Chương 3:Giáo trình Khoa học vật liệu

Chia sẻ: Nguyễn Chí Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:32

0
398
lượt xem
169
download

Chương 3:Giáo trình Khoa học vật liệu

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu giáo trình Kỹ thuật công nghệ, bộ môn Khoa học vật liệu_ Chương: Hợp kim và biến đổi tổ chức_ Hợp kim và giản đồ pha.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 3:Giáo trình Khoa học vật liệu

  1. 80 PhÇn II Hîp kim vµ biÕn ®æi tæ chøc Ch­¬ng 3 Hîp kim vµ gi¶n ®å pha Trong thùc tÕ, ®Æc biÖt trong c¬ khÝ vµ x©y dùng, ng­êi ta kh«ng dïng thuÇn kim lo¹i nguyªn chÊt, nguyªn tè hãa häc vµ hîp chÊt hãa häc mµ th­êng lµ tæ hîp c¸c chÊt c¬ b¶n trªn. Khi hßa trén c¸c nguyªn tè, hîp chÊt hãa häc víi nhau b»ng c¸ch nÊu ch¶y láng chóng, trong qu¸ tr×nh lµm nguéi tiÕp theo c¸c chÊt ®­a vµo cã nh÷ng t­¬ng t¸c víi nhau, t¹o nªn cÊu tróc míi vµ do ®ã cã tÝnh chÊt kh¸c ®i, ®«i khi kh¸c h¼n, vËt liÖu trë nªn ®a d¹ng h¬n, thÝch øng h¬n trong sö dông. ChÝnh ch­¬ng nµy gi¶i quyÕt vÊn ®Ò ®ã cho hÖ hîp kim (vËt liÖu kim lo¹i) vµ c¸c nguyªn lý cho hîp kim còng hoµn toµn thÝch hîp vµ øng dông ®­îc cho hÖ vËt liÖu v« c¬ - ceramic vµ cã thÓ c¶ cho hÖ vËt liÖu h÷u c¬ - polyme. 3.1. CÊu tróc tinh thÓ cña hîp kim 3.1.1. Kh¸i niÖm vÒ hîp kim a. §Þnh nghÜa Hîp kim lµ vËt thÓ cña nhiÒu nguyªn tè vµ mang tÝnh kim lo¹i (dÉn ®iÖn, dÉn nhiÖt cao, dÎo, dÔ biÕn d¹ng, cã ¸nh kim). Hîp kim ®­îc t¹o thµnh trªn c¬ së kim lo¹i: gi÷a hai kim lo¹i víi nhau (nh­ lat«ng: Cu vµ Zn) mµ còng cã thÓ lµ gi÷a mét kim lo¹i víi mét ¸ kim (nh­ thÐp, gang: Fe vµ C), song nguyªn tè chÝnh vÉn lµ kim lo¹i, ®ã lµ hîp kim ®¬n gi¶n hay gi÷a nguyªn tè chÝnh lµ kim lo¹i víi hai hay nhiÒu nguyªn tè kh¸c, ®ã lµ hîp kim phøc t¹p. Nguyªn tè kim lo¹i chÝnh, chøa nhiÒu nhÊt (> 50%) ®­îc gäi lµ nÒn hay nguyªn tè chñ. Thµnh phÇn cña c¸c nguyªn tè trong hîp kim (vµ trong ceramic) th­êng ®­îc biÓu thÞ b»ng phÇn tr¨m khèi l­îng (khi b»ng phÇn tr¨m nguyªn tö ph¶i chØ ®Þnh râ kÌm theo), trong polyme ®­îc biÓu thÞ b»ng phÇn tr¨m thÓ tÝch. b. ­u viÖt cña hîp kim C¸c kim lo¹i nguyªn chÊt thÓ hiÖn râ ­u viÖt trong dÉn nhiÖt, dÉn ®iÖn v× chóng cã c¸c chØ tiªu nµy cao nhÊt nh­ c¸c d©y dÉn ®iÖn ®Òu ®­îc lµm b»ng nh«m, ®ång nguyªn chÊt. Tuy nhiªn trong chÕ t¹o c¬ khÝ, thiÕt bÞ, ®å dïng... c¸c vËt liÖu ®em dïng th­êng lµ hîp kim v× so víi c¸c kim lo¹i nguyªn chÊt nã cã c¸c ®Æc tÝnh phï hîp h¬n vÒ sö dông, gia c«ng vµ kinh tÕ. 1) Tr­íc hÕt c¸c vËt liÖu c¬ khÝ ph¶i cã ®é bÒn cao ®Ó chÞu ®­îc t¶i cao khi lµm viÖc nh­ng ®ång thêi còng kh«ng ®­îc gißn ®Ó dÉn ®Õn ph¸ hñy. C¸c kim lo¹i nguyªn chÊt nãi chung rÊt dÎo (rÊt dÔ d¸t máng, kÐo sîi ngay ë tr¹ng th¸i nguéi -
  2. 81 nhiÖt ®é th­êng) nh­ng cã ®é bÒn, ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn kÐm xa hîp kim (tõ vµi ba ®Õn hµng chôc lÇn). Nhê vËy khi dïng hîp kim tuæi bÒn cña m¸y, kÕt cÊu t¨ng lªn gÊp béi. Tuy nhiªn ®é bÒn, ®é cøng t¨ng lªn th­êng dÉn ®Õn lµm gi¶m ®é dÎo, ®é dai g©y ra gißn song vÉn ph¶i cßn ®ñ, tèt khi sö dông. QuyÕt ®Þnh chän ®é bÒn, ®é cøng cao ®Õn møc nµo bÞ h¹n chÕ bëi ®é dÎo vµ ®é dai cho phÐp cho mçi tr­êng hîp cô thÓ ®Ó võa cã thÓ chÞu t¶i tèt nhÊt võa kh«ng bÞ ph¸ hñy gißn. Nhê vËy cho ®Õn hiÖn nay hîp kim vÉn lµ lo¹i vËt liÖu cã sù kÕt hîp tèt nhÊt c¸c ®Æc tÝnh c¬ häc kÓ trªn víi tû lÖ ¸p ®¶o trong m¸y mãc vµ thiÕt bÞ. 2) TÝnh c«ng nghÖ ®a d¹ng vµ thÝch hîp. §Ó t¹o thµnh b¸n thµnh phÈm vµ s¶n phÈm, vËt liÖu ph¶i cã kh¶ n¨ng chÕ biÕn thÝch hîp vµ ®­îc gäi lµ tÝnh c«ng nghÖ. Kim lo¹i nguyªn chÊt tuy dÔ biÕn d¹ng dÎo nh­ng khã c¾t gät, ®óc vµ kh«ng hãa bÒn ®­îc b»ng nhiÖt luyÖn. Tr¸i l¹i, hîp kim víi nhiÒu chñng lo¹i kh¸c nhau cã thÓ cã c¸c tÝnh c«ng nghÖ ®a d¹ng phï hîp víi ®iÒu kiÖn riªng khi gia c«ng, chÕ t¹o s¶n phÈm cô thÓ. - HÇu nh­ mäi hîp kim ®Òu cã thÓ t¹o h×nh ®­îc b»ng mét trong hai ph­¬ng ph¸p: biÕn d¹ng dÎo: c¸n, kÐo, Ðp ch¶y (chñ yÕu cho c¸c b¸n thµnh phÈm dµi), rÌn (t¹o ph«i cho c¾t gät), dËp (thµnh s¶n phÈm) vµ ®óc (chñ yÕu cho c¸c s¶n phÈm cã h×nh d¹ng phøc t¹p). - Nãi chung hîp kim cã tÝnh gia c«ng c¾t nhÊt ®Þnh ®Ó b¶o ®¶m s¶n phÈm cã kÝch th­íc, h×nh d¹ng chÝnh x¸c, bÒ mÆt nh½n bãng, ®iÒu nµy ®Æc biÖt quan träng khi l¾p ghÐp víi nhau trong m¸y mãc, thiÕt bÞ. - NhiÒu hîp kim, ®Æc biÖt lµ thÐp (chiÕm tíi 90% tæng s¶n l­îng vËt liÖu kim lo¹i) rÊt nh¹y c¶m víi nhiÖt luyÖn ®Ó t¹o ra c¬ tÝnh ®a d¹ng phï hîp víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc vµ gia c«ng. 3) Trong nhiÒu tr­êng hîp, luyÖn hîp kim ®¬n gi¶n vµ rÎ h¬n so víi luyÖn kim lo¹i nguyªn chÊt, do kh«ng ph¶i chi phÝ ®Ó khö nhiÒu nguyªn tè lÉn vµo. Cã thÓ thÊy ®iÒu ®ã qua hai tr­êng hîp th­êng gÆp sau. - So víi luyÖn s¾t nguyªn chÊt, luyÖn hîp kim Fe - C (thÐp vµ gang) ®¬n gi¶n h¬n do nhiÖt ®é ch¶y thÊp h¬n (xem h×nh 3.18) vµ kh«ng ph¶i hay Ýt ph¶i khö bá cacbon trong s¶n phÈm cña lß cao. XÐt vÒ mÆt ®ßi hái ®é bÒn cao, viÖc luyÖn s¾t ®ßi hái khö bá cacbon vµ c¸c t¹p chÊt kh¸c mét c¸ch triÖt ®Ó kh«ng nh÷ng kh«ng cÇn thiÕt mµ cßn cã h¹i. - Khi pha Zn vµo kim lo¹i chñ Cu ta ®­îc lat«ng võa bÒn l¹i võa rÎ h¬n (do kÏm rÎ h¬n ®ång kh¸ nhiÒu). c. Mét sè kh¸i niÖm Khi kh¶o s¸t hîp kim còng nh­ c¸c vËt liÖu kh¸c, th­êng gÆp mét sè kh¸i niÖm míi cÇn ph©n ®Þnh cho râ. • CÊu tö lµ c¸c nguyªn tè (hay hîp chÊt hãa häc bÒn v÷ng) cÊu t¹o nªn hîp kim. VÝ dô lat«ng (hîp kim Cu-Zn) cã hai cÊu tö lµ Cu vµ Zn. NhiÒu khi cßn ph©n biÖt cÊu tö hßa tan víi cÊu tö dung m«i (môc 3.1.2a). • HÖ lµ tõ dïng ®Ó chØ mét tËp hîp vËt thÓ riªng biÖt cña hîp kim trong ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh hoÆc lµ mét lo¹t hîp kim kh¸c nhau víi c¸c cÊu tö gièng nhau. • Pha lµ tæ phÇn ®ång nhÊt cña hÖ (hîp kim) cã cÊu tróc vµ c¸c tÝnh chÊt c¬ - lý - hãa x¸c ®Þnh, gi÷a c¸c pha cã bÒ mÆt ph©n c¸ch. C¸c ®¬n chÊt, c¸c dung dÞch láng, c¸c dung dÞch r¾n, chÊt khÝ, c¸c d¹ng thï h×nh lµ c¸c pha kh¸c nhau. VÝ dô:
