23/02/2019
1
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ
VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ
CHẾ TẠO
TS. Trương Công Tiễn 1
CHƯƠNG 2. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI FE-C
2
Vật liệu và Công nghệ Chế tạo
2.1.1 Định nghĩa
giản đồ trạng thái là biểu đồ biểu thị trạng thái tổ chức của hệ hợp kim đã cho trên hệ trục
nhiệt độ và thành phần hóa học.
Ngày nay, người ta đã lập giản đồ trạng thái của hầu hết hợp kim quan trọng
2.1.2 Công dụng giản đồ trạng thái của hệ hợp kim đã cho
Cho biết cấu tạo bên trong của hợp kim với thành phần xác định khác nhau thông qua giản
đồ trạng thái này để biết được cơ tính của chúng, qua đó biết cách sử dụng hợp lý vật liệu
làm bằng hợp kim đó.
Qua giản đồ trạng thái xác định được chế độ nhiệt luyện cho các công nghệ:
Luyện kim và đúc: xác định nhiệt độ nóng chảy t°nc
Rèn: xác định nhiệt độ bắt đầu và kết thúc khi gia công
Nhiệt luyện: xác định các nhiệt độ của từng phương pháp nhiệt luyện
Hàn: xác định nhiệt độ của hợp kim có thành phần xác định
2.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái
23/02/2019
2
3
Vật liệu và Công nghệ Chế tạo
2.1.3 Ví dụ
2.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái
Giản đồ hệ một nguyên tố Fe:
Khi ta có hệ hợp kim Fe – nguyên tố khác, nếu
nguyên tố hợp kim hóa là 0% thì giản đồ sẽ biểu
diễn trên một hệ trục tung là nhiệt độ (trục hoành:
thành phần hóa học là một điểm ứng với 100%Fe)
chính là sơ đồ tính thù hình của Fe và được biểu
diễn như hình bên
Qua giản đồ bên, người ta có thể xác định được
trạng thái của Fe và các loại cấu tạo khác nhau
của Fe ở trạng thái rắn ở các khoảng nhiệt độ
khác nhau:
Feα: 1 pha
Fe: 1 pha
Feδ: 1 pha
Fe lỏng
4
Vật liệu và Công nghệ Chế tạo
2.1.3 Ví dụ
2.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái
Giản đồ trạng thái hệ hai nguyên tố Cu - Ni
Hình bên biểu diễn hệ hợp kim Cu-Ni trên hệ trục
nhiệt độ và thành phần hóa học của Ni thay đổi từ
0% đến 100%, từ đó có thể thấy:
Khi hợp kim Cu-Ni có N = 20% nung đến 1500°,
ta thấy:
Từ nhiệt độ thường đến t1, hợp kim này ở thể
rắn α.
Từ t1đến t2, cấu tạo hợp kim này là α+L
Từ t2đến 1500°, hợp kim có cấu tạo hoàn toàn
lỏng. L: dung dịch lỏng của Cu và
Ni (1 pha)
α: dung dịch rắn Ni hòa tan
trong Cu [Cu(Ni)] (1 pha)
α+L: Hợp kim ở hai trạng
thái: rắn α và lỏng L (2 pha)
Việc ứng dụng giản đồ trạng thái giúp người dùng
có thể hiểu cấu tạo bên trong hệ hợp kim hoặc hợp
kim có thành phần xác định từ đó suy ra tính chất
để biết cách sử dụng nó hợp lý và hiệu quả.
23/02/2019
3
5
Vật liệu và Công nghệ Chế tạo
giản đồ trạng thái Fe-Fe3C của hệ hợp kim Fe-C được biểu diễn nhiệt độ trên trục tung,
thành phần %C trên trục hoành đến giá trị tối đa 6,67% trong Fe. Tại đây, C tác dụng hóa
học với Fe để tạo thành hợp chất hóa học Fe3C cần hiều:
Tại điểm 0%C có 100%Fe được ký hiệu Fe.
Tại 6,67%C có 100%Fe3C được ký hiệu Fe3C.
