Giản đồ trạng thái sắt cacbon

I. Sắt Cacbon
1. Cac bon (C): Cacbon là nguyên tố á kim, có hai dạng thù
hình: Graphít (gang) và Kim cương. ở điều kiện thường Cacbon
ổn định ở thể Graphít, còn Kim cương ổn định ở nhiệt độ và áp
suất cao. Trong hợp kim Sắt Cacbon, Cacbon ở thể Graphít
(G). Graphít có kiểu mạng lục giác; mềm. Trong thiên nhiên
phần lớn Cacbon ở dạng vô định hình (các loại than).
2. Sắt (Fe):Sắt là kim loại, trong thiên nhiên Sắt có trong các
loại quặng, đất đá, có khá nhiều ở lớp vỏ trái đất. Sắt và hợp
kim của Sắt đóng vai trò to lớn trong sự tiến hóa và phát triển
của lịch sử loài người.


I. Sắt Cacbon
2. Sắt (Fe)
* Cơ tính của sắt:
- b kéo = 250 N/mm2
- ch

= 120 N/mm2

-

= 50 %

-

= 85 %

- HB

= 80 KG/mm2

- k

= 3000 KJ/m2

Sắt tuy có độ bền, độ
cứng khá cao song
chưa đáp ứng được
các yêu cầu của kỹ
thuật. Trong kỹ thuật
thường sử dụng các
hợp kim của sắt, có cơ
tính cao hơn, hầu như
không
dùng
sắt
nguyên chất.


I. Sắt Cacbon
2. Sắt (Fe)
* Tính thù hình của sắt:
Sắt tồn tại ở hai dạng: Fe và Fe
- Fe có kiểu mạng lập phương thể tâm; tồn tại ở
các khoảng nhiệt độ :
+ Dưới 9110 C
+ Từ 13920 C đến 15390 C
- Fe có kiểu mạng lập phương diện tâm; tồn tại ở
các khoảng nhiệt độ : Từ 9110 C đến 13920 C.

I. Sắt Cacbon
3. Các tương tác của Fe - C
Sắt và Cacbon tương tác với nhau theo hai cách:
- Cacbon hòa tan vào sắt tạo thành dung dịch rắn Fe - C.
-Cacbon tác dụng với sắt tạo thành hợp chất hóa học.
+ Dung dịch rắn Fe - C:
Cacbon có đường kính nguyên tử nhỏ
hơn Sắt nên dung dịch rắn Fe - C là dung dịch rắn xen kẽ.
Fe hòa tan: có dưới 0,02 đến 0,1 %C.
Fe hòa tan: có dưới 2,14 %C
Thép và gang là hai hợp kim phổ biến của Fe C
+ Hợp chất hóa học của Fe với C (Xementit:Fe3C)
Sắt tác dụng với Cacbon tạo thành 3 hợp chất: Fe3C
(6,67%C), Fe2C (9,67%C) và FeC (17,67%C)
Tuy nhiên, các hợp kim của Fe - C thường chứa dưới
5%Cacbon (thép và gang), nên trong chúng chỉ gặp Fe3C.


I. Sắt Cacbon
3. Các tương tác của Fe - C
+ Hợp chất hóa học của Fe với Cacbon
(Xementit: Fe3C)
Fe3C tạo thành khi lượng Cacbon trong hợp
kim lớn hơn giới hạn hòa tan của nó trong Sắt.
Fe3C là pha không ổn định, ở nhiệt độ cao sẽ
bị phân hủy thành Fe và C.
Fe3C rất dòn và cứng (khoảng 800 HB).

II. Giản đồ trạng thái Sắt Cacbon
1. Khái niệm
- Định nghĩa: Giản đồ trạng thái là biểu đồ chỉ rõ sự phụ thuộc của
trạng thái pha với thành phần hóa học của hợp kim, giữa nhiệt độ và
áp suất. Các hệ hợp kim khác nhau có kiểu giản đồ trạng thái khác
nhau và được xác lập chủ yếu bằng thực nghiệm.
- Công dụng: Từ giản đồ có thể xác định được nhiệt độ chảy, nhiệt độ
chuyển biến pha của hợp kim với thành phần đã cho khi nung chảy
và khi làm nguội; từ đó có thể xác định được chế độ nhiệt khi đúc,
gia công áp lực và nhiệt luyện. Chú ý: nhiệt độ chuyển biến và cấu
tạo pha trên giản đồ chỉ ứng với trạng thái cân bằng.
- Cách xây dựng: Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim được xây dựng
bằng thực nghiệm. Nguyên tắc chung để xây dựng giản đồ của hệ
hợp kim là: dùng một lượng lớn các mẫu với các thành phần khác
nhau, bằng các phương pháp hóa nhiệt luyện để xác định các tổ
chức hình thành ở từng khoảng nhiệt độ.


II. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i S¾t – Cacbon
2. Néi dung gi¶n ®å

16000c

α+γ

h

Láng ( L)

j
n 13920c

L+γ
e

Austenit (γ)

s

p

α
α + Xe III
600 c
0

1147 0 C

f

γ + Xe II + Le(γ + Xe)

9110c g

α+P P
q

γ + Xe II

10

727 0 C

3

2 2,14
20

Xe I + Le (γ + Xe)

k

Xe I + Le (P + Xe)

P + Xe II + Le (P + Xe)

Xe II + P

0,8 1

L + Xe I

c
Ledeburit ( Le)

γ +α

d

b

NhiÖt ®é ( 0 c )

