Đề tài tiểu luận vật liệu học: Quá trình kết tinh của các hợp kim FeC, 0,4% C, 0,8% C và 1,2% C khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
----------

BÀI TẬP VẬT LIỆU HỌC
GV: Phạm Thị Hồng Nga
LỚP: 13145CL1

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 11 năm 2014


Đề tài tiểu luận: Quá trình kết tinh của các hợp kim Fe-C, 0,4% C, 0,8% C và
1,2% C khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng. Nêu nhận xét về tổ chức tế vi
và tính chất của các hợp kim đó.Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C cân bằng
giả ổn định, 3,0% C, 4,3% C và 5,0% C khi làm nguội đủ nhanh. Nêu nhận xét
về tổ chức tế vi và tính chất của các hợp kim đó.

Giản đồ pha Fe-C
1, Austenite solid solution of carbon in gamma iron: dung dịch rắn austenite của
các- bon 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- đêbu- rít và xê- men- tít
6, Cementite and ledeburite: vùng tồn tại của các pha xê- men- tít và lê- đê- burít.
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 xêmen- tít, 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)
A. Quá trình kết tinh của các hợp kim Fe-C, 0,4% C, 0,8% C và 1,2% C
khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng. Nêu nhận xét về tổ chức tế vi
và tính chất của các hợp kim đó.


-Chuyển biến bao tinh xảy ra ở 14990C trong các hợp kim có 0,10 - 0,50%C
(đườngHJB)
δH +LB→ γH hay δ0,10+L0,50→ γ0,16

(1)

song người ta thường không để ý đến phản ứng này vì xảy raở nhiệt độ quá cao và
không có ảnh hưởng gì đến tổ chức của thép khi gia công và sử dụng.
-Chuyển biến cùng tinh xảy ra ở 11470C trong các hợp kim có >2,14%C
(đườngECF)
LC→ (γE+ Fe3CF)hay L4,3→ (γ2,14+Fe3C6,67) (2)
- Chuyển biến cùng tích xảy ra ở 727 0C hầu như với mọi hợp kim (đường PSK)
γS →*αP+Fe3CK]hay γ0,8→*α0,02+ Fe3C6,67]

(3)

Sự tiết pha Fe3C dư ra khỏi dung dịch rắn của cacbon trong các dung dịch
rắn:trong
Feγ theo đường ES và trong Feα theo đường PQ.
Phần trên của giản đồ trạng thái Fe – C ứng với sự kết tinh từ trạng thái lỏng thấy
có ba khu vực rõ rệt ứng với ba khoảng thành phần cacbon khác nhau.

Khu vực có thành phần 0,1 – 0,51%C (có phản ứng bao tinh).

Tất cả các hợp kim có thành phần cacbon 0,1 – 0,51%C khi kết tinh sẽ xảy ra phản
ứng bao tinh: δH + LB → γJ.


Lúc đầu, khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra dung dịch
rắn trước. Khi nhiệt độ hạ xuống tới 1499oC (ứng với đường HB), hợp kim có hai
pha là dung dịch rắn δ chứa 0,10%C và dung dịch rắn ôstenit chứa 0,16%C:

Các hợp kim có 0,1 – 0,16%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha δ và khi làm
nguội tiếp, pha này tiếp tục chuyển biến thành pha γ.
Các hợp kim có 0,16 – 0,51%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha lỏng L, và sau
khi làm nguội tiếp theo pha lỏng tiếp tục chuyển biến thành pha γ. Như vậy, cuối
cùng hợp kim 0,10 – 0,51%C khhi làm nguội xuống dưới đường NJE chỉ có tổ
chức một pha ôstenit.
Khu vực có thành phần 0,51 – 2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung
dịch rắn ôstenit.

Hợp kim thành phần 2,14 – 4,3%C: khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC nó
sẽ kết tinh ra ôstenit. Làm nguội tiếp tục, ôstenit có thành phần thay đổi theo
đường JE, hợp kim lỏng còn lại thay đổi theo đường BC.

Khu vực có thành phần 0,51 – 2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung

dịch rắn ôstenit.

