VẬT LIỆU cơ KHÍ CHƯƠNG 3 KHÁI NIỆM về hợp KIM và GIẢN đồ TRẠNG THÁI

CHƯƠNG 3: KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI
3.1. KHÁI VỀ HỢP KIM
3.1.1. Định nghĩa hợp kim
- Hợp kim là vật thể gồm nhiều nguyên tố mang tính chất
kim loại. Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim mang tính chất kim
loại.
Thành phần nguyên tố hoá học trong hợp kim thường được
biểu thị bằng % trọng lượng, cũng có

khi biểu thị bằng %

nguyên tử.
VD:

Thép 40 có 0,4%C;
Thép 40X có 0,4%C và 1%Cr
Thép 80W18Cr4V có 0,8%C, 18%W, 4%Cr và 1%V

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

1


3.1. KHÁI VỀ HỢP KIM
3.1.2. Đặc tính của hợp kim
+ Cơ tính cao: - Độ bền, độ cứng, giới hạn chảy, đàn hồi
của hợp kim cao hơn hẳn so với kim loại nguyên chất, còn độ
dẻo, độ dai vẫn đủ cao.
+ Tính công nghệ phù hợp với chế tạo cơ khí như: tính đúc,
tính gia công cắt gọt, có thể hoá bền bằng nhiệt luyện v.v…
+ Chế tạo (luyện) hợp kim: dễ và kinh tế hơn nhiều so với

kim loại nguyên chất.
- Do luyện hợp kim không cần phải khử triệt để tạp chất,
mà chỉ cần khống chế chúng ở mức độ nào đó.

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

2


3.1. KHÁI VỀ HỢP KIM
3.1.3. Các khái niệm về hệ hợp kim
a, Pha
- Pha là dạng vật chất có thành phần đồng nhất, ở cùng một
trạng thái và kiểu mạng tinh thể.
Các pha ngăn cách nhau bằng bề mặt phân chia.
b, Hệ
- Hệ là một dạng tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng.
+ Điều kiện:
- Mỗi pha trong đó phải đạt được giá trị năng lượng tự do bé
nhất.

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

3


3.1. KHÁI VỀ HỢP KIM
c, Nguyên (cấu tử)
- Là những chất độc lập có thành phần hoá học không đổi
(có thể là nguyên tố hoá học hoặc hợp chất hoá học), chúng tạo

nên tất cả các pha của hệ.
Có thể đưa một vài ví dụ để làm rõ khái niệm này:
+ Một hệ gồm 2 pha là nước lỏng và nước đá (ở 00C), chỉ có
một nguyên tử là H2O.
+ Hợp kim Cu- Ni là một hệ gồm 2 nguyên (Cu, Ni) ở trạng
thái rắn hoặc lỏng chỉ có một pha vì chúng tạo ra dung dịch rắn
hoặc lỏng đồng nhất.
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

4


3.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
Cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim phức tạp hơn kim loại
nguyên chất.
- Nếu mạng tinh thể của hợp kim vẫn giữ nguyên kiểu mạng
của kim loại nguyên chất, nhưng làm biến đổi thông số mạng
và gây xô lệch thì dạng cấu tạo này gọi là dung dịch rắn.
- Nếu mạng tinh thể của hợp kim khác hẳn với mạng của các
nguyên tố thành phần thì dạng cấu tạo này gọi là hợp chất hoá
học hay pha trung gian.

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

5


3.2. CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP KIM
3.2.1. Dung dịch rắn

a, Khái niệm:
- Dung dịch rắn có nhiều điểm giống với dung dịch lỏng, song
điểm khác nhau cơ bản giữa chúng là dung dịch rắn có cấu tạo
tinh thể.
- Khi 2 nguyên tố hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn, một
nguyên tố giữ nguyên kiểu mạng gọi là dung môi, còn nguyên tố
kia phân bố đều vào mạng của nguyên tố dung môi gọi là
nguyên tố hoa tan.
- Ký hiệu của dung dịch rắn bằng các chữ , , ... hoặc A (B).
trong đó: A – dung môi, B – nguyên tố hoà tan.
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

6


3.2.1. Dung dịch rắn

b, Các đặc tính chung của dung dich rắn
- Có liên kết kim loại;
- Có kiểu mạng tinh thể của kim loại dung môi;
- Thành phần các nguyên tố có thể thay đổi trong phạm vi
nào đó mà vẫn không làm thay đổi kiểu mạng;
- Độ bền, độ cứng cao hơn kim loại dung môi còn độ dẻo
vẫn khá cao do vẫn giữ nguyên kiểu mạng của kim loại dung
môi, (Do mạng tinh thể bị xô lệch).
- Tuỳ theo vị trí phân bố của nguyên tố hoà tan trong mạng
tinh thể của dung môi, sẽ có hai loại dung dịch rắn thay thế và
xen kẽ.
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

