CÂN BẰNG LỎNG rắn và ỨNG DỤNG TRONG LUYỆN KIM , đh nông lâm tp hcm

2
1

CÂN BẰNG LỎNG RẮN VÀ
ỨNG
DỤNG
TRONG
CÂN BẰNG
LỎNG
RẮN LUYỆN KIM
VÀ ỨNG DỤNG TRONG LUYỆN KIM

Nguyễn Bình Phương Thanh Trúc
09139

Phạm Quốc Đạt
09139

Nguyễn Thị Tú Uyên

NHÓM 3

09139

Lê Văn Hào
09139045

Nguyễn Quốc Thắng
09139170

Nguyễn Thị Nghĩa

09139

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NGUYỄN BẢO VIỆT
ĐÀO NGỌC DUY
BÀI BÁO CÁO NHÓM 3


3
2

Mục Lục

Giản Đồ Trạng Thái và Các Khái Niệm Cơ Bản 4
1.1 Các khái niệm cơ bản 5
1.2 Cấu tạo giản đồ trạng thái 7

Cơ Sở Lý Thuyết Của Quá Trình Luyện Kim 16

Các Dạng Hợp Kim 20
3.1 Dung dịch rắn 21
3.2 Giản đồ Fe – C 23
3.3 Các tổ chức một pha 29
3.4 Các tổ chức 2 pha 32
3.5 Quá trình kết tinh 35
3.6 Tổ chức tế vi hợp kim Fe – C 37

PHẦN 1

PHẦN 2

4
3

PHẦN
3
Giản Đồ
Trạng
Thái
và Các Khái Niệm Cơ Bản
1.1
1.2

Các Khái Niệm
Cơ bản
Cấu Tạo Của Giản
Đồ Trạng Thái

What is
Me
ltin

PHẦN 1

g
Poi
nt?

5

a – Pha: là những tổ phần đồng nhất của hợp kim (hệ). Chúng có thành
phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng, ở cùng một trạng thái (lỏng, rắn
hay khí), nếu ở trạng thái rắn phải cùng kiểu và thông số mạng và ngăn
cách với các phần còn lại (với các pha khác) bằng bề mặt phân chia.

4

b – Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng. Hệ được coi là cân bằng
nếu quá trình chuyển biến xảy ra trong nó có tính chất thuận nghịch. Rất
khó đạt được cân bằng tuyệt đối khi nung nóng, làm nguội và chỉ đạt
được cân bằng tuyệt đối khi nung nóng, làm nguội và chỉ đạt được khi
nung nóng và làm nguội vô cùng chậm.
c – Cấu tử (nguyên): là những chất độc lập, có thành phần không đổi,
nênat which
cácit changes
pha from
của
The melting point ofchúng
a solid is the tạo
temperature
solidhệ.
state to liquid state. At the melting
point the solid and liquid phase exists in equilibrium (balance). The melting pointof a substance depends (usually
slightly) on pressure and is usually specified at standard atmospheric pressure. When considered as the temperature
of the reverse change from liquid to solid, it is refereed to as the “Freezing point or crystallization point”. Due to the
ability of some of the substances to super cool, the freezing point is not considered as the characteristic property of a
substance. Super cooling a liquid is the process of cooling a liquid past its freezing point without it turning into a solid.
When the “characteristic freezing point” of a substance is determined, the actual methodology is almost always “the

principle of observing the disappearance rather than the formation of ice”, that is the “Melting Point”.

Ví dụ: Nước (H2O) ở 0oC gồm có nước (lỏng) và nước đá (rắn) là hệ một
cấu tử, có hai pha khác nhau về trạng thái tồn tại (lỏng và rắn).
d – Qui tắc pha: là qui tắc cho phép xác định quan hệ giữa số bậc tự do T
với số cấu tử N và số pha F.
Số bậc tự do là số yếu tố bên trong (thành phần) và yếu tố bên
ngoài (nhiệt độ, áp suất) có thể thay đổi được trong phạm vi nào đó mà
không làm thay đổi trạng thái pha của hợp kim đó.
T=N–F+2
trong đó: T – Số bậc tự do; N – số cấu tử; F – số pha có thể tồn tại trong
hệ; 2 – các yếu tố bên ngoài, nhiệt độ và áp suất.
1.1 Các Khái Niệm Cơ Bản

Thông thường khi khảo sát hợp kim thì nó được tiến hành ở áp suất
không đổi, nên số yếu tố bên ngoài chỉ còn 1 (nhiệt độ), vì thế:
T = N – F + 1;

1 – chỉ nhiệt độ.

Khi T = 0 tức là hợp kim không có sự thay đổi của nhiệt độ và thành
phần.
Ví dụ: Nếu kim loại lỏng kết tinh sẽ có hai pha rắn và lỏng nếu T = 1 – 2
+ 1 = 0, lúc đó nhiệt độ không thay đổi. Trên đường nguội sẽ có đoạn
nằm ngang.
Khi T = 1, hợp kim không thay đổi số pha khi thay đổi nhiệt độ hoặc một
thành phần.
Khi T = 2 tức là hợp kim sẽ không thay đổi số pha ngay cả khi thay đổi
đồng thời và một thành phần.

6
5

Hình 2.1. Xác định tỉ lệ giữa hai pha theo quy tắc đòn bẩy.