2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
giản đồ trạng thái Fe-Fe3C được trình bày theo các ký hiệu A, B,… (t°C-%C) được quốc tế
hóa và sắp xếp các điểm ký hiệu theo thứ tự thành phần %C tăng như sau:
A(1539 - 0); N(1392 - 0); G(911 - 0); Q(0 - 0,006); P(727 - 0,02);
H(1499 - 0,10); J(1499 - 0,16); B(1499 - 0,5); S(727 - 0,80); E(1147 - 2,14);
C(1147 - 4,3); D(~1250 - 6,67); F(1147 - 6,67); K(727 - 6,67); L(0 - 6,67);
Ta thấy tại điểm A: nhiệt độ t = 1539°C và %C = 0%
2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
6
Vật liệu và Công nghệ Chế tạo
2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
0 0,8 2,14 4,3 6,67
Thành phần Carbon (%C)
Thép Gang trắng
Nhiệt độ (°C)
Fe Fe3C
Q
P
P+α P+XeII
α(F)
P(α+Xe)
α+SA1
911
G
δ+
(As)
1392
N
δ+L
δ
1539
A°C
B
HJ
E C
D
°C
+L
L
+XeII+Lê(+Xe)
P+XeII+Lê(P+Xe)
Lê(+Xe)
Lê(P+Xe)+XeI
L
K
F
Lê(+Xe)+XeI
L+XeI
%C
Xe(Fe3C)
727
1147
1200
(P+Xe)
2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
23/02/2019
4
7
Vật liệu và Công nghệ Chế tạo
2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
Các tổ chức pha của hệ hợp kim Fe-C trên giản đồ Fe-Fe3C
Một số đường có ý nghĩa
thực tế rất quan trọng như sau:
-ABCD là đường lỏng để
xác định nhiệt độ chảy lỏng
hoàn toàn hay bắt đầu kết
tinh.
-AHJECF là đường rắn để
xác định nhiệt độ bắt đầu
chảy hay kết thúc kết tinh.
-ECF (1147°C) là đường
cùng tinh, xảy ra phản ứng
cùng tinh (eutectic).
-PSK (727°C) là đường
cùng tích, xảy ra phản ứng
cùng tích (eutectoid).
Chú ý:
Cùng tinh là hỗn hợp cơ học của hai hay nhiều pha được tạo thành từ trạng thái lỏng nên có kích thước tinh thể lớn
hơn dạng cùng tích.
Cùng tích là hỗn hợp cơ học của hai hay nhiều pha được tạo thành từ dung dịch rắn.
2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
8
Vật liệu và Công nghệ Chế tạo
2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
Các tổ chức một pha
Trạng thái lỏng (1 pha lỏng – ký hiệu L): là dung dịch lỏng của C hòa tan trong Fe
Trạng thái rắn: do tác dụng giữa nguyên tố Fe và C, các pha được phân biệt bằng một kiểu
mạng tinh thể gồm có:
Các dung dịch rắn của nguyên tố C
hòa tan vào Feα, Fe, Feδđược gọi
tên quốc tế:
Pha Ferit: dung dịch rắn của C
hòa tan trong Feα.Feα(C) ký hiệu
trên giản đồ là αhoặc F, có lượng
C hòa tan tối đa 0,006% ở t°
thường (điểm Q) và 0,02% ở t° =
727°C (điểm P). Đường PQ được
xem là giới hạn hòa tan của C trong
Feα, có thể xem α là Feαvì lượng
hòa tan của C quá nhỏ.
2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
Tổ chức tế vi của ferit
23/02/2019
5
9
Vật liệu và Công nghệ Chế tạo
2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
Các tổ chức một pha
Trạng thái lỏng (1 pha lỏng – ký hiệu L): là dung dịch lỏng của C hòa tan trong Fe
Trạng thái rắn: do tác dụng giữa nguyên tố Fe và C, các pha được phân biệt bằng một kiểu
mạng tinh thể gồm có:
Các dung dịch rắn của nguyên tố
C hòa tan vào Feα, Fe, Feδđược
gọi tên quốc tế:
Pha Austenit: dung dịch rắn của
C hòa tan trong Fe.Fe(C) ký
hiệu trên giản đồ là
hoặc As, có
lượng C hòa tan tối đa 0,8% ở t° =
727°C (điểm S) và 2,14% ở t° =
1147°C (điểm E). Đường SE được
xem là giới hạn hòa tan của C
trong Fe.
2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
Tổ chức tế vi của austenit
10
Vật liệu và Công nghệ Chế tạo
2.2.1 Giới thiệu giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)
Các tổ chức một pha
Trạng thái lỏng (1 pha lỏng – ký hiệu L): là dung dịch lỏng của C hòa tan trong Fe
Trạng thái rắn: do tác dụng giữa nguyên tố Fe và C, các pha được phân biệt bằng một kiểu
mạng tinh thể gồm có:
Các dung dịch rắn của nguyên tố C hòa tan vào Feα, Fe,
Feδđược gọi tên quốc tế:
Pha δ: dung dịch rắn của C hòa tan trong Feδ.Feδ(C) ký
hiệu trên giản đồ là δ, có lượng C hòa tan tối đa 0,1% ở t°
= 1449°C (điểm H).
Cơ tính chung của các dung dịch rắn trên đều có độ cứng, độ
bền thấp, độ dẻo, độ dai cao.
Độ cứng pha α: 80 ÷ 100 HB
Độ cứng pha : 180 ÷ 200 HB
Nếu kích thước hạt tinh thể của các pha càng nhỏ thì độ dẻo
càng giảm, độ cứng, dộ bền cao.
2.2 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Fe-C)