Khai niệm HK giản đồ pha

Chương 3

KHÁI NIỆM HỢP KIM
& GIẢN ĐỒ PHA

HCMUT

Faculty
of Materials
Technology,Ho
Ho Chi
Chi Minh
of Technology
Faculty
of Materials
Technology,
MinhCity
CityUniversity
University
of Technology
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward14,
14, District
District 10,
City,
VietViet
NamNam
268 268
Ly Thuong
Kiet 

street, Ward
10,Ho
HoChi
ChiMinh
Minh
City,
38661320;
Fax:38661843
38661843 Copyright(c)
Copyright(c) 2000.
rights
reserved
.
Tell:Tell:
38661320;
Fax:
2000.AllAll
rights
reserved.


Chương 3
3.1. KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM
3.1.1. Định nghĩa hợp kim
3.1.2. Đặc tính của hợp kim
3.1.3 Các khái niệm cơ bản về hệ hợp kim
3.2 CÁC PHA VÀ TÍNH CHẤT CÁC PHA TRONG HỢP
KIM
3.2.1 Dung dịch rắn
3.2.2 Pha trung gian

3.2.3 Hỗ hợp cơ học
3.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM 2
NGUYÊN
3.3.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái
3.3.2 Giản đồ trạng thái 2 loại I
HCMUT

Faculty
of Materials
Technology,Ho
Ho Chi
Chi Minh
of Technology
Faculty
of Materials
Technology,
MinhCity
CityUniversity
University
of Technology
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward14,
14, District
District 10,
City,
VietViet
NamNam
268 268
Ly Thuong

Kiet 
street, Ward
10,Ho
HoChi
ChiMinh
Minh
City,
38661320;
Fax:38661843
38661843 Copyright(c)
Copyright(c) 2000.
rights
reserved
.
Tell:Tell:
38661320;
Fax:
2000.AllAll
rights
reserved.


Chương 3
3.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM 2 NGUYÊN
3.3.2 Giản đồ trạng thái 2 loại II
3.3.3 Giản đồ trạng thái 2 loại III
3.3.4 Giản đồ trạng thái 2 loại IV
3.4. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT – CACBON
3.4.1 Đặc điểm các nguyên (sắt - cacbon)
3.4.2 Tương tác giữa các bon và sắt

3.4.3 Dạng của dản đồ
3.4.4 Tổ chức tế vi của thép và gang theo giản đồ trạng
thái Fe - C

HCMUT

Faculty
of Materials
Technology,Ho
Ho Chi
Chi Minh
of Technology
Faculty
of Materials
Technology,
MinhCity
CityUniversity
University
of Technology
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward14,
14, District
District 10,
City,
VietViet
NamNam
268 268
Ly Thuong
Kiet 

street, Ward
10,Ho
HoChi
ChiMinh
Minh
City,
38661320;
Fax:38661843
38661843 Copyright(c)
Copyright(c) 2000.
rights
reserved
.
Tell:Tell:
38661320;
Fax:
2000.AllAll
rights
reserved.


3.1. KHÁI NIỆM 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
HCMUT

Faculty
of Materials
Technology,Ho
Ho Chi
Chi Minh
of Technology
Faculty
of Materials
Technology,
MinhCity
CityUniversity
University
of Technology
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward14,
14, District
District 10,
City,
VietViet
NamNam
268 268
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward
10,Ho

HoChi
ChiMinh
Minh
City,
38661320;
Fax:38661843
38661843 Copyright(c)
Copyright(c) 2000.
rights
reserved
.
Tell:Tell:
38661320;
Fax:
2000.AllAll
rights
reserved.


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.

HCMUT

Faculty
of Materials
Technology,Ho
Ho Chi
Chi Minh
of Technology
Faculty
of Materials
Technology,
MinhCity
CityUniversity
University
of Technology
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward14,
14, District
District 10,
City,
VietViet
NamNam
268 268
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward
10,Ho

HoChi
ChiMinh
Minh
City,
38661320;
Fax:38661843
38661843 Copyright(c)
Copyright(c) 2000.
rights
reserved
.
Tell:Tell:
38661320;
Fax:
2000.AllAll
rights
reserved.