7


3.2.1. Dung dịch rắn

c, Dung dịch rắn thay thế
- Khi nguyên tử của nguyên tố hoà tan thế vào vị trí nút mạng
của nguyên tố dung môi thì tạo nên dung dịch rắn thay thế.
Điều kiện: Dntht  Dntdm
- Tuy nhiên vẫn làm xô lệch mạng tăng độ bền, độ cứng và
giảm một chút độ dẻo dai so với dung môi.
-nguyên tử dung
môi
-nguyên tử hoà
tan

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

8


3.2.1. Dung dịch rắn
Theo độ hoà tan lại chia ra dung dich rắn (thay thế) hoà
tan vô hạn và hoà tan có hạn.

* Dung dịch rắn hoà tan vô hạn

- Khi nguyên tử hoà tan B có thể lần lượt thay thế các vị trí
của nguyên tử dung môi A một cách liên tục, ta được dung
dịch rắn hoà tan vô hạn.

A(B)
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

A(B)

B(A)
9


3.2.1. Dung dịch rắn

* Dung dịch rắn hoà tan vô hạn
:Điều kiện cần để hai kim loại hòa tan vô hạn vào nhau là:
- Có cùng kiểu mạng;
- Đường kính nguyên tử sai khác nhau ít (dưới 8% khi hoà
tan vào Fe);
- Các tính chất lý, hoá gần giống nhau nhất là nhiệt độ chảy;
- Có cùng hoá trị.

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

10


3.2.1. Dung dịch rắn

* Dung dịch rắn hoà tan có hạn
- Khi nguyên tử hoà tan B chỉ có thể thay thế vị trí các nguyên
tử dung môi A đến một giới hạn nào đó (nếu hoà tan thêm sẽ

có kiểu mạng khác), ta được dung dịch rắn hoà tan có hạn.

- Chỉ cần không thoả mãn một trong 4 điều kiện trên sẽ tạo nên
dung dịch rắn hoà tan có hạn. Đây là trường hợp thường gặp.
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

11


3.2.1. Dung dịch rắn

d, Dung dịch rắn xen kẽ
- Khi nguyên tử hoà tan xen kẽ vào giữa các nút mạng của kim
loaị dung môi (tức là xen kẽ vào giữa các lỗ hổng của mạng) ta có
dung dịch rắn xen kẽ.

-nguyên tử dung môi
-nguyên tử hoà tan

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

12


3.2.1. Dung dịch rắn
+ Đặc điểm:
- Các lỗ hổng của mạng có kích thước nhỏ so với nguyên tử
dung môi A;
- Nguyên tử hoà tan B hoà tan xen kẽ vào mạng của dung môi
A khi tỷ số đường kính của chúng thoả mãn hệ thức:

B

dB
0,59
dA

A

- Là loại dung dịch hoà tan có hạn;
- Thường được tạo thành bởi dung môi là
kim loại có đường kính nguyên tử lớn như:
Fe, Cr, W, Ti... và các nguyên tố hoà tan là
các á kim có đường kính nguyên tử nhỏ như
: C, N, H, B…
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

13


3.2.2. Pha trung gian
+ Đặc tính chung:
- Mạng tinh thể của pha trung gian thường phức tạp và khác
các nguyên tố tạo thành nó, nên tính dẻo kém;
- Có tính dòn, độ cứng cao và nhiệt độ nóng chảy khá cao;
- Thành phần cố định hoặc có thể thay đổi trong phạm vi
hẹp. Có thể biểu diễn được bằng công thức hoá học;
- Có thể ở nhiều dạng liên kết khác nhau: Liên kết kim loại,
ion, đồng hoá trị.
- Các pha trung gian thường gặp là pha xen kẽ, pha điện tử,
đó là các pha có liên kết kim loại.

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

14


3.2.2. Pha trung gian

a, Pha xen kẽ
- Là loại pha trung gian được tạo nên giữa kim loại và á kim
với các đặc tính sau đây:
+ Đường kính nguyên tử á kim (dA) bé hơn của kim loại(dK)
rất nhiều. Chúng cũng thoả mãn bất đẳng thức:

dA
0,59
dK
+ Mạng tinh thể có dạng đơn giản như lục giác xếp chặt, lập
phương diện tâm, trong đó nguyên tử á kim nằm xen kẽ lỗ hổng
của mạng;
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

15


3.2.2. Pha trung gian
+ Thành phần hoá học có công thức đơn giản như: KA,
KA2,, K4A, KA4;
(Ví dụ như những loại các bít đơn giản mà thường gặp :WC,
TiC, TaC)
+ Các kim loại có đường kính nguyên tử lớn như: Ti, W, Mo,

V, Nb, Zr, Ta và đôi khi cả Cr, Mn, Fe, thường kết hợp với
những á kim có đường kính nguyên tử như: C, N, H, B, để tạo
thành pha xen kẽ;
+ Tính chất điển hình là rất cứng và nhiệt độ chảy rất cao.

