chuyển biến thành P do vậy Lêdeburit là hỗn hợp cơ
học của Peclit và Xementit. Như vậy cuối cùng Lêdeburit có 2 pha là  và Xe
trong đó Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Leđeburit rất cứng và dòn.

21


Hình 3.21.Tổ chức tế vi của
Peclit tấm b. Peclit hạt
c. Ledeburit
3.4.2.3. Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C
3.4.2.3.1. Phần phía trên đường đặc AHJECF
- Khu vực có thành phần (0,1  0,51) %C:
Khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra dung dịch rắn 
trước. Khi hạ nhiệt độ xuống tới 1499 0C, hợp kim có 2 pha là dung dịch rắn 
chứa 0,1%C và dung dịch lỏng chứa 0,51%C nên xảy ra phản ứng bao tinh tạo
ra dung dịch rắn Austenit chứa 0,16%C.
0,1%C + L0,51%C 0,16%C
- Khu vực có thành phần (0,51  4,3) %C:
Khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC nó sẽ kết tinh ra . Các hợp kim có
thành phần từ (0,51  2,14) %C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch
rắn  còn các hợp kim có thành phần từ (2,14 4,3) %C kết thúc kết tinh bằng sự
kết tinh của dung dịch lỏng có thành phần ứng với điểm C tạo ra 2 pha  có
thành phần ứng với điểm E và Xe ở 11470C.
Lc [E + XeF]
Hỗn hợp cơ học trên gọi là hỗn hợp cơ học cùng tinh Ledeburit
Khi T > 7270C tổ chức Le gồm [ + Xe]
Khi T < 7270C tổ chức Le gồm [P + Xe]

3.4.2.3.2. Phần phía dưới đường đặc AHJECF
Tại 7270C  có thành phần 0,8%C sẽ chuyển biến thành P là hỗn hợp của 2 pha
 và Xe gọi là hỗn hợp cơ học cùng tích.
s [R + XeK]
3.4.3. Phân loại hợp kim Fe – C theo giản đồ trạng thái
Để phân loại hợp kim Fe - C người ta dựa vào hàm lượng của cacbon trong hợp
kim đó.
3.4.3.1. Khái niệm chung về thép, gang.
Thép và gang đều là hợp kim Fe – C trong đó : với hàm lượng C < 2.14%
là thép ; hàm lượng C ≥ 2,14% là gang
22


Đặc điểm : Tất cả các thép khi được nung nóng trên đường GSE tương
ứng đều có 1 pha γ, tính đúc của thép là thấp ( nhiệt độ chảy cao, co ngót nhiều),
ít được sử dụng để chế tạo vật đúc.
Gang khơng thể nung nóng để có tổ chức một pha γ mà bao giờ cũng còn Xê hay
grafit khơng biến dạng nguội lẫn nóng được (kể cả loại được gọi là gang rèn),
tính đúc tốt.
3.4.3.2. Thép
Là hợp kim của Fe với C mà hàm lượng C trong nó nhỏ hơn 2,14%. Do vậy, ta
có thể phân ra làm 3 loại thép.
- Thép trước cùng tích: Thép có hàm lượng cacbon < 0,8%
Tổ chức của thép trước cùng tích là (P + )

Hình 3.22. Tổ chức tế vi của thép trước cùng tích
- Thép cùng tích: Thép có thành phần cacbon = 0,8%. Tổ chức của thép cùng
tích là hỗn hợp cơ học cùng tích P.

a

b

Hình 3.23. Tổ chức tế vi của thép cùng tích
a. Peclit tấm; b. Peclít hạt
- Thép sau cùng tích: Là thép có hàm lượng
cacbon nằm trong khoảng (0,8  2,14) %. Tổ
chức của thép sau cùng tích là P + Xe II. Lượng
XeII ít được tiết ra dưới dạng mạng lưới bao
quanh hạt P nên có tính dịn cao chính vì vậy,
trên thực tế người ta chỉ dùng thép có hàm
lượng cacbon nhỏ hơn 1,3%. Dải trắng là XeII,
với nền tối là P
Hình 3.24. Tổ chức tế vi của thép sau cùng tích

23


3.4.3.3. Gang
Là hợp kim của Fe với C mà hàm lượng C trong nó lớn hơn 2,14% và nhỏ hơn
6,67%. Dựa vào hàm lượng cacbon và tương tự đối với
thép, ta có thể phân ra làm 3 loại gang sau:
- Gang trước cùng tinh là loại gang có hàm lượng
cacbon < 4,3%.
Tổ chức của gang trước cùng tinh là P + XeII + Le. Đây
là loại gang thường được sử dụng trong thực tế
Hình 3.25. Tổ chức tế vi gang trước cùng tinh
- Gang cùng tinh là loại gang có hàm lượng cacbon là
4,3%
Tổ chức của gang cùng tinh là Le