  3. 82 - N­íc ë 00C lµ hÖ mét cÊu tö (hîp chÊt hãa häc bÒn v÷ng H2O) vµ cã hai pha (pha r¾n: n­íc ®¸, pha láng: n­íc). - Chi tiÕt b»ng hîp kim Cu - Ni (h×nh 3.10b vµ 3.11) lµ hÖ hai cÊu tö (Cu vµ Ni) song chØ cã mét pha (dung dÞch r¾n cña hai kim lo¹i ®ã). • Tr¹ng th¸i c©n b»ng (æn ®Þnh) VÒ mÆt nhiÖt ®éng häc, tr¹ng th¸i c©n b»ng hay æn ®Þnh g¾n liÒn víi kh¸i niÖm vÒ n¨ng l­îng tù do lµ ®¹i l­îng phô thuéc vµo n¨ng l­îng dù tr÷ (néi n¨ng) cña hÖ còng nh­ møc ®é s¾p xÕp trËt tù cña c¸c nguyªn tö, ph©n tö. HÖ ë tr¹ng th¸i c©n b»ng (æn ®Þnh) khi c¸c pha cña nã ®Òu cã n¨ng l­îng tù do nhá nhÊt trong c¸c ®iÒu kiÖn vÒ nhiÖt ®é, ¸p suÊt vµ thµnh phÇn x¸c ®Þnh. §iÒu nµy còng cã nghÜa trong c¸c ®iÒu kiÖn ®ã c¸c ®Æc tÝnh (cÊu tróc, tÝnh chÊt) cña hÖ hoµn toµn kh«ng biÕn ®æi theo thêi gian, cø tån t¹i nh­ vËy m∙i m∙i. Th«ng th­êng hÖ víi c¸c pha ë tr¹ng th¸i c©n b»ng bao giê còng còng cã ®é bÒn, ®é cøng thÊp nhÊt, kh«ng cã øng suÊt bªn trong, x« lÖch m¹ng tinh thÓ Ýt nhÊt vµ ®­îc h×nh thµnh khi lµm nguéi víi tèc ®é chËm. H×nh 3.1. S¬ ®å biÓu thÞ c¸c vÞ trÝ æn ®Þnh (1), kh«ng æn ®Þnh (2) vµ gi¶ æn ®Þnh (3). • Tr¹ng th¸i kh«ng c©n b»ng (kh«ng æn ®Þnh) Khi thay ®æi nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt sÏ kÐo theo sù t¨ng n¨ng l­îng tù do, hÖ trë nªn kh«ng c©n b»ng, lóc ®ã rÊt cã thÓ hÖ cã biÕn ®æi ®ét ngét sang tr¹ng th¸i c©n b»ng míi víi n¨ng l­îng tù do nhá h¬n tøc lµ cã chuyÓn pha. Nãi chung tr¹ng th¸i (tæ chøc) kh«ng c©n b»ng lµ kh«ng æn ®Þnh, lu«n lu«n cã xu h­íng tù biÕn ®æi sang tr¹ng th¸i (tæ chøc) c©n b»ng, æn ®Þnh, nhÊt lµ khi bÞ nung nãng; tuy nhiªn trong nhiÒu tr­êng hîp, ë nhiÖt ®é th­êng qu¸ tr×nh biÕn ®æi nµy kh«ng nhËn thÊy ®­îc hay víi tèc ®é rÊt nhá nªn trong thùc tÕ tr¹ng th¸i kh«ng c©n b»ng nµy vÉn tån t¹i l©u dµi, mÆc dÇu vÒ mÆt lý thuyÕt kh«ng thÓ tån t¹i vÜnh viÔn. Tr¹ng th¸i (tæ chøc) kh«ng c©n b»ng cã ý nghÜa quan träng trong thùc tÕ v× th­êng ®¸p øng ®­îc c¸c yªu cÇu c¬ tÝnh (bÒn, cøng) cao h¬n. Tr¹ng th¸i kh«ng c©n b»ng ®­îc h×nh thµnh víi tèc ®é nguéi nhanh vµ rÊt nhiÒu hîp kim, ®Æc biÖt lµ thÐp ®­îc sö dông (lµm viÖc) ë tr¹ng th¸i nµy. • Tr¹ng th¸i gi¶ æn ®Þnh Còng tån t¹i kh¸i niÖm vÒ tr¹ng th¸i (tæ chøc) gi¶ æn ®Þnh khi tr¹ng th¸i c©n b»ng hay æn ®Þnh tuyÖt ®èi chØ tån t¹i trªn lý thuyÕt, ®ßi hái ph¶i lµm nguéi v« cïng chËm ®Õn møc rÊt khã x¶y ra trong thùc tÕ (xem vÝ dô ë hîp kim Fe - C, môc 3.3). VËy gi¶ æn ®Þnh thùc chÊt lµ kh«ng æn ®Þnh nh­ng thùc tÕ l¹i tån t¹i mét c¸ch æn ®Þnh ngay c¶ khi bÞ nung nãng trong mét ph¹m vi nµo ®ã. §Ó ph©n biÖt ba tr¹ng th¸i (tæ chøc) trªn cã thÓ dïng s¬ ®å ë h×nh 3.1: trong tù nhiªn viªn bi ë vÞ trÝ 1 lµ tr¹ng th¸i æn ®Þnh v× cã thÕ n¨ng (n¨ng l­îng dù
  4. 83 tr÷) nhá nhÊt; vÞ trÝ 2 râ rµng lµ kh«ng æn ®Þnh v× cã thÕ n¨ng lín nhÊt, dÔ dµng chuyÓn sang c¸c vÞ trÝ 1, 3; vÞ trÝ 3 ®­îc coi lµ gi¶ æn ®Þnh, cã thÕ n¨ng t­¬ng ®èi thÊp tuy cao h¬n vÞ trÝ 1 song khã hay kh«ng thÓ chuyÓn vÒ vÞ trÝ nµy do ph¶i v­ît qua mét hµng rµo n¨ng l­îng ∆G kh¸ lín. d. Ph©n lo¹i c¸c t­¬ng t¸c Ph­¬ng ph¸p chÕ t¹o hîp kim th«ng dông nhÊt lµ hßa trén (nÊu ch¶y råi lµm nguéi) c¸c cÊu tö. ë tr¹ng th¸i láng nãi chung c¸c cÊu tö ®Òu t­¬ng t¸c víi nhau t¹o nªn dung dÞch láng - pha ®ång nhÊt. Ng­êi ta ®Æc biÖt quan t©m ®Õn c¸c t­¬ng t¸c gi÷a c¸c cÊu tö ë tr¹ng th¸i r¾n v× chÝnh ®iÒu nµy míi quyÕt ®Þnh cÊu tróc vµ do ®ã tÝnh chÊt cña hîp kim. ë ®©y cã thÓ cã hai tr­êng hîp lín x¶y ra: kh«ng vµ cã t­¬ng t¸c víi nhau. Khi hai cÊu tö A vµ B kh«ng cã t­¬ng t¸c víi nhau, tøc "tr¬" víi nhau, c¸c nguyªn tö, ion cña tõng cÊu tö kh«ng ®an xen vµo nhau, chóng gi÷ l¹i c¶ hai kiÓu m¹ng cña c¸c cÊu tö thµnh phÇn, d­íi d¹ng c¸c h¹t riªng rÏ cña hai pha n»m c¹nh nhau víi tæ chøc tÕ vi biÓu thÞ ë h×nh 3.2a, hçn hîp A + B. Khi hai cÊu tö A vµ B cã t­¬ng t¸c víi nhau, tøc nguyªn tö cña c¸c cÊu tö ®an xen vµo nhau t¹o nªn mét pha duy nhÊt, kh«ng cßn l¹i c¸c h¹t riªng rÏ cña tõng cÊu tö, lóc nµy cã thÓ cã hai tr­êng hîp x¶y ra: - hßa tan thµnh dung dÞch r¾n, lóc ®ã hîp kim gi÷ l¹i mét trong hai kiÓu m¹ng ban ®Çu lµm nÒn, cã tæ chøc mét pha nh­ kim lo¹i nguyªn chÊt (h×nh 3.2b), H×nh 3.2. Tæ chøc tÕ vi cña hîp kim cña hai kim lo¹i: a.kh«ng t­¬ng t¸c víi nhau A+B, b. hßa tan víi nhau thµnh dung dÞch r¾n A(B). - ph¶n øng hãa häc víi nhau thµnh hîp chÊt hãa häc, lóc ®ã kh«ng cßn c¶ hai kiÓu m¹ng ban ®Çu, mµ t¹o nªn kiÓu m¹ng míi kh¸c h¼n. LÇn l­ît kh¶o s¸t hai kiÓu t­¬ng t¸c nµy. 3.1.2. Dung dÞch r¾n a. Kh¸i niÖm - ph©n lo¹i Gièng nh­ trong dung dÞch láng, cÊu tö nµo nhiÒu h¬n ®­îc gäi lµ dung
  5. 84 m«i vµ Ýt h¬n lµ chÊt tan, trong dung dÞch r¾n cßn ph©n biÖt chóng theo c¸ch: cÊu tö nµo gi÷ l¹i ®­îc kiÓu m¹ng ®­îc gäi lµ dung m«i, cßn c¸c nguyªn tö chÊt hßa tan s¾p xÕp l¹i trong m¹ng dung m«i mét c¸ch ®Òu ®Æn vµ ngÉu nhiªn. Nh­ vËy dung dÞch r¾n lµ pha ®ång nhÊt cã cÊu tróc m¹ng nh­ cña dung m«i (tøc cña nguyªn tè chñ) nh­ng víi thµnh phÇn (hay cßn gäi lµ nång ®é) cã thÓ thay ®æi trong mét ph¹m vi mµ kh«ng lµm mÊt ®i sù ®ång nhÊt ®ã. Ký hiÖu dung dÞch r¾n lµ A(B) cã kiÓu m¹ng cña A lµ cÊu tö dung m«i, B lµ cÊu tö hßa tan; nh­ vËy B(A) cã kiÓu m¹ng cña B lµ dung m«i, A - chÊt tan. C¸c nguyªn tö hßa tan ®­îc s¾p xÕp l¹i trong m¹ng tinh thÓ dung m«i theo hai kiÓu kh¸c nhau, t­¬ng øng víi hai lo¹i dung dÞch r¾n: thay thÕ vµ xen kÏ nh­ biÓu thÞ ë h×nh 3.3 trong ®ã c¸c vßng trßn g¹ch chÐo vµ t« ®en biÓu thÞ c¸c nguyªn tö hßa tan trong m¹ng cÊu tö dung m«i (vßng tr¾ng). Râ rµng ë ®©y yÕu tè h×nh häc cã ý nghÜa quan träng. H×nh 3.3. S¬ ®å s¾p xÕp nguyªn tö hßa tan thay thÕ vµ xen kÏ vµo dung m«i cã m¹ng lËp ph­¬ng t©m mÆt, mÆt (100) LÇn l­ît xÐt tõng lo¹i dung dÞch r¾n. b. Dung dÞch r¾n thay thÕ Trong dung dÞch r¾n thay thÕ c¸c nguyªn tö hßa tan chiÕm chç hay thay thÕ vµo ®óng c¸c vÞ trÝ nót m¹ng cña kim lo¹i chñ, tøc lµ vÉn cã kiÓu m¹ng vµ sè nguyªn tö trong « c¬ së ®óng nh­ cña cÊu tö dung m«i. VÒ mÆt h×nh häc cã thÓ thÊy sù thay thÕ nguyªn tö nµy b»ng nguyªn tö kh¸c Ýt nhiÒu ®Òu g©y ra x« lÖch m¹ng v× kh«ng cã hai nguyªn tè nµo cã ®­êng kÝnh nguyªn tö hoµn toµn gièng nhau, v× vËy sù thay thÕ chØ x¶y ra ®èi víi c¸c nguyªn tè cã kÝch th­íc nguyªn tö kh¸c nhau Ýt nh­ gi÷a c¸c kim lo¹i víi sù sai lÖch kh«ng qu¸ 15%. V­ît qu¸ giíi h¹n nµy sù thay thÕ lÉn nhau lµ rÊt khã v× lµm m¹ng x« lÖch qu¸ m¹nh, trë nªn mÊt æn ®Þnh. Sù thay thÕ trong dung dÞch r¾n th­êng chØ lµ cã h¹n v× nång ®é chÊt tan cµng t¨ng m¹ng cµng bÞ x« lÖch cho ®Õn nång ®é b∙o hßa, lóc nµy nÕu t¨ng n÷a sÏ t¹o nªn pha míi (dung dÞch r¾n kh¸c hay pha trung gian), nång ®é b∙o hßa ®ã ®­îc gäi lµ giíi h¹n hßa tan. Trong thùc tÕ cã mét sè cÆp kim lo¹i chóng cã thÓ hßa tan v« h¹n vµo nhau tøc t¹o nªn mét d∙y c¸c dung dÞch r¾n cã nång ®é thay ®æi mét c¸ch liªn tôc tõ 100%A + 0%B qua 50%A + 50 %B cho ®Õn 0%A + 100%B nh­ biÓu thÞ ë h×nh 3.4. Ng­êi ta nhËn thÊy cã bèn yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn kh¶ n¨ng hßa tan v« h¹n hay cã h¹n cña mét cÆp nguyªn tè (ë ®©y chØ lµ c¸c yÕu tè cÇn mµ ch­a ®ñ v×
