Chương 3. Hợp kim và giản đồ pha
20-June-12
Chương 3. Hợp kim và giản đồ pha
3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim 3.2 Giản đồ pha hai cấu tử 3.3 Giản đồ pha Fe – C
20-June-12
3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim 3.1.1 Khái niệm về hợp kim a) Khái niệm: Hợp kim là hợp chất giữa các nguyên tố kim loại hay kim loại với á kim, mang tính chất của KL – nền VD:
Thép: Fe + C, Mn, Si, Cr… Đura: Al + Cu, Mg
b) Ưu điểm: Độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn cao
hơn; tính công nghệ tốt hơn, nhiệt luyện hóa bền tốt hơn và rẻ hơn
20-June-12
1
3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim 3.1.1 Khái niệm về hợp kim c) Các khái niệm cơ bản: - Pha: phần đồng nhất về: thành phần hóa học, cơ tính, hóa lý tính, có cấu trúc tinh thể xác định. Giữa các pha phân cách nhau bởi biên giới pha
- Cấu tử: là các nguyên tố (hoặc hc hóa học bền vững) tạo
nên pha trong hợp kim
- Hệ: tập hợp các pha, có thể ở trạng thái cân bằng hoặc
2
1
không cân bằng + (1): giả cân bằng + (2): không cân bằng + (3): cân bằng ổn định
3
20-June-12
3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim 3.1.1 Khái niệm về hợp kim d) Phân loại tương tác:
Không tương tác:
Ở trạng thái lỏng nguyên tố A và B hòa tan vào nhau, không hòa tan ở trạng thái rắn, tạo hỗn hợp cơ học: A+B
Có tương tác: - Hòa tan vào nhau tạo dung dịch rắn A(B) – giữ nguyên kiểu mạng của nền
- Phản ứng tạo hợp chất hóa học với kiểu mạng khác hẳn 20-June-12
3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim 3.1.2 Dung dịch rắn Khái niệm: là pha đồng nhất có cấu trúc mạng như của
dung môi (kim loại nền), các nguyên tử hòa tan sắp xếp lại trong mạng dung môi một cách đều đặn Kí hiệu: A(B) = A là dung môi, B chất hòa tan a) Dung dịch rắn thay thế - B thay thể A trong mạng tinh thể - d = dA-dB/dA < 15%(>15% không tồn tại)
Điều kiện để hòa tan vô hạn: - Cùng kiểu mạng tinh thể - d < 8% - Số điện tử hóa trị như nhau - Tính âm điện gần như nhau
20-June-12
2
3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim 3.1.2 Dung dịch rắn b) Dung dịch rắn xen kẽ - Các nguyên tử hòa tan nằm ở vị trí xen kẽ (lỗ hổng) trong
mạng tinh thể dung môi (rB rlh)
- Bán kính nguyên tử hòa tan nhỏ, giới hạn hòa tan thấp
Các đặc tính của dung dịch rắn: - Có đặc trưng cơ lý hóa tính của
kim loại
- Mạng tinh thể bị biến dạng - Tăng độ cứng, độ bền so với kim
loại nguyên chất
- B tăng: tăng cứng, bền; dẻo giảm - Tính chống ăn mòn, dẫn điện, nhiệt kém kim loại nguyên chất 20-June-12
3.1 Các khái niệm cơ bản về hợp kim 3.1.2 Dung dịch rắn b) Pha trung gian
-
Các hợp chất hóa học có trong hợp kim nằm giữa hai vùng dung dịch rắn trên giản đồ pha
Đặc điểm: - Có kiểu mạng tinh thể phức tạp, khác hẳn với nguyên tố thành phần
- Có tỉ lệ giữa các nguyên tố xác định, biểu diễn bằng công thức hóa học AmBn
- Tính chất khác hẳn so với các
nguyên tố thành phần
- Có nhiệt độ nóng chảy xác định
20-June-12
Fe3C
3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử Khái niệm: giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng
Quy tắc pha Gibbs - Xác định bậc tự do: F = C – P + 1 (F: Số bậc tự do, C: số
cấu tử, P: số pha)
1
3
2
20-June-12
3
3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử Quy tắc đòn bảy: xác định tỉ lệ các pha, tổ chức
trên giản đồ pha: M.X = M.X
Thành phần, %B
20-June-12
3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử a) Giản đồ pha loại 1: Giản đồ pha hệ hai cấu tử không có
bất kỳ tương tác nào (Pb-Sb)
- aEb: Đường lỏng - cEd: Đường đặc - a, b nhiệt độ chảy
của A và B
- E điểm cùng tinh - Phản ứng cùng tinh: L (A + B)
20-June-12
3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử b) Giản đồ pha loại 2: Giản đồ pha hệ hai cấu tử tương tác
và hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn
X Lỏng (L) m b
i
ộ đ t ệ h N
L+ n
A
B
C
Ví dụ: Cu-Ni, Al2O3-Cr2O3 - amb: đường lỏng - anb: đường đặc - = A(B), B(A) - %L = ?, AL = ?, BL = ? - % = ?, A = ?, B = ?
