Chương 3: QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU

Chia sẻ: Nguyễn Trọng Tuấn | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

723
lượt xem 139
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Theo định nghĩa cổ điển thì kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Ðịnh nghĩa này bao quát được những đặc điểm chính của đa số kim loại và trên cơ sở này người ta phân biệt kim loại với á kim.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 3: QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU

Chương 3 QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU 3.1 KHÁI NIỀM VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM. 3.1.1 Ðịnh nghĩa về kim loại. Theo định nghĩa cổ điển thì kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Ðịnh nghĩa này bao quát được những đặc điểm chính của đa số kim loại và trên cơ sở này người ta phân biệt kim loại với á kim. Ta thấy, hầu như kim loại ở bề mặt nhẵn bóng chưa bị ôxy hóa cũng đều có ánh kim, phần lớn kim loại khá dẻo và có thể gia công bằng áp lực tức có thể rèn được, chúng có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao (đặc biệt bạc, nhôm và đồng). Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học, người ta đã tìm ra được nhiều nguyên tố kim loại nhưng lại thiếu các tính chất trên. Cụ thể như ăngtimoan (Sb) dòn và không rèn được, còn xêri (Ce) và Prazêôđim (Pr) lại có tính dẫn điện kém. Chính vì thế định nghĩa cũ cổ điển chưa đúng cho mọi kim loại và chưa nêu lên được bản chất chung của chúng. Ngày nay người ta lấy hệ số nhiệt độ của điện trở làm đặc điểm để phân biệt kim loại với á kim. Theo tiêu chí mới này kim loại có hệ số nhiệt độ của điện trở dương, nghĩa là khi nhiệt độ tăng thì điện trở cũng tăng; còn á kim thì ngược lại có hệ số nhiệt độ của điện trở âm, tức là khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm. Cần lưu ý là không phải chỉ những nguyên tố kim loại mới có tính chất trên mà cả hợp kim của chúng cũng có những tính chất đó. Ðến nay người ta đã tìm ra hơn 100 nguyên tố hóa học, trong đó trên 3/4 là kim loại. Ngoài hai loại nguyên tố cơ bản là kim loại và á kim còn có một số nguyên tố có vị trí trung gian giữa chúng, đó là các nguyên tố bán dẫn như Giecmani (Ge), silíc (Si), v.v. 3.1.2 Phân loại kim loại. Có nhiều cách phân loại khác nhau. Một số nước chia kim loại ra làm hai nhóm lớn là kim loại đen và kim loại màu. Sắt thuộc kim loại đen; các kim loại mầu là các kim loại không phải là sắt như đồng, nhôm, chì, kẽm, thiếc, titan v.v. Sự phân chia kim loại đen và kim loại mầu trên rất thông dụng song lại mang tính chất qui ước bởi vì nó không dựa trên một thực tế khách quan nào cả vì sắt không có mầu đen, còn các kim loại khác không phải đều có mầu sắc. Tuy kim loại mầu được sử dụng với khối lượng ít hơn so với kim loại đen nhưng chúng thường lại đắt hơn và có công dụng riêng nổi bật so với kim loại và hợp kim đen. 33
3.1.3 Hợp kim. Nếu đem nấu chảy kim loại với một hay nhiều nguyên tố khác (có thể là kim loại hay á kim) để tạo nên một vật liệu mới có tính kim loại, thì vật liệu đó được gọi là hợp kim.. Thành phần của hợp kim được biểu thị bằng số phần trăm trọng lượng (đôi khi là số phần trăm nguyên tử) của mỗi nguyên tố chứa trong nó. Tổng số các thành phần nguyên tố trong hợp kim luôn phải là 100%. Thuật ngữ "hợp kim" ngày nay mang ý nghĩa rộng hơn. Ngoài phương pháp nấu chảy, người ta có thể thu được hợp kim bằng nhiều phương pháp khác như: − Phương pháp luyện kim bột – ép các hạt rắn và thiêu kết chúng tiếp theo ở nhiệt độ cao. − Phương pháp khuyếch tán – cho một chất xâm nhập vào một chất rắn khác ở nhiệt độ cao. − Hoặc các hợp kim có thể thu được khi hóa bụi bằng plasma, hay trong quá trình kết tinh từ pha hơi trong chân không, hay khi điện phân. So với kim loại nguyên chất, hợp kim có nhiều tính chất ưu việt hơn nên nó được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt cũng như trong cơ khí.  