VẬT LIỆU KIM LOẠI CƠ BẢN - CHƯƠNG 3 HỢP KIM GIẢN ĐỒ PHA

Chương 3
Hợp kim & Giản đồ pha


Nội dung

3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.1.1 Khái niệm về hợp kim
3.1.2 Dung dịch rắn
3.1.3 Pha trung gian

3.2. Giản đồ pha hai cấu tử
3.3. Giản đồ pha Fe - C

3

3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.1.1. Khái niệm về hợp kim

 Hợp kim là hợp chất của nhiều nguyên tố, nguyên tố chính
(nền) phải là kim loại
Các nguyên tố khác (kim loại/phi kim)

Hàm lượng nhỏ, khơng ảnh hưởng đến tính chất : tạp chất
Hàm lượng đủ lớn, ảnh hưởng đến tính chất : NTHK

Hợp kim Cu-Zn Thép: HK của Fe-C

4

 Ưu điểm của hợp kim là gì?
• Độ bền cao hơn, cho phép chế tạo các chi tiết chịu tải nặng

Vật liệu σb, MPa σch MPa δ% HB

Al 99,95% 50 10 45 15

AA7075 228 103 17 60

AA7075 600 560 11 150

(tơi+hóa già)

AA7075: 6%Zn, 2,4%Mg, 1,6%Cu, 0,3%Mn

• Tính cơng nghệ đa dạng: cắt gọt, GCAL, đúc, nhiệt luyện…

•Trong nhiều trường hợp, nấu HK dễ hơn nấu KL nguyên chất

5

Trong HK, các nguyên tố tương tác → pha

 Pha: Phần đồng nhất của hệ có cùng cấu trúc, trạng thái,

kiểu mạng, có tính chất cơ-lý-hố tính xác định, phân cách nhau

bởi bề mặt phân chia pha. Pha B

Pha A

 Tính chất của HK phụ thuộc:

• HK có pha gì
• Sự phân bố của các pha
• Kích thước, hình dạng của pha
• Tỷ lệ của pha trong HK

Ví dụ: Thép cácbon C40, với %C = 0,4%

C40 ở trạng thái tôi: (a)
Độ cứng cao, độ dẻo thấp; tổ chức: Mactenxit (phần lớn) + Austenit dư

C40 ở trạng thái ủ: (b)

Độ cứng thấp, độ dẻo cao; tổ chức: Ferit + Xementit 6

 Phân loại tương tác trong hợp kim

Nấu hợp kim từ 2 thành phần là A và B

Khơng có tương tác Có tương tác

Hỗn hợp cơ học Hòa tan Phản ứng
2 pha A và B
Dung dịch rắn Hợp chất hóa học
L (A+B) (Pha dung dịch rắn) (Pha trung gian)
A
A(B); B(A) AmBn

A(B)

B

7

3.1.2. Dung dịch rắn

Khái niệm: pha đồng nhất, kiểu mạng của dung môi (kim loại
nền), các nguyên tử chất tan sắp xếp lại trong mạng dung môi
một cách đều đặn và ngẫu nhiên.
Ký hiệu: A(B) = Dung dịch rắn của B hòa tan trong A.

Ví dụ: Zn(Cu); Cu(Zn); Feα(C); Feγ(C)

Giới hạn hịa tan: Nồng độ lớn nhất của chất tan có thể hịa
tan trong mạng của dung mơi để tạo ra dung dịch rắn

Dung dịch rắn thay thế Dung dịch rắn xen kẽ

8

Dung dịch rắn xen kẽ Dung dịch rắn thay thế

các nguyên tử hòa các nguyên tử
tan nằm xen kẽ chất tan thay thế
vào các lỗ hổng vị trí các nguyên
trong mạng tinh tử dung môi trong
thể dung môi. mạng tinh thể

dht  0,59
ddm d  ddm  dht  15% Lý hóa tính
ddm tương tự
→ dnt hòa tan rất nhỏ, giới hạn hịa
tan thấp, ln hịa tan có hạn → Có thể hịa tan vơ hạn

VD: ngun tố dnt nhỏ: N, C, B, H Điều kiện thay thế (hồ tan) vơ hạn
-> kim loại chuyển tiếp có dnt lớn: - cùng kiểu mạng tinh thể
Fe, Cr, W, Mo… - kích thước nguyên tử khác ít (<8%)
- tương quan về nồng độ điện tử
r8mA1  0,414rFe ; rFe  1,241Ao ; rC  0,77 Ao - cùng hóa trị, tính âm điện khác ít.
rC  0,62
rFe VD: Au-Ag
nhóm 1B, k/m A1, Δr = 0,2%

9

Các đặc tính của dung dịch rắn:

 Dung dịch rắn có kiểu mạng của kim loại nền: Giữ nguyên kiểu
mạng, hằng số mạng thay đổi: addr = adm±Δa ;
Cơ tính gần giống với cơ tính của kim loại dung môi: dẻo cao, bền
thấp
 So với kim loại dung môi, thì dung dịch rắn có độ bền cao hơn và độ
dẻo kém hơn. Nồng độ chất tan tăng → tăng bền, giảm dẻo
 Thay đổi tính chống ăn mịn, dẫn điện, nhiệt kém KL nguyên chất
 Là pha cơ bản chiếm hơn 90% trong vật liệu kết cấu.