  6. 85 kh«ng ph¶i cÆp nµo tháa m∙n c¶ bèn yÕu tè nµy còng t¹o thµnh dung dÞch r¾n v« h¹n) lµ c¸c t­¬ng quan sau. H×nh 3.4. S¬ ®å thay thÕ ®Ó t¹o nªn d·y dung dÞch r¾n liªn tôc (hßa tan v« h¹n) gi÷a hai kim lo¹i A vµ B khi l­îng B t¨ng dÇn: a. nguyªn tè A; b, c, d. d·y dung dÞch r¾n liªn tôc cña A vµ B; e. nguyªn tè B. - T­¬ng quan vÒ kiÓu m¹ng: nÕu cïng kiÓu m¹ng míi cã thÓ hßa tan v« h¹n, kh¸c kiÓu m¹ng chØ cã thÓ hßa tan cã h¹n. - T­¬ng quan vÒ kÝch th­íc: nÕu ®­êng kÝnh nguyªn tö sai kh¸c nhau Ýt (< 8%) míi cã thÓ hßa tan v« h¹n, sai kh¸c nhau nhiÒu (8 ÷ 15%) chØ cã thÓ hßa tan cã h¹n, sai kh¸c nhau rÊt nhiÒu (> 15%) cã kh¶ n¨ng kh«ng hßa tan lÉn nhau. - T­¬ng quan vÒ nång ®é ®iÖn tö (sè l­îng ®iÖn tö hãa trÞ tÝnh cho mét nguyªn tö): nÕu ®¹i l­îng nµy v­ît qu¸ gi¸ trÞ x¸c ®Þnh ®èi víi lo¹i dung dÞch r¾n ®∙ cho sÏ t¹o nªn pha kh¸c tøc dung dÞch r¾n chØ lµ cã h¹n. ChØ c¸c nguyªn tè cïng hãa trÞ míi cã thÓ hßa tan v« h¹n vµo nhau, c¸c nguyªn tè kh¸c nhau vÒ hãa trÞ chØ cã thÓ hßa tan cã h¹n. - T­¬ng quan vÒ tÝnh ©m ®iÖn. Trong hãa häc tÝnh ©m ®iÖn th­êng dïng ®Ó biÓu thÞ kh¶ n¨ng t­¬ng t¸c hãa häc t¹o thµnh ph©n tö. NÕu hai nguyªn tè cã tÝnh ©m ®iÖn kh¸c biÖt nhau rÊt nhiÒu dÔ t¹o nªn hîp chÊt hãa häc, pha trung gian, sÏ h¹n chÕ kh¶ n¨ng hßa tan vµo nhau thµnh dung dÞch r¾n vµ ng­îc l¹i. Hai t­¬ng quan sau cïng th­êng ®­îc ®¸nh gi¸ qua sù gÇn nhau trong b¶ng tuÇn hoµn: c¸c nguyªn tè ë trong cïng mét nhãm hay ë nh÷ng nhãm c¹nh nhau th­êng cã cÊu t¹o líp vá ®iÖn tö hãa trÞ, tÝnh ©m ®iÖn vµ c¸c ®Æc tÝnh lý - hãa (®Æc biÖt lµ nhiÖt ®é ch¶y) gièng nhau, dÔ t¹o thµnh dung dÞch r¾n hßa tan v« h¹n. ChØ cÇn kh«ng ®¹t mét trong bèn yÕu tè trªn dung dÞch r¾n t¹o thµnh chØ cã thÓ lµ cã h¹n. §a sè c¸c cÆp nguyªn tè t¹o nªn lo¹i dung dÞch r¾n nµy. C¸c cÆp nguyªn tè h×nh thµnh dung dÞch r¾n v« h¹n chØ cã thÓ x¶y ra gi÷a c¸c kim lo¹i, mét sè cÆp trong chóng tháa m∙n c¸c ®iÒu kiÖn kÓ trªn. VÝ dô: Ag - Au (m¹ng A1, ∆r = 0,20%, cïng nhãm IB), Cu - Ni (m¹ng A1, ∆r = 2,70%, IB vµ VIII), Feα - Cr (m¹ng A2, ∆r = 0,70%, VIB vµ VIII). Nãi chung sù ph©n bè nguyªn tö hßa tan trong m¹ng tinh thÓ chñ (dung m«i) lµ ®Òu ®Æn, cã tÝnh ngÉu nhiªn vµ ®­îc gäi lµ dung dÞch r¾n kh«ng trËt tù. Tuy nhiªn ë mét sè hÖ (vÝ dô hÖ Au - Cu) trong mét sè ®iÒu kiÖn (nhiÖt ®é, nång ®é) c¸c nguyªn tö hßa tan tuy vÉn ph©n bè ®Òu ®Æn song l¹i cã quy luËt (vÝ dô trong m¹ng A1, chóng chiÕm hoÆc lµ tÊt c¶ c¸c ®Ønh hoÆc lµ gi÷a tÊt c¶ c¸c mÆt bªn cña h×nh lËp ph­¬ng), lóc ®ã cã dung dÞch r¾n trËt tù víi thµnh phÇn (nång ®é) cè ®Þnh hay biÕn ®æi hÑp vµ cã tÝnh chÊt h¬i kh¸c (nãi chung lµ gißn h¬n).
  7. 86 c. Dung dÞch r¾n xen kÏ Trong dung dÞch r¾n xen kÏ c¸c nguyªn tö hßa tan ph¶i cã kÝch th­íc bÐ h¬n h¼n ®Ó cã thÓ “lät“ vµo lç hæng trong m¹ng cña kim lo¹i chñ (dung m«i), tøc lµ vÉn cã kiÓu m¹ng nh­ kim lo¹i chñ nh­ng sè nguyªn tö trong « c¬ së t¨ng lªn. Nh­ ®∙ nãi ë ch­¬ng 1, tÊt c¶ c¸c lç hæng ®Òu rÊt nhá nªn chØ mét sè ¸ kim víi b¸n kÝnh nguyªn tö bÐ nh­: hy®r« (0,046nm), nit¬ (0,071nm), cacbon (0,077nm) vµ ®«i khi c¶ bo (0,091nm) míi cã kh¶ n¨ng hßa tan xen kÏ vµo c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp cã b¸n kÝnh nguyªn tö lín nh­ s¾t (0,1241nm), cr«m (0,1249nm), vonfram (0,1371nm), m«lip®en (0,136nm), vana®i (0,132nm), titan (0,145nm)... Lç hæng lín nhÊt trong c¸c m¹ng tinh thÓ kim lo¹i lµ lo¹i t¸m mÆt cña A1 cã rlç / rchñ lµ 0,414, trong thùc tÕ trõ H ra kh«ng cã ¸ kim nµo nhá ®Õn møc võa kÝch th­íc nµy, tuy nhiªn vÉn cã thÓ chen vµo ë mét sè lç hæng vµ ®Èy c¸c nguyªn tö chñ bao quanh gi∙n ra, g©y ra x« lÖch m¹nh m¹ng (h×nh 3.5a). Do sè lç hæng nµy lµ cã h¹n vµ c¸c nguyªn tö ¸ kim kh«ng thÓ chui vµo mäi lç hæng cña m¹ng (v× nh­ thÕ sÏ g©y ra x« lÖch qu¸ m¹nh lµm mÊt æn ®Þnh) nªn dung dÞch r¾n xen kÏ kh«ng thÓ cã lo¹i hßa tan v« h¹n, chØ cã thÓ lµ lo¹i cã h¹n, h¬n n÷a ®é hßa tan th­êng lµ nhá vµ rÊt nhá. Cã thÓ thÊy râ ®iÒu nµy khi xÐt hîp kim Fe - C víi hai dung dÞch r¾n xen kÏ ®iÓn h×nh cña cacbon trong s¾t lµ austenit (môc 3.3.2c) vµ mactenxit (môc 4.2.4a). Sù thay thÕ còng g©y ra x« lÖch m¹ng, tïy theo quan hÖ kÝch th­íc nguyªn tö mµ c¸c nguyªn tö chñ bao quanh nguyªn tö hßa tan cã thÓ bÞ gi∙n ra khi rht > rchñ (h×nh 3.5b) hay co vµo khi rht < rchñ (h×nh 3.5c). H×nh 3.5. Sù x« lÖch m¹ng trong dung dÞch r¾n: a. hßa tan xen kÏ, b. hßa tan thay thÕ khi rht > rchñ, c. hßa tan thay thÕ khi rht
  8. 87 b¸n thµnh phÈm dµi tiÖn lîi cho sö dông [còng cã rÊt Ýt tr­êng hîp lµm t¨ng ®é dÎo mµ ®iÓn h×nh lµ dung dÞch r¾n Cu(Zn) víi 30%Zn cßn dÎo h¬n c¶ Cu (xem 6.2.2a)], - t¨ng ®é bÒn, ®é cøng, kh¶ n¨ng chÞu t¶i h¬n h¼n kim lo¹i nguyªn chÊt. Sù biÕn ®æi tÝnh chÊt nh­ trªn cµng m¹nh khi nång ®é chÊt tan cµng lín. Tuy nhiªn khi nång ®é nµy qu¸ lín, m¹ng bÞ x« lÖch qu¸ m¹nh, ®é bÒn, ®é cøng tuy t¨ng lªn m¹nh nh­ng ®é dÎo còng bÞ gi¶m m¹nh t­¬ng øng, g©y ra gißn, dÔ bÞ g∙y, vì. Do vËy cã thÓ t×m ®­îc nång ®é chÊt tan thÝch hîp cho c¸c yªu cÇu kh¸c nhau vÒ c¸c chØ tiªu c¬ tÝnh kÓ trªn vµ bao giê sö dông hîp kim còng cã lîi vÒ c¬ tÝnh h¬n kim lo¹i nguyªn chÊt. 3) Dung dÞch r¾n tuy còng cã tÝnh dÉn nhiÖt, dÉn ®iÖn song kÐm h¬n kim lo¹i nguyªn chÊt. Sù hßa tan còng cã thÓ lµm thay ®æi ®ét ngét ®iÖn thÕ ®iÖn cùc do ®ã cã ¶nh h­ëng tèt ®Õn tÝnh chèng ¨n mßn ®iÖn hãa (môc 5.5.2d). Trong tÊt c¶ c¸c hîp kim kÕt cÊu, dung dÞch r¾n bao giê còng lµ pha c¬ b¶n chiÕm trªn d­íi 90% thËm chÝ chØ cã pha nµy (100%). 3.1.3. Pha trung gian C¸c hîp chÊt hãa häc cã trong hîp kim th­êng ®­îc gäi lµ pha trung gian bëi v× trªn gi¶n ®å pha nã cã vÞ trÝ ë gi÷a, trung gian gi÷a c¸c dung dÞch r¾n cã h¹n ë hai ®Çu mót. a. B¶n chÊt vµ ph©n lo¹i Th­êng hiÓu hîp chÊt hãa häc t¹o thµnh tu©n theo quy luËt hãa trÞ. C¸c hîp chÊt nµy mang c¸c ®Æc ®iÓm sau. 1) Cã m¹ng tinh thÓ phøc t¹p vµ kh¸c h¼n víi nguyªn tè thµnh phÇn. 2) Lu«n lu«n cã tû lÖ chÝnh x¸c gi÷a c¸c nguyªn tè vµ biÓu diÔn b»ng c«ng thøc hãa häc AmBn víi m, n lµ c¸c sè nguyªn. 