chương 2 hợp kim và giản đồ trạng thái

CHƯƠNG 2
HỢP KIM
&
GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI
Từ khoá: Alloy;
Phase Diagram, Binary Phase Diagram

1. Khái niệm về hợp kim
1.1. Định nghĩa hợp kim
•
Hợp kim: là vật thể chứa nhiều nguyên tố
và mang tính chất kim loại. Nguyên tố
chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim
loại
•
Trong kỹ thuật ít dùng KL nguyên chất mà
thường dùng hợp kim
•
HK được sử dụng rộng rãi vì có nhiều mặt
ưu việt hơn KL nguyên chất

1.2. Đặc tính của hợp kim
1. Độ bền, độ cứng cao hơn KL nguyên
chất. Độ dẻo, dai thường thấp hơn KL
nguyên chất nhưng vẫn nằm trong giới
hạn cho phép
2. Có các tính chất đặc biệt: chịu nhiệt,
chống ăn mòn, chống mài mòn …
3. Có một số tính công nghệ tốt (tính đúc,
tính gia công cắt, hóa bền bằng nhiệt

luyện …)
4. Dễ chế tạo hơn KL nguyên chất

1.3. Một số khái niệm
•
Pha: là những tổ phần đồng nhất của một hệ, có
các tính chất:
- Có thành phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng
- Ở cùng một trạng thái
- Ngăn cách với pha khác bằng bề mặt phân pha
•
Hệ: tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng
•
Cấu tử: là những chất độc lập có thành phần
không đổi, chúng tạo nên tất cả các pha của hệ
•
Thí dụ: Hệ nước + đường; Nước ở 0
0
C

2. Các pha & tổ chức trong hợp kim
2.1. Dung dịch rắn (DDR)
(Solid Solution)
•
DDR là pha tinh thể có thành phần thay
đổi, trong đó:
- Các nguyên tử của dung môi A giữ
nguyên kiểu mạng
- Nguyên tố chất tan B phân bố vào mạng
của A

2.1. Dung dịch rắn
•
Lưu ý:
- DDR có liên kết kim loại
- Dung môi B có thể không giữ lại kiểu
mạng của mình
•
Ký hiệu:
- Các chữ Hy Lạp: α, β, δ, ε, γ …
- A(B)

2.1.1. Dung dịch rắn thay thế

2.1.1. Dung dịch rắn thay thế
•
Các nguyên tử của chất tan B thay thế các
nguyên tử của dung môi A tại chính các
nút mạng của A
∀
⇒ Số nguyên tử trong ô cơ bản bằng số
nguyên tử trong ô cơ bản của dung môi A

a. DDR thay thế hòa tan vô hạn
•
Chất tan B hòa tan vào dung môi A với tỉ lệ
bất kỳ
•
Các nguyên tử của B có thể lần lượt thay
thế mọi vị trí nút mạng của A mà không

làm thay đổi cấu trúc tinh thể của DDR
•
Khái niệm dung môi và chất tan chỉ là quy
ước

b. DDR thay thế hòa tan có hạn
•
Lượng hòa tan của B trong A không thể
vượt quá giá trị xác định
•
Khi hòa trộn A và B vào nhau sẽ tạo nên 2
DDR:
- B hòa tan trong A: A(B): kiểu mạng của A
- A hòa tan trong B: B(A): kiểu mạng của B

c. Điều kiện để tạo thành DDR
hòa tan vô hạn
•
Kiểu mạng: A và B phải cùng kiểu mạng
•
Đường kính nguyên tử: d
A
và d
B
không
sai lệch nhau nhiều (<8-15%) ⇒ thường
xảy ra giữa các KL với nhau
•
Lý, hóa tính: của A và B phải gần giống
nhau

•
Nồng độ điện tử: của A và B phải gần
như nhau

c. Điều kiện để tạo thành DDR
hòa tan vô hạn
•
Lưu ý:
- Không thoả 1 trong 4 điều kiện trên chỉ
hoà tan có hạn
- Thoả cả 4 yếu tố trên vẫn có thể hoà tan
có hạn