Hợp kim có thành phần 2,14 – 4,3%C, kết thúc kết tinh bằng sự kết tinh của dung
dịch lỏng có thành phần ứng với điểm C ra hai pha: ôstenit có thành phần ứng với
điểm E và xêmentit ở 1147oC.


QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VÓI 0.4%C
Làm nguội:Pha lỏng -----------> Hai pha ¥ +L ( nhiệt độ t nằm trong khoảng từ
đường AE- -> AC của giản đồ trạng thái Fe –C)-----------> ¥( nhiệt độ t nằm trong
khoảng đường GS- -> AE của giản đồ trạng thái Fe –C )-------->Hai pha F + ¥
(7270C < t< 911 o C )----------->Hai pha F + P(t<727oC)
QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VÓI 0.8%C
Làm nguội:Pha lỏng -----------> Hai pha ¥ +L ( nhiệt độ t nằm trong khoảngtừ
đường AE ->AC của giản đồ trạng thái Fe –C)-----------> ¥( 727 o C< t < đườngAE
của giản đồ trạng thái Fe –C)------->P=[F +Xe] (t<727oC )
QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VÓI 1.2%C
Làm nguội:Pha lỏng -----------> Hai pha ¥ +L ( nhiệt độ t nằm trong khoảng từ
đường AE ->AC của giản đồ trạng thái Fe –C)-----------> ¥( nhiệt độ t nằm trong
khoảng từ đường SE ->AE của giản đồ trạng thái Fe –C )------->Hai pha ¥ +XeII
(727 o C < t < đường SE của giản đồ trạng thái Fe –C)------->Hai pha P+ XeII
(t<727oC ).

Tổ chức tế vi và tính chất của các hợp kim đó:
1. Tổ chức tế vi:
Thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C là loại hợp kim ngoài Fe với C < 2,14% ra
chỉ chứa lượng không đáng kể các nguyên tố khác,được gọi là thép cacbon hay
thép thường, gồm ba loại nhỏ sau đây:
Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%, tức ứng với
bên trái điểm S có tổ chức ferit (sáng) + peclit (tối) mà các tổ chức tế vi được trình

bày ở hình 3.22. Phần lớn thép thường dùng nằm trong loại nhỏ này song tập trung


hơn cả vào loại ≤ 0,20%C rồi tiếp đến 0,30 - 0,40%C. Theo tính toán từ quy tắc
đòn bảy, khi lượng cacbon tăng lên thì trên tổ chức tế vi tỷ lệ phần peclit (màu tối)
cũng tăng lên, còn phần ferit (màu sáng) giảm đi. Nếu không chứa cacbon (hay quá
ít, 0,02 - 0,05%) có thể coi là sắt nguyên chất với tổ chức hầu như ferit (hình
3.19a) tức chỉ có các hạt sáng. Với 0,10%C (hình 3.22a) phần tối (peclit tấm)
chiếm khoảng 1/8, với 0,40%C (hình 3.22b) là 1/2 và với 0,60%C (hình 3.22c) là
3/4, cuối cùng là 0,80%C (hình 2.20a) thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm). Vậy đối
với loại thép này lượng cacbon của nó được tính bằng tỷ lệ phần tối nhân với
0,80%.

- Thép cùng tích với thành phần 0,80%C (có thể xê dịch một chút) tức ứng với
điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit.


Hình 3.22. Tổ chức tế vi của các thép trước cùng tích (x500):
a. 0,10%C,
b. 0,40%C,
c. 0,60%C
2. Tính chất
Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường song có thể nói cacbon là nguyên tố quan
trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng của thép
(cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp).
Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ xêmentit là
pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,10%C sẽ tăng thêm
1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng (ủ).

- C ≤ 0,05% - thép có tổ chức thuần ferit (hình 3.19a), coi như sắt nguyên chất.

- C = 0,10 - 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng peclit
tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép trước cùng tích.
- C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), đó là thép cùng tích.


- C ≥ 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), khi %C tăng lên
lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, đó là các thép sau cùng tích.

Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo.
Cơ tính
Cacbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB. Về
mặt định lượng thấy rằng cứ tăng 0,10%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng 25
đơn vị.

