CHƯƠNG 2 CHUYỂN BIẾN PHA TRONG VẬT LIỆU

Chương 2
CHUYỂN BIẾN PHA TRONG
VẬT LIỆU
2.1. Quá trình chuyển pha trong vật liệu
2.2. Quá trình kết tinh từ pha lỏng
2.3 Sự tạo hạt trong kết tinh
2.4. Chuyển pha ở trạng thái rắn


2.1. Quá trình chuyển pha trong
vật liệu












Kết tinh từ pha lỏng(A): Khi đúc kim loại chuyển từ
trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Ví dụ: Al nóng chảy
ở 660C,
Chuyển pha thù hình(B): Khi nung và làm nguội, chuyển
biến pha ở trạng thái rắn. VD: Feγ chuyển thành Feα
khi nung qua 911C và ngược lại
Chuyển pha cùng tích(D): Khi hai pha cân bằng, α và β
được tạo đồng thời từ γ. Ví du:ï như làm nguội thép

0,8%C dưới A1 thì từ Ostenite tiết ra đồng thời hai pha
ferit vào xementit.
Tiết pha(C): Khi đường giới hạn hoà tan giảm theo nhiệt
độ. Ví dụ: Làm nguội thép sau cùng tích(> 0,8%C) thì γ
quá bão hoà tiết ra xêII. Ví dụ: các trường hợp tiết pha
khi ram và hoá già sau khi tôi.
Chuyển pha Mactenxít(E): Khi nung đến nhiệt độ γ và
làm nguội nhanh đến nhiệt độ chuyển biến
mactenxít(Ms). Từ γ không kịp tiết ra xementitâ và ferít
mà tạo ra pha giả ổn định Mactenxít có kiểu mạng γ
nhưng có %C không thay đổi.


2.2. Quá trình kết tinh từ pha
lỏng
2.2.1. Khái niệm
 2.2.2.Quá trình tạo mầm
 2.2.3. Quá trình Phát triển mầm








2.2.1. Khái niệm
Phần lớn vật liệu tạo ra trải qua quá trình
chuyển pha từ lỏng sang rắn gọi là quá trình kết
tinh. Quá trình kết tinh ảnh hưởng lớn đến sự

phân bố, định hướng, hình dáng kích thước hạt,
đồng thời cũng ảnh hưởng quyết định đến tính
chất vật liệu.
Nghiên cứu quá trình kết tinh từ pha lỏng nhằm
biết được quy luật chi phối sự hình thành hạt
kim loại từ đó thu được tổ chức hạt theo ý
muốn.








2.2.2.Quá trình tạo mầm
1.Mầm tự sinh (đồng thể).
Là sự tạo mầm từ kim loại lỏng đồng nhất không có sự trợ
giúp của các phần tử rắn có sẵn ở trong nó. Lúc đó những
nhóm nguyên tử trật tự nào có kích thước đủ lớn ( với giả
thuyết rằng chúng là các khối hình cầu có bán kính r) mà
theo tính toán về nhiệt đông học, (bán kính tới hạn của
mầm) được tính theo công thức

Khi kết tinh ở nhiệt độ càng thấp, độ quá nguội  T càng lớn
thì ΔGv cũng càng lớn, Rth càng nhỏ, điều này cũng tương
đồng với có càng nhiều nhóm trật tự gần có sẵn trong chất
lỏng dễ dàng thoả mãn điều kiện về kích thước này nên
càng có nhiều mầm




2. Mầm kí sinh (dị thể )
Là mầm được tạo ra trên bề mặt vật rắn có sẵn
trong kim loại lỏng không đồng nhất và là dạng
tạo mầm thực tế và đơn giản hơn nhiều. Vật rắn
có sẵn như tạp chất, các phần tử rắn khó chảy,
bụi tường lò, bụi than, bụi chất sơn khuôn…và
ngay cả thành khuôn. Mầm (nhóm trật tự gần có
sẵn trong kim loại lỏng) sẽ gắn lên các bề mặt
có sẵn đó theo những mặt tương thích (có cấu
trúc gần gióng nhau), do đó sức căn bề mặt
giữa chúng (giữa hai chất rắn) nhỏ hơn nhiều
giữa mầm và kim loại lỏng (giữa rắn và lỏng),
nên giá trị đòi hỏi nhỏ đi, càng tạo điều kiện dễ
dàng cho tạo mầm. Thực tế trong nhiều trường
hợp người ta còn cố ý đưa các phần tử rắn vào
để giúp kết tinh.


