Bài giảng vô cơ hợp kim - Chương 3

36

Phần II
Hợp kim và biến đổi tổ chức
Chơng 3 Hợp kim và giản đồ pha
3.1. Cấ u trúc tinh thể của hợp kim
3.1.1. Khái niệ m về hợp kim
a. Đị nh nghĩ a
Hợ p kim là hỗn hợp của kim loại với một hoặc nhiề u kim loại hoặc á kim khác.
La tô ng= hợp kim Cu + Zn hợ p kim đơn giả n chỉ gồm 2 nguyê n tố
Gang: Fe+Mn+Si và C+P+S, nguyê n tố chí nh là Fe (kim loạ i) hợp kim phức tạ p.
Nguyê n tố kim loạ i chí nh (> 50%) đợc gọi là nề n hay nguyê n tố cơ së .
b. −u viƯ t cđa hỵ p kim so với kim loại
u
hợp
Hợ p kim: đ ộ bề n, đ ộ cứng, tí nh chống mà i mòn cao hơn, tí nh công nghệ tốt hơn: đúc, cắ t
gọ t, nhiệ t luyệ n đ ể hoá bề n tố t hơ n, rẻ hơn.
Kim loạ i nguyê n chấ t: dÉ n nhiƯ t, dÉ n ®iƯ n tèt (dâ y dẫ n, trang sức, điệ n cực Pt, Au)
c. Mộ t số khái niệ m
ã Pha: cù ng cấ u trú c, cù ng trạ ng thá i, cùng kiể u và thông số mạ ng, cá c tí nh chấ t cơ - lý hó a xá c đ ị nh, phâ n cá ch nhau bởi mặ t phâ n chia pha.
ã Cấ u tử là cá c phầ n độc lậ p có khối lợng không đổi, chúng tạ o nê n cá c pha trong hợp
kim.
ã Hệ là tậ p hợ p cá c pha, có thể ở câ n bằ ng hoặ c không câ n bằ ng.
3
ã Trạ ng thá i không câ n bằ ng (3) = không ổn đị nh: thờng
gặ p: khi tôicơ tí nh (bề n, cứng) cao hơn, xu
G
h ớ ng(1&2)
2
ã Trạ ng thá i giả ổ n đ ị nh (2) muố n sang (1) phả i thắ ng G
ã ổn đ ị nh (1).

1
d. Phâ n loạ i các tơ ng tá c
Chế tạ o hợ p kim = nấ u chả y % xá c đị nh rồi là m nguội.
Hì nh 3.1. Sơ đồ cá c vị trí
Từ pha lỏng đồng nhấ t khi là m nguội sẽ có tơng tá c tạ o
ổn đị nh (1), giả ổn đị nh (2)
nê n cá c pha khá c nhau.
và không ổn đ ị nh (3)
Tạ o thà nh hỗ n hợp cơ học A + B
tá c:
Khi có tơng tác: 2 trờng hợp xả y ra:
- hòa tan thà nh dung dị ch rắ n, tổ chức một pha nh kim loạ i nguyê n chấ t (hì nh 3.2b) dung
môi
- phả n ứ ng với nhau thà nh hợp chấ t hóa học, tạ o thà nh kiể u mạ ng mới khá c hẳ n.
3.1.2. Dung dị ch rắn
a. Khái niệ m - phâ n loạ i
phân loại
Đ/n: là hợ p kim trong đó 1 hay nhiề u nguyê n tố hoà tan và o mạ ng tinh thể của kim loạ i
chiế m đ a số đ ợc gọi là nề n. Dung môi chiế m đa số, nguyê n tố chiế m tỷ lệ í t hơn là chấ t
tan.
Đ/điể m: kiể u mạ ng của dung môi, nồng ®é chÊ t tan cã thĨ thay ®ỉi trong mét phạ m vi mà
khô ng là m mấ t đ i sù ®å ng nhÊ t ® ã . Dung dị ch rắ n là của B trong A: A(B), m¹ ng cđ a A.


xen kẽ 37
thay thế

Các kiể u: thay thế và xen kẽ (hì nh 3.3)

Hì nh 3.3. Sơ đồ sắp xếp nguyên tử hòa tan thay thế

và xen kẽ vào dung môi có mạng lập phơng tâm mặt,
mặt (100)
b. Dung dị ch rắ n thay thế
Đ/n: nguyê n tử chấ t tan thay thế vị trí nguyê n tử dung môi.
Đ/kiệ n: sai khá c dnguyê n tử khô ng quá 15%. Tí nh chấ t hoá lý tơng tự nhau.
Phâ n lo¹ i: theo giíi h¹ n h/tan gå m 2 loạ i: dd rắ n hoà tan có hạ n và dd rắ n hoà tan vô hạ n
theo sù ph© n bè ng/tư chÊ t tan, cã 2 loạ i: dd rắ n có tr/tự và dd rắ n o có tr/tự
Giớ i hạ n hò a tan là nồng độ chấ t tan lớn nhấ t mà vẫ n bả o tồn đ ợc mạ ng tinh thể .
Điề u kiệ n hoà tan vô hạn: chỉ cã thĨ (cã khi o) x¶ y ra khi tháa mà n cả 4 yế u tố sau:
tan

a-thay thế

Hì nh 3.5. Sự xô lệch mạng trong dd rắn:
a. hòa tan thay thÕ khi rht > rchđ,
b. hßa tan xen kÏ rht> rlỗ hổng