3) TÝnh chÊt kh¸c h¼n c¸c nguyªn tè thµnh phÇn víi ®Æc ®iÓm lµ gißn (kh¸c h¼n víi kim lo¹i). 4) Cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cè ®Þnh vµ khi t¹o thµnh táa ra mét l­îng nhiÖt ®¸ng kÓ. Trong hîp kim rÊt Ýt gÆp c¸c hîp chÊt víi hãa trÞ (th­êng gÆp nhiÒu trong vËt liÖu v« c¬ - ceramic) víi t­ c¸ch lµ pha tham gia quyÕt ®Þnh tÝnh chÊt (cã thÓ thÊy chóng trong hîp kim d­íi d¹ng vËt lÉn, t¹p chÊt nh­ «xyt, sunfit víi l­îng rÊt nhá). PhÇn lín c¸c hîp chÊt hãa häc trong hîp kim cã nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸c víi c¸c hîp chÊt hãa häc theo hãa trÞ nh­ sau. - kh«ng tu©n theo quy luËt hãa trÞ, - kh«ng cã thµnh phÇn hãa häc chÝnh x¸c (hay nãi ®óng h¬n dao ®éng trong mét kho¶ng quanh thµnh phÇn chÝnh x¸c theo c«ng thøc), - cã liªn kÕt kim lo¹i. C¸c pha trung gian trong hîp kim th­êng gÆp gåm cã: pha xen kÏ, pha ®iÖn tö vµ pha Laves. b. Pha xen kÏ Lµ pha t¹o nªn gi÷a c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp (cã b¸n kÝnh nguyªn tö lín) víi c¸c ¸ kim cã b¸n kÝnh nguyªn tö bÐ nh­ cacbon, nit¬, hy®r« (vµ bo): cacbit, nitrit, hy®rit (vµ borit). CÊu tróc m¹ng cña pha xen kÏ ®­îc x¸c ®Þnh bëi t­¬ng quan kÝch th­íc nguyªn tö gi÷a ¸ kim (X) vµ kim lo¹i (M): - nÕu rX / rM < 0,59 c¸c nguyªn tö kim lo¹i trong pha nµy s¾p xÕp theo mét
  9. 88 trong ba kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n th­êng gÆp lµ A1, A2, A3 (nh­ng kh«ng gi÷ l¹i kiÓu m¹ng vèn cã), cßn c¸c nguyªn tö ¸ kim xen kÏ vµo c¸c lç hæng trong m¹ng, t¹o nªn hîp chÊt víi c¸c c«ng thøc ®¬n gi¶n nh­ M4X, M2X, MX. - nÕu rX / rM > 0,59 sÏ t¹o nªn hîp chÊt víi m¹ng tinh thÓ phøc t¹p (®­îc gäi lµ pha xen kÏ víi m¹ng phøc t¹p) víi c¸c c«ng thøc phøc t¹p h¬n nh­ M3X, M7X3, M23X6. §Æc tÝnh næi bËt cña pha xen kÏ lµ cã nhiÖt ®é ch¶y rÊt cao (th­êng > 2000 ÷ 3000 C), rÊt cøng (HV > 2000 ÷ 5000) vµ gißn, cã vai trß rÊt lín trong hãa bÒn, o n©ng cao tÝnh chèng mµi mßn vµ chÞu nhiÖt cña hîp kim. Do hy®r« vµ nit¬ cã kÝch th­íc nguyªn tö kh¸ nhá nªn tû sè trªn < 0,59, c¸c hy®rit, nitrit ®Òu lµ pha xen kÏ m¹ng ®¬n gi¶n. C¸c nitrit Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N... ®­îc t¹o thµnh khi thÊm nit¬ n©ng cao m¹nh ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn cña thÐp. Do cacbon cã kÝch th­íc nguyªn tö lín h¬n nªn ngoµi t¹o thµnh pha xen kÏ cã kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n nh­ WC, TiC, Mo2C, VC chóng cßn t¹o nªn c¸c cacbit víi kiÓu m¹ng phøc t¹p nh­ Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6. C¸c cacbit trªn lµ thµnh phÇn chñ yÕu cña hîp kim cøng vµ cã trong c¸c thÐp cã t¸c dông lµm t¨ng ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn. c. Pha ®iÖn tö (Hum - Rothery) Lµ hîp chÊt hãa häc cã nång ®é ®iÖn tö N (sè ®iÖn tö hãa trÞ tÝnh cho mét nguyªn tö) x¸c ®Þnh lµ: 3/2 (21/14), 21/13 vµ 7/4 (21/12), mµ mçi tû lÖ øng víi mét cÊu tróc m¹ng phøc t¹p nhÊt ®Þnh. Víi nång ®é ®iÖn tö 3/2 ®­îc gäi lµ pha β víi kiÓu m¹ng lËp ph­¬ng t©m khèi hay lËp ph­¬ng phøc t¹p hoÆc s¸u ph­¬ng, víi nång ®é 21/13 ®­îc gäi lµ pha γ víi m¹ng phøc t¹p, víi nång ®é 7/4 ®­îc gäi lµ pha ε víi m¹ng s¸u ph­¬ng xÕp chÆt. Pha ®iÖn tö ®­îc t¹o thµnh bëi c¸c kim lo¹i gi÷a hai nhãm: hãa trÞ mét (Cu, Ag, Au, Li, Na) vµ chuyÓn tiÕp (Mn, Fe, Co...) víi hãa trÞ tõ hai ®Õn n¨m (Be, Mg, Zn, Cd, Al...). VÝ dô hÖ Cu - Zn t¹o nªn mét lo¹t pha ®iÖn tö: CuZn (pha β, N = 3/2), Cu5Zn8 (pha γ, N = 21/13), CuZn3 (pha ε, N = 7/4). d. Pha Laves T¹o nªn bëi hai nguyªn tè A, B cã tû lÖ b¸n kÝnh nguyªn tö rA / rB = 1,2 (cã thÓ biÕn ®æi trong kho¶ng 1,1 ÷ 1,6) víi c«ng thøc AB2 cã kiÓu m¹ng s¸u ph­¬ng xÕp chÆt nh­ MgZn2, MgNi2 hay lËp ph­¬ng t©m mÆt (MgCu2). Ngoµi c¸c pha trªn trong c¸c hîp kim ®«i khi cßn gÆp c¸c pha kh¸c nh­ σ, λ, δ, µ... Do ®Æc tÝnh næi bËt lµ gißn nªn kh«ng bao giê dïng hîp kim víi tæ chøc chØ cã mét pha duy nhÊt lµ pha trung gian. Trong c¸c hîp kim l­îng c¸c pha trung gian th­êng chiÕm tû lÖ nhá < 10% (®«i khi tíi 20 ÷ 30%), bªn c¹nh dung dÞch r¾n, cã t¸c dông c¶n tr­ît t¨ng ®é bÒn, ®é cøng. 3.2. Gi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu tö Tuy ®∙ biÕt t­¬ng t¸c cã thÓ x¶y ra gi÷a hai nguyªn tè, nh­ng qua ®ã còng kh«ng thÓ x¸c ®Þnh cô thÓ vµ chÝnh x¸c c¸c t­¬ng t¸c ®ã nÕu kh«ng dùa trªn c¸c thùc nghiÖm ®Ó x©y dùng c¸c gi¶n ®å pha cho tõng cÆp cô thÓ. Gi¶n ®å pha chÝnh lµ gi¶n ®å biÓu thÞ sù biÕn ®æi tæ chøc pha vµo nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn cña hÖ ë tr¹ng th¸i c©n b»ng. Nh­ vËy nãi chung gi¶n ®å pha chØ hoµn toµn ®óng vµ phï hîp víi hîp kim ë tr¹ng th¸i c©n b»ng (lµm nguéi rÊt chËm hay ë tr¹ng th¸i ñ), cßn
  10. 89 trong tr­êng hîp lµm nguéi th«ng th­êng (trong kh«ng khÝ) th­êng g©y ra Ýt nhiÒu sai kh¸c, kh«ng hoµn toµn hay kh«ng phï hîp víi gi¶n ®å pha. Tuy nhiªn gi¶n ®å pha vÉn lµ c¬ së x¸c ®Þnh cÊu tróc cña hîp kim ®∙ cho (øng víi thµnh phÇn vµ nhiÖt ®é x¸c ®Þnh), nh÷ng sai lÖch xuÊt hiÖn hoµn toµn cã thÓ lý gi¶i ®­îc. V× vËy gi¶n ®å pha lµ c«ng cô quan träng ®Ó kh¶o s¸t hîp kim (vµ ceramic), qua ®ã cã thÓ biÕt ®iÒu chÝnh yÕu nhÊt lµ cÊu tróc. BiÕt ®äc vµ ph©n tÝch gi¶n ®å pha lµ ®iÒu cÇn thiÕt c¬ së ®Ó hiÓu vµ sö dông tèt hîp kim vµ ceramic. Do h¹n chÕ vÒ thêi gian ë ®©y chØ tr×nh bµy gi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu tö, tøc chØ øng víi hîp kim ®¬n gi¶n. 3.2.1. Quy t¾c pha vµ øng dông Tr¹ng th¸i c©n b»ng cña hÖ ®­îc x¸c ®Þnh bëi c¸c yÕu tè bªn trong (thµnh phÇn hãa häc) vµ bªn ngoµi (nhiÖt ®é, ¸p suÊt), tuy nhiªn trong ®ã c¸c yÕu tè phô thuéc lÉn nhau. BËc tù do lµ sè l­îng c¸c yÕu tè ®éc lËp cã thÓ thay ®æi ®­îc trong giíi h¹n x¸c ®Þnh mµ kh«ng lµm thay ®æi tr¹ng th¸i cña hÖ, tøc lµ kh«ng lµm thay ®æi sè pha ®∙ cã. Quan hÖ gi÷a sè pha P (phase), sè cÊu tö C (component) vµ sè bËc tù do F (freedom) ®­îc x¸c ®Þnh b»ng ®Þnh luËt hay quy t¾c pha cña Gibbs (b»ng to¸n häc cã thÓ chøng minh ®­îc quy t¾c nµy). Do viÖc nghªn cøu vµ sö dông vËt liÖu th­êng diÔn ra trong khÝ quyÓn nªn ¶nh h­ëng cña ¸p suÊt kh«ng ®­îc tÝnh ®Õn nªn sè yÕu tè bªn ngoµi chØ cßn l¹i mét (lµ nhiÖt ®é) vµ quy t¾c pha cã d¹ng sau: F=C-P+1 NÕu F = 0 hÖ lµ v« biÕn, kh«ng cã yÕu tè nµo cã thÓ thay ®æi ®­îc, lóc ®ã P = C + 1 (sè pha nhiÒu h¬n sè cÊu tö lµ mét). VÝ dô kim lo¹i nguyªn chÊt (C = 1) khi nãng ch¶y hay kÕt tinh tån t¹i hai pha (P = 2, láng, r¾n), sè bËc tù do b»ng kh«ng (F = 1 - 2 + 1), ®iÒu nµy chøng tá kim lo¹i nguyªn chÊt kÕt tinh hay nãng ch¶y lu«n x¶y ra ë nhiÖt ®é kh«ng ®æi. NÕu F =1 hÖ lµ ®¬n biÕn, chØ cã mét yÕu tè (hoÆc lµ nhiÖt ®é hoÆc lµ thµnh phÇn) cã thÓ thay ®æi ®­îc, lóc ®ã P = C (sè pha b»ng sè cÊu tö). VÝ dô, hîp kim Cu - Ni ë nhiÖt ®é th­êng cã tæ chøc lµ dung dÞch r¾n, khi nung nãng sÏ ch¶y thµnh dung dÞch láng, vËy trong qu¸ tr×nh nãng ch¶y sè pha cña hîp kim lµ hai (dung dÞch r¾n, láng), sè bËc tù do b»ng mét (F = 2 - 2 + 1), ®iÒu nµy chøng tá qu¸ tr×nh trªn x¶y ra trong mét kho¶ng nhiÖt ®é (tøc lµ nhiÖt ®é biÕn ®æi) hoÆc lµ t¹i mét nhiÖt ®é nµo ®ã trong qu¸ tr×nh nãng ch¶y ta cã thÓ thay ®æi chót Ýt thµnh phÇn (thªm bít Cu, Ni) mµ vÉn gi÷ cho hîp kim ë tr¹ng th¸i hai pha nµy. NÕu F = 2 hÖ lµ nhÞ biÕn, cïng mét lóc cã thÓ thay ®æi c¶ hai yÕu tè nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn, lóc ®ã P = C - 1 (sè pha Ýt h¬n sè cÊu tö lµ mét). VÝ dô, phÇn lín c¸c hÖ hai cÊu tö ë tr¹ng th¸i láng ®Òu hßa tan v« h¹n vµo nhau nªn lóc ®ã chØ cã mét pha lµ dung dÞch láng vµ sè bËc tù do b»ng hai (F = 2 - 1 + 1), ®iÒu nµy chøng tá ë tr¹ng th¸i láng cña hÖ ta cã thÓ thay ®æi ®ång thêi nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn kh¸ dÔ dµng mµ vÉn chØ tån t¹i mét pha. RÊt th­êng gÆp c¸c tr­êng hîp kÓ trªn khi kh¶o s¸t gi¶n ®å pha. CÇn chó ý r»ng sè bËc tù do kh«ng thÓ cã gi¸ trÞ ©m, gi¸ trÞ nhá nhÊt lµ b»ng kh«ng, do vËy sè pha nhiÒu nhÊt cña hÖ ë tr¹ng th¸i c©n b»ng lµ Pmax = C + 1 tøc lµ kh«ng thÓ lín h¬n sè cÊu tö qu¸ mét ®¬n vÞ. Nh­ vËy trong hÖ mét cÊu tö Pmax = 2, hai cÊu tö Pmax
  11. 90 = 3, ba cÊu tö Pmax = 4...§iÒu nµy gióp Ých rÊt nhiÒu cho viÖc x¸c ®Þnh c¸c pha cña hÖ; vÝ dô trong hÖ hai cÊu tö tõ mét pha chØ cã thÓ t¹o ra tèi ®a hai pha kh¸c. 3.2.2. Gi¶n ®å pha vµ c«ng dông Gi¶n ®å pha (cßn gäi lµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i hay gi¶n ®å c©n b»ng) cña mét hÖ lµ c«ng cô ®Ó biÓu thÞ mèi quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é, thµnh phÇn vµ sè l­îng (tû lÖ) c¸c pha (hoÆc tæ chøc) cña hÖ ®ã ë tr¹ng th¸i c©n b»ng. C¸c hÖ cã gi¶n ®å pha kh¸c nhau vµ chóng ®­îc x©y dùng chØ b»ng thùc nghiÖm. Trong thùc tÕ kh«ng cã hai gi¶n ®å pha nµo gièng nhau hoµn toµn v× t­¬ng t¸c gi÷a c¸c cÊu tö x¶y ra rÊt phøc t¹p tõ kiÓu pha, c¸c ph¶n øng cho ®Õn nhiÖt ®é t¹o thµnh. HiÖn nay ng­êi ta ®∙ x©y dùng ®­îc hÇu hÕt c¸c hÖ hai cÊu tö gi÷a c¸c kim lo¹i, kim lo¹i víi ¸ kim vµ c¸c hÖ ba cÊu tö th­êng gÆp rÊt thuËn tiÖn cho viÖc tra cøu. HÖ mét cÊu tö kh«ng cã sù biÕn ®æi thµnh phÇn nªn gi¶n ®å pha cña nã chØ cã mét trôc, trªn ®ã ®¸nh dÊu nhiÖt ®é ch¶y (kÕt tinh) vµ c¸c nhiÖt ®é chuyÓn biÕn thï h×nh (nÕu cã) nh­ ë h×nh 3.6 cho tr­êng hîp cña s¾t. Gi¶n ®å pha hÖ hai cÊu tö cã hai trôc: trôc tung biÓu thÞ nhiÖt ®é, trôc hoµnh biÓu thÞ thµnh phÇn (th­êng theo % khèi l­îng) víi nh÷ng ®­êng ph©n chia c¸c khu vùc pha theo c¸c nguyªn t¾c sau: - Xen gi÷a hai khu vùc mét pha lµ khu vùc hai pha t­¬ng øng. - Mçi ®iÓm trªn trôc hoµnh biÓu thÞ mét thµnh phÇn x¸c ®Þnh cña hÖ. Theo chiÒu tõ tr¸i sang ph¶i tû lÖ cÊu tö B t¨ng lªn, cßn tõ ph¶i sang tr¸i tû lÖ cña cÊu tö A t¨ng lªn, hai ®Çu mót t­¬ng øng víi hai cÊu tö nguyªn chÊt: A (tr¸i), B (ph¶i). VÝ dô trªn h×nh 3.7 ®iÓm C øng víi thµnh phÇn cã 30%B (tû lÖ cña cÊu tö thø hai lµ phÇn cßn l¹i, tøc 70%A), ®iÓm D: 80%B + 20%A. H×nh 3.6. Gi¶n ®å pha H×nh 3.7. C¸c trôc cña gi¶n ®å pha hÖ hai cña s¾t. cÊu tö. - §­êng th¼ng ®øng bÊt kú biÓu thÞ mét thµnh phÇn x¸c ®Þnh nh­ng ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau. VÝ dô ®­êng th¼ng ®øng qua D biÓu thÞ sù thay ®æi nhiÖt ®é cña thµnh phÇn nµy (80%B +20%A). - Hai trôc tung chÝnh lµ gi¶n ®å pha cña tõng cÊu tö t­¬ng øng (tr¸i cho A, ph¶i cho B). Do ®­îc biÓu thÞ trªn mÆt ph¼ng mét c¸ch chÝnh x¸c nªn tõ gi¶n ®å pha
  12. 91 cña hÖ hai cÊu tö dÔ dµng x¸c ®Þnh ®­îc c¸c th«ng sè sau ®©y cho mét thµnh phÇn x¸c ®Þnh ë nhiÖt ®é nµo ®ã. • C¸c pha tån t¹i. C¨n cø vµo ®iÓm nhiÖt ®é - thµnh phÇn ®∙ cho (t¹m gäi lµ täa ®é) n»m trong vïng nµo cña gi¶n ®å pha sÏ cã tæ chøc pha t­¬ng øng víi vïng ®ã: n»m ë vïng mét pha, hîp kim cã tæ chøc mét pha; n»m trong vïng hai pha - cã tæ chøc hai pha. • Thµnh phÇn pha. NÕu täa ®é n»m trong vïng mét pha th× thµnh phÇn cña pha cÊu t¹o nªn hîp kim b»ng chÝnh thµnh phÇn cña hîp kim ®∙ chän. Khi täa ®é n»m trong vïng hai pha viÖc x¸c ®Þnh cã phøc t¹p h¬n: kÎ ®­êng n»m ngang (®¼ng nhiÖt) qua täa ®é nµy, hai giao ®iÓm cña nã víi hai ®­êng biªn giíi víi hai vïng mét pha gÇn nhÊt sÏ chØ râ thµnh phÇn cña tõng pha t­¬ng øng. • Tû lÖ (vÒ sè l­îng) gi÷a c¸c pha hoÆc tæ chøc. TiÕp theo cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc tû lÖ gi÷a chóng nhê quy t¾c ®ßn bÈy hay c¸nh tay ®ßn theo nguyªn t¾c sau: ba ®iÓm trªn (täa ®é vµ hai pha) t¹o nªn hai ®o¹n th¼ng mµ ®é dµi cña mçi ®o¹n biÓu thÞ tû lÖ t­¬ng ®èi cña pha ®èi diÖn trong hîp kim, hay mét c¸ch ®¬n gi¶n: l­îng pha tr¸i ®é dµi ®o¹n th¼ng ph¶i (®ßn bªn ph¶i) ------------------ = -------------------------------------------------- l­îng pha ph¶i ®é dµi ®o¹n th¼ng tr¸i (®ßn bªn tr¸i) gièng nh­ sù c©n b»ng cña ®ßn bÈy l­îng pha tr¸i x ®ßn tr¸i = l­îng pha ph¶i x ®ßn ph¶i (h×nh 3.8). H×nh 3.8. Sù c©n b»ng cña ®ßn bÈy. • Suy ®o¸n tÝnh chÊt cña hîp kim. Theo quy t¾c kÕt hîp th× tÝnh chÊt cña hîp kim Phk lµ tæng hîp tÝnh chÊt cña tõng pha Ppha theo tû lÖ bËc nhÊt n Phk = ∑ %pha.Ppha 1 Ngoµi ra tõ gi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu tö còng biÕt ®­îc: • NhiÖt ®é ch¶y (kÕt tinh): th­êng hîp kim nãng ch¶y (kÕt tinh) trong mét kho¶ng nhiÖt ®é (b¾t ®Çu vµ kÕt thóc) t­¬ng øng víi hai ®­êng ch¹y ngang suèt gi¶n ®å, ®­êng ch¹y ngang trªn ®­îc gäi lµ ®­êng láng - liquidus (ë cao h¬n ®­êng nµy hîp kim hoµn toµn ë tr¹ng th¸i láng), ®­êng ngang s¸t ë d­íi ®­îc gäi lµ ®­êng r¾n (hay ®­êng ®Æc) - solidus (ë thÊp h¬n ®­êng nµy hîp kim hoµn toµn ë tr¹ng th¸i r¾n). • C¸c chuyÓn biÕn pha. Sù xuÊt hiÖn hoÆc biÕn mÊt cña c¸c pha (khi nung vµ khi nguéi chËm) còng nh­ nhiÖt ®é x¶y ra, t­¬ng øng víi c¸c ®­êng ë d­íi ®­êng ®Æc.