Gọi x2 là % nguyên tố B trong pha N. Bài toán cần giải là tìm
lượng tương đối của hai pha đó là m và n.
Ta có: mx1 là lượng nguyên tố B trong pha M; nx2 là lượng nguyên tố B
trong pha N; mx1 + nx2 = x và m + n = 100% = 1
Ta có hệ:

Giải hệ phương trình với hai ẩn m và n, ta có:

hay:
Quan hệ này giống như quy tắc tổng hợp lực song song, giống như
quy tắc đòn bẩy. Quy tắc này giúp tỉ lệ pha của hợp kim có cấu tạo hai
pha.


7
6
1.2.1 Giản đồ loại I

1.2.1 Giản Đồ Pha Loại I

12.2 Giản đồ loại II
1.2.3 Giản đồ loại III
1.2.4 Giản đồ loại IV

Hình 3.9. Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I (a) và giản đồ pha Pb - Sb (b).
1.2 Cấu Tạo Giản Đồ Trạng Thái Hai Cấu Tử

Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử không có bất kỳ tương tác nào,

chúng tạo nên hỗn hợp riêng rẽ của hai cấu tử, có dạng tổng quát trình
bày ở hình 3.9a và hệ điển hình có kiểu này là hệ chì - antimoan (Pb - Sb)
ở hình 3.9b. Giản đồ chỉ gồm cặp đường lỏng – rắn, trong đó đường trên
AEB là đường lỏng, đường nằm ngang dưới CED (245oC) là đường rắn,
A là nhiệt độ chảy (kết tinh) của cấu tử A (Pb với 327oC), B - nhiệt độ
chảy (kết tinh) của cấu tử B (Sb - 631oC). Hợp kim sẽ nóng chảy hay kết
tinh trong khoảng giữa hai đường này với sự tồn tại của hai hay ba pha
(pha lỏng với một hoặc cả hai pha rắn A, B).


8
Hãy xét sự kết tinh của một hợp kim cụ thể gồm 60%B (Sb) + 40%A
7
(Pb). Đường thẳng đứng biểu thị hợp kim này cắt các đường lỏng, rắn
tương ứng ở 1 (500oC), 2 (245oC), đó là hai mốc nhiệt độ đáng chú ý:
+ Ở cao hơn 1 (500oC) hợp kim ở trạng thái lỏng hoàn toàn L.
+ Ở thấp hơn 2 (245oC) hợp kim ở trạng thái rắn A +B (Pb + Sb).

Lead-Antimoan Alloy used to
Manufacture bullets

+ Ở trong khoảng 1 - 2 (500 - 245oC) hợp kim ở trạng thái lỏng + rắn: L
+ B (L + Sb) ứng với quá trình kết tinh hay nóng chảy.
Vậy 1 (500oC) là nhiệt độ bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy và 2
(245oC) là nhiệt độ bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh.

Sự kết tinh của hợp kim từ trạng thái lỏng xảy ra như sau:
- Làm nguội đến 1 (500oC) hợp kim lỏng bắt đầu kết tinh ra tinh thể B
(Sb) cũng ở nhiệt độ này ứng với 1’.
- Làm nguội tiếp tục, tinh thể B (Sb) tạo thành càng nhiều làm tỷ lệ B
(Sb) trong hợp kim lỏng còn lại giảm đi nên điểm biểu diễn (tọa độ) dịch
sang trái theo đường lỏng từ 1 đến E. Ví dụ ở toα (400oC) hợp kim lỏng
(còn lại) với tọa độ ở điểm a’’ (37%Sb) và tinh thể B với tọa độ ở điểm a’
tức 100%B (100%Sb). Áp dụng quy tắc cánh tay đòn, tỷ lệ của hai pha
này là La’’ / Ba’ = aa' / aa'' hay L40 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 37) =
40 / 23 tức pha lỏng 40 / 63 (63,5%), rắn 23 / 63 (36,5%).
- Khi làm nguội đến đường rắn CED (245oC) hợp kim lỏng (còn lại)
nghèo B (Sb) đi nữa và có tọa độ ở điểm E (13%Sb), còn pha rắn B (Sb)
ứng với điểm D. Tỷ lệ của hai pha này là
LE / BD = 2D / 2E hay L13 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 13) = 40 / 47.
Tức pha lỏng chỉ còn khoảng 46%, pha rắn (Sb) đã kết tinh là 54%.

Inf about Antimony

Có nhận xét là tuy có hai cấu tử A và B (Pb và Sb) nhưng cho đến đây
hợp kim mới chỉ kết tinh ra B (Sb) và mới chỉ có một phần B (Sb) trong
hợp kim (54 trong 60%) kết tinh, cấu tử kia (A, Pb) chưa kết tinh.
- Tại nhiệt độ của đường rắn CED (245oC), LE (L13) kết tinh ra cả hai
cấu tử A+B (Pb + Sb) cùng một lúc, hỗn hợp của hai pha rắn được tạo
thành cùng một lúc (đồng thời) từ pha lỏng như vậy được gọi là cùng tinh
(cùng kết tinh) hay eutectic LE → (A + B) hay L13 → (Pb + Sb).
Đó là phản ứng cùng tinh. Quy ước biểu thị tổ chức cùng tinh trong
ngoặc đơn - ( ).