10

 Phân loại tương tác trong hợp kim

Nấu hợp kim từ 2 thành phần là A và B

Khơng có tương tác Có tương tác

Hỗn hợp cơ học Hòa tan Phản ứng
2 pha A và B
Dung dịch rắn Hợp chất hóa học
L (A+B) (Pha dung dịch rắn) (Pha trung gian)
A
A(B); B(A) AmBn

A(B)

B

11

3.1.3. Pha Trung gian

Đặc điểm:

- Có kiểu mạng tinh thể phức tạp, khác
hẳn với các nguyên tố thành phần;

- Có tỉ lệ giữa các nguyên tố công thức Xementit Fe3C
xác định AmBn; -Kiểu mạng trực thoi
- Tính chất khác hẳn so với các nguyên -Fe3C, w%C = 6,67%
tố thành phần (giòn); -Cơ tính: cứng + giịn

- Có nhiệt độ nóng chảy xác định Ferit = Feα(C)
Kiểu mạng A2
Các pha trung gian thường gặp: Pha xen kẽ, Cơ tính: mềm, dẻo
pha điện tử, Pha Laves

Trong HK, Tỷ lệ pha trung gian ~ 10%, tăng độ cứng, độ bền 12

Nội dung

3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim
3.2. Giản đồ pha hai cấu tử

3.2.1 Một số khái niệm
3.2.2 Giản đồ pha 2 cấu tử

3.3. Giản đồ pha Fe - C

13

3.2.1 Một số khái niệm về giản đồ pha

Giản đồ pha : Giản đồ biểu diễn sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt
độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng.

Xây dựng bằng thực nghiệm theo quy tắc pha Gibbs: F = C – P + 1

F - số bậc tự do, C - số cấu tử, P - số pha.

Lỏng

Tnc
β
Nhiệt độ 100%C C
Nhiệt độ
Nhiệt độ
T1
α 100%A Thành phần 100%B 100%A Thành phần 100%B

GĐP hệ 1 cấu tử GĐP hệ 2 cấu tử GĐP hệ 3 cấu tử

14

3.2.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Hệ 2 cấu tử hịa tan vơ hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, khác
nhau ở tương tác ở trạng thái rắn.
Tùy thuộc vào tương tác của 2 cấu tử ở trạng thái rắn trong hệ:
4 loại giản đồ cơ bản chính:

 GĐP loại 1: Hai cấu tử không tương tác với nhau
 GĐP loại 2: Hai cấu tử tương tác hịa tan vơ hạn vào nhau
 GĐP loại 3: Hai cấu tử tương tác hịa tan có hạn
 GĐP loại 4: Hai cấu tử tương tác tạo ra pha trung gian

15

Giản đồ pha loại 1: hai cấu tử khơng có bất kỳ tương tác nào

a, b nhiệt độ chảy của A và B; Nhiệt độ Lỏng (L) X
aEb  đường lỏng; (A+B) b

cEd  đường đặc;
a T
Vùng 1 pha: L
Vùng 2 pha: L+ A, L+B, A+B A+L E L+B
d
E điểm cùng tinh: L → A + B c

L (A+B) A+(A+B) (A+B)+B
A
A F C B
B
%B

Ví dụ: Hệ Pb-Sb

Nếu biết thành phần và nhiệt
độ của hợp kim: ???

16

Giản đồ pha loại 2: hai cấu tử tương tác và hồ tan vơ hạn

vào nhau ở trạng thái rắn Nhiệt độ X Lỏng (L)
b
amb  đường lỏng
m

anb  đường đặc L+ n

Vùng 1 pha: L, α a T

Vùng 2 pha: L +α

 = A(B) , B(A) 

A CL C C B

%B

VD: Hệ Cu-Ni, Au-Ag, Al2O3-Cr2O3

Nếu biết thành phần và nhiệt độ:
• Biết được thành phần của hợp kim
• Tính được tỷ phần pha trong hợp kim 17

Quy tắc đòn bẩy: Mα Mβ

Mα . Xα = Mβ . Xβ

%  M  X  Xα Xβ

M  M X  X Nhiệt độ, C0 L β+L β
α α+L
%  M  X

M  M X  X

α+β

100% A Thành phần, % B 100%B

Giản đồ pha loại 3 hai cấu tử tương tác và hồ tan có
hạn vào nhau ở trạng thái rắn

aEb  đường lỏng L (A+B)
acdb  đường đặc α

Vùng 1 pha: L, α,  a β

Vùng 2 pha: L+ α, L+ , α+  Lỏng (L) b

α = A(B);  = B(A) Nhiệt độ L+ E L+ 
L  (+)+ d

c

A g %B f B

E- điểm cùng tinh: Ví dụ: Pb-Sn, Cu-Ag 19
L  (+)
Đường giới hạn hòa tan của B vào 

Giản đồ pha loại 4: Giản đồ pha hai cấu tử có tương tác

hố học tạo ra pha trung gian AmBn.

Ví dụ: Hệ Mg-Ca → Mg4Ca3 pha trung gian

Nhiệt độ Lỏng (L)
a cb

L+A E1 L+AmBn E2
L+AmBn AmBn+B

A+AmBn B+AmBn

A AmBn B

Tách thành hai giản đồ pha 2 cấu tử đơn giản hơn

20