Về cơ tính: Hợp kim có độ bền, độ cứng cao hơn kim loại nguyên chất trong khi có độ dẻo, độ dai phù hợp. Một vài hợp kim có tính chất quí giá mà kim loại nguyên chất không có được như độ bền nhiệt rất cao, tính cứng nóng cao, tính chống ăn mòn, tính chống mài mòn tốt nên thời gian sử dụng dài hơn.  Về tính công nghệ: Hợp kim có tính đúc, tính gia công cắt gọt đặc biệt khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện tốt. Hơn nữa về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo kim loại nguyên chất khó hơn nhiều so với chế tạo hợp kim do phải khử bỏ triệt để các tạp chất lẫn lộn nên phức tạp và tốn kém nên sử dụng hợp kim trong chế tạo cơ khí còn có tính hiệu quả kinh tế hơn. 3.2 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI 3.2.1 Các khái niệm cơ bản. Giản đồ trạng thái hay còn gọi là giản đồ pha hoặc giản đồ cân bằng của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (hoặc tỉ lệ) các pha hay các tổ chức của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Giản đồ trạng thái còn là sự biểu diễn quá trình kết tinh của hợp kim. Quá trình đó phụ thuộc vào loại pha được tạo thành từ dung dịch lỏng, cụ thể là phụ thuộc vào nhiệt độ và hàm lượng của các chất tạo thành. Giản đồ chỉ rõ các tổ chức của hợp kim trong các điều kiện cân bằng. 34
Tóm lại, giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu để nghiên cứu vật liệu, khi chúng ta hòa trộn các cấu tử lại với nhau. Các hệ khác nhau có giản đồ pha khác nhau và chúng được xây dựng chủ yếu bằng thực nghiệm. Trong thực tế không có hai giản đồ trạng thái nào giống nhau hoàn toàn vì sự tương tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức tạp từ kiểu pha, các phản ứng cho đến nhiệt độ tạo thành.  Pha. Người ta định nghĩa pha là những tổ phần đồng nhất của hợp kim (còn được gọi là hệ), chúng có thành phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng, ở cùng một trạng thái (có thể là lỏng, rắn hay khí) và ngăn cách với các phần còn lại (tức với các pha khác) bằng bề mặt phân chia. Nếu ở trạng thái rắn các tổ phần phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng.  Nguyên. Nguyên (hay còn gọi là cấu tử) là những chất độc lập có thành phần không biến đổi, chúng tạo nên tất cả các pha của hệ. Cấu tử thường là nguyên tố hóa học, là kim loại nguyên chất cấu tạo nên hợp kim hoặc có thể là hợp chất hóa học ổn định. Các cấu tử không thể biến đổi lẫn cho nhau nhưng có thể chuyển từ pha này sang pha khác.  Hệ. Hệ là từ dùng để chỉ một tập hợp vật thể riêng biệt của vật liệu trong điều kiện xác định hoặc là một loạt hợp kim khác nhau với các cấu tử giống nhau. Nói cách khác, một tập hợp nhiều pha ở trạng thái cân bằng được gọi là một hệ hay còn được gọi là hệ thống. Ta hãy xét một số thí dụ để làm rõ các khái niệm trên. Nước là hệ ở 00C tồn tại hai pha là nước (pha lỏng) và nước đá (pha rắn) song chỉ có một cấu tử đó là hợp chất hóa học H20. Trường hợp Cu và Ni thì lại khác. Ở nhiệt độ cao Cu và Ni có thể hoà tan vô hạn vào nhau tạo thành dung dịch lỏng còn ở nhiệt độ thấp chúng cũng hòa tan vào nhau để tạo thành dung dịch rắn. Như vậy hợp kim này là hệ có hai nguyên là Cu và Ni và thường có tổ chức một pha là dung dịch lỏng (ở nhiệt độ cao) và dung dịch rắn (ở nhiệt độ thấp). Ngược lại, Cu và Pb rất ít hòa tan vào nhau ở trạng thái lỏng và không hòa tan lẫn nhau ở trạng thái rắn. Do đó hợp kim đồng và chì tuy cũng là hệ hai cấu tử nhưng thường lại có tổ chức hai pha: ở nhiệt độ cao gồm hai dung dịch lỏng khác nhau về thành phần hóa học; còn ở nhiệt độ thấp nó lại bao gồm hai tinh thể Cu và Pb.  