9

8

Sự kết tinh kết thúc ở đây và khi làm nguội đến nhiệt độ thường
không có chuyển biến gì khác. Cuối cùng hợp kim này có tổ chức B + (A
+ B) hay Sb + (Pb + Sb), trong đó B (Sb) được tạo thành trước ở nhiệt độ
cao hơn nên có kích thước hạt lớn (độ quá nguội nhỏ) còn cùng tinh (A +
B) hay (Pb + Sb) được tạo thành sau ở nhiệt độ thấp hơn nên có cấu tạo
(kích thước hạt) các pha nhỏ mịn hơn (do độ quá nguội lớn).
Có thể tính dễ dàng tỷ lệ các pha và tổ chức của hợp kim 60%Sb +
40%Pb như sau:
- Tỷ lệ về pha Pb / Sb = (100 - 60) / (60 - 0) = 40 / 60 hay 40%Pb,
60%Sb.

- Tỷ lệ về tổ chức Sb / (Pb+Sb) = (60 - 13) / (100 - 60) = 47 / 40 hay 54%
là Sb (độc lập) còn lại 46% là cùng tinh (Pb + Sb).
Tương tự bằng các nguyên tắc đã nêu ở mục 3.2.2 có thể biết được
diễn biến kết tinh (sự tạo thành các tổ chức) của mọi hợp kim của hệ. Ví
dụ, loại 90%Pb + 10%Sb sẽ kết tinh ra chì (Pb) trước cho đến 245oC
cũng kết tinh ra cùng tinh (Pb + Sb). Như vậy các hợp kim của giản đồ
loại I kết tinh theo thứ tự sau: “thoạt tiên pha lỏng kết tinh ra một trong
hai cấu tử nguyên chất trước và làm cho pha lỏng nghèo cấu tử này và
biến đổi thành phần đến điểm cùng tinh E, đến đây pha lỏng còn lại mới
kết tinh ra cấu tử thứ hai tức ra hai cấu tử cùng một lúc".
Ngoài ra có nhận xét là thoạt tiên khi đưa thêm cấu tử khác vào cấu
tử bất kỳ đều làm cho nhiệt độ kết tinh giảm đi, đạt đến giá trị thấp nhất
sau đó mới tăng lên.


10

1.2.2 Giản Đồ Pha Loại II

9

Hình 3.10. Dạng tổng quát của giản đồ pha loại II (a) và các giản đồ pha hệ Cu - Ni
(b), hệ Al2O3 - Cr2O3 (c).

Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử với tương tác hòa tan vô hạn vào
nhau, có dạng tổng quát trình bày ở hình 3.10a và các hệ điển hình có
kiểu này là hệ đồng - niken (Cu - Ni) ở hình 3.10.b và hệ Al2O3 - Cr2O3
ở hình 3.10c, có dạng của hai đường cong khép kín, trong đó đường trên
Quy ước
là đường lỏng, đường dưới là đường rắn, dưới đường rắn là vùng tồn tại
dung
rắn α phần
có thành
phầnđiểm
thayEđổi
liên
hợp
của kim
hệ
•của
Hợp
kimdịch
có thành
ở chính
hay
lântục.
cậnCác

được
gọikim
là hợp
này cótinh
quyhay
luậteutectic
kết tinh(có
rấtnhiệt
giốngđộnhau:
đơn
vị hơn
đo làcảlượng
cấu
cùng
chảy“nếu
thấp lấy
nhất,
thấp
cấu tử
dễ
tử thành
phần
chảyngay
hơn thì
thoạt
hợp kim
kếtởtinh
dung
chảy
nhất),

nó khó
kết tinh
ra hai
cấutiên
tử cùng
mộtlỏng
lúc và
nhiệtrađộ
dịch
rắnđổi.
giàu hơn, vì thế pha lỏng còn lại bị nghèo đi, song khi làm nguội
không
chậm tiếp tục dung dịch rắn tạo thành biến đổi thành phần theo hướng
nghèo
đi vàcócuối
cùng
đạtởđúng
như bên
thành
phần
củaEhợp
kim”.
• Hợp kim
thành
phần
bên trái,
phải
điểm
được
gọi lần lượt là

hợp kim trước cùng tinh (hay hypoeutectic), sau cùng tinh (hay
-hypereutectic),
Ở 1300oC ứngsovới
(nằm
trong
vùng
hợpđộkim
ở trạng
tháikết
vớiđiểm
loại 1cùng
tinh
chúng
cóL),
nhiệt
chảy
cao hơn,
lỏng
(chưa
trạng
tồn tại
cho
đến điểm
Ở 1270oC ứng
tinh ra
một kết
cấutinh),
tử trước
và thái
xảy này

ra trong
một
khoảng
nhiệt2.độ.
với điểm 2 (chạm vào đường lỏng), hợp kim bắt đầu kết tinh ra dung dịch
rắn α2’’ (49%Ni). Tiếp tục làm nguội chậm, lượng α càng nhiều lên, L
càng ít đi và thành phần của hai pha này biến đổi tương ứng theo đường
rắn và đường lỏng theo chiều giảm của Ni (là cấu tử khó chảy hơn).


10

General scheme Type 2

Hãy xét sự kết tinh của một hợp kim cụ thể 35%Ni + 65%Cu như ở hình 3.11.

- Có thể tính dễ dàng tỷ lệ giữa hai pha này ở nhiệt độ xác định, ví dụ ở
điểm 3, 1250oC. Với ba tọa độ: hợp kim 3 - 35%Ni và hai pha: lỏng 3’ 30%Ni, dung dịch rắn α3’’ - 43%Ni
L3’ / α3’’ = 33’’ / 33’ = (43 - 35) / (35 - 30) = 8 / 5,
L3’ = 33’’ / 3’3’’ = (43 - 35) / (43 - 30) = 8 / 13 = 0,615 hay 61,5%,
α3'' = 33’ / 3’3’’ = (35 - 30) / (43 - 30) = 5 / 13 = 0,385 hay 38,5%.