Thoạt tiên cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (δ, ψ) và độ dai va đập (aK) làm cho
các chỉ tiêu này giảm đi nhanh chóng, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi.
Ví dụ: cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp (≤ 0,25%) δ giảm 6%, aK giảm
300kJ/m2, còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 - 0,50%) tương ứng là 3%
và 200kJ/m2...Như vậy hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo
dai và càng giòn. Có thể dễ dàng giải thích điều này là do lượng pha xêmentit cứng
và giòn tăng lên.
Ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền σb không đơn giản như đối với độ cứng.
Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 - 0,50%C σb tăng khoảng 70 90MPa, trong khoảng 0,60 -0,80%C σb tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại
trong khoảng 0,80 - 1,00%C, khi vượt quá giá trị này σb lại giảm đi. Có thể giải
thích như sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng số
chốt cản trượt cho pha này do vậy σb tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là
peclit, khi vượt quá 0,80 - 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện lưới
xêmentit II (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép không những
giòn mà còn làm giảm giới hạn bền.
Chính do cacbon có ảnh hưởng lớn đến cơ tính như vậy nên nó quyết định phần

lớn công dụng của thép. Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét trước tiên là
hàm lượng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim. Điều khá kỳ diệu là chỉ
cần thay đổi chút ít hàm lượng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%) có thể
tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào có được.


Theo hàm lượng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với cơ tính và công
dụng rất khác nhau như sau.

- Thép có cacbon thấp (≤ 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại
thấp, hiệu quả nhiệt luyện tôi + ram không cao, được dùng làm kết cấu xây dựng,
tấm lá để dập nguội. Muốn nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + ram để nâng
cao độ bền độ cứng phải qua thấm cacbon.

- Thép có cacbon trung bình (0,30 - 0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều
khá cao mặc dầu không phải là cao nhất, có hiệu quả tôi + ram tốt, tóm lại có cơ
tính tổng hợp cao nên được dùng chủ yếu làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh
và va đập cao.

- Thép có cacbon tương đối cao (0,55 - 0,65%) với ưu điểm là có độ cứng tương
đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiết đàn hồi.

- Thép có cacbon cao (≥ 0,70%) với ưu điểm là có độ cứng và tính chống mài mòn
đều cao, được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo.

Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có lượng cacbon
thay đổi từ 0,30 đến 0,65%. Thật ra các giới hạn về thành phần cacbon kể trên để
định ranh giới giữa các nhóm cũng không hoàn toàn cứng nhắc, có thể xê dịch đôi
chút.

Tính công nghệ


Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm lượng
cacbon. Thép càng ít cacbon càng dễ hàn chảy và dập.
Hàm lượng cacbon cũng có ảnh hưởng đến tính gia công cắt của thép. Nói chung
thép càng cứng càng khó cắt nên thép có hàm lượng cacbon có tính gia công cắt
kém. Song thép quá mềm và dẻo cũng gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép có
cacbon thấp cũng có tính gia công cắt kém.

B QUÁ TRÌNH KẾT TINH CỦA HỢP KIM Fe-C VỚI 3.0%, 4.5%, 5.0% C
KHI LÀM NGUỘI ĐỦ NHANH

Hợp kim thành phần 2,14 – 4,3% C: khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC nó
sẽ kết tinh ra ôstenit. Làm nguội tiếp tục, ôstenit có thành phần thay đổi theo
đường JE, hợp kim lỏng còn lại thay đổi theo đường BC.
Hợp kim có thành phần 2,14–4,3%C, kết thúc kết tinh bằng sự kết tinh của dung
dịch lỏng có thành phần ứng với điểm Crahaipha :ôstenit cóthànhphần ứng với
điểm E và xêmentit ở 11470C

Hỗn hợp cùng tinh lêđêburit
Sau khi kết tinh xong hợp kim này có tổ chức ôstenit + lêđêburit (γ+Xe). Khu vực
có thành phần 4,3 – 6,67% C(kết tinh ra xêmentit thứ nhất).
Phần hợp kim 4,3 – 6,67% C: khi hợp kim được làm nguội tới đường lỏng DC nó
kết tinh ra xêmentit và gọi là xêmentit thứ nhất. Khi làm nguội tiếp tục sẽ phản


ứng tạo nên cùng tinh lêđêburit xảy ra ở 1147oC. Sau khi kết tinh xong, hợp kim
này có tổ chức xêmentit thứ nhất+ lêđêburit (γ+Xe).