Trạng thái cân bằng của hệ. Một hệ được coi là cân bằng khi các quá trình chuyển biến xảy ra trong nó mang tính chất thuận nghịch, tức là quá trình biến đổi theo chiều ngược lại thì hệ đi qua đúng những trạng thái mà quá trình thuận đã đi qua. Ðiều này chỉ xảy ra khi các pha ở trạng thái đồng nhất, các nguyên tử nằm ở các vị trí cân bằng qui định, pha rắn không có ứng suất trong. Nói theo cách khác là hệ ở trạng thái cân bằng ổn định khi các pha trong hệ thống phải có giá trị năng lượng tự do nhỏ nhất 35
trong số các giá trị mà chúng có thể có được trong điều kiện nhiệt độ, áp suất và thành phần xác định. Ðiều này cũng có nghĩa là trong các điều kiện đó đặc tính của hệ hoàn toàn không biến đổi theo thời gian. Khi thay đổi áp suất và nhiệt độ sẽ kéo theo sự tăng năng lượng tự do, lúc đó rất có thể hệ có biến đổi đột ngột sang trạng thái cân bằng mới với năng lượng tự do nhỏ hơn, tức là có chuyển biến pha. Có thể nói, trạng thái hay tổ chức không cân bằng là không ổn định, nó luôn có xu hướng tự biến đổi về trạng thái hay tổ chức cân bằng, ổn định, nhất là khi nó bị nung nóng, còn ở nhiệt độ thường quá trình chuyển biến này rất chậm hầu như không nhận thấy được hoặc biến đổi không đáng kể. 3.2.2 Giản đồ pha của các hệ. Ngày nay người ta đã xây dựng được hầu hết các hệ một nguyên, hệ hai nguyên (giữa kim loại với kim loại và giữa kim loại với phi kim loại) và các hệ ba nguyên. 3.2.2.1 Giản đồ pha của hệ một cấu tử Nhieät ñoä 0C L (loûng) 1539 δ - Fe (A2) 1392 γ - Fe (A1) 911 α - Fe (A2) Hình 3.1 Giản đồ pha của sắt 3.2.2.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử Giản đồ trạng thái của hệ hai cấu tử đã phức tạp hơn, nó gồm hai trục, trong đó trục tung biểu thị nhiệt độ còn trục hoành biểu thị thành phần của hệ với những đường phân chia các khu vực pha theo nguyên tắc xen giữa các khu vực một pha là khu vực hai pha tương ứng như được trình bày trên hình 3.2 . 36
Hình 3.2 Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử Thành phần có thể tính theo phần trăm % nguyên tử nhưng thông thường nó được tính theo phần trăm % khối lượng. Ðiểm tận cùng bên trái trên trục hoành tương ứng với 100% hàm lượng nguyên tố A còn lượng phần trăm nguyên thứ hai B được tính theo trục đó từ trái qua phải và điểm tận cùng bên phải tương ứng với 100% hàm lượng nguyên tố B. Ðường thẳng đứng bất kỳ biểu thị một thành phần nhất định nhưng ở các nhiệt độ khác nhau. Ví dụ đường thẳng đứng D biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của thành phần này và như vậy hai trục tung chính là giản đồ pha của từng cấu tử tương ứng. Do được biểu thị trên mặt phẳng một cách chính xác nên từ giản đồ pha của hệ hai cấu tử, người ta dễ dàng xác định được các thông tin cho một thành phần xác định ở nhiệt độ đã cho như:  Các pha tồn tại: Căn cứ vào điểm (tọa độ) của nhiệt độ - thành phần đã cho nằm trong vùng nào của giản đồ pha sẽ xác định được tổ chức pha tương ứng với vùng đó.  