ban đầ u

Hì nh 3.4. Sơ đồ thay thế để tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn giữa hai kim loại A và B
1- cùng kiể u mạ ng,
2-đ ờng kí nh nguyê n tử khá c nhau Ý t (< 8%)
lftk → Ce ≤ 1,48,
3-tho¶ m· n giới hạ n nồng độ điệ n tử: ví dơ: m¹ ng lftm → Ce ≤ 1,36,
4-cã cï ng hoá trị , tí nh â m điệ n sai khá c nhau í t.
Ngoà i ra, tí nh lý - hóa (đặ c biệ t là nhiệ t độ chả y) giống nhau dễ tạ o thà nh dung dị ch
rắ n hò a tan vô hạ n. VÝ dơ : Ag - Au (m¹ ng A1, ∆r = 0,20%, cïng nhãm IB), Cu - Ni (m¹ ng
A1, r = 2,70%, IB và VIII), Fe - Cr (mạ ng A2, ∆r = 0,70%, VIB vµ VIII).
trË t tù:
Dung dị ch rắn có trật tự : cá c nguyê n tư chÊ t tan s¾ p xÕ p cã trậ t tự trong mạ ng tinh thể

dung mô i, (đợ c nguộ i rấ t chậ m trong khoả ng nO nhấ t đị nh). Đa số trờng hợp là không
trậ t tự.
c. Dung dị ch rắn xen kẽ
Đ/n: cá c nguyê n tử hòa tan nằ m xen kẽ và o cá c lỗ hổng trong mạ ng tinh thể dung môi.
Điề u kiệ n: bá n kí nh nguyê n tử chấ t tan phả i rấ t nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) và đôi khi
cả B (0,091nm) mới có khả nă ng xen kẽ và o cá c lỗ hổng giữa cá c nguyê n tử lớn nh Fe
(0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm),... Lỗ hổng lớn nhấ t trong mạ ng
A1 là loạ i 8 mặ t chỉ bằ ng 0,414dng/tử , ngoà i H, o có á kim nà o bỏ lọt đẩ y cá c nguyê n
tử chủ bao quanh già n ra, gâ y ra xô lệ ch mạ nh mạ ng (hì nh 3.5).
. chỉ có dung dị ch rắ n xen hò a tan có hạ n.
b-xen kẽ

d. Cá c đặ c tí nh của dung dị ch rắ n
Có kiể u mạ ng tinh thể của kim loạ i dung môi có đặ c trng cơ, lý, hãa tÝ nh cđa kim lo¹ i
nỊ n:
1) M¹ ng tinh thể , đơn giả n và xí t chặ t (A1, A2...) của kim loạ i với liê n kế t kim loạ i
2) Cơ tí nh giống kim loạ i cơ sở:


38

. dẻ o, có giả m đ i 1 chút song vẫ n đ ủ cao, dễ biế n dạ ng dẻ o, cá biệ t tă ng độ dẻ o: Cu(Zn)
vớ i 30%Zn còn dẻ o hơn cả Cu chi tiế t dậ p sâ u, đồ dá t = latông
. tă ng độ bề n, độ cứng, khả nă ng chị u tả i hơn hẳ n kim loạ i nguyê n chấ t
. nồ ng đ ộ chấ t tan cà ng lớn dẻ o cà ng giả m, bề n cà ng tă ng. Quá lớn gâ y ra giò n, dễ
bị gà y, vỡ chọn nồng độ thí ch hợp.
3) Dẫ n nhiƯ t, dÉ n ®iƯ n tèt nh−ng kÐ m hơn kim loạ i nguyê n chấ t, thay đổi tí nh chống ă n
mòn.
Dung dị ch rắ n là pha cơ bả n chiế m tới 90% thậ m chÝ 100% trong vË t liÖ u kÕ t cấ u.
3.1.3. Pha trung gian

Trê n giả n đồ pha 2 phí a là dung dị ch rắ n, ở giữa là cá c pha trung gian.
a. Bả n chấ t và phân loại
Đặ c đ iể m: 1) Có mạ ng tinh thể phức tạ p và khá c hẳ n với nguyê n tố thà nh phầ n
2) Có tỷ lệ chí nh xá c giữa cá c nguyê n tố theo công thức hóa học AmBn
3) Tí nh chấ t : khá c hẳ n cá c nguyê n tố thà nh phầ n giòn
4) Có nhiệ t độ chả y xá c đị nh, khi tạ o thà nh tỏa nhiệ t.
5) khá c vớ i cá c hợp chấ t hóa học thông thờng, cá c pha trung gian không hoà n toà n tuâ n
theo quy luậ t hó a trị khô ng có thà nh phầ n hóa học chí nh xá c theo công thức, có liê n
kế t kim loạ i. Cá c pha trung gian trong hợp kim thờng gặ p: pha xen kẽ , pha điệ n tử và pha
Laves.
b. Pha xen kẽ
Đ/n: Là pha tạ o nê n giữ a cá c kim loạ i chuyể n tiế p (có bá n kí nh nguyê n tư lín) víi c¸ c ¸
kim cã b¸ n kÝ nh nguyê n tử bé nh C, N, H (và B): cacbit, nitrit, hyđrit (và borit).
Đ/điể m: Mạ ng tinh thĨ cđ a pha xen kÏ ∈ t−¬ng quan kÝ ch thớc nguyê n tử giữa á kim (X)
và kim lo¹ i (M):. khi rX / rM < 0,59 → một trong ba kiể u mạ ng là A1, A2, A3 (tuy khô ng giữ
lạ i kiể u mạ ng vốn có nhng vẫ n mang đặ c điể m kim loạ i), cá c nguyê n tử á kim xen kẽ
và o cá c lỗ hổng trong mạ ng, tạ o nê n hợp chấ t với cá c công thức đơn giả n nh M4X, M2X.
. khi rX / rM > 0,59 → m¹ ng tinh thĨ phøc tạ p (đợc gọi là pha xen kẽ vớ i mạ ng
phứ c tạ p) t ơng ứng với công thức M3X, M7X3, M23X6.
T/chấ t: Nhiệ t đ ộ chả y rÊ t cao (th−êng > 2000 ÷ 3000oC), rÊ t cứng (HV > 2000 ữ 5000) và
giòn hó a bỊ n, n© ng cao tÝ nh chè ng mà i mòn và chị u nhiệ t của hợp kim.
H và N có kí ch thớc nguyê n tử nhá nª n rX / rM < 0,59, → Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N...
có mạ ng đơn giả n. C có rX / rM>0,57 nê n tạ o Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6,WC, TiC, Mo2C, VC
→ m¹ ng phø c t¹ p tă ng đ ộ cứ ng và tí nh chống mà i mòn của hợp kim.
c. Pha điệ n tử (Hum - Rothery)
Đ/n: Là pha có kiể u mạ ng xá c đị nh, tạ o thà nh với nồng độ điệ n tử N xá c đị nh (số điệ n
tử hó a trị /số nguyê n tử ): 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12), mỗi tỷ lệ øng víi mét cÊ u tró c
m¹ ng phø c tạ p nhấ t đị nh. Th ờng là hợp kim cđa Cu, Ag, Au víi Zn, Sn, Cd. Víi Cu1+,
Zn2+ ta cã :
Ce = 21/14 → pha β m¹ ng A1: CuZn, AgZn, AuZn (Ce=(1.1+1.2)/2=3/2)