  13. 92 • Dù ®o¸n c¸c tæ chøc t¹o thµnh ë tr¹ng th¸i kh«ng c©n b»ng (khi nguéi nhanh). V× vËy gi¶n ®å pha lµ c¨n cø kh«ng thÓ thiÕu khi nghiªn cøu c¸c hÖ hîp kim. Gi¶n ®å pha hai cÊu tö cña c¸c hÖ thùc tÕ cã lo¹i rÊt phøc t¹p, song dï phøc t¹p ®Õn bao nhiªu còng cã thÓ coi nh­ gåm nhiÒu gi¶n ®å c¬ b¶n gép l¹i. D­íi ®©y kh¶o s¸t mét sè d¹ng th­êng gÆp trong c¸c gi¶n ®å ®ã mµ c¸c cÊu tö ®Òu hßa tan v« h¹n vµo nhau ë tr¹ng th¸i láng, song kh¸c nhau vÒ t­¬ng t¸c ë tr¹ng th¸i r¾n víi vËn dông x¸c ®Þnh c¸c th«ng tin trªn cho c¸c tr­êng hîp cô thÓ. 3.2.3. Gi¶n ®å lo¹i I H×nh 3.9. D¹ng tæng qu¸t cña gi¶n ®å pha lo¹i I (a) vµ gi¶n ®å pha Pb - Sb (b). Lµ gi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu tö kh«ng cã bÊt kú t­¬ng t¸c nµo, chóng t¹o nªn hçn hîp riªng rÏ cña hai cÊu tö, cã d¹ng tæng qu¸t tr×nh bµy ë h×nh 3.9a vµ hÖ ®iÓn h×nh cã kiÓu nµy lµ hÖ ch× - antimoan (Pb - Sb) ë h×nh 3.9b. Gi¶n ®å chØ gåm cÆp ®­êng láng – r¾n, trong ®ã ®­êng trªn AEB lµ ®­êng láng, ®­êng n»m ngang d­íi CED (245oC) lµ ®­êng r¾n, A lµ nhiÖt ®é ch¶y (kÕt tinh) cña cÊu tö A (Pb víi 327oC), B - nhiÖt ®é ch¶y (kÕt tinh) cña cÊu tö B (Sb - 631oC). Hîp kim sÏ nãng ch¶y hay kÕt tinh trong kho¶ng gi÷a hai ®­êng nµy víi sù tån t¹i cña hai hay ba pha (pha láng víi mét hoÆc c¶ hai pha r¾n A, B). H∙y xÐt sù kÕt tinh cña mét hîp kim cô thÓ gåm 60%B (Sb) + 40%A (Pb). §­êng th¼ng ®øng biÓu thÞ hîp kim nµy c¾t c¸c ®­êng láng, r¾n t­¬ng øng ë 1 (500oC), 2 (245oC), ®ã lµ hai mèc nhiÖt ®é ®¸ng chó ý: + ë cao h¬n 1 (500oC) hîp kim ë tr¹ng th¸i láng hoµn toµn L, + ë thÊp h¬n 2 (245oC) hîp kim ë tr¹ng th¸i r¾n A +B (Pb + Sb), + ë trong kho¶ng 1 ÷ 2 (500 ÷ 245oC) hîp kim ë tr¹ng th¸i láng + r¾n: L + B (L + Sb) øng víi qu¸ tr×nh kÕt tinh hay nãng ch¶y. VËy 1 (500oC) lµ nhiÖt ®é b¾t ®Çu kÕt tinh hay kÕt thóc nãng ch¶y vµ 2 o (245 C) lµ nhiÖt ®é b¾t ®Çu nãng ch¶y hay kÕt thóc kÕt tinh. Sù kÕt tinh cña hîp kim tõ tr¹ng th¸i láng x¶y ra nh­ sau. - Lµm nguéi ®Õn 1 (500oC) hîp kim láng b¾t ®Çu kÕt tinh ra tinh thÓ B (Sb) còng ë nhiÖt ®é nµy øng víi 1’. - Lµm nguéi tiÕp tôc, tinh thÓ B (Sb) t¹o thµnh cµng nhiÒu lµm tû lÖ B (Sb) trong hîp kim láng cßn l¹i gi¶m ®i nªn ®iÓm biÓu diÔn (täa ®é) dÞch sang tr¸i theo
  14. 93 ®­êng láng tõ 1 ®Õn E. VÝ dô ë t 0 a (400oC) hîp kim láng (cßn l¹i) víi täa ®é ë ®iÓm a’’ (37%Sb) vµ tinh thÓ B víi täa ®é ë ®iÓm a’ tøc 100%B (100%Sb). ¸p dông quy t¾c c¸nh tay ®ßn, tû lÖ cña hai pha nµy lµ La’’ / Ba’ = aa' / aa'' hay L40 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 37) = 40 / 23 tøc pha láng 40 / 63 (63,5%), r¾n 23 / 63 (36,5%). - Khi lµm nguéi ®Õn ®­êng r¾n CED (245oC) hîp kim láng (cßn l¹i) nghÌo B (Sb) ®i n÷a vµ cã täa ®é ë ®iÓm E (13%Sb), cßn pha r¾n B (Sb) øng víi ®iÓm D. Tû lÖ cña hai pha nµy lµ LE / BD = 2D / 2E hay L13 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 13) = 40 / 47. tøc pha láng chØ cßn kho¶ng 46%, pha r¾n (Sb) ®∙ kÕt tinh lµ 54%. Cã nhËn xÐt lµ tuy cã hai cÊu tö A vµ B (Pb vµ Sb) nh­ng cho ®Õn ®©y hîp kim míi chØ kÕt tinh ra B (Sb) vµ míi chØ cã mét phÇn B (Sb) trong hîp kim (54 trong 60%) kÕt tinh, cÊu tö kia (A, Pb) ch­a kÕt tinh. - T¹i nhiÖt ®é cña ®­êng r¾n CED (245oC), LE (L13) kÕt tinh ra c¶ hai cÊu tö A+B (Pb + Sb) cïng mét lóc, hçn hîp cña hai pha r¾n ®­îc t¹o thµnh cïng mét lóc (®ång thêi) tõ pha láng nh­ vËy ®­îc gäi lµ cïng tinh (cïng kÕt tinh) hay eutectic LE → (A + B) hay L13 → (Pb + Sb). §ã lµ ph¶n øng cïng tinh. Quy ­íc biÓu thÞ tæ chøc cïng tinh trong ngoÆc ®¬n - ( ). Sù kÕt tinh kÕt thóc ë ®©y vµ khi lµm nguéi ®Õn nhiÖt ®é th­êng kh«ng cã chuyÓn biÕn g× kh¸c. Cuèi cïng hîp kim nµy cã tæ chøc B + (A + B) hay Sb + (Pb + Sb), trong ®ã B (Sb) ®­îc t¹o thµnh tr­íc ë nhiÖt ®é cao h¬n nªn cã kÝch th­íc h¹t lín (®é qu¸ nguéi nhá) cßn cïng tinh (A + B) hay (Pb + Sb) ®­îc t¹o thµnh sau ë nhiÖt ®é thÊp h¬n nªn cã cÊu t¹o (kÝch th­íc h¹t) c¸c pha nhá mÞn h¬n (do ®é qu¸ nguéi lín). Cã thÓ tÝnh dÔ dµng tû lÖ c¸c pha vµ tæ chøc cña hîp kim 60%Sb + 40%Pb nh­ sau: - tû lÖ vÒ pha Pb / Sb = (100 - 60) / (60 - 0) = 40 / 60 hay 40%Pb, 60%Sb, - tû lÖ vÒ tæ chøc Sb / (Pb+Sb) = (60 - 13) / (100 - 60) = 47 / 40 hay 54% lµ Sb (®éc lËp) cßn l¹i 46% lµ cïng tinh (Pb + Sb). T­¬ng tù b»ng c¸c nguyªn t¾c ®∙ nªu ë môc 3.2.2 cã thÓ biÕt ®­îc diÔn biÕn kÕt tinh (sù t¹o thµnh c¸c tæ chøc) cña mäi hîp kim cña hÖ. VÝ dô, lo¹i 90%Pb + 10%Sb sÏ kÕt tinh ra ch× (Pb) tr­íc cho ®Õn 245oC còng kÕt tinh ra cïng tinh (Pb + Sb). Nh­ vËy c¸c hîp kim cña gi¶n ®å lo¹i I kÕt tinh theo thø tù sau: “tho¹t tiªn pha láng kÕt tinh ra mét trong hai cÊu tö nguyªn chÊt tr­íc vµ lµm cho pha láng nghÌo cÊu tö nµy vµ biÕn ®æi thµnh phÇn ®Õn ®iÓm cïng tinh E, ®Õn ®©y pha láng cßn l¹i míi kÕt tinh ra cÊu tö thø hai tøc ra hai cÊu tö cïng mét lóc “. Ngoµi ra cã nhËn xÐt lµ tho¹t tiªn khi ®­a thªm cÊu tö kh¸c vµo cÊu tö bÊt kú ®Òu lµm cho nhiÖt ®é kÕt tinh gi¶m ®i, ®¹t ®Õn gi¸ trÞ thÊp nhÊt sau ®ã míi t¨ng lªn. Quy ­íc: • Hîp kim cã thµnh phÇn ë chÝnh ®iÓm E hay l©n cËn ®­îc gäi lµ hîp kim cïng tinh hay eutectic (cã nhiÖt ®é ch¶y thÊp nhÊt, thÊp h¬n c¶ cÊu tö dÔ ch¶y nhÊt), nã kÕt tinh ngay ra hai cÊu tö cïng mét lóc vµ ë nhiÖt ®é kh«ng ®æi. • Hîp kim cã thµnh phÇn ë bªn tr¸i, bªn ph¶i ®iÓm E ®­îc gäi lÇn l­ît lµ
  15. 94 hîp kim tr­íc cïng tinh (hay hypoeutectic), sau cïng tinh (hay hypereutectic), so víi lo¹i cïng tinh chóng cã nhiÖt ®é ch¶y cao h¬n, kÕt tinh ra mét cÊu tö tr­íc vµ x¶y ra trong mét kho¶ng nhiÖt ®é. 3.2.4. Gi¶n ®å lo¹i II H×nh 3.10. D¹ng tæng qu¸t cña gi¶n ®å pha lo¹i II (a) vµ c¸c gi¶n ®å pha hÖ Cu - Ni (b), hÖ Al2O3 - Cr2O3 (c). Lµ gi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu tö víi t­¬ng t¸c hßa tan v« h¹n vµo nhau, cã d¹ng tæng qu¸t tr×nh bµy ë h×nh 3.10a vµ c¸c hÖ ®iÓn h×nh cã kiÓu nµy lµ hÖ ®ång - niken (Cu - Ni) ë h×nh 3.10.b vµ hÖ Al2O3 - Cr2O3 ë h×nh 3.10c, cã d¹ng cña hai ®­êng cong khÐp kÝn, trong ®ã ®­êng trªn lµ ®­êng láng, ®­êng d­íi lµ ®­êng r¾n, d­íi ®­êng r¾n lµ vïng tån t¹i cña dung dÞch r¾n α cã thµnh phÇn thay ®æi liªn tôc. C¸c hîp kim cña hÖ nµy cã quy luËt kÕt tinh rÊt gièng nhau: “nÕu lÊy ®¬n vÞ ®o lµ l­îng cÊu tö thµnh phÇn khã ch¶y h¬n th× tho¹t tiªn hîp kim láng kÕt tinh ra dung dÞch r¾n giµu h¬n, v× thÕ pha láng cßn l¹i bÞ nghÌo ®i, song khi lµm nguéi chËm tiÕp tôc dung dÞch r¾n t¹o thµnh biÕn ®æi thµnh phÇn theo h­íng nghÌo ®i vµ cuèi cïng ®¹t ®óng nh­ thµnh phÇn cña hîp kim“. H∙y xÐt sù kÕt tinh cña mét hîp kim cô thÓ 35%Ni + 65%Cu nh­ ë h×nh 3.11. - ë 1300oC øng víi ®iÓm 1 (n»m trong vïng L), hîp kim ë tr¹ng th¸i láng (ch­a kÕt tinh), tr¹ng th¸i nµy tån t¹i cho ®Õn ®iÓm 2. ë 1270oC øng víi ®iÓm 2 (ch¹m vµo ®­êng láng), hîp kim b¾t ®Çu kÕt tinh ra dung dÞch r¾n α2’’ (49%Ni). TiÕp tôc lµm nguéi chËm, l­îng α cµng nhiÒu lªn, L cµng Ýt ®i vµ thµnh phÇn cña hai pha nµy biÕn ®æi t­¬ng øng theo ®­êng r¾n vµ ®­êng láng theo chiÒu gi¶m cña Ni (lµ cÊu tö khã ch¶y h¬n).
