1
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
2
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
không cân bằng
+ (1): giả cân bằng
+ (2): không cân bằng
+ (3): cân bằng ổn định 1
2
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
3
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 (rBrlh)
-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 Fe3C
20-June-12
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
2
3
20-June-12
4
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
Ví dụ: Cu-Ni, Al2O3-Cr2O3
- amb: đường lỏng
- anb: đường đặc
-= A(B), B(A)
- %L = ?, AL= ?, BL= ?
- %= ?, A= ?, B= ?
A B C
X
AB
%B
Lỏng (L)
L+
Nhiệt độ
a
b
m
n
20-June-12
5
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
Ví dụ: Pb-Sn, Cu-Ag
- aEb: đường lỏng
- acEdb: đường đặc
-= A(B),
-= B(A)
- E: điểm cùng tinh:
L +
AB
Lỏng (L)
L+
Nhiệt độ
+
a
E
b
c d
%B
L+
gf
X2X1 X3 X
20-June-12
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)
AB
Lỏng (L)
AmBn+B
Nhiệt độ
a
E1
b
E2
L+A
AmBn
L+AmBn
L+AmBn
A+AmBnB+AmBn
c
Tách thành hai giản đồ pha 2 cấu tử loại 1
20-June-12
3.3 Giản đồ pha (GĐP) Fe-C (Fe-Fe3C)
3.3.1 Tương tác giữa Fe và C
-Tạo dung dịch rắn xen kẽ:
+ 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
Fe: rnt = 0,124nmC: rnt = 0,077nm
r8m = 0,414rnt = 0,052nm
20-June-12