Copper is one of the most widely used catalysts
F or the formation of methanol from carbon
dioxide and hydrogen, but recent experiments
have shown that Cu/Ni alloys can be up to
40 times more reactive.

- Đến 1220oC ứng với điểm 4 (chạm vào đường rắn), dung dịch rắn α có
thành phần ứng với điểm 4 tức đúng bằng thành phần của hợp kim, đoạn

33’’ (bên phải) bằng không tức không còn pha lỏng (lúc đó có thể coi còn
một giọt lỏng ứng với điểm 4’ với 23%Ni, khi giọt lỏng này kết tinh xong
sự kết tinh coi như đã kết thúc). Như vậy lúc đầu có khác xa, song trong
quá trình kết tinh dung dịch rắn tạo thành biến đổi dần dần về đúng thành
phần của hợp kim. Tuy nhiên điều này chỉ đạt được khi kết tinh cân bằng
tức khi làm nguội chậm và rất chậm nhờ kịp xảy ra khuếch tán làm đều
thành phần. Nếu làm nguội nhanh, do không kịp khuếch tán làm đều
thành phần, trong mỗi hạt dung dịch rắn tạo thành sẽ có nhiều lớp với các
thành phần khác nhau: ở trung tâm giàu cấu tử khó chảy hơn cả, càng gần
biên giới càng nghèo đi. Hiện tượng này được gọi là thiên tích trong bản
thân hạt. Để tránh nó phải tiến hành nguội chậm khi đúc hay khắc phục
bằng cách ủ khuếch tán vật đúc ở nhiệt độ gần đường rắn. Trong giản đồ
loại I cũng có thể xảy ra thiên tích với kiểu khác gọi là thiên tích theo
khối lượng khi hai cấu tử có khối lượng riêng khác nhau rõ rệt, cấu tử kết
tinh trước nếu nhẹ hơn thì nổi lên, nếu nặng hơn thì chìm xuống dưới
thỏi. Để tránh nó phải tiến hành nguội nhanh khi đúc và một khi đã bị
thiên tích loại này không có cách gì khắc phục được.

11


1.2.3 Giản đồ pha loại III

11

Là giản đồ pha của hai cấu tử với tương tác hòa tan có hạn vào
nhau, có dạng tổng quát được trình bày ở hình 3.12a và hệ điển hình có
kiểu này là hệ chì - thiếc (Pb - Sn) ở hình 3.12b. Giản đồ có dạng khá
giống với giản đồ loại I với sự khác nhau ở đây là các dung dịch rắn có
hạn α và β thay thế cho các cấu tử A và B. Các dung dịch rắn có hạn trên

cơ sở (nền) của các cấu tử nguyên chất nằm về hai phía đầu mút của giản
đồ.Ở đây AEB là đường lỏng, ACEDB - đường rắn.
Sau đây là vài nhận xét đối với kiểu giản đồ này.

Application of Copper – Niken Alloy

Hình 3.12. Dạng tổng quát của giản đồ loại III (a) và giản đồ pha hệ Pb – Sn cũng như sơ đồ hình
thành tổ chức khi kết tinh ở trạng thái cân bằng của hợp kim 40%Sn (b).

+ Cũng giống như giản đồ loại I nhiệt độ chảy của cấu tử bất kỳ thoạt tiên
đều giảm đi nếu được đưa thêm cấu tử thứ hai.
+ Điểm E cũng được gọi là điểm cùng tinh (eutectic) và tại đó xảy ra
phản ứng cùng tinh
LE → (α + β) hay L61,9→ (α19,2 + β97,5).


13
+ Cũng có hợp kim cùng tinh (có thành phần đúng diểm E hay lân cận),
trước cùng tinh (trái E) và sau cùng tinh (phải E).

12

+ Các dung dịch rắn ở đây đều là có hạn với các đường CF và DG chỉ rõ
giới hạn hòa tan. Nói chung độ hòa tan đạt được giá trị lớn nhất ở nhiệt
độ cùng tinh và giảm mạnh khi hạ thấp nhiệt độ, nên CF và DG có dạng
xoãi chân về hai phía.
+ Có thể chia các hợp kim của hệ thành ba nhóm sau.
• Nhóm chứa rất ít cấu tử thứ hai (bên trái F, bên phải G), sau khi kết tinh
xong chỉ có một dung dịch rắn α hoặc β, có đặc tính như giản đồ loại II.
Spatial structure of Sn – Pb Alloy

• Nhóm chứa một lượng hạn chế cấu tử thứ hai (từ F đến C’ và D’ đến
G), ban đầu kết tinh ra dung dịch rắn, song khi nhiệt độ hạ xuống thấp
hơn đường CF và DG chúng trở nên quá bão hòa, tiết ra lượng cấu tử hòa
tan thừa dưới dạng dung dịch rắn thứ cấp (α thừa B tiết ra pha βII giàu B,
β thừa A tiết ra pha αII giàu A).
• Nhóm chứa lượng lớn cấu tử thứ hai [từ C (C’) đến D (D’)], ban đầu kết
tinh ra dung dịch rắn (αC hay βD), pha lỏng còn lại biến đổi thành phần
theo đường lỏng đến điểm E, tại đây có sự kết tinh của cùng tinh. Các
hợp kim trong nhóm này có diễn biến kết tinh khá giống với giản đồ loại
I. Ví dụ, xét hợp kim trước cùng tinh có 40%Sn của hệ Pb - Sn (hình
3.12b).
- Ở cao hơn 245oC hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng.
- Tại 245oC hợp kim bắt đầu kết tinh ra α2’ với 13,3%Sn, khi làm nguội
tiếp tục dung dịch rắn được tạo thành và pha lỏng còn lại đều biến đổi
thành phần theo chiều tăng lên của hàm lượng Sn. Ví dụ, ở 200oC pha ỏ
chứa 18,5%Sn (a’) và L chứa 57%Sn (a’’), tỷ lệ giữa chúng là
αa’ / La’’ = (57 - 40) / (40 - 18,5) = 17 / 21,5
vậy pha αa’ chiếm tỷ lệ 44,2% và La’’ - 55,8%.