  16. 95 - Cã thÓ tÝnh dÔ dµng tû lÖ gi÷a hai pha nµy ë nhiÖt ®é x¸c ®Þnh, vÝ dô ë ®iÓm 3, 1250oC. Víi ba täa ®é: hîp kim 3 - 35%Ni vµ hai pha: láng 3’ - 30%Ni, dung dÞch r¾n α 3’’ - 43%Ni H×nh 3.11. S¬ ®å biÓu diÔn sù h×nh thµnh tæ chøc khi kÕt tinh ë tr¹ng th¸i c©n b»ng cña hîp kim 35%Ni + 65%Cu. L3’ / α3’’ = 33’’ / 33’ = (43 - 35) / (35 - 30) = 8 / 5, L3’ = 33’’ / 3’3’’ = (43 - 35) / (43 - 30) = 8 / 13 = 0,615 hay 61,5%, α3'' = 33’ / 3’3’’ = (35 - 30) / (43 - 30) = 5 / 13 = 0,385 hay 38,5%. - §Õn 1220oC øng víi ®iÓm 4 (ch¹m vµo ®­êng r¾n), dung dÞch r¾n α cã thµnh phÇn øng víi ®iÓm 4 tøc ®óng b»ng thµnh phÇn cña hîp kim, ®o¹n 33’’ (bªn ph¶i) b»ng kh«ng tøc kh«ng cßn pha láng (lóc ®ã cã thÓ coi cßn mét giät láng øng víi ®iÓm 4’ víi 23%Ni, khi giät láng nµy kÕt tinh xong sù kÕt tinh coi nh­ ®∙ kÕt thóc). Nh­ vËy lóc ®Çu cã kh¸c xa, song trong qu¸ tr×nh kÕt tinh dung dÞch r¾n t¹o thµnh biÕn ®æi dÇn dÇn vÒ ®óng thµnh phÇn cña hîp kim. Tuy nhiªn ®iÒu nµy chØ ®¹t ®­îc khi kÕt tinh c©n b»ng tøc khi lµm nguéi chËm vµ rÊt chËm nhê kÞp x¶y ra khuÕch t¸n lµm ®Òu thµnh phÇn. NÕu lµm nguéi nhanh, do kh«ng kÞp khuÕch t¸n lµm ®Òu thµnh phÇn, trong mçi h¹t dung dÞch r¾n t¹o thµnh sÏ cã nhiÒu líp víi c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau: ë trung t©m giµu cÊu tö khã ch¶y h¬n c¶, cµng gÇn biªn giíi cµng nghÌo ®i. HiÖn t­îng nµy ®­îc gäi lµ thiªn tÝch trong b¶n th©n h¹t. §Ó tr¸nh nã ph¶i tiÕn hµnh nguéi chËm khi ®óc hay kh¾c phôc b»ng c¸ch ñ khuÕch t¸n vËt ®óc ë nhiÖt ®é gÇn ®­êng r¾n. Trong gi¶n ®å lo¹i I còng cã thÓ x¶y ra thiªn tÝch víi kiÓu kh¸c gäi lµ thiªn tÝch theo khèi l­îng khi hai cÊu tö cã khèi l­îng riªng kh¸c nhau râ rÖt, cÊu tö kÕt tinh tr­íc nÕu nhÑ h¬n th× næi lªn, nÕu nÆng h¬n th× ch×m xuèng d­íi thái. §Ó tr¸nh nã ph¶i tiÕn hµnh nguéi nhanh khi ®óc vµ mét khi ®∙ bÞ thiªn tÝch lo¹i nµy kh«ng cã c¸ch g× kh¾c phôc ®­îc.
  17. 96 3.2.5. Gi¶n ®å lo¹i III Lµ gi¶n ®å pha cña hai cÊu tö víi t­¬ng t¸c hßa tan cã h¹n vµo nhau, cã d¹ng tæng qu¸t ®­îc tr×nh bµy ë h×nh 3.12a vµ hÖ ®iÓn h×nh cã kiÓu nµy lµ hÖ ch× - thiÕc (Pb - Sn) ë h×nh 3.12b. Gi¶n ®å cã d¹ng kh¸ gièng víi gi¶n ®å lo¹i I víi sù kh¸c nhau ë ®©y lµ c¸c dung dÞch r¾n cã h¹n α vµ β thay thÕ cho c¸c cÊu tö A vµ B. C¸c dung dÞch r¾n cã h¹n trªn c¬ së (nÒn) cña c¸c cÊu tö nguyªn chÊt n»m vÒ hai phÝa ®Çu mót cña gi¶n ®å. ë ®©y AEB lµ ®­êng láng, ACEDB - ®­êng r¾n. Sau ®©y lµ vµi nhËn xÐt ®èi víi kiÓu gi¶n ®å nµy. H×nh 3.12. D¹ng tæng qu¸t cña gi¶n ®å lo¹i III (a) vµ gi¶n ®å pha hÖ Pb - Sn còng nh­ s¬ ®å h×nh thµnh tæ chøc khi kÕt tinh ë tr¹ng th¸i c©n b»ng cña hîp kim 40%Sn (b). + Còng gièng nh­ gi¶n ®å lo¹i I nhiÖt ®é ch¶y cña cÊu tö bÊt kú tho¹t tiªn ®Òu gi¶m ®i nÕu ®­îc ®­a thªm cÊu tö thø hai. + §iÓm E còng ®­îc gäi lµ ®iÓm cïng tinh (eutectic) vµ t¹i ®ã x¶y ra ph¶n øng cïng tinh LE → (α + β) hay L61,9 → (α19,2 + β97,5). + Còng cã hîp kim cïng tinh (cã thµnh phÇn ®óng diÓm E hay l©n cËn), tr­íc cïng tinh (tr¸i E) vµ sau cïng tinh (ph¶i E). + C¸c dung dÞch r¾n ë ®©y ®Òu lµ cã h¹n víi c¸c ®­êng CF vµ DG chØ râ giíi h¹n hßa tan. Nãi chung ®é hßa tan ®¹t ®­îc gi¸ trÞ lín nhÊt ë nhiÖt ®é cïng tinh vµ gi¶m m¹nh khi h¹ thÊp nhiÖt ®é, nªn CF vµ DG cã d¹ng xo∙i ch©n vÒ hai
  18. 97 phÝa. + Cã thÓ chia c¸c hîp kim cña hÖ thµnh ba nhãm sau. • Nhãm chøa rÊt Ýt cÊu tö thø hai (bªn tr¸i F, bªn ph¶i G), sau khi kÕt tinh xong chØ cã mét dung dÞch r¾n α hoÆc β, cã ®Æc tÝnh nh­ gi¶n ®å lo¹i II. • Nhãm chøa mét l­îng h¹n chÕ cÊu tö thø hai (tõ F ®Õn C’ vµ D’ ®Õn G), ban ®Çu kÕt tinh ra dung dÞch r¾n, song khi nhiÖt ®é h¹ xuèng thÊp h¬n ®­êng CF vµ DG chóng trë nªn qu¸ b∙o hßa, tiÕt ra l­îng cÊu tö hßa tan thõa d­íi d¹ng dung dÞch r¾n thø cÊp (α thõa B tiÕt ra pha βII giµu B, β thõa A tiÕt ra pha αII giµu A). • Nhãm chøa l­îng lín cÊu tö thø hai [tõ C (C’) ®Õn D (D’)], ban ®Çu kÕt tinh ra dung dÞch r¾n (αC hay βD), pha láng cßn l¹i biÕn ®æi thµnh phÇn theo ®­êng láng ®Õn ®iÓm E, t¹i ®©y cã sù kÕt tinh cña cïng tinh. C¸c hîp kim trong nhãm nµy cã diÔn biÕn kÕt tinh kh¸ gièng víi gi¶n ®å lo¹i I. VÝ dô, xÐt hîp kim tr­íc cïng tinh cã 40%Sn cña hÖ Pb - Sn (h×nh 3.12b). - ë cao h¬n 245oC hîp kim hoµn toµn ë tr¹ng th¸i láng. - T¹i 245oC hîp kim b¾t ®Çu kÕt tinh ra α2’ víi 13,3%Sn, khi lµm nguéi tiÕp tôc dung dÞch r¾n ®­îc t¹o thµnh vµ pha láng cßn l¹i ®Òu biÕn ®æi thµnh phÇn theo chiÒu t¨ng lªn cña hµm l­îng Sn. VÝ dô, ë 200oC pha α chøa 18,5%Sn (a’) vµ L chøa 57%Sn (a’’), tû lÖ gi÷a chóng lµ αa’ / La’’ = (57 - 40) / (40 - 18,5) = 17 / 21,5 vËy pha αa’ chiÕm tû lÖ 44,2% vµ La’’ - 55,8%. - §Õn nhiÖt ®é cïng tinh 183oC, tr­íc khi kÕt tinh cïng tinh tû lÖ gi÷a hai pha nµy lµ αC / LE = (61,9 - 40) / (40 - 19,2) = 21,9 / 20,8. Còng t¹i nhiÖt ®é nµy sau ph¶n øng cïng tinh LE → (αC + βD), hîp kim cã tæ chøc αC + (αC + βD) víi tû lÖ αC / (αC + βD) còng b»ng 21,9 / 20,8. H×nh 3.13. Tæ chøc tÕ vi cña hîp kim Pb - Sb: a. cïng tinh (α+β), mµu tèi lµ α giµu Pb, b. tr­íc cïng tinh víi 40%Sn [α ®éc lËp lµ c¸c h¹t lín mµu tèi bÞ bao bäc bëi cïng tinh (α+β)] Nh­ vËy trong tæ chøc cuèi cïng cña hîp kim cã hai lo¹i dung dÞch r¾n α: lo¹i kÕt tinh ®éc lËp ë trong vïng α + L (ë cao h¬n 183oC) vµ lo¹i cïng kÕt tinh