Thành phần pha: Nếu điểm (tọa độ) của nhiệt độ - thành phần nằm trong vùng một pha thì thành phần của pha cấu tạo nên vật liệu cũng chính là thành phần của vật liệu đã chọn. Khi điểm (tọa độ) của nhiệt độ - thành phần nằm trong vùng hai pha thì để xác định thành phần bằng cách kẻ qua nó một đường thẳng nằm ngang, hai giao điểm của đường thẳng với hai đường biên giới pha gần nhất sẽ chỉ rõ thành phần của từng pha. Ngoài ra, từ giản đồ trạng thái của hai cấu tử người ta còn biết được khoảng nhiệt độ chảy hay kết tinh, biết được các chuyển biến pha và dự đoán các tổ chức được tạo thành ở trạng thái không cân bằng khi làm nguội nhanh, v.v. Những vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong giản đồ trạng thái của sắt - các bon ở các phần sau. 3.3 CHUYỂN BIẾN PHA TỪ THỂ LỎNG SANG THỂ RẮN (KẾT TINH). 3.3.1 Khái niệm 37
Kết tinh được hiểu là quá trình chuyển biến của vật liệu từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Xét về mặt tinh thể, đó là quá trình chuyển biến từ trạng thái các nguyên tử trong sự sắp xếp hỗn loạn không trật tự sang trạng thái các nguyên tử được sắp xếp theo một qui luật trật tự xác định. Có thể nói kết tinh là một quá trình chuyển biến tổ chức (chuyển biến pha) điển hình. Quá trình kết tinh này được thực hiện bởi hai quá trình cơ bản nối tiếp và song song với nhau: − Quá trình tạo mầm: Trong kim loại lỏng xuất hiện những trung tâm kết tinh có kích thước rất nhỏ nhất định gọi là mầm. Có thể coi đây là những mầm mống đầu tiên của kim loại rắn. − Quá trình phát triển mầm: các mầm mống trên phát triển, lớn lên trở thành các hạt tinh thể. Trong khi các mầm cũ đang phát triển, lớn lên (quá trình phát triển mầm đang xảy ra) thì trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mống mới (quá trình tạo mầm cùng đồng thời xảy ra). Ta sẽ đi sâu vào từng quá trình cụ thể. 3.3.2 Quá trình tạo mầm. Quá trình tạo mầm còn được gọi là quá trình tạo thành trung tâm kết tinh hay đơn giản là tạo mầm. Ðây là quá trình xuất hiện những phần tử rắn có cấu tạo tinh thể với thể tích nhất định ở trong kim loại lỏng, chúng là những trung tâm (hay mầm) để từ đó phát triển, lớn lên thành các hạt tinh thể. Căn cứ vào đặc tính phát sinh, người ta phân ra hai loại mầm: mầm tự sinh (còn gọi mầm đồng pha) và mầm không tự sinh (còn gọi mầm ký sinh hay mầm có sẵn, mầm không đồng pha). Mầm tự sinh là mầm được trực tiếp sinh ra từ kim loại lỏng không cần tác dụng của các phần tử (hạt) rắn có sẵn trong kim loại lỏng. Mầm không tự sinh (còn gọi là mầm ký sinh) là loại mầm kết tinh tạo nên trên bề mặt của các hạt rắn có sẵn trong kim loại lỏng. Mầm không tự sinh có vai trò quan trọng trong kết tinh thực tế, nó có thể phát sinh từ các nguồn sau: − Một hàm lượng rất nhỏ các phần tử lẫn lộn không hòa tan như ôxýt, nítrít, buị tường lò v.v có kiểu mạng và kích thước không khác nhiều so với kim loại kết tinh. − Các hạt rất nhỏ có khả năng hấp thụ trên bề mặt của mình những nguyên tử của kim loại kết tinh. − Thành khuôn, đặc biệt các vết nứt, chỗ lồi lõm trên thành khuôn. Ngoài ra, người ta cũng đưa vào kim loại lỏng một số nguyên tố để giúp cho quá trình kết tinh nhanh, chúng được gọi là chất biến tính. 3.3.3 Quá trình phát triển mầm. Sau khi tạo được mầm, quá trình tiếp theo là các mầm này phát triển, lớn lên thành các hạt tinh thể. 38