2.1.2. Dung dịch rắn xen kẽ

2.1.2. Dung dịch rắn xen kẽ
•
Nguyên tử của chất tan B nằm trong lỗ
hổng của mạng tinh thể của dung môi A
•
Thường được tạo thành bởi:
- Nguyên tố dung môi: các kim loại chuyển
tiếp (Fe, Ni, Mn, W …)
- Nguyên tố chất tan: các á kim có đường
kính nguyên tử nhỏ: C, N, B, H

2.1.2. Dung dịch rắn xen kẽ
•
Điều kiện tạo thành DDR xen kẽ:
- Tốt nhất: d

B
≤ kích thước lỗ hổng của
mạng tinh thể dung môi
- Nếu d
B
> kích thước lỗ hổng của mạng tinh
thể dung môi không nhiều: B cũng có thể
hòa tan vào mạng A và gây xô lệch mạng
đáng kể
•
B luôn hòa tan có hạn trong A và độ hoà
tan thường thấp

2.1.3. Đặc tính của DDR
1. Có liên kết kim loại ⇒ DDR có tính dẻo
tốt (không cao bằng KL nguyên chất)
2. Thành phần hóa học thay đổi trong một
phạm vi nhất định; kiểu mạng giống
dung môi
3. Mạng tinh thể luôn bị xô lệch và mức độ
xô lệch càng lớn khi tăng hàm lượng B
4. Do xô lệch mạng ⇒ tính chất biến đổi so
với A:
- Độ bền, độ cứng, điện trở tăng
- Độ dẻo, dai giảm

2.1.3. Đặc tính của DDR

2.2. Các pha trung gian
•

Trong HK, trừ DDR, tất cả các pha còn lại:
pha trung gian
•
Đặc điểm:
- MTT khác kiểu mạng các nguyên hợp
thành
- Tính chất khác xa với các nguyên thành
phần: cứng, dòn, nhiệt độ nóng chảy cao
- Thành phần không đổi hoặc thay đổi trong
phạm vi hẹp

2.2. Các pha trung gian
•
Hợp chất hóa học hóa trị thường
•
Pha xen kẽ
•
Hợp chất điện tử
•
Pha Lavet
•
Cấu trúc khuyết
…

2.2.1.Hợp chất hoá học hoá trị thường
•
Thành phần hoá học hầu như cố định
tương ứng với công thức hoá học nhất
định
•

Có liên kết ion hoặc ion – đồng hoá trị
•
Có tính dòn và độ cứng cao
•
MeO, Me
2
O
3
…; Mg
2
Si, Mg
2
Sn …; MnS,
MgS …

2.2.2. Pha xen kẽ
•
Các á kim có đường kính nguyên tử bé
(C, H, N, B) chẳng những có thể đi vào lỗ
hổng của MTT để tạo nên DDR xen kẽ mà
còn có thể tạo nên pha mới với kiểu mạng
khác hẳn: pha xen kẽ
•
Những pha xen kẽ thường gặp: carbide,
hydride, nitride, boride
•
Cấu tạo MTT của pha xen kẽ phụ thuộc
vào tỉ lệ d
A
/d

Me
(d
A
: đường kính nguyên tử
á kim; d
Me
: đường kính nguyên tử KL)

2.2.2. Pha xen kẽ
Đặc điểm:
- Có liên kết kim loại ⇒ mang tính KL rõ nét
- Thường có nhiệt độ nóng chảy và độ
cứng rất cao

3. Hỗn hợp cơ học
•
Ở trạng thái rắn, HK có thể có tổ chức:
- Một pha: DDR hoặc pha trung gian
- Hai hoặc nhiều pha: hỗn hợp cơ học
•
HK có tổ chức là hỗn hợp cơ học:
- Của 2 KL nguyên chất
- Của 2 DDR: tính dẻo tốt
- Của 2 pha trung gian: rất dòn
- Của DDR và pha trung gian: thường gặp
nhất

4. Giản đồ trạng thái (GĐTT)
4.1. Mở đầu
4.1.1. Định nghĩa

•
GDTT là biểu đồ chỉ sự phụ thuộc của
trạng thái pha vào thành phần hoá học
của HK, nhiệt độ, áp suất

4.1.2. Công dụng của GĐTT
•
Xác định được nhiệt
độ nóng chảy,
chuyển biến pha của
HK với thành phần
cho trước ⇒ xác
định chế độ nấu
luyện, gia công biến
dạng, nhiệt luyện
•
Trạng thái pha của
HK ⇒ dự đoán được
tính chất của HK