  19. 98 víi β ë nhiÖt ®é kh«ng ®æi (183oC) vµ ®­îc gäi lµ α cïng tinh. NÕu tÝnh tû lÖ gi÷a hai pha β (chØ cã trong cïng tinh) vµ α (gåm c¶ lo¹i ®éc lËp lÉn c¶ lo¹i cïng tinh) th× ë 183oC cã β / α = (40 - 19,2) / (97,5 - 40) = 20,8 / 57,5, nªn β chiÕm tû lÖ 26,6%, α chiÕm tû lÖ 73,4%. Trªn h×nh 3.13 lµ tæ chøc tÕ vi cña hai hîp kim hÖ nµy. Cïng tinh Pb - Sn bao gåm c¸c phÇn tö Pb nhá mÞn tèi ph©n bè ®Òu trªn nÒn Sn s¸ng (h×nh a). Cßn hîp kim tr­íc cïng tinh ®­îc kh¶o s¸t cã tæ chøc tÕ vi (h×nh b): c¸c h¹t Pb kÕt tinh tr­íc (h¹t tèi, to) vµ phÇn cïng tinh (Pb + Sn) nh­ cña h×nh a. Râ rµng lµ pha hoÆc tæ chøc nµo kÕt tinh ë nhiÖt ®é cµng thÊp h¹t cµng nhá mÞn. 3.2.6. Gi¶n ®å lo¹i IV Lµ gi¶n ®å pha hai cÊu tö víi t­¬ng t¸c ph¶n øng hãa häc víi nhau t¹o ra pha trung gian AmBn, cã d¹ng tæng qu¸t tr×nh bµy ë h×nh 3.14a vµ hÖ ®iÓn h×nh cã kiÓu nµy lµ hÖ magiª - canxi (Mg-Ca) ë h×nh 3.14b, cã d¹ng ghÐp cña hai gi¶n ®å lo¹i I: A- AmBn (Mg - Mg4Ca3) vµ AmBn-B (Mg4Ca3- Ca). ë ®©y AmBn lµ pha trung gian æn ®Þnh víi nhiÖt ®é ch¶y cè ®Þnh, kh«ng bÞ ph©n hñy tr­íc khi nãng ch¶y ®­îc coi nh­ mét cÊu tö,. Hîp kim ®em xÐt cã thµnh phÇn n»m trong gi¶n ®å nµo sÏ ®­îc xÐt trong ph¹m vi cña gi¶n ®å ®ã. H×nh 3.14. D¹ng tæng qu¸t cña gi¶n ®å lo¹i IV (a) vµ gi¶n ®å pha hÖ Mg - Ca (b). Trªn ®©y lµ bèn gi¶n ®å pha hai cÊu tö c¬ b¶n nhÊt. Nãi nh­ thÕ còng cã nghÜa cßn nhiÒu kiÓu gi¶n ®å pha phøc t¹p víi c¸c ph¶n øng kh¸c. 3.2.7. C¸c gi¶n ®å pha víi c¸c ph¶n øng kh¸c Ph¶n øng bao tinh (peritectic) lµ ph¶n øng gi÷a pha láng (L) víi pha r¾n (S1) do nã sinh ra tr­íc ®ã ®Ó t¹o thµnh pha r¾n míi (S2): L + S1 → S2 Kh¸c víi ph¶n øng cïng tinh ®∙ häc L → (S1 + S2), ®Æc ®iÓm cña ph¶n øng bao tinh lµ kh«ng x¶y ra tíi cïng (tøc kh«ng hoµn toµn), do S2 t¹o thµnh bao bäc lÊy S1 t¹o nªn líp mµng ng¨n c¸ch kh«ng cho L vµ S1 tiÕp xóc víi nhau ®Ó ph¶n øng tiÕp tôc, ngay c¶ khi lµm nguéi chËm. Cã thÓ thÊy ph¶n øng nµy ë hîp kim Fe - C víi 0,1 ÷ 0,5%C víi ph¶n øng L0,5 + δ0,1 → γ0,16 x¶y ra ë 1499oC (xem h×nh 3.18 vµ môc 3.3.2b).
  20. 99 Ph¶n øng cïng tÝch (eutectoid) lµ ph¶n øng t¹o nªn ®ång thêi hai pha r¾n S1, S2 tõ mét pha r¾n ban ®Çu S → [S1 + S2]. VËy nã chØ kh¸c ph¶n øng cïng tinh ë pha ban ®Çu (ë cïng tinh lµ pha láng, ë cïng tÝch lµ pha r¾n) vµ ®­îc ký hiÖu trong ngoÆc vu«ng [ ]. Cã thÓ thÊy ph¶n øng nµy ë mäi hîp kim Fe - C: Feγ(C)0,8 → [Feα + Fe3C] (xem h×nh 3.18 vµ môc 3.3.2b). Sù tiÕt pha khái dung dÞch r¾n Trë l¹i gi¶n ®å pha hÖ Pb - Sn (h×nh 3.12b), h∙y xem ®iÒu g× x¶y ra víi dung dÞch r¾n cã h¹n víi nång ®é chÊt tan gi¶m khi lµm nguéi. Trªn gi¶n ®å pha, giíi h¹n hßa tan cña Sn trong Pb ®­îc biÓu thÞ b»ng ®­êng cong CF. T¹i nhiÖt ®é cïng tinh giíi h¹n nµy lµ 19,2%, ë nhiÖt ®é th­êng lµ 2%Sn. Víi hîp kim cã 10%Sn sù kÕt tinh b¾t ®Çu ë 310oC vµ kÕt thóc ë 260oC víi sù t¹o nªn mét pha α (víi 10%Sn) duy nhÊt. Trong kho¶ng tõ 260oC ®Õn 130oC pha nµy lµ æn ®Þnh do giíi h¹n hßa tan lín h¬n 10%Sn, nh­ng tõ 130oC trë xuèng giíi h¹n hßa tan Sn trong Pb lµ nhá h¬n 10%, nªn mét phÇn Sn thõa ra sÏ ®­îc tiÕt ra khái pha α d­íi d¹ng β lµ pha giµu Sn. ë nhiÖt ®é th­êng pha α chØ chøa ®­îc 2%Sn cßn pha β l¹i kh«ng thÓ hßa tan næi Pb nªn ®­îc coi lµ Sn nguyªn chÊt. Ta cã tû lÖ gi÷a hai pha ®ã nh­ sau: pha α chiÕm tû lÖ (100 - 10) / (100 - 2) = 0,92 hay 92%, pha β chiÕm tû lÖ (10 - 2) / (100 - 2) = 0,08 hay 8%. Pha β t¹o thµnh do sù tiÕt pha tõ dung dÞch r¾n ®«i khi ®­îc ký hiÖu lµ βII ®Ó ph©n biÖt víi β hay βI t¹o thµnh tõ pha láng (còng nh­ thÕ αII ph©n biÖt víi α hay αI...). §¸ng chó ý lµ do x¶y ra ë tr¹ng th¸i r¾n, nhiÖt ®é thÊp, sù khuÕch t¸n khã kh¨n nªn pha thø hai cøng ®­îc tiÕt ra cã d¹ng c¸c phÇn tö nhá mÞn, ph©n t¸n, ph©n bè ®Òu trong nÒn pha mÑ, n©ng cao rÊt m¹nh ®é bÒn cña nhiÒu hîp kim, hiÖu øng nµy ®­îc gäi lµ hãa bÒn tiÕt pha. Víi nhiÒu nguyªn tè, hîp chÊt hãa häc cã biÕn ®æi thï h×nh theo nhiÖt ®é, c¸c gi¶n ®å pha cña chóng cã d¹ng phøc t¹p h¬n nhiÒu, Ngoµi c¸c ®­êng CF, DG cßn xuÊt hiÖn nhiÒu ®­êng ë khu vùc d­íi ®­êng ®Æc. D¹ng ®iÓn h×nh cña lo¹i gi¶n ®å nµy lµ hÖ Fe - C sÏ ®­îc kh¶o s¸t ë môc 3.3. 3.2.8. Quan hÖ gi÷a d¹ng gi¶n ®å pha vµ tÝnh chÊt cña hîp kim a. TÝnh chÊt c¸c pha thµnh phÇn Pha thµnh phÇn lµ pha t¹o nªn tæ chøc cña hîp kim. Khi hîp kim cã tæ chøc mét pha th× pha thµnh phÇn duy nhÊt ®ã ®ång nhÊt (®ång nghÜa) víi hîp kim; tÝnh chÊt cña hîp kim lµ tÝnh chÊt cña pha nµy. Tr­êng hîp tæ chøc lµ hçn hîp cña nhiÒu pha th× tÝnh chÊt cña hîp kim lµ sù tæng hîp hay kÕt hîp tÝnh chÊt cña c¸c pha thµnh phÇn. Nh­ kh¶o s¸t ë c¸c phÇn trªn, c¸c pha thµnh phÇn t¹o nªn tæ chøc cña hîp kim cã thÓ lµ nguyªn tè hãa häc, dung dÞch r¾n, pha trung gian vµ th­êng gÆp h¬n c¶ lµ hîp kim víi tæ chøc lµ hçn hîp gi÷a dung dÞch r¾n vµ pha trung gian. H∙y xem hai pha c¬ b¶n nµy cã tÝnh chÊt phô thuéc vµo c¸c cÊu tö thµnh phÇn nh­ thÕ nµo? Nh­ ®∙ nãi, dung dÞch r¾n mang ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña cÊu tö chÝnh (dung m«i, chñ víi tû lÖ ¸p ®¶o tõ 50 ®Õn gÇn 100%) song chÞu ¶nh h­ëng râ rÖt cña cÊu tö hßa tan. Khi ®­a thªm cÊu tö nµy vµo, tÝnh chÊt biÕn ®æi kh«ng ®Òu: ®Çu tiªn thay ®æi rÊt m¹nh, cµng vÒ sau møc ®é thay ®æi cµng gi¶m ®i (sÏ ®¹t ®Õn cùc trÞ
Đồng bộ tài khoản