Ce = 21/13 → pha γ m¹ ng lf phøc t¹ p: Cu5Zn8, Ag5Sn8 (Ce=(5.1+8.2)13=21/13)
(Ce=(1.1+3.2)/4=7/4=21/12)
Ce = 21/12 → pha ε, m¹ ng lgxc: CuZn3, AgZn3
d. Pha Laves
Đ/n: Pha tạ o bở i hai nguyê n tè A, B cã tû lƯ b¸ n kÝ nh nguyê n tử rA / rB = 1,2 (1,1 ữ 1,6)
ví i c« ng thø c AB2 cã kiĨ u mạ ng A3: MgZn2, MgNi2 hay A1 (MgCu2). Do giòn nê n chỉ
đ ợc dù ng trong HKTG hoặ c c¸ c pha ho¸ bỊ n.


39

3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
Đ/n: GĐP là giả n đ ồ biể u thị sự biế n đổi thà nh phầ n và trạ ng thá i pha ở câ n bằ ng theo
nhiệ t đ ộ và thà nh phầ n của hệ d ới á p suấ t không đổi (1 at).
Cá ch biể u diễ n:
Đặ c đ iể m: GĐP chỉ đ ú ng và phù hợp với hợp kim ở trạ ng thá i câ n bằ ng (nguội rấ t chậ m
hay ủ ), Cô ng dụng: xá c đ ị nh cấ u trúc của hợp kim, xá c đị nh no chả y, chuyể n biế n pha →
nÊ u lu n vµ xư lý nhiƯ t, gia công (biế n dạ ng, đúc, rè n, cá n, kÐ o,..), rÊ t quan träng.
3.2.1. Quy t¾ c pha và ứng dụng
Quy tắ c pha của Gibbs:
T= N-F+2 khi P=1at thì T=N-F+1
o
T=0 hệ bấ t biế n, cả % và n , lúc đó F = N + 1 (sè pha=sè cÊ u tư +1). VÝ dơ kim loạ i
nguyê n chấ t (N = 1) khi nóng chả y: T=1-2+1=0 nhiệ t độ không đổi.
Ví dụ, khi kÕ t tinh HK 2 nguyª n: (T = 2 - 2 + 1=1) kÕ t tinh h c nóng chả y
T=1:
trong khoả ng nhiệ t đ ộ h c %.
2:
T = 2: hƯ cï ng mét lóc có thể thay đổi cả hai yế u tố nhiệ t độ và thà nh phầ n
Đặ c điể m: T ≥ 0 → sè pha nhiÒ u nhÊ t của hệ (ở trạ ng thá i câ n bằ ng!) Fmax = N + 1 → hÖ

mét cÊ u tö Fmax = 2, hai cÊ u tö Fmax = 3, ba cÊ u tư Fmax = 4.
t¾ c
3.2.2. Quy tắc đòn bẩy
Đ/n: là quy tắ c cho phé p xá c đị nh tỷ lệ của cá c pha, cá c tổ chức trê n GĐP.
Biể u thức:
T
QA.XA=QB.XA
FA
XB
FB
XA
Trong vù ng 2 pha: đ iể m
khả o sá t cà ng gầ n pha nà o


M
thì tỷ lệ pha ấ y cµ ng lín
%α =
%β =

Xβ

Xβ

Xα

X α + Xβ

FA.XA=FB.XB
FA=FB(XB/XA)

Xα
Xα + X

%B
M.X=M .X

3.2.3. Giản đồ loại I
loại
Đ/n: Là GĐP củ a hƯ 2 cÊ u tư kh«ng cã bÊ t kỳ tơng tá c nà o với nhau.
Mô tả : AEB là đ ờ ng lỏ ng, CED (245oC) là đờng rắ n, là nhiệ t độ chả y (kế t tinh): B, A
(hì nh 3.9a), điể n hì nh là hệ Pb - Sb ở hì nh 3.9b. (Pb chả y 327oC), (Sb chả y- 631oC).
khoả ng giữ a hai đ ờ ng lỏ ng và đ ờ ng đặ c: khoả ng kế t tinh.
L