Manufacturing Pb – Sn Alloy

- Đến nhiệt độ cùng tinh 183oC, trước khi kết tinh cùng tinh tỷ lệ giữa
hai pha này là
αC / LE = (61,9 - 40) / (40 - 19,2) = 21,9 / 20,8.
Cũng tại nhiệt độ này sau phản ứng cùng tinh LE → (αC + βD),
hợp kim có tổ chức αC + (αC + βD) với tỷ lệ αC / (αC + βD) cũng bằng
21,9 / 20,8.

14
13

Hình 3.13. Tổ chức tế vi của hợp kim Pb - Sb: a. cùng tinh (α+β), màu tối là α giàu Pb, b. trước cùng
tinh với 40%Sn [α độc lập là các hạt lớn màu tối bị bao bọc bởi cùng tinh (α+β)]

Như vậy trong tổ chức cuối cùng của hợp kim có hai loại dung
dịch rắn α: loại kết tinh độc lập ở trong vùng α + L (ở cao hơn 183oC) và
loại cùng kết tinh với β ở nhiệt độ không đổi (183oC) và được gọi là α
cùng tinh. Nếu tính tỷ lệ giữa hai pha β (chỉ có trong cùng tinh) và α
(gồm cả loại độc lập lẫn cả loại cùng tinh) thì ở 183oC có
β / α = (40 - 19,2) / (97,5 - 40) = 20,8 / 57,5, nên β chiếm tỷ lệ 26,6%, α
chiếm tỷ lệ 73,4%.
Trên hình 3.13 là tổ chức tế vi của hai hợp kim hệ này. Cùng tinh
Pb – Sn bao gồm các phần tử Pb nhỏ mịn tối phân bố đều trên nền Sn
sáng (hình a). Còn hợp kim trước cùng tinh được khảo sát có tổ chức tế vi
(hình b): các hạt Pb kết tinh trước (hạt tối, to) và phần cùng tinh (Pb +
Sn) như của hình a. Rõ ràng là pha hoặc tổ chức nào kết tinh ở nhiệt độ
càng thấp hạt càng nhỏ mịn.


15
1.2.4 Giản đồ pha loại IV

14

Là giản đồ pha hai cấu tử với tương tác phản ứng hóa học với nhau
tạo ra pha trung gian AmBn, có dạng tổng quát trình bày ở hình 3.14a và
hệ điển hình có kiểu này là hệ magiê - canxi (Mg-Ca) ở hình 3.14b, có
dạng ghép của hai giản đồ loại I: A- AmBn (Mg - Mg4Ca3) và AmBn-B

(Mg4Ca3- Ca). ở đây AmBn là pha trung gian ổn định với nhiệt độ chảy
cố định, không bị phân hủy trước khi nóng chảy được coi như một cấu
tử,. Hợp kim đem xét có thành phần nằm trong giản đồ nào sẽ được xét
trong phạm vi của giản đồ đó.

The microstructure of the alloy Pb - Sb

The microstructure of the alloy Pb - Sb

Hình 3.14. Dạng tổng quát của giản đồ loại IV (a) và giản đồ pha hệ Mg - Ca (b).

Trên đây là bốn giản đồ pha hai cấu tử cơ bản nhất. Nói như thế
cũng có nghĩa còn nhiều kiểu giản đồ pha phức tạp với các phản ứng
khác.


16

15

Cơ Sở Lý Thuyết
Của Quá Trình Luyện Kim
Microstructure of a Mg-Al-Ca based die-cast
alloy (AXJ530) consisting of Mg solid-solution phase
and eutectic structure at grain boundaries

The van der Waals radii of the carbon and nitrogen atoms superimposed on an outline
of the molecular structure of cyanuric triazide, C3N12, to show the volume of space from
which each molecule excludes the others. Van der Waals forces in the molecular crystal
hold the molecules in contact in a pattern that minimizes empty space. The thin white

lines emphasize the 3-fold symmetry of the pattern.