Hình 3.26. Tổ chức tế vi của gang cùng tinh
- Gang sau cùng tinh: là loại gang có hàm lượng
cacbon lớn hơn 4,3%
Tổ chức của gang sau cùng tinh là Le + XeI

Hình 3.27. Tổ chức tế vi gang sau cùng tinh
Các loại gang trên được gọi chung là gang trắng,
cacbon trong gang trắng đều tồn tại dưới dạng Xe.
3.4.3.4. Đặc điểm cơ tính của thép và gang theo giản đồ trạng thái
3.4.3.4.1. Thép
- Thép trước cùng tích, lượng cacbon ít nên lượng Xe cũng ít vì vậy thép có tính
dẻo cao.
- Thép sau cùng tích và cùng tích, hàm lượng cacbon tăng nên tỉ lệ pha Xe tăng
do vậy làm tăng độ cứng, tính dịn đồng thời làm độ thắt tỉ đối , độ giãn dài
tương đối  giảm xuống. Vì những lý do trên mà trên thực tế, người ta khơng
dùng thép có hàm lượng cacbon q cao (%C > 1,3%).
3.4.3.4.2. Gang
Gang sau cùng tích có lượng Xe q nhiều gây dịn và cứng, khơng có khả năng
cắt gọt do vậy không được sử dụng. Thực tế, người ta sử dụng gang trước cùng
tích có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 3,5%.
3.4.4. Các nhiệt độ tới hạn hợp kim Fe – C theo giản đồ trạng thái
3.4.4.1. Nhiệt độ phản ứng cùng tinh (T = 11470C)
Với hàm lượng cacbon lớn hơn 2,14% được dùng để xác định chế độ nấu luyện
của hợp kim.
3.4.4.2. Nhiệt độ phản ứng cùng tích (T = 7270C)
  [F + Xe] (khi làm nguội) và [F + Xe]   (khi nung).

24

Hàm lượng cacbon lớn hơn 0,02% và được áp dụng nhiều trong nhiệt luyện là
đường A1. Trong thực tế, nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng và làm nguội bao
giờ cũng khác với giản đồ. Để biểu thị quá trình nung nóng khi có sự chuyển
biến pha trên thực tế người ta gọi đó là đường A C1 và khi làm nguội là đường
Ar1:
T0Ar1 < T0A1 < T0Ac1
Accm
911

Accm

Acm

Arcm

Arcm

AC1

A1

Hình 3.28. Đồ thị nhiệt độ thực tế khi nung nóng và làm nguội
727

Ar1 () trong Austenit () là
3.4.4.3. Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan của Ferit
đường A3
Nhiệt độ giới hạn hòa tan được thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi là đường
A3. Khu nung vượt qua nhiệt độ AC 3 thì kết thúc q trình hịa tan của Ferit ()
0,006

0,2 thời, 0,8
vào AuxtenitFe().
Đồng
khi làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ hơn
Fe3CAr 3 thì bắt
đầu tiết ra Ferit () từ Auxtenit(). %cacbon
Như vậy: T0Ar3 < T0A3 < T0Ac3
Ý nghĩa: Dùng chọn chế độ nhiệt luyện thép trước cùng tích.
3.4.4.4. Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan của Xementit (Xe) vào Austenit ( ) là
đường Acm
Nhiệt độ giới hạn hòa tan được thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi là đường
Acm. Khi nung vượt qua nhiệt độ Accm thì kết thúc q trình hịa tan của Xementit
(Xe) vào Auxtenit (). Đồng thời, khi làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ hơn Arcm
thì bắt đầu có sự tiết ra Xementit (Xe) từ Auxtenit ().
Như vậy: T0Arcm < T0Acm < T0Accm.

CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1: Cấu trúc và tính chất các loại dung dịch rắn và hỗn hợp cơ học trong hợp
kim
Câu 2: Trình bày nguyên lý xây dựng và ý nghĩa giản đồ trạng thái.
Câu 3: Vẽ giản đồ trạng thái, điền vùng tổ chức, vẽ đường nguội và tính bậc tự
do của các pha trên giản đồ trạng thái.
Câu 4: Vẽ giản đồ trạng thái Fe – Fe 3C, điền vùng tổ chức và giải thích các pha
trên giản đồ.
Câu 5: Giải thích tổ chức tế vi của ba loại thép và ba loại gang theo giản đồ
trạng thái.

25