Giản Đồ Pha Giản Đồ Pha

Giản Đồ Pha Sắt – Cacbon (Fe – C)
24.03.2011 By Gió tháng Mười 8 Comments

“Tôi có cơ hội tiếp xúc với nhiều bạn bè Cơ khí và nhận thấy một vấn đề: Dù hai
ngành liên quan rất mật thiết với nhau và các kiến thức cớ bản về vật liệu rất hữu
dụng cho công tác thực tế của các kỹ sư cơ khí nhưng hầu như tất cả các bạn đều
không nắm rõ và hiểu đúng bản chất các khái niệm cơ bản của KH Vật liệu như pha,
giản đồ pha, chuyển biến,…dù chương trình đại học đã bố trí 6 đơn vị học trình cho
môn Vật liệu học cơ sở và rất nhiều môn học khác như Cơ khí đại cương cũng đã đề
cập. Chúng quá khó để tiếp cận? Hay các bạn chưa để tâm và chưa nhận ra điểm cốt
yếu của vấn đề?” - Nova | Meslab.Org
Đúng là như vậy, thật sự khi đi làm bạn sẽ thấy hầu hết các thiết kế Cơ khí của mình sẽ
phải đụng chạm đến lựa chọn vật liệu (1), và vấn đề hiểu được những đặc tính tổng quát
của nó sẽ là một yêu cầu không thể thiếu được, do đó mình sẽ tổng hợp những vấn đề cơ
bản nhất để phác thảo một số nét cơ bản về pha, giản đồ pha dưới dạng thức dễ hiểu trên
cơ sở có nhiều ví dụ minh họa cụ thể để mọi người có cái nhìn tổng quát nhất về loại vật
liệu cơ bản của Cơ khí này.
Pha
là
gì?
Giản
đồ
pha
là
gì?
Theo Nghiêm Hùng [1], pha là các phần có cùng cấu trúc, cùng trạng thái, cùng kiểu
mạng và thông số mạng, có tính chất cơ – lý – hóa xác định và các pha phân cách nhau
bởi bề mặt phân chia pha. (Định nghĩa này dùng cho nghiên cứu kim loại và hợp


kim). Các chi tiết trong định nghĩa trên sẽ được làm sáng tỏ khi ta nghiên cứu về giản đồ

pha.
Giản đồ pha (phase diagram):
Một cách tổng quát, trong KHVL, giản đồ pha được hiểu là một loại đồ thị biểu diễn các
điều kiện cân bằng giữa các pha riêng biệt (các pha có thể phân biệt về mặt nhiệt động).
Hai loại giản đồ pha hay gặp: giản đồ nhiệt độ – áp suất (của nước chẳng hạn – rất nổi
tiếng trong Hóa Lý) và giản đồ nhiệt độ – thành phần (của hệ Fe – C, rất nổi tiếng trong
KHVL).
Giản đồ pha Fe – C cho biết tại mỗi tọa độ (nhiệt độ, thành phần) xác định, tổ chức của
hợp kim sắt – cacbon như thế nào. Tất cả các tổ chức (pha) đề cập ở đây dựa trên giả thiết
là các quá trình chuyển biến xảy ra vô cùng chậm (cân bằng)

Giản đồ Fe – C
Từ giản đồ + tra sách, xin chú giải (ở mức đơn giản) cho giản đồ:
1, Austenite solid solution of carbon in gamma iron: dung dịch rắn austenite của cácbon trong sắt gamma.


2, Austenite in liquid: austenite phân tán trong pha lỏng (đây là vùng tồn tại của
austenite và pha lỏng)
3, Primary austenite begins to solidify: đường giới hạn mà austenite sơ cấp bắt đầu kết
tinh
4, CM begins to solidify: đường giới hạn mà xê- men- tít bắt đầu kết tinh
5, Austenite ledeburite and cementite: vùng tồn tại của các pha austenite, lê- đê- bu- rít
và xê- men- tít
6, Cementite and ledeburite: vùng tồn tại của các pha xê- men- tít và lê- đê- bu- rít.
7, Austenite to pearlite: đường giới hạn mà austenite chuyển pha thành péc- lit.
8, Pearlite and ferrite: vùng tồn tại của các pha péc- lít và ferrite
9, Pearlite and Cementite: vùng tồn tại của các pha péc- lít và xê- men- tít
10, Cementite, pearlite and transformed ledeburite: vùng tồn tại của các pha xê- mentít, péc- lít và lê- đê- bu- rít đã chuyển biến (dưới 723 độ C, thành phần austenite trong tổ
chức lê- đê- bu- rít chuyển biến thành péc- lít, do đó, dưới 723 độ C, lê- đê- bu- rít được
gọi là lê- đê- bu- rít đã chuyển biến)