Tóm lại: khi kết tinh từ pha lỏng ,trong hợp kim Fe–C có xảy ra các quá trình sau:
kết
Tinh ra δ(<0,51%C) và phản ứng cùng tinh (2,14–6,67%C).

Phần dưới của giản đồ ứng với những chuyển biến ở trạng thái rắn. Có ba pha
chuyển biến đáng chú ý sau đây xuất phát từ ôstenit.
Sự tiết ra xêmentit thứ hai từ ôstenit
Các hợp kim có thành phần cacbon lớn hơn 0,8% khi làm nguội từ 11470C đến
7270C, ôstenit của nó bị giảm thành phần cacbon theo đường ES, do vậy, sẽtiết ra
xêmentit mà ta gọi là xêmentit thứ hai. Cuối cùng ở 7270C, ôstenit có thành phần
cacbon 0,8% ứng với điểm S

Sự tiết ra ferit từ ôstenit
Các hợp kim có thành phần cacbon nhỏ hơn 0,8% khi làm nguội từ 9110C ÷
7270C, ôstenit của nó sẽ tiết ra ferit là pha ít cacbon, do vậy ôstenit còn lại giàu
cacbon theo đường GS . Cuối cùng ở 7270C hợp kim gồm hai pha là ferit ứng với
điểm P (0,02%C) và ôstenit ứng với điểm S (0,8%C).


Như vậy khi làm nguội tới 7270C trong tổ chức của mọi hợp kim Fe–C đều chứa
ôstenit với 0,8% C (ứngvớiđiểmS).
Chuyển biến cùng tích :ôstenit thành peclit.
Tại 7270C ôstenit có thành phần 0,8% C sẽ chuyển biến thành peclit là hỗn hợp
của hai pha ferit và xêmentit.

Như đã nói ở trên, chuyển biến này có ở trong mọi hợp kim Fe–C.
Tổ chức tế vi:
Hợp kim Fe-C (2.14%C →6.67%C) là gang trắng:
Hợp kim Fe-C (3.0%) là gang trước cùng tích có tổ chức peclit + Xêmetit II
+ Lêđêburit II. (peclít là các hạt tối to, xementít thứ hai là phần sáng giữa các hạt

tối to còn ledeburít gồm các hạt tối nhỏ là peclít nổi đều trên nền sáng xementít.)

Tổ chức tế vi của gang trước cùng tích
(X500)


Hợp kim Fe-C (4.3%) là gang cùng tích có tổ chức Lêđêburit II ( P + Xe ).
Hợp kim Fe-C (5.0%) là gang sau cùng tích có tổ chức Lêđêburit II +
Xêmetit I. ( xementít thứ nhất là các dải sáng to, thẳng
còn ledeburít là phần còn lại )

Tổ chức tế vi của gang sau cùng tích
(X500)
Tính chất:
Gang trắng rất cứng và giòn, độ cứng có thể đạt tới 450 – 650 HB, không thể gia
công cắt gọt được, độ co khi đúc lại rất lớn nên rất ít được sử dụng trong cơ khí mà
chủ yếu được dùng để làm nguyên liệu luyện thép, hoặc dùng để ủ ra gang dẻo
hoặc dùng để đúc các chi tiết chịu mài mòn như bi nghiền xi măng, trục cán đá, …
Trong những điều kiện nhất định về tốc độ nguội khi đúc, với tổng lượng % Si +
%C thích hợp, hoặc trong những điều kiện công nghệ nấu luyện cụ thể (thí dụ cho
thêm Mg, Ce… vào gang lỏng) thì cácbon tự do ở trong gang có thể tồn tại một
phần hay toàn bộ ở dạng graphít mà không tồn tại ở dạng liên kết Fe3

Tài liệu tham khảo:


/>s=b72726458688e55de07027f950ba332b
/>