A new intermetallic phase, (Mg, Al) 2Ca,
with the C36 structure has been identified
in the Mg-Al-Ca ternary system for the first time

PHẦN 2


17
16

Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng)
của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần
và số lượng (tỷ lệ) các pha (hoặc tổ chức) của hệ đó ở trạng thái cân
bằng. Các hệ có giản đồ pha khác nhau và chúng được xây dựng chỉ bằng
thực nghiệm. Trong thực tế không có hai giản đồ pha nào giống nhau
hoàn toàn vì tương tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức tạp từ kiểu pha, các
phản ứng cho đến nhiệt độ tạo thành. Hiện nay người ta đã xây dựng
được hầu hết các hệ hai cấu tử giữa các kim loại, kim loại với á kim và
các hệ ba cấu tử thường gặp rất thuận tiện cho việc tra cứu.
Hệ một cấu tử không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha
của nó chỉ có một trục, trên đó đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) và các
nhiệt độ chuyển biến thù hình (nếu có) như ở hình 3.6 cho trường hợp
của sắt.
Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục: trục tung biểu thị nhiệt độ,
trục hoành biểu thị thành phần (thường theo % khối lượng) với những
đường phân chia các khu vực pha theo các nguyên tắc sau:
- 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, hai đầu mút tương ứng với hai cấu tử
nguyên chất: A (trái), B (phải). Ví dụ trên hình 3.7 điểm C ứng với thành
phần có 30%B (tỷ lệ của cấu tử thứ hai là phần còn lại, tức 70%A), điểm
D: 80%B + 20%A.

Nội Dung

Hình 3.7. Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử.


18
17

- Đường thẳng đứng bất kỳ biểu thị một thành phần xác định nhưng ở các
nhiệt độ khác nhau. Ví dụ đường thẳng đứng qua D biểu thị sự thay đổi
nhiệt độ của thành phần này (80%B +20%A).
- Hai trục tung chính là giản đồ pha của từng cấu tử tương ứng (trái cho
A, phải cho B).
Do được biểu thị trên mặt phẳng một cách chính xác nên từ giản đồ
pha của hệ hai cấu tử dễ dàng xác định được các thông số sau đây cho
một thành phần xác định ở nhiệt độ nào đó.
• Các pha tồn tại. Căn cứ vào điểm nhiệt độ - thành phần đã cho (tạm gọi
là tọa độ) nằm trong vùng nào của giản đồ pha sẽ có tổ chức pha tương
ứng với vùng đó: nằm ở vùng một pha, hợp kim có tổ chức một pha; nằm
trong vùng hai pha - có tổ chức hai pha.
• Thành phần pha. Nếu tọa độ nằm trong vùng một pha thì thành phần
của pha cấu tạo nên hợp kim bằng chính thành phần của hợp kim đã
chọn. Khi tọa độ nằm trong vùng hai pha việc xác định có phức tạp hơn:
kẻ đường nằm ngang (đẳng nhiệt) qua tọa độ này, hai giao điểm của nó

với hai đường biên giới với hai vùng một pha gần nhất sẽ chỉ rõ thành
phần của từng pha tương ứng.
• Tỷ lệ (về số lượng) giữa các pha hoặc tổ chức. Tiếp theo có thể xác định
được tỷ lệ giữa chúng nhờ quy tắc đòn bẩy hay cánh tay đòn theo nguyên
tắc sau: ba điểm trên (tọa độ và hai pha) tạo nên hai đoạn thẳng mà độ dài
của mỗi đoạn biểu thị tỷ lệ tương đối của pha đối diện trong hợp kim, hay
một cách đơn giản:
lượng pha trái
độ dài đoạn thẳng phải (đòn bên phải)
------------------ = -------------------------------------------------lượng pha phải độ dài đoạn thẳng trái (đòn bên trái)
giống như sự cân bằng của đòn bẩy
lượng pha trái x đòn trái = lượng pha phải x đòn phải (hình 3.8).


19
18

Hình 3.8. Sự cân bằng của đòn bẩy.

• Suy đoán tính chất của hợp kim.
Theo quy tắc kết hợp thì tính chất của hợp kim Phk là tổng hợp
tính chất của từng pha Ppha theo tỷ lệ bậc nhất
Alchemists searched in
vain for procedures that would turn
base metals into gold. Their apparatus
foreshadowed equipment in modern
chemical laboratories

Ngoài ra từ giản đồ pha của hệ hai cấu tử cũng biết được:
• Nhiệt độ chảy (kết tinh): thường hợp kim nóng chảy (kết tinh) trong

một khoảng nhiệt độ (bắt đầu và kết thúc) tương ứng với hai đường chạy
ngang suốt giản đồ, đường chạy ngang trên được gọi là đường lỏngliquidus (ở cao hơn đường này hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng),
đường ngang sát ở dưới được gọi là đường rắn (hay đường đặc) - solidus
(ở thấp hơn đường này hợp kim hoàn toàn ở trạng thái rắn).
• Các chuyển biến pha. Sự xuất hiện hoặc biến mất của các pha (khi nung
và khi nguội chậm) cũng như nhiệt độ xảy ra, tương ứng với các đường ở
dưới đường đặc.
• Dự đoán các tổ chức tạo thành ở trạng thái không cân bằng (khi nguội
nhanh).
Vì vậy giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu khi nghiên cứu các hệ
hợp kim. Giản đồ pha hai cấu tử của các hệ thực tế có loại rất phức tạp,
song dù phức tạp đến bao nhiêu cũng có thể coi như gồm nhiều giản đồ
cơ bản gộp lại. Dưới đây khảo sát một số dạng thường gặp trong các giản
đồ đó mà các cấu tử đều hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, song
khác nhau về tương tác ở trạng thái rắn với vận dụng xác định các thông
tin trên cho các trường hợp cụ thể.