Ta hình dung sự tạo thành hạt tinh thể kim loại bằng sơ đồ 1.25 sau đây: ... # # Giây thứ nhất Giây thứ hai Giây thứ n Hình 1.3 Sơ đồ tạo thành các hạt tinh thể. Từ sơ đồ ta thấy, giả sử trong một đơn vị thể tích kim loại lỏng trong một giây ban đầu sinh được 3 mầm kết tinh. Ở giây thứ hai tiếp theo ba mầm này phát triển lớn lên nhưng đồng thời trong thể tích kim loại lỏng lại sinh ra thêm 3 mầm kết tinh khác. Quá trình cứ như thế tiếp diễn cho đến khi cả khối kim loại kết tinh hết ở giây thứ n nào đó. Từ quá trình xuất hiện và lớn lên của mầm kết tinh ta có thể rút ra các nhận xét sau: −Do mỗi mầm định hướng tùy ý trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phương mạng giữa các hạt tinh thể kim loại bị lệch nhau. −Các hạt tinh thể có kích thước không đồng đều. Những hạt tinh thể phát triển từ mầm sinh ra trước có nhiều điều kiện phát triển (về thời gian và thể tích kim loại lỏng bao quanh) sẽ có kích thước lớn hơn những hạt do các mầm sinh ra sau, muộn hơn. 3.3.4 Hình dạng hạt. Tùy thuộc vào bản chất của kim loại kết tinh (như kiểu mạng tinh thể, tạp chất v.v) và các điều kiện kết tinh (tốc độ làm nguội, phương tản nhiệt v.v) mà hạt tinh thể tạo thành khi kết tinh có thể có các dạng hình cầu, hình đa diện, hình tấm hay hình kim. Dạng hạt tinh thể hình cầu chỉ có được trong trường hợp mầm được tự do phát triển đều theo mọi phương. Tất nhiên, không thể đạt được dạng hình cầu ở tất cả các hạt tinh thể vì kể cả khi mầm kết tinh được tự do phát triển theo mọi phương với tốc độ giống nhau đi nữa thì khi gặp nhau các hạt tinh thể chỉ có thể có dạng của hình đa diện mà thôi (tổ chức này thường gặp khi các kim loại nguyên chất kết tinh được làm nguội đồng đều). Khi kim loại lỏng kết tinh trong điều kiện làm nguội thật nhanh theo một phương nào đó thì hạt tinh thể có dạng kéo dài hay hình trụ. Trường hợp mầm phát triển mạnh theo mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất và chậm theo các mặt còn lại thì hạt tinh thể sẽ có dạng hình tấm hoặc hình kim. 3.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt và các phương pháp làm nhỏ hạt. 3.3.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt. Qua nghiên cứu có hai yếu tố quyết định kích thước hạt khi kết tinh là tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển mầm. 39
Tốc độ tạo mầm càng lớn thì trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian xuất hiện càng nhiều mầm, nên số hạt tinh thể càng nhiều và hạt sẽ càng nhỏ. Ngược lại, tốc độ phát triển mầm mà càng lớn, thì những mầm sinh ra trước sẽ phát triển rất nhanh và tạo thành các hạt kim loại lớn lấn át các mầm ra sau và hạt sẽ có kích thước lớn. Người ta đã đưa ra mối quan hệ giữa kích thước hạt (ký hiệu A) với tốc độ tạo mầm n và tốc độ phát triển mầm ầ như sau: ν A = a⋅ (trong đó a là hệ số). n Từ công thức trên dễ dàng thấy được nếu ta càng tăng tốc độ tạo mầm n và càng giảm tốc độ phát triển mầm thì sẽ nhận được hạt tinh thể càng nhỏ. Như vậy, phương pháp làm nhỏ hạt tinh thể sẽ dựa trên nguyên lý tăng số lượng mầm và giảm tốc độ phát triển của nó. 3.3.5.2 Các phương pháp làm nhỏ hạt. Có nhiều cách để làm nhỏ hạt khi kết tinh nhưng trong cuốn sách này chỉ trình bày hai phương pháp chính là phương pháp tăng độ quá nguội (tức tăng tốc độ nguội) và phương pháp biến tính.  Phương pháp tăng độ quá nguội ộT khi kết tinh Ðộ quá nguội ộT phụ thuộc tốc n độ nguội, tốc độ nguội càng lớn, độ ν quá nguội ộT càng lớn. n Ðể làm được điều này trong kỹ thuật đúc người ta dùng vật liệu làm khuôn có tính dẫn nhiệt cao (khuôn kim loại chẳng hạn), hoặc có thể dùng nước làm nguội thành khuôn kim loại. ν Có điều, tăng độ quá nguội là biện pháp chỉ thích hợp cho vật đúc ∆T1 ∆T2 T nhỏ, với vật đúc lớn biện pháp này ∆ sẽ gặp khó khăn vì: Hình 1.4 Ảnh hưởng của ∆ T đến n và ν . − Khó làm tăng tốc độ nguội đồng đều trên toàn bộ tiết diện của thành vật đúc. Vì vùng mặt ngoài tiết xúc với thành khuôn sẽ nguội nhanh hơn, nên hạt sẽ nhỏ hơn so với vùng bên trong vật đúc. −Vật đúc lớn (nhất là với vật đúc có khối lượng rất lớn) lượng nhiệt tỏa ra khi kết tinh rất lớn nên rất khó làm nguội nhanh và dễ sinh ra tổ chức xuyên tinh. Hình 1.4 cho thấy khi tăng độ quá nguội ộT cả n và ả đều tăng nhưng n tăng nhanh hơn nên nếu tăng độ quá nguội ta vẫn nhận được hạt nhỏ.  Phương pháp biến tính 40