B

nhiệ t

nhiệ t

631
1

1

L
a

a

327

A

Pb+L

245
b

B+(A+B)

a)
100%A

L+Sb

E
[Pb+Sb]

A+
(A+B)

E
A+B

A+L

L+B

%B

100%B

Pb

a

13

b

b

Sb+[Pb+Sb]

b) 37

60
%Sb

Sb

Hì nh 3.9. Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I (a) và giản đồ pha Pb - Sb (b).
Hợp kim 1: 60%Sb + 40%Pb. Bắ t đầ u đông đặ c ở 1 (500oC), kế t thúc đông đặ c ở 2 (245oC)


40

+ > 500 C → lá ng hoµ n toµ n L, < 245 C rắ n hoà n toà n, trong khoả ng (500 ữ 245 C) 2 pha

(lỏng + rắ n) = (L + Sb). Khi là m nguội thì tinh thể B (Sb) tạ o thà nh cà ng nhiề u.
áp dụng quy tắc cá nh tay đò n:
n:
p
- tạ i đ iể m a tỷ lệ pha rắ n %Sb= aa/aa=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha lỏng %L=63,5%
- tạ i đ iể m b tỷ lệ pha rắ n %Sb= bb/bb= (60-13)/(100-13)=54%, pha lỏng %L=46%
áp dụng quy tắc pha: tạ i điể m 1& a T=2-2+1= 1 đông đặ c trong khoả ng nocó thể thay
p
đổi
trê n đ iể m 1 T=2-1+1=2 thay đổi cả % và no mà pha lỏng (hệ ) vẫ n bả o tồn
tạ i ® iĨ m cï ng tinh E T=2-3+1=0 → đông đặ c cùng tinh thì no không đổi giống KL ng/chÊ t
hay
L13%Sb → (Pb + Sb).
Ph¶ n ø ng cï ng tinh:
LE → (A + B)
Hỵ p kim cã thà nh phầ n ở chí nh đ iể m E hợp kim cùng tinh, có nhiệ t độ chả y thấ p nhấ t,
Hợ p kim < 13%Sb = HK tr−íc cï ng tinh, HK>13%Sb →sau cïng tinh (tự khả o sá t HKTCT)
3.2.4. Giản đồ loại II
Đ/n: là GĐP của hệ 2 cấ u tử hoà tan vô hạ n ở trạ ng thá i rắ n và lỏng (hì nh 3.10)
Hệ đ iể n hì nh Cu - Ni ở hì nh 3.10.a và hệ Al2O3 - Cr2O3 ở hì nh 3.10b.
Sơ đồ biểu diễn sự hình thành tổ chức khi kết tinh ở các nhiệt độ khác nhau.
o

o

0
1

1455

nhiệ t

1400
2

1
L+

1200

Cu

2

40

60
%Ni

80

L+

2100
2045
2000



20

L

2200

đ ờng

1083
1000

2266

nhiệ t độ ,

L

đ ờng

o

Ni



Al2O3

20

40

60
80
%Cr2O3

Cr2O3

Hì nh 3.12. Giản đồ loại III, hệ
Pb - Sn và sơ đồ hình thành
tổ chức khi kết tinh ở trạng
thái cân bằng của hợp kim

nhiệ t độ, oC

a)
b)
Hì nh 3.10. Giản đồ pha loại II, hệ Cu-Ni (a) và hệ Al2O3 - Cr2O3 (b).
3.2.5. Giản đồ loại III
Đ/n: Là giả n ® å pha cđa hƯ hai cÊ u tư, hßa tan có hạ n ở trạ ng thá i rắ n và có tạ o thà nh
cù ng tinh, hì nh 3.12. Hệ điể n hì nh là Pb-Sn. Dạ ng khá giống với giả n đồ loạ i I, khá c nhau
ở đ â y là
cá c dung dị ch rắ n có hạ n và
1
A
thay thế cho cá c cấ u tử A và
1
L+40%S
L
300
B.
2

2
245
B
AEB - đ ờng lỏ ng, ACEDBL
2

a
a
3
200
E
đ ờng rắ n.
C
183 D
13,3%Sn



4

19,2

61,9

100

97,5

G

+Sn

F

13,3 18,5
Pb
20

3

57
40

%Sn

60

40%Sn

80

Sn

+ T ơ ng tự nh giả n đ ồ loạ i I, nhiệ t độ chả y của HK giả m khi tă ng cấ u tử thứ hai.