20
19

Các Dạng Hợp Kim
3.1 Dung dịch rắn
3.2 Giản đồ Fe – C
3.3 Các tổ chức một
pha
3.4 Các tổ chức hai
Powder Metallurgy Cycle. Source : EPMA
pha
3.5 Quá trình kết

tinh
3.6 Tổ chức tế vi

The Solid Solutions Gd2 – Cu2 – In1-x – Mgx Drastic Increase of the Curie Temperature
upon In/Mg Substitution The Mo2B2Fe-type intermetallic compounds Gd2Cu2In
and Gd2Cu2Mgform a complete set of solid solutionsGd2Cu2In1−xMgx. The a lattice
parameter, the Weiss constant and the Curie temperature increase with increasing
magnesium content in an almost Vegard-like manner, whilethe c parameter remains
almost constant. All members of thesolid solutions show ferromagnetism with
TCs between 114and 80 K.

Pressures of 10-50 tons per square inch are commonly used.
Also, to attain the same compression ratio across more complex pieces, it is often necessary to use lower punches as well as an upper punch. Finally, the end part is formed by applying pressure, high temperature, long
setting times (during which self-welding occurs), or any combination
thereof.

PHẦN 3


21
20

3.1.1 Đặc tính dung dịch rắn
3.1.2 Dung dịch rắn thay thế
3.1.3 Dung dịch rắn xen kẽ

Dung dịch rắn là những pha tinh thể có thành phần bao
gồm thêm các nguyên tử của nguyên tố chất hòa tan, phân bố ở
trong mạng tinh thể dung môi. Các nguyên tử của chất hòa tan
thay thế các nguyên tử ở các nút mạng hay xen kẽ vào chỗ trống

giữa các nút mạng. Trong trường hợp đầu tiên người ta gọi các
tinh thể là các dung dịch rắn thay thế còn trong trường hợp thứ
hai là dung dịch rắn xen kẽ.
Nói một cách khác, dung dịch rắn là một thể rắn đồng
nhất hình thành từ các pha rắn của dung dịch.
3.1.1 Đặc tính của dung dịch rắn
Về mặt cấu trúc dung dịch rắn của hợp kim có kiểu mạng
tinh thể vẫn là kiểu mạng của kim loại dung môi. Đặc tính cơ
bản này quyết định các đặc trưng cơ lý hóa tính của dung dịch
rắn, về cơ bản vẫn giữ được các tính chất cơ bản của kim loại
chủ hay nền. Như vậy dung dịch rắn trong hợp kim có các đặc
tính cụ thể như sau:
Liên kết vẫn là liên kết kim loại, do vậy dung dịch rắn vẫn
giữ được tính dẻo giống như kim loại nguyên chất
Thành phần hoá học thay đổi theo phạm vi nhất định mà
không làm thay đổi kiểu mạng.
Tính chất biến đổi nhiều: Độ dẻo, độ dai, hệ số nhiệt độ
điện trở giảm, điện trở độ bền, độ cứng tăng lên.
Do các đặc tính trên nên dung dịch rắn là cơ sở của hợp
kim kết cấu dùng trong cơ khí. Trong hợp kim này pha cơ bản là
dung dịch rắn, nó chiếm xấp xỉ đến 90% có trường hợp đến
100%.

3.1 Dung Dịch Rắn


22
3.1.2 Dung dịch rắn thay thế
21
Ở các dung dịch rắn thay thế, các nguyên tử của chất tan thông

thường được phân bố thống kê trong mạng dung môi. Mạng không gian
xung quanh nguyên tử chất tan xuất hiện những sai lệch cục bộ. Những
sai lệch này dẫn tới sự thay đổi tính chất và sự thay đổi thông số mạng
trung bình. Sự hình thành các dung dịch rắn luôn luôn kèm theo việc
tăng điện trở và giảm hệ số nhiệt điện trở. Các kim loại ở dạng dung dịch
rắn thường kém dẻo, luôn luôn cứng hơn và bền hơn so với các kim
loại nguyên chất.

Hình a. Dung dịch rắn thay thế

3.1.3 Dung dịch rắn xen kẽ
Trong kim loại, các dung dịch rắn loại này xuất hiện khi hợp kim
hóa các kim loại chuyển tiếp bằng các á kim có bán kính nguyên tử nhỏ
như H, N, C, B. Những xô lệch mạng xuất hiện khi tạo thành dung dịch
rắn xen kẽ vượt quá những xô lệch mạng khi tạo thành dung dịch rắn
thay thế, do vậy các tính chất cũng thay đổi mạnh hơn. Theo mức độ tăng
nồng độ của nguyên tố hòa tan trong dung dịch rắn mà điện trở, lực
kháng từ, độ cứng và độ bền tăng, nhưng độ dẻo và độ dai giảm đi rõ rệt.

Hình b. Dung dịch rắn xen kẽ


23
22

3.2.1 Tương tác Fe – C
3.2.2 Sự hòa tan carbon vào sắt
3.2.3 Tương tác hóa học
3.2.4 Các chuyển biến

Figure 3.1a. dislocation crystalline solid solution
alternatives

3.2.1 Tương tác giữa Fe - C
Sắt là kim loại khá phổ biến trong vỏ quả đất. Sắt nguyên chất kỹ
thuật có cơ tính như sau:
HB ≈ 80;
δ

≈ 50%;

σb ≈ 250MPa;

σ0,2 ≈ 120MPa;

Ψ ≈ 85%;

aK ≈ 2500kJ/m2

3.2 Giản
trạng
- C khác (nhôm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến
Sođồ
với
cácthái
kimFeloại

dạng nguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn rất thấp so với
yêu cầu sử dụng. Khi đưa cacbon vào sắt, giữa hai nguyên tố này xảy ra
cả hai tương tác (hòa tan thành dung dịch rắn và tạo nên pha trung gian),

đều có tác dụng hóa bền, nhờ đó hợp kim Fe - C trở nên bền cứng hơn
(sắt) và đang được sử dụng một cách rộng rãi nhất.
Mặt lớn hơn có r = 0,291rFe), lớn nhất cũng chưa bằng 30% kích
thước của nguyên tử sắt hay gần một nửa kích thước nguyên tử cacbon,
chỉ chứa nổi khối cầu r = 0,0364nm, không thể nào chứa nổi nguyên tử
cacbon. Do vậy về nguyên lý Feα và Feδ không có khả năng hòa tan
cacbon hay độ hòa tan cacbon trong chúng là không đáng kể (có thể coi
bằng không).