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

16


3.2.2. Pha trung gian
b, Pha điện tử (Pha Hum - Rôđêri)
- Là pha phức tạp tạo nên giữa 2 kim loại và có đặc tính sau:
+ Về thành phần: Gồm 2 kim loại thuộc 2 nhóm sau:
Nhóm 1: Cu, Ag, Au (hoá trị 1) và Fe, Co, Ni, Pd, Pt (nhóm kim
loại chuyển tiếp).
Nhóm 2: Be, Mg, Zn , Cd, (hoá trị 2); Al(3), Si , Sn (4).
+ Có nồng độ điện tử (Số điện tử hoá trị / số nguyên tử) bằng
một trong các giá trị sau:

3 21 7
; ;
2 13 4
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

17


3.2.2. Pha trung gian
Mỗi giá trị này lại ứng với một kiểu mạng:

3 - Lập phương thể tâm (pha )
2

21 - Lập phương phức tạp (pha )
13
7
4

- Lục giác xếp chặt (pha )

+ Thành phần hoá học có thể thay đổi trong phạm vi hẹp;
+ Ở nhiệt độ thấp có tính dòn cao.
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

18


3.2.2. Pha trung gian
VD: Ở hệ Cu - Zn có các pha điện tử sau:
- CuZn – pha 

1.1  2.1 3

1 1
2

- Cu5Zn8 – pha 

1.5  2.8 21


5 8
13

- CuZn3 – pha 

1.1  2.3 7

1 3
4

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

19


3.2.3. Hỗn hợp cơ học
Sau khi kết tinh, các hợp kim ở một trong hai dạng tổ chức sau:
- Có tổ chức một pha: pha dung dịch rắn hoặc pha trung gian;
- Có tổ chức hai hay nhiều pha đó chính là hỗn hợp cơ học.
Khái niệm
- Hỗn hợp cơ học gồm hai hay nhiều pha hỗn hợp với nhau
chứ không hoà tan vào nhau.
Ví dụ :
Hỗn hợp cơ học của hai dung dịch rắn; của dung dịch rắn
và pha trung gian...
+ Hai dạng điển hình của hỗn hợp cơ học là cùng tinh và
cùng tích.
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

20


3.3. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM HAI NGUYÊN
3.3.1. Khái niệm về giản đồ trạng thái
a, Định nghĩa
- Giản đồ trạng thái là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức
pha theo nhiệt độ và thành phần hoá học của hệ ở trạng thái
cân bằng.
Giản đồ trạng thái được xây dựng trong điều kiện nung
nóng và làm nguội vô cùng chậm tức là ở trạng thái cân bằng.
b, Công dụng của giản đồ trạng thái
Từ giản đồ trạng thái có thể biết được:
- Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của hợp kim với
thành phần đã cho khi nung nóng và làm nguội.
 Xác định dễ dàng các chế độ nhiệt khi nấu luyện (để đúc),
khi gia công áp lực và nhiệt luyện;
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

21


3.3.1. Khái niệm về giản đồ trạng thái

- Trạng thái pha (gồm những pha nào, thành phần của mỗi
pha và tỷ lệ giữa những pha đó) của hệ hợp kim ở các nhiệt độ
và thành phần khác nhau.
 Dự đoán được tính chất của hợp kim đã cho để sử dụng
vào mục đích khác nhau.
Các chỉ dẫn trên giản đồ trạng thái vẫn là cơ sở cho các suy

luận, giải thích.

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

22


3.3.1. Khái niệm về giản đồ trạng thái
c, Cấu tạo của giản đồ trạng thái hai nguyên
- Đối với kim loại nguyên chất
Giản đồ pha của Fe
(Giản đồ một nguyên)

- Đối với hệ hợp kim 2 nguyên

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

23


3.3.1. Khái niệm về giản đồ trạng thái
+ Mỗi điểm trên giản đồ biểu
thị một hợp kim có thành phần
nhất định, hai đầu mút ứng với
hai nguyên chất (100%A + 0%B
và 100%B + 0%A).
+ Đường thẳng bất kỳ trên giản đồ ứng với sự biến đổi nhiệt
độ của một hợp kim . Ví dụ đường thẳng vẽ trên giản đồ ứng với
hợp kim 80%B + 20%A.
+ Khoảng diện tích giữa 2 trục tung được các đường phân

chia thành từng vùng có trạng thái pha giống nhau và được gọi
là vùng tổ chức.
+ Hợp kim có trục toạ độ rơi vào vùng nào đó sẽ có trạng
thái tương ứng và tổ chức tại vùng đó.
BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

24


3.3.1. Khái niệm về giản đồ trạng thái
+ Tỉ lệ (về số lượng) giữa các pha hoặc tổ chức được xác
định theo quy tắc đòn bẩy:
HK

Lượng pha trái
Lượng pha phải

=

Độ dài đoạn thẳng bên phải (đòn bên phải)
Độ dài đoạn thẳng bên trái (đòn bên trái)

BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT

25