2.2.3. Quá trình Phát triển mầm


Khi mầm đạt đến rth thì sự lớn lên của
mầm là quá trình tự nhiên vì năng lượng
tự do giảm. Thực tế mầm phát triển
không đều cho các phương, phương nào
toả nhiệt mạnh thì mầm phát triển mạnh











Hình dạng hạt
Do tương quan về tốc độ phát triển mầm theo
các phương mà hạt tạo ra có hình dạng khác
nhau
Khi tốc độ phát triển mạnh theo mọi phương,
hạt nhận được có dạng đa cạnh hay cầu.
Khi tốc độ phát triển mạnh theo hai phương (tức
theo một mặt) nào đó, hạt nhận được có dạng
tấm, lá, phiến như grafit trong gang xám.
Khi tốc độ phát triển mạnh theo một phương
nào đó, hạt nhận được có dạng đũa, cột hay
hình trụ .
Dạng tinh thể hình kim (đầu nhọn) tồn tại trong
một số trường hợp như khi nhiệt luyện.


3.3.5. Khuyết tật trong vật đúc

1. Lõm co, rỗ co
 2. Rỗ khí
 3. Thiên tích
 4. Ứng suất đúc



2.4.1.Sư tạo thành ostenit khi nung
thép 0,8% cacbon
 Khi nung thép cùng tích (0,8% cacbon) ở
nhiệt độ lớn hơn A1 thì Péclít(P) bao gồm
hai pha xementit(xê) và ferít(α) nằm xen
kẽ nhau sẽ chuyển thành ostenite(γ).
 Trên biên xêmentít(xê) và ferít(α) xuất
hiện mầm ostenite(γ), sẽ lớn lên và mọc
ra nhiều mầm khác. Nếu nhiều ostenite(γ)
trong P thì hạt nhỏ (với thời gian và nhiệt
độ vừa đủ).



2.4.2.Chuyển pha khi nung thép
trước và sau cùng tích


Với thép trước cùng tích nếu nung ở nhiệt
độ nhỏ hơn A1 thì chưa có sự chuyển biến
nên tổ chức còn xêmentít và ferít. Khi
nung đến nhiệt độ lớn hơn A1 thì có
chuyển biến, xêmentít chuyển dần thành

ostenit, kết quả là tổ chức ostenit và ferít.
Khi nung đến nhiệt độ lớn hơn A3 thì ferít
chuyển dần thành ostenit, kết quả có tổ
chức là ostenit.





Với thép sau cùng tích nếu nung ở nhiệt
độ nhỏ hơn A1 thì chưa có sự chuyển biến
nên tổ chức còn Péclít và xementítII. Khi
nung đến nhiệt độ lớn hơn A1 thì có
chuyển biến, Péclít chuyển dần thành
ostenit, kết quả là có tổ chức ostenit và
xêmentítII. Khi nung đến nhiệt độ lớn hơn
Am thì xêmentítII chuyển dần thành
ostenit, kết quả có tổ chức là ostenit.


2.4.3. Chuyển pha khi làm nguội
chậm thép 0,8 %C




Cơ chế: Khi tổ chức γ làm nguội đến Ac1,
thì xuất hiện mầm Xê có nhiều %C, mà γ
có %C thấp nên lân cận Xê bị giảm %C
rất nhỏ khoảng 0,02%C (α). Ta có tổ chức

α và Xê xen kẽ nhau và cuối cùng có dạng
tấm song song nhau, mỗi hạt γ tạo một
hạt P.