11, Hypo- eutectoid: trước cùng tích
12, Hyper- eutectoid: sau cùng tích
13, Steel: thép (quy ước)
14, Cast iron: gang (quy ước)
Một
vài
nhận
xét
về
hệ
Fe-Fe3C
C chiếm một lượng nhỏ như tạp chất xen kẽ trong sắt ở dạng các pha a, b, g trong sắt.
Lượng hoà tan cacbon tối đa trong pha a-BCC là 0,022% ở 727C, do mạng lập phương
tâm khối có kích thước lỗ hổng (vị trí xen kẽ) nhỏ hơn so với mạng lập phương tâm mặt.
Lượng C hoà tan trong Austenite (mạng lập phương tâm mặt) là 2,14% ở 1147C do mạng
này có kích thước lỗ hổng (vị trí xen kẽ) lớn hơn so với mạng lập phương tâm khối.
Cơ tính: Xêmentít có tính cứng dòn, khi có mặt trong thép sẽ làm tăng bền cho thép. Cơ
tính còn phụ thuộc độ hạt hay cấu trúc vi mô cũng như tương quan giữa F và Xê.
Từ tính: Ferrit có từ tính ở nhiệt độ dưới 768C (còn gọi là nhiệt độ Curie), Austenite
hoàn toàn không có từ tính.
Phân loại: dựa vào các đặc điểm trên ta phân ra làm ba loại hợp kim như sau:
•
•
•

Sắt non: chứa hàm lượng C dưới 0,008% trong pha a-Ferrite ở nhiệt độ phòng.
Thép: chứa hàm lượng C từ 0,008% – 2,14% (thường <1%) tổ chức gồm a-ferrite
và Xê ở nhiệt độ thường.
Gang: chứa hàm lượng C từ 2,14 – 6,17% (thường < 4, 5% C)

Quy tắc đòn bẩy và công thức tính hàm lượng C trong mỗi pha:


- Quy tắc đòn bẩy:
Xét vùng tồn tại 2 pha (cụ thể trong trường hợp này là Ferrite, viết tắt là F và Austenite,
viết tắt là A, tổng quát vẫn đúng) như trên hình vẽ.
Quy
tắc
Hàm
lượng
Hàm lượng A = AB/BC

đòn

bẩy
F

cho
=

:
AC/BC

Tính
%
C
của
hai
pha:
%C (F) = hoành độ giao điểm của đường dóng từ B –> trục thành phần (bằng độ dài đoạn

OB
trên
hình
vẽ).
%C (A) = hoành độ giao điểm của đường dóng từ C –> trục thành phần (bằng độ dài
đoạn
OC
trên
hình
vẽ).


Công thức xác định hàm lượng C trong mỗi pha có thể kiểm chứng rất đơn giản nhờ quy
tắc đòn bẩy.
2) Pearlite là tổ chức cùng tích có 2 pha Ferrite và Cementite.
Tại
điểm
cùng
tích:
Hàm lượng C trong Ferrite = 0,02% (tại điểm cùng tích) –> OB = 0,02
Hàm lượng C trong Cementite = 6,67% (do công thức của Cementite là Fe3C) –> OC =
6,67
Hàm lượng C trong Pearlite = hàm lượng C cùng tích = 0,8% –> OA = 0,8
Từ hình vẽ –> AB = OA – OB = 0,8 – 0,02 = 0,78
AC
=
OC
–
OA
=

6,67
–
0,8
=
5,87
BC
=
OC
–
OB
=
6,67
–
0,02
=
6,65
Thay vào công thức tính thành phần pha (đòn bẩy) ở trên:
%
Ferrite
=
AC/BC
=
5,87/6,65
~
88,2%
% Cementite = AB/BC = 0,78/6,65 ~ 11,8%
Khi
hạ
nhiệt
độ

xuống
20
độ
C,
Chỉ có hàm lượng C trong Ferrite thay đổi, OB (20 độ) ~ 0,006
–>
AB
=
OA
–
OB
=
0,8
–
0,006
=
0,794
AC
=
OC
–
OA
=
6,67
–
0,8
=
5,87
BC
=

OC
–
OB
=
6,67
–
0,006
=
6,664
–> Thay vào công thức tính thành phần pha (đòn bẩy) ở trên:
%
Ferrite
=
AC/BC
=
5,87/6,664
~
88,1%
%
Cementite
=
AB/BC
=
0,794/6,664
~
11,9%
Vì sai lệch rất nhỏ nên có thể coi như Pearlite luôn có 88% Ferrite và 12% Cementite ở
mọi nhiệt độ!
Còn tiếp…
Đọc tiếp: Giản Đồ Pha Sắt - Cacbon (Fe - C)