3.1. KHÁI VỀ HỢP KIM
3.1.3 Các khái niệm cơ bản 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
- Tập hợp các pha, có thể ở trạng thái cân bằng hoặc không
cân bằng
+ Điều kiện:
- Mỗi pha trong đó phải đạt được giá trị năng lượng tự do bé

nhất.
(1): Cân bằng ổn định
(2): Giả cân bằng
(3): Không cân bằng
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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.
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.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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.

HCMUT

Faculty
of Materials
Technology,Ho
Ho Chi
Chi Minh
of Technology
Faculty
of Materials
Technology,
MinhCity
CityUniversity
University
of Technology
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward14,
14, District
District 10,

City,
VietViet
NamNam
268 268
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward
10,Ho
HoChi
ChiMinh
Minh
City,
38661320;
Fax:38661843
38661843 Copyright(c)
Copyright(c) 2000.
rights
reserved
.
Tell:Tell:
38661320;
Fax:
2000.AllAll
rights
reserved.


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 α , β ,
γ ...
hoặc A (B): trong đó: A – dung môi, B –
nguyên tố hoà tan.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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.

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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.

HCMUTA(B)

A(B)

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

B(A)


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:
1. Có cùng kiểu mạng;
2. Đường kính nguyên tử sai khác nhau ít (dưới
8% khi hoà tan vào Fe);
3. Các tính chất lý, hoá gần giống nhau nhất là
nhiệt độ chảy;
4. Có cùng hoá trị.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

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.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam

Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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…
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

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 AmBn;
- Có thể ở nhiều dạng liên kết khác nhau: Liên kết kim loại,
ion, đồng hoá trị.
- Khác vời các hợp chất hóa học thông thường, các pha trung
gian không hoàn toàn tuân theo quy luật hóa trị → không có
thành phần hóa học chính xác theo công thức.
- Các pha trung gian thường gặp là: pha xen kẽ, pha điện tử,
phan Laves, đó là các pha có liên kết kim loại.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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;
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


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
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


3.2.2 Pha Trung Gian
Mỗi giá trị này lại ứng với một kiểu mạng:
3
- Lập phương thể tâm (pha β)
2

21
- Lập phương phức tạp (pha γ )
13
7

4

- Lục giác xếp chặt (pha ε)

+ Thành phần hoá học có thể thay đổi trong phạm vi
hẹp;
+ Ở nhiệt độ thấp có tính dòn cao.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


3.2.2 Pha Trung Gian
VD: Ở hệ Cu - Zn có các pha điện tử sau:
- CuZn – pha β

1.1 + 2.1 3
=
1+1
2

- Cu5Zn8 – pha γ

1.5 + 2.8 21
=
5+8
13

- CuZn3 – pha ε

1.1 + 2.3 7
=
1+ 3
4

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.


3.2.2 Pha Trung Gian
c, Pha Laves
Pha tạo bởi hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính nguyên
tử rA/rB=1.2 (1.1-1.6) với công thức AB2 có kiểu mạng
A3: MgZn2, MgNi2 hay Al (MgCu2). Do giòn nên chỉ được
dùng trong hợp kim trung gian hoặc các pha hóa bền

HCMUT

Faculty
of Materials
Technology,Ho
Ho Chi
Chi Minh
of Technology
Faculty

of Materials
Technology,
MinhCity
CityUniversity
University
of Technology
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward14,
14, District
District 10,
City,
VietViet
NamNam
268 268
Ly Thuong
Kiet 
street, Ward
10,Ho
HoChi
ChiMinh
Minh
City,
38661320;
Fax:38661843
38661843 Copyright(c)
Copyright(c) 2000.
rights
reserved
.

Tell:Tell:
38661320;
Fax:
2000.AllAll
rights
reserved.

23


3.2.3 Hỗ 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.
HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.

3.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HỢP KIM 2 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.

HCMUT

Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh City University of Technology
268 Ly Thuong Kiet  street, Ward 14, District 10, Ho Chi Minh City, Viet Nam
Tell: 38661320; Fax: 38661843 Copyright(c) 2000. All rights reserved.