V1 V­3 ­ nguội ngoài gió
 V1 ­ nguội cùng lò
 V4 ­ nguội bằng dầu
 V2 ­ nguội ngoài không khí
 V5 ­ nguội bằng nước













* Vậy giản đồ chữ “C” cho ta biết thêm yếu tố thời gian
mà giản đồ trạng thái không có được.
* Yếu tố ảnh hưởng lớn đến giản đồ chữ “C” là
thành phần thép:
Nguyên tố Cacbon tăng quá 1% làm chữ “C” nằm gần

trục tung, thu hẹp khu vực ổn định của ostenit (C cao
dưới nhiệt độ Acm, γ sẽ tiết ra XêII thúc đẩy quá trình
chuyển biến của γ). Với hàm lượng cacbon từ 0,1 đến
1% thì chữ “C” dịch dần về bên trái, tăng vùng ổn định
của ostenít.
Côban hầu như không ảnh hưởng tới giản đồ chữ “C”.
Các nguyên tố hợp kim đều làm tăng vùng ổn định
ostenit tức là đều làm dịch chuyển chữ “C” về bên phải,
thuận lợi cho quá trình nhiệt luyện, tốc độ nguội nhỏ đi
ít gây ứng suất nhiệt, giảm nứt vỡ cong vênh.
Cũng cần phải nói đến cỡ hạt, nếu hạt austenít càng lớn,
ít tạp chất và đồng
đều thì làm chữ “C” dịch chuyển về bên phải.


2.4.4. Chuyển pha khi làm nguội
nhanh (Ostenit thành Mactenxit)






kiểu mạng chính phương thể tâm có c/a>1. Để
có Mactenxit(M) chỉ có làm nguội nhanh với tốc
độ bằng hoặc lớn hơn tốc độ tôi tới hạn. Thực tế
đã chứng minh khi Vng ≥ Vth thì không có phản
ứng cùng tích, nghĩa là có phản ứng tạo pha mới
– đó là pha Máctenxít(M).
Không chuyển biến theo cơ chế khuyếch tán nên

%C trong M gần bằng %C trong γ (C còn
nguyên trong mạng tinh thể), nguyên tử Fe
chuyển dời không quá một thông số mạng, tạo
ra kiểu mạng lập phương thể tâm.


2.4.5.Chuyển biến trung gian Ostenit thành
Bainit (  B) trong thép


Bainit là hỗn hợp của hai pha ferit và xementit.
Tuy nhiên ferit trong bainit chứa nhiều cacbon
hơn một chút ferit trong peclit. Bainit gồm hai
loại: bainit trên (tạo thành ở nhiệt độ sát vùng
chuyển biến peclit) và bainit dưới (tạo thành ở
nhiệt độ sát vùng chuyển biến Mactenxit). Dưới
kính hiển vi quang học bainit trên có dạng ngoài
bút màu tối và bainit dưới có dạng hình kim.
Bainit dưới có độ cứng và độ bền cao hơn bainit
trên nhưng vẫn đủ dẻo dai nên được ứng dụng
nhiều hơn.




Chuyển biến B được ứng dụng trong
công nghệ tôi đẳng nhiệt thép gió nhằm
tránh hiện tượng công vênh, nứt nẻ chi
tiết khi độ cứng yêu cầu của chi tiết
khoảng 56­58HRC.

2.4.6. Chuyển biến khi ram thép


Sau tôi thép có tổ chức M­tôi (có C = 0,7
÷ 0,8%) và γ dư không ổn định, có xu thế
tạo thành hỗn hợp ferit + xêmentít ổn
định, nhưng ở nhiệt độ thường sảy ra rất
chậm, thường phải nung nóng để thúc
đẩy quá trình, nó dễ ổn định sau khi nung
lớn hơn 300C.