4


41

+ Điể m cùng tinh E với phả n ứng cïng tinh : LE → [α+β] hay L61,9 → [α19,2+ β97,5]
+ HK < 61,9%Sn → tr−íc cïng tinh (tr¸ i E) và HK> 61,9%Sn HK sau cùng tinh (phả i E)
+ CF và DG là giới hạ n hòa tan. Độ hòa tan max ở nhiệ t độ cùng tinh 183oC
+ Có thể chia cá c hợ p kim củ a hệ thà nh ba nhóm sau.
ã Nhó m chø a rÊ t Ý t cÊ u tö thø hai (bê n trá i F, bê n phả i G), sau khi kÕ t tinh xong chØ cã
mét dung dị ch rắ n hoặ c , có đ ặ c tí nh nh giả n đồ loạ i II.
ã Nhóm có thà nh phầ n nằ m trong khoả ng (từ Fđế n C và D đế n G), no< CF và DG II&II.
ã Nhó m già u nguyê n tố HK (từ C đế n D), sau khi tiế t ra dung dị ch rắ n (C hay D), pha
lỏ ng cò n lạ i điể m cùng tinh E.
Khả o sá t HK 40%Sn củ a hệ Pb - Sn (hì nh 3.12).
- Trê n 245oC HK chả y lỏ ng hoà n toà n, ở 245oC hợp kim bắ t đầ u kế t tinh ra α2’ víi
13,3%Sn, ngi tiÕ p tơ c dung dị ch rắ n AC, pha lỏng còn lạ i AE chiề u tă ng lê n của
hà m l ợ ng Sn.
áp dụ ng quy tắ c đòn bÈ y: ë 200oC pha α chøa 18,5%Sn (a’) vµ L chøa 57%Sn (a’’),
%r¾ n= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8%
ë nhiƯ t ® é cïng tinh (LE → [αC + βD]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, vµ %α=48,7%
trong cï ng tinh %α=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% và %=54,5%

Hì nh 3.13. Tổ chức tế vi
của hợp kim Pb - Sb: a.
cïng tinh [α+β], mµu tèi lµ
α giµu Pb, b. trớc cùng
tinh với 40%Sn [ độc lập
là các hạt lớn màu đen bị
bao bọc bởi cùng tinh [+]

3.2.6. Giản đồ loại IV
Đ/n: Là GĐP hai cấ u tử có tạ o thà nh hợp chấ t hóa học
AmBn,
Dạ ng đ iể n hì nh là hệ HK Mg-Ca (hì nh 3.14) với

hợp chấ t hoá học ổn đị nh Mg4Ca3, = tổng của hai
giả n đ ồ loạ i I: Mg - Mg4Ca3 và Mg4Ca3-Ca. Đợc
khả o sá t nh 2 giả n đồ độc lậ p.

nhiệ t độ ,

Đ/điể m: hai loạ i dung dị ch rắ n : loạ i kế t tinh đầ u tiê n ở trê n 183oC và loạ i cùng kế t tinh
vớ i ở nhiệ t độ không đổi (183oC) và đợc gọi là cùng tinh (bỏ qua II).
Hì nh 3.13 là tổ chức tế vi của hai hợp kim hệ nà y.
L
Mg4Ca3+L

800

600

Mg+L
L+Mg4Ca3

516
400

Mg+Mg4Ca3

L+Ca
445
Mg4Ca3+Ca

55,3
Mg

Ca
20
60
40
80
Hì nh 3.14. Giản đồ loại IV, hệ Mg-Ca
%Ca
Trê n đ â y là bốn giả n đồ pha hai cấ u tử cơ bả n nhÊ t, thùc tÕ cßn cã nhiỊ u kiĨ u giả n
đ ồ pha phứ c tạ p với cá c phả n ứng khá c.

các
3.2.7. Cá c giản đồ pha với cá c phản ứng khác
phản ứng bao tinh (peritectic):L+R1R2.Ví dụ GĐP Fe-CL0,5+ 0,1 0,16
(peritectic):
GĐP vớ i cá c p


42

Đ/điể m: rắ n mới R2 nằ m giữa Lbt& R1 trê n GĐP, p/ứ bao tinh không xả y ra hoà n toà n, vì R2
tạ o thà nh bao bọc lấ y R1 tạ o nê n lớp mà ng ngă n cá ch không cho phả n ứng tiế p tục.
GĐP có phả n ứng cùng tí ch (eutectoid): R [R1+R2]
(eutectoid):
Đ/điể m: khá c với phả n ứng cùng tinh, cùng tí ch là pha rắ n 2 pha rắ n.
Ví dụ : GĐP Fe - C:
Fe(C)0,8 [Fe + Fe3C] (sẽ khả o sá t sau).
Sự tiế t pha khỏi dung dị ch rắ n
Tiế t pha II & II (hì nh 3.12) là cá c phầ n tử nhỏ mị n, phâ n tá n, phâ n bố đề u trong nề n
pha mĐ → ho¸ bỊ n → hã a bỊ n tiế t pha.
3.2.8. Quan hệ giữa dạ ng giả n đồ pha và tí nh chất của hợp kim

a. Tí nh chất các pha thành phần
Hợ p kim có tổ chøc mét pha → tÝ nh chÊ t cđa hỵp kim là tí nh chấ t của pha đó
HK có tổ chứ c bao gồ m hỗ n hợ p cđ a nhiỊ u pha th× tÝ nh chÊ t của hợp kim là sự tổ ng hợ p
hay kế t hợ p tí nh chấ t củ a cá c pha thà nh phầ n (không phả i là cộng đơn thuầ n), gồm cá c
trờng hợ p:
HK là DDR (dung dị ch rắ n) + cá c pha trung gian: Quan hÖ tÝ nh chÊ t - nång độ thô ng
th ờng đ ợ c xá c đị nh bằ ng thực nghiệ m.
Đ/điể m tí nh chấ t và sự hì nh thà nh:
Dung dị ch rắ n (tÝ nh chÊ t gÇ n gièng víi KL dung môi), thờng rấ t dẻ o, dai và mề m,
Pha trung gian : tÝ nh chÊ t kh¸ c hẳ n với cá c cấ u tử nguyê n chấ t: cứng hoặ c rấ t cứng, giòn.
Pha trung gian chØ xt hiƯ n khi ®−a cÊ u tư thứ hai và o với lợng v ợt quá giới hạ n hòa
tan.
pha:
b. Tí nh chất của hỗ n hợ p c¸ c pha: Quan hƯ tu n tÝ nh: hì nh 3.16, đơn giả n nhấ t
1