L+α
α

A
15390c

30

40

5

4 4,3
50

60

70

6
80

90

l
6,67%c

100%Fe3C


II. Giản đồ trạng thái Sắt Cacbon
Trên giản đồ trạng thái Fe C chỉ trình bày đến 6,67% C, ứng với hợp chất
hóa học Xementit Fe3C.
* Các tọa độ của các điểm
quan trọng:
A(15390C;0%C),E(11470C;
2,14%C),
C(11470C;4,3%C),
N(13920C;0%C), G (9110C;
0% C),P(7270C;0,02%C),
S(7270C; 0,8% C).
-C: Điểm cùng tinh;
-S: Điểm cùng tích

Đường lỏng: ABCD;Đường đặc: AHJECF


II. Giản đồ trạng thái Sắt Cacbon
3. Các tổ chức của hợp kim Sắt - Cacbon
* Các tổ chức một
pha:
+ Hợp kim lỏng (L):
- Là dung dịch lỏng
của Cacbon trong
Sắt. Nằm phía trên
đường lỏng ABCD

II. Giản đồ trạng thái Sắt Cacbon
3. Các tổ chức của hợp kim Sắt - Cacbon
* Các tổ chức một pha:
+Xementit (Xe hoặc Fe3C): Nằm ở biên bên phải (đường DFKL)
+Xementit I (Xe I): Là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, tạo thành
trong hợp kim chứa nhiều hơn 4,3%C (đường CD). Kết tinh trong
khoảng từ 16000C xuống 11470C. Có tổ chức hạt to.
+Xementit II (Xe II): Là loại được kết tinh từ dung dịch rắn
Auxtenit, có trong hợp kim chứa khoảng 0,8 đến 4,3% C. Trong
khoảng từ 11470C xuống 7270C. Có tổ chức hạt nhỏ hơn Xe I, thư
ờng ỏ dạng lưới bao quanh hạt Auxtenit ( đường ES).
+Xementit III (Xe III):Được tạo thành từ dung dịch rắn Pherit (F)
khi lượng Cacbon giảm từ 0,02%C xuống 0,006%C, ở nhiệt độ dư
ới 7270C. XeIII có kích thước hạt nhỏcạnh Pherit (đường QP).


II. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i S¾t – Cacbon
3. C¸c tæ chøc cña hîp kim S¾t - Cacbon

Xe (Fe3C),

Xe I
Xe II
Xe III


II. Giản đồ trạng thái Sắt Cacbon
3. Các tổ chức của hợp kim Sắt - Cacbon
* Các tổ chức một pha:

- Pherit ( F hoặc ): Là dung dịch rắn xen
kẽ của C trong Fe ( mạng K8 ) khả năng
hòa tan của Cacbon trong Fe rất nhỏ nên
có thể coi Pherit là sắt nguyên chất trong hợp
kim tinh khiết ( đường GSK ). Pherit rất dẻo,
dai nhưng khi hòa tan với các nguyên tố khác
( đặc biệt là Mn, Si) thì độ cứng tăng, độ dẻo
dai giảm.


II. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i S¾t – Cacbon
Tæ chøc
mét pha
Pherit


II. Giản đồ trạng thái Sắt Cacbon
3. Các tổ chức của hợp kim Sắt - Cacbon
* Các tổ chức một pha:
+ Auxtenit ( As hoặc ):
Là dung dịch rắn xen kẽ của C trong Fe ( mạng
K12), khả năng hòa tan của Cacbon trong Fe khá lớn.
Trong hợp kim Fe - C, thông thường As có thể hòa tan
các nguyên tố kim loại khác như Cr, Ni, Mn, W bằng
cách thay thế. As rất dẻo, dai; khi các nguyên tố khác
hòa tan, không những làm chuyển biến cơ tính mà còn
làm thay đổi động học chuyển biến khi làm nguội, do
vậy có sự ảnh hưởng tới nhiệt luyện.

II. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i S¾t – Cacbon
Tæ chøc
mét pha
Auxtenit


II. Giản đồ trạng thái Sắt Cacbon
3. Các tổ chức của hợp kim Sắt - Cacbon
* Các tổ chức hai pha:
+ Peclit ( P hoặc F + Xe ):
Là hỗn hợp cơ học cùng tích của F và Xe tạo thành ở
7270C từ dung dịch rắn Auxtenit chứa 0,8%C; P có dạng tấm
hoặc hạt, có độ cứng và độ bền cao, tính dẻo dai hơi thấp.
+ Ledeburit ( Le hoặc P + Xe hoặc + Xe):
Là hỗn hợp cơ học cùng tinh, kết tinh từ pha lỏng có
4,3%C ở nhiệt độ 11470C, ban đầu gồm + Xe khi làm nguội
qua 7270C tạo thành Peclit. Vậy Le là hợp kim cơ học của P
và Xe. Xementit chiếm tỷ lệ gần 2/3 nên Ledeburit rất dòn và
cứng (khoảng 600 HB).


c¸c tæ chøc trªn gi¶n ®å
Tæ chøc Láng + Auxtenit


c¸c tæ chøc trªn gi¶n ®å
Tæ chøc Láng + Xementit I


c¸c tæ chøc trªn gi¶n ®å

Tæ chøc Auxtenit


c¸c tæ chøc trªn gi¶n ®å
Tæ chøc Xementit I + Ledeburit (Au + Xe)


c¸c tæ chøc trªn gi¶n ®å
Tæ chøc Ledeburit


c¸c tæ chøc trªn gi¶n ®å
Tæ chøc Auxtenit + Xementit II + Ledeburit (Au + Xe)


c¸c tæ chøc trªn gi¶n ®å
Tæ chøc Auxtenit + Xementit II


c¸c tæ chøc trªn gi¶n ®å
Tæ chøc Auxtenit + Pherit


c¸c tæ chøc trªn gi¶n ®å
Tæ chøc Xementit I + Ledeburit (P + Xe)