24
23

3.2.2 Sự hòa tan của cacbon vào sắt
Như đã nói do quan hệ kích thước nguyên tử (cacbon nhỏ hơn sắt,
rC = 0,077nm, rFe = 0,1241nm) nên cacbon chỉ có thể hòa tan có hạn vào
sắt ở dạng dung dịch rắn xen kẽ. Như đã biết, sắt có hai kiểu mạng tinh
Figure3.1b. Molecular replacement1, 2, 3, 4 procedures, which search for
placements of a starting model within the crystallographic thể: lập phương tâm khối A2 (tồn tại ở < 911oC - Feα và 1392 - 1539oC unit cell that best account for the measured diffraction
amplitudes, followed by automatic chain tracing methods
Feδ) và lập phương tâm mặt A1 (911 - 1392oC - Feγ) với các lỗ hổng có
5, 6, 7, 8, have allowed the rapid solution of large numbers of
kích thước khác nhau và do đó khả năng hòa tan cacbon khác nhau.
protein crystal structures
Bằng những tính toán hình học đơn giản (đã khảo sát ở 1.4.1a) có
thể thấy rằng Feα và Feδ với mạng lập phương tâm khối tuy mật độ xếp
thấp, có nhiều lỗ hổng, song mỗi lỗ hổng lại có kích thước quá nhỏ (lỗ
tám mặt có r = 0,154rFe, lỗ bốn mặt lớn hơn có r = 0,291rFe), lớn nhất
cũng chưa bằng 30% kích thước của nguyên tử sắt hay gần một nửa kích
thước nguyên tử cacbon, chỉ chứa nổi khối cầu r = 0,0364nm, không thể

nào chứa nổi nguyên tử cacbon. Do vậy về nguyên lý Feα và Feδ không
có khả năng hòa tan cacbon hay độ hòa tan cacbon trong chúng là không
đáng kể (có thể coi bằng không).
Khác với Feα và Feδ, Feγ với mạng lập phương tâm mặt A1 tuy có
mật độ thể tích cao hơn, ít lỗ hổng hơn nhưng lại có loại có kích thước
lớn hơn (lỗ bốn mặt r = 0,225rFe, lỗ tám mặt r = 0,414rFe). Ở lỗ hổng
tám mặt này có thể chứa được khối cầu r = 0,052nm, nên có khả năng thu
xếp để nguyên tử cacbon lọt vào bằng cách giãn các nguyên tử sắt ra xa.
Do vậy chỉ có Feγ mới hòa tan được cacbon, tuy nhiên như đã nói
nguyên tử hòa tan không thể xen kẽ vào mọi lỗ hổng tám mặt đó nên giới
hạn hòa tan cacbon trong Feγ chỉ là trên dưới 10% nguyên tử.


25
24

3.2.3 Tương tác hóa học giữa Fe và C
Khi lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hòa tan (phụ
thuộc vào dạng thù hình và nhiệt độ), sau khi đi vào các lỗ hổng để tạo
nên dung dịch rắn xen kẽ, các nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp với sắt
thành Fe3C gọi là xêmentit. Như đã biết đó là pha xen kẽ với kiểu mạng
phức tạp, có thành phần 6,67%C + 93,33%Fe.

Molecule and iron atom.

Thực ra còn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên trong
hợp kim thuần Fe - C sự tạo thành grafit là rất khó khăn nếu không muốn
nói là không thể được, vì vậy xêmentit là pha giả ổn định và được coi là
ổn định. Trong thực tế sự tạo thành grafit có thể dễ dàng hơn nhiều khi có
các yếu tố thuận lợi về thành phần và tốc độ nguội

In nature, very rarely encountered a well-developed crystals of graphite.
Occurs most often in the form of aggregates łuseczkowych, blaszkowych
or in the form of szaroczarnej mat color. Mineral is flexible, but it is notresilient. It krajalny and opaque, the touch is greasy and
messy.

Cementite, also known as iron carbide, is a chemical compound of iron and carbon, with
the formula Fe3C (or Fe2C:Fe). By weight, it is 6.67% carbon and 93.3% iron. It has anorthorhombic crystal structure.[1] It is
a hard, brittle material,[1] normally classified as a ceramicin its pure form,
though it is more important in metallurgy.


26
Giản đồ trạng thái Fe - C

Figure3.2a. Interaction Between precipitated carbon atoms and iron atoms. Two different
cases are considered:
a. If a carbon atom has three or more neighboring carbon atoms (bond saturated carbon
atom), Its interaction with iron atom, CP-Fe: Weak, is very weak.
b. If a carbon atom has only 2 or less neighboring carbon atoms (bond unsaturated carbon
atom), It's interaction with iron atom, CP-Fe: Strong, is very strong (more than 10 times high
than CP-Fe: Weak).

25