Tí nh chấ t của hỗn hợp : T = Ti X i , trong đó Ti và Xi là tí nh chấ t và tỷ lệ của pha i, đối
n

vớ i hỵp kim 2 pha: PHK = T1X1 + T2.X2 hay PHK = T1 + X2.(T2 - T1). Víi Xi ∈ GĐP (hì nh 3.16)
L

P

PB

PA

A+B
%B

A

B


P
P

+L
nhiệ t độ, P

nhiệ t độ, P

PB
PA

A

P


%B

B


P

+

%B

A

L
L+

L
L+

nhiệ t độ, P

A+L

nhiệ t độ, P

+L

L+B

B

L
L+AmBn


P

A

PAmBn
P

+AmBn
%B

AmBn

Hì nh 3.16. Tí nh chất của hợp kim và giản ®å pha - quan hÖ tuyÕn tÝ nh
q/hÖ tuyÕ n tí nh chỉ đ úng khi cù ng cỡ hạ t và cá c pha phâ n bố đề u ®Ỉ n.


43

nhiƯ t ®é, PΣ

n:.
Quan hƯ phi tu n: Trong tr− ờ ng hợp hạ t nhỏ đi hoặ c to lê n, tí nh chấ t đạ t đ ợc sẽ thay
đổi
tuỳ theo tr ờ ng hợ p: hạ t nhỏ di đ ộ dai tă ng = bề n
+L L
+ dẻ o tă ng
Chí nh vì thế mà tí nh chấ t của hợp kim có thể không
L+
còn tuâ n theo quan hệ tuyế n tí nh nhấ t là tạ i điể m

cùng tinh, cù ng tí ch và lâ n cậ n (hì nh 3.17).
P

Hì nh 3.17. Quan hƯ phi tu n gi÷ a tÝ nh chấ t và GĐP

A

P
+
%B

P

B

3.3. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C)
Giả n đ ồ pha Fe - C (chØ xÐ t hƯ Fe - Fe3C) kh¸ phức tạ p, rấ t điể n hì nh để minh họa cá c
t ơ ng tá c th ờng gặ p và đ ợc sử dụng rấ t nhiề u trong thực tế .
Ngoà i ra cò n có giả n đ ồ Fe - grafit là hệ câ n b» ng ỉn chđ u lµ dïng trong gang.
3.3.1. Tơ ng tác giữa Fe và C
Fe, khá dẻ o (dƠ biÕ n d¹ ng ngi), dai, tuy bỊ n, cøng h¬n Al, Cu nhiỊ u song vÉ n còn rấ t
thấ p so với yê u cầ u sử dụ ng.
Khi đa C và o Fe giữ a hó a bề n, rẻ hơn HK Fe-C trở nê n thông dụng
a. Sự hò a tan của C và o Fe
Tạ o dung dị ch rắn xen kẽ : bá n kí nh nguyê n tử rC = 0,077nm, rFe = 0,1241nm) → C chØ cã
thĨ hßa tan có hạ n và o Fe ở dạ ng dung dị ch rắ n xen kẽ .
Fe có 2 kiĨ u m¹ ng tinh thĨ : lftk A2 (no < 911oC - Fe và 1392 ữ 1539oC - Fe) và lftm A1
(911 ữ 1392oC - Fe), khả nă ng hòa tan cacbon và o cá c pha Fe khá c nhau:
mạng
Fe và Fe với mạng A2 tuy mậ t độ xế p thấ p, có nhiề u lỗ hổng, song mỗi lỗ hổng lạ i có
kí ch th ớc quá nhỏ (lỗ tá m mặ t có r = 0,02, lỗ bốn mặ t lớn hơn có r = 0,036), lín nhÊ t
cịng chØ b» ng 50% kÝ ch th ớc của nguyê n tử sắ t Fe chỉ hoà tan đ ợc 0,02%C và
Fe 0,1%C.
và

A1:
Fe và Fe, Fe với mạ ng A1: tuy có mậ t độ xế p cao hơn, nh ng lỗ hổng lạ i có kí ch th ớc
lớn hơ n (lỗ bố n mặ t r = 0,028nm, lỗ tá m mặ t r = 0,051nm), vẫ n còn hơi nhỏ nh ng nhờ cá c
nguyê n tử sắ t có thể già n ra Fe hòa tan đ ợc cacbon 2,14%C.
b. Tơ ng tá c hó a họ c giữa Fe và C
Austenit () là DDR của C trong Fe, mạ ng A1, g/hạ n hoà tan: 727oC -0,8%C, 1147oC2,14%C
Ferit () là DDR của C trong Fe, mạ ng A2, giới hạ n hoà tan: 20oC-0,006%C, 727oC-0,8%C
Fe3C là pha xen kẽ , cã kiĨ u m¹ ng phø c t¹ p, có thà nh phầ n 6,67%C + 93,33%Fe.
3.3.2. Giản đồ pha Fe - Fe3C và các tổ chức
a. Giản đồ pha Fe - Fe3C
Hì nh 3.18 với cá c ký hiệ u cá c tọa độ
(no, oC - %C) nh sau:
Mé t sè ®−ê ng cã ý nghÜ a thùc tế rất quan trọng:
- ABCD là đ ờng lỏng để xá c đ ị nh nhiệ t độ chả y đúc
- AHJECF là đ ờng rắ n kế t tinh hoà n toà n đúc.
- PSK (727oC) là đờng cùng tí ch nhiệ t luyệ n
- ES - giới hạ n hò a tan cacbon trong Feγ → ho¸ nhiƯ t lu n, nhiƯ t lu n.