a
20-June-12
B A %B
4
3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử c) Giản đồ pha loại 3: Giản đồ pha hệ hai cấu tử tương tác
và hòa tan có vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn
X2X1 X3 X Lỏng (L) a b
ộ đ t ệ i h N
Ví dụ: Pb-Sn, Cu-Ag - aEb: đường lỏng - acEdb: đường đặc - = A(B), - = B(A) - E: điểm cùng tinh:
L +
L+ E L+ c d +
20-June-12
g f B A %B
3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử d) Giản đồ pha loại 4: Giản đồ pha hệ hai cấu tử có tương tác hóa học tạo ra pha trung gian AmBn (Mg-Ca: Mg4Ca3)
Lỏng (L) a c b
ộ đ t ệ i h N
L+AmBn L+A E1 E2 L+AmBn AmBn+B A+AmBn B+AmBn
B A AmBn
Tách thành hai giản đồ pha 2 cấu tử loại 1
20-June-12
C: rnt = 0,077nm
Fe: rnt = 0,124nm
Tạo dung dịch rắn xen kẽ:
3.3 Giản đồ pha (GĐP) Fe-C (Fe-Fe3C) 3.3.1 Tương tác giữa Fe và C - + Fe (A2; < 9110C): F() = Fe(C), %Cmax = 0,02%, 7270C + Fe (A1; 911-13920C): A() = Fe(C), %Cmax = 2,14%, 11470C + Fe (A2; > 13920C): = Fe(C), %Cmax = 0,1%, 11390C Tương tác hóa học giữa Fe và C: Fe3C (%C = 6,67%) -
r4m = 0,291rnt = 0,036nm
r8m = 0,414rnt = 0,052nm
20-June-12
5
3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha
20-June-12
3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha a) Các chuyển biến khi nguội chậm
-
-
-
Chuyển biến bao tinh: tại 14990C, điểm J: 0,1 + L0,5 0,16 Chuyển biến cùng tinh: 11470C, điểm C: L4,3 (2,14 + Xe6,67) Chuyển biến cùng tích: 7270C, điểm S: 0,8 [0,02 + Xe6,67]
20-June-12
3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha b) Các tổ chức một pha - Ferit (F, ): + Dung dịch rắn hòa tan của C trong Fe + Giới hạn hòa tan 0,02%C tại 7270C + Tổ chức hạt sáng đa cạnh - Austenit (A, ): + Dung dịch rắn hòa tan của C trong Fe + Giới hạn hòa tan 2,14%C tại 11470C, 0,8 tại
7270C
20-June-12
+ Tổ chức hạt sáng, đường song tinh - Xemantit (Fe3C, Xe): + XeI: sinh ra từ trạng thái lỏng, dạng tấm thô to + XeII: tiết ra từ austenit, dạng lưới bao quanh hạt + XeIII: tiết ra từ ferit, rất ít + Xe cùng tích: tạo từ chuyến biến cùng tích
6
3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha c) Các tổ chức hai pha - Peclit (P): + Hỗn hợp cùng tích F và Xe: 88%F +
12%Xe
+ Tạo ra từ phản ứng cùng tích + Tổ chức: P tấm, P hạt - Lêđêburit (Le): + Hỗn hợp cùng tinh và Xe (> 7270C);
p và Xe (< 7270C) (43,1%P + 56,9%Xe)
+ Sinh ra từ phản ứng cùng tinh + Tổ chức có dạng da báo
20-June-12
3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 3.3.3 Phân loại thép và gang theo GĐP a) Khái niệm: Thép và gang là hợp kim của Fe-C (Mn, Si, P, S…tạp
chất) Thép: %C < 2,14% - - Gang: %C > 2,14% b) Đặc điểm: - Thép có tổ chức một pha khi nung nóng (trên đường GSE), có độ dẻo cao dễ biến dạng
- Tính đúc của thép thấp - Gang không đạt trạng
thái một pha khi nung nóng nên giòn cứng, khó gia công biến dạng - Gang có tính đúc tôt
20-June-12
Thép trước cùng tích: %C < 0,8%
Thép cùng tích: %C = 0,8%
Thép sau cùng tích: 0,8% < %C < 2,14%
3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha c) Phân loại thép và gang theo GĐP Thép theo GĐP: có 3 loại - + Tổ chức: P + F(sáng) - + Tổ chức 100% P: Ptấm, Phạt - + Tổ chức: P + XeII (dạng lưới)
Phạt
Ptấm
P + XeII
F + P 20-June-12
7
3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha c) Phân loại thép và gang theo GĐP Gang theo GĐP là gang trắng: có 3 loại
- Gang trước cùng tinh: %C < 4,3% + Tổ chức: P(đen) + XeII + Le - Gang cùng tinh: %C = 4,3% + Tổ chức 100% Le (da báo) - Gang sau cùng tinh: %C > 4,3% + Tổ chức: Le + XeI (dải sáng)
Le + XeI(đại lộ)
P(đen) + XeII(sáng) + Le
20-June-12
Le
3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 3.3.2 Các tổ chức một pha và hai pha
d) Các điểm tới hạn: tương ứng với các điểm
chuyển biến pha trong thép A1, A3, Acm - A1: đường PSK (7270C), ứng với chuyển biến P [F + Xe], có trong mọi thép
- A3: đường GS (911-7270C), ứng với chuyển biến + có trong thép trước cùng tích
- Acm: đường SE (727-11470C), ứng với
chuyển biến + XeII có trong thép sau cùng tích
- Nung nóng thêm chữ “c”, làm nguội “r” Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3; Accm > Acm > Arcm