44

- PQ - giớ i hạ n hò a tan cacbon trong Feα → nhiÖ t luyÖ n kÐ m quan trong h¬n
δ A
H

B

A (1539 - 0) B (1499 - 0,5)
J
C (1147 - 4,3) H (1499 - 0,10)

P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006)
1200
S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67)
E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67)
G (911 - 0)
F (1147 - 6,67)
J (1499 - 0,16) N (1392 - 0)

F+P
Q

γ+Xª II+Lª

γ+Xª II

1
0,8

2
2,14

3

4
%C →

K

Lª + Xª I

P+Xª II+Lª

P+Xª I

F

Lª + Xê I
727

peclit

S

L+Xê

C

1147

lê đê buri

A3
P

Fe

D

Acm

Hì nh 3.18. Giản đồ pha Fe - C500
(Fe - Fe3C)

+L
E



nhiệ t độ,
o
C

910 G

L

5
4,3

6
Fe3C

b. Các chuyể n biÕ n khi lµ m ng i chËm
- Chu n biÕ n bao tinh x¶ y ra ë 1499oC: δH + LB → γJ hay δ0,10+ L0,50 → γ0,16
(3.1)
o
- Chu n biÕ n cïng tinh x¶ y ra ë 1147 C: LC→ (γE + Xª ) hay L4,3 → (γ2,14+ Xª )
(3.2)

o
- Chu n biÕ n cï ng tÝ ch x¶ y ra ë 727 C: γS → [αP + Xª ] hay γ0,8 → [α0,02+ Xª ]
(3.3)
o
- Sù tiÕ t pha Fe3C d− ra khá i dung dÞ ch rắ n của cacbon: , n < ES Xê II và , no< PQ
Xê III.
c. Cá c tổ chức một pha
Ferit (, F đà nê u ở trê n, Ferit là pha tồn tạ i ở nhiệ t độ th− êng, tû lƯ cao nhÊ t (tíi 90%),
α F),
quan trọ ng đ ó i vớ i cơ tí nh cđ a hỵ p kim Fe - C. Tỉ chøc tế vi của ferit (xem hì nh 3.22) có
dạ ng cá c hạ t sá ng, đa cạ nh.
(C)],

Austenit [, A, Fe(C) đà nê u trê n, khá c với F, không có tí nh sắ t từ, chỉ tồn tạ i ở nhiệ t
o
đ ộ cao (> 727 C), chỉ tồ n tạ i ở nhiệ t độ cao hoặ c TKG austenit, 13,nhng lạ i có vai trò
quyế t đ ị nh trong biế n dạ ng nãng vµ nhiƯ t lu n.
TÝ nh chÊ t cđa : có tí nh dẻ o rấ t cao (mạ ng A1).
Nhê γ cã tÝ nh dỴ o cao → thể tiế n hà nh biế n dạ ng nóng mọi hợp kim Fe - C với C < 2,14%
Là m ng i austenit víi tèc ®é ≠ → tỉ chøc ≠ → c¬ tÝ nh ≠: nguéi chË m → P+F mỊ m,
ngi nhanh → mactenxit cøng. Tỉ chøc tế vi của gồm cá c hạ t sá ng, có thể với mà u
đậ m nhạ t khá c nhau đôi chút, có cá c đờng song tinh.
mentit X
Xê mentit (Xê , Fe3C): là pha xen kẽ với kiể u mạ ng phức tạ p có công thức Fe3C và thà nh
phầ n 6,67%C, cứng và giòn, cùng với ferit nó tạ o nê n cá c tổ chức khá c nhau của hợ p kim
Fe - C.
Ng ời ta phâ n biệ t 4 loạ i Xê :
- XeI tiÕ t ra tõ pha láng khi lµ m nguội HK > 4,3%C. Xê I có dạ ng thẳ ng, thô to (hì nh 3.24b)
đô i khi có thể thấ y đ ợc bằ ng mắ t thờng.

45

- XeII đ ợ c tạ o thà nh là m nguội theo đ ờng ES HK có 0,80<%C< 2,14, D¹ ng l−í i bao
quanh h¹ t γ (peclit) hì nh 3.23, l ới liê n tục là m giả m mạ nh tí nh dẻ o và dai của hợp kim,
l ớ i rá ch tă ng cứng và chị u mà i mòn tốt.
- XeIII đ ợ c tạ o thà nh khi là m nguội F dới đờng PQ, quá nhỏ thờng đợc bỏ qua.
- Xê cù ng tí ch đ ợc tạ o thµ nh do chu n biÕ n cïng tÝ ch → peclit, rÊ t quan träng, xÐ t sau.
Grafit chØ đợc tạ o thà nh trong gang vì có Si, khả o sá t trong gang sau nà y.
d. Cá c tỉ chøc hai pha
C]).
Peclit (cã thĨ ký hiƯ u bằ ng P, [Fe + Fe3C]
Đ/n: là hỗ n hợp cùng tí ch của F và Xê đ ợc tạ o thà nh từ phả n ứng cùng tí ch (3.3).
Đ/đ iể m: Trong P có 88% F và 12% Xê phâ n bố đề u kế t hợp dỴ o víi pha cøng → bỊ n
cao, cø ng nhng cũng đủ dẻ o, dai là vậ t liệ u kế t cấ u và công cụ tốt, gồm: P tấ m và peclit
hạ t.
Peclit tấ m (hì nh 3.21a): thờng gặ p hơn, F & Xê đề u ë d¹ ng tÊ m n» m xen kÏ nhau.
Peclit hạ t (hì nh 3.21b): í t gặ p hơn, Xê thu gọn lạ i thà nh dạ ng hạ t nằ m phâ n bố đ ề u trê n
nỊ n F. So ví i peclit tÊ m, peclit hạ t có độ bề n, độ cứng thấ p hơn, độ dẻ o, độ dai cao hơn
đ ô i chú t. Peclit hạ t thờng đ ợc tạ o thà nh khi giữ nhiệ t lâ u ở (600 ÷ 700oC).

H× nh 3.21. Tỉ chøc tÕ vi cđa:
a) Pec lit tấ m
b) Peclit hạ t
c) Lê đê burit
a)

b)

c)

Xe])
Lê đê burit (Lê hay [P + Xe trê n 727oC là [+Xê ] dới 727oC là [P+Xê ]
Hì nh 3.21: Lê = hỗn hợp của peclit tấ m (cá c hạ t tối nhỏ) trê n nề n xê mentit sá ng.
Lê đê burit cứ ng và giòn vì tỷ lệ Xê cao (%Xê =(4,3-0,8)/(6,67-0,8)=59,6%) và chỉ có trong
gang trắ ng.
3.3.3. Phâ n loại
a. Khái niệ m chung về thé p, gang
Thé p và gang đề u là hợp kim Fe-C, trong đó: < 2,14%C là thé p, 2,14%C là gang.
Đ/đ iể m: tấ t cả cá c thé p khi đ ợc nung nóng trê n đ ờng GSE tơng ứng đề u có 1 pha
Tí nh đ ú c của thé p là thấ p (no chả y cao, co nhiề u), í t đợc sử dụng để chế tạ o vậ t đúc.
Gang không thể nung nã ng ® Ĩ cã tỉ chøc mét pha γ mà bao giờ cũng còn Xê (hay grafit)
khô ng biế n dạ ng nguội lẫ n nóng đ ợc (kể cả loạ i đợc gọi là gang rè n), tí nh đ úc tốt.
b. Các loạ i thé p, gang theo giản đồ pha Fe - C
Thé p C: loạ i chỉ chứa C và 1 lợ ng không đá ng kể cá c nguyê n tố khá c, gåm 3 lo¹ i: ThÐ p tr− í c cïng tí ch: %C <0,8%, bê n trá i điể m S, tổ chức F (sá ng) + P (tối) (hì nh 3.22).
PhÇ n lí n thÐ p th− êng dïng là loại này mà tập trung ở loại 0,20%C rồi tiế p đế n 0,30 ữ
0,40%C. Khi %C %P ↑, → F ↓
- ThÐ p cï ng tÝ ch: thÐ p chø a 0,80%C → tæ chøc peclit.
- ThÐ p sau cï ng tÝ ch: ví i thµ nh phầ n > 0,80%C (thờng chỉ tới 1,50%, cá biệ t có thể tới
2.0 ữ 2,2%), tổ chức P+Xê II (h× nh 3.23).


46

H× nh 3.22. Tỉ chøc tÕ vi cđa
thÐp tr−íc cïng tÝ ch (x500):
a. 0,10%C,
b. 0,40%C,
c.0,60%C.
Gang:

Gang: t− ¬ ng øng víi GĐP Fe-C (Fe-Fe3C) là gang trắ ng, í t dùng vì quá cứng, giòn, không
thể gia cô ng cắ t đợc gồm 3 loạ i:
- Gang trắng trớ c cùng tinh víi %C< 4,3%, cã tỉ chøc P+ Xª II + Lê (hì nh 3.24a).
- Gang trắ ng cùng tinh có 4,3%C, đúng điể m C hay lâ n cậ n, với tổ chức chỉ là Lê (hì nh
3.21).
- Gang trắng sau cù ng tinh với > 4,3%C ở bê n phả i điể m C, có tổ chức Lê + Xê I (hì nh
3.24b).

Hì nh 3.23. Tổ chức tế vi
cđa thÐp sau cïng tÝ ch
H× nh 3.24. Tỉ chøc tÕ vi cđa gang tr¾ng (x500):
(1,20%C) (x500).
tr−íc cïng tinh (a) và sau cùng tinh (b)
c. Cá c điể m tới hạ n của thé p
A (từ tiế ng Phá p arrê t=dừng, c- chauffer=nung nóng, r- refroidir=là m nguội)
A vớ i 1, 2, 3, 4, và cm, chú ng đợc gọ i là cá c điể m (hay nhiệ t ®é) tíi h¹ n, gåm:
A1 - ®−êng PSK (727oC) ø ng ví i chu n biÕ n austenit ↔ peclit, có trong mọi loạ i thé p.
A3 - đờ ng GS (911 ữ 727oC) ứ ng với bắ t đầ u tiÕ t ra F khái γ khi lµ m nguội hay kế t thúc
hò a tan ferit và o austenit khi nung nã ng, chØ cã trong thÐ p trớc cùng tí ch.
Acm - đ ờng ES (1147 ữ 727oC) ứng với bắ t đầ u tiế t ra Xê II khỏi khi là m nguội hay kế t
thú c hòa tan Xê II và o khi nung nãng, chØ cã trong thÐ p sau cïng tÝ ch. A0- (210oC) - đ iể m
Curi củ a Xê , A2- (768oC) - ®iĨ m Curi cđa ferit,
Cïng mét thÐ p bao giê còng cã: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3...,