Người ta có thể đạt được hạt tinh thể nhỏ sau kết tinh bằng cách cho vào kim loại lỏng trước khi rót một lượng nguyên tố nào đó (với số lượng nhỏ không đủ làm thay đổi tính chất của kim loại lỏng) nhằm tăng lượng mầm kết tinh hoặc làm hạn chế tốc độ phát triển của mầm. Các nguyên tố này được gọi là các chất biến tính. Chất biến tính dùng làm nhỏ hạt tinh thể sau kết tinh là những chất phải có một trong hai tính chất sau: − Có khả năng kết hợp với kim loại lỏng nhưng thường là các tạp chất trong kim loại lỏng để tạo nên các hợp chât hóa học khó chảy, không tan ở dạng phần tử rắn nhỏ lơ lửng trong kim loại lỏng giúp cho sự tạo mầm ký sinh. Thí dụ, người ta thường cho vào thép lỏng một lượng nhôm rất nhỏ theo tỉ lệ 20 - 50g trên một tấn thép lỏng. Lượng nhôm nhỏ này sẽ không làm thay đổi tính chất của thép nhưng nó kết hợp với ôxy, nitơ hòa tan trong thép lỏng để tạo thành các phần tử ôxuyt nhôm Al2O3, nítrít nhôm AlN rất nhỏ phân tán đều trong thép lỏng. Chính các phần tử này giúp cho sự tạo mầm không tự sinh trong kim loại lỏng, do đó sẽ có nhiều hạt tinh thể và hạt tinh thể sẽ nhỏ mịn. − Có khả năng hòa tan vào kim loại lỏng, gây tác dụng làm giảm tốc độ phát triển của mầm, cũng tạo được hạt tinh thể nhỏ, mịn. Thí dụ, khi đúc hợp kim silumin Al – Si, người ta cho vào hợp kim lỏng một hỗn hợp muối natri (NaCl và NaF), các muối này hòa tan vào kim loại lỏng làm giảm sự phát triển của các tinh thể silic, nên hợp kim nhận được các tinh thể silic nhỏ mịn và cơ tính tăng lên rõ rệt. Ngoài tác dụng làm nhỏ hạt tinh thể như đã nêu trên, còn có một số chất biến tính có tác dụng làm thay đổi hình dạng của hạt tinh thể. Chẳng hạn, khi cho một chút manhê (Mg) vào gang xám lỏng, khi kết tinh ta thu được grafít ở dạng quả cầu tròn. Khi kết tinh thông thường, grafít trong gang xám ở dạng tấm (xem thêm phần gang trong tập hai). Ðể làm giảm kích thức của hạt tinh thể sau khi kết tinh, ngày nay người ta còn dùng phương pháp hiện đại như rung cơ học, sử dụng sóng siêu âm hoặc tạo ra các chuyển động tương đối giữa kim loại lỏng và mầm kết tinh. Bản chất của các ảnh hưởng này vẫn chưa được nghiên cứu kỹ. 3.4 CHUYỂN PHA Ở TRẠNG THÁI RẮN. Ở trạng thái rắn, khi nung nóng hay làm nguội trong kim loại và hợp kim có thể xảy ra các chuyển biến khác nhau như chuyển biến pha thù hình, chuyển pha cùng tích, tiết pha và chuyển biến mactenxít. 3.4.1 Chuyển pha thù hình. Khá nhiều nguyên tố hóa học hoặc hợp chất hóa học ở nhiệt độ và áp suất khác nhau, một nguyên tố có thể tồn tại hai hay nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau được gọi là tính thù hình. Những kiểu mạng tinh thể khác nhau của cùng một kim loại được gọi là dạng thù hình. Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình. Các dạng thù hình của cùng một nguyên tố được ký hiệu α, β, γ , v.v trong đó, α là dạng thù hình ở nhiệt độ thấp nhất. 41
Thí dụ: các bon là một trong những nguyên tố có nhiều dạng thù hình rất khác nhau không những về cấu trúc mạng mà còn về cả tính chất. Các bon có thể tồn tại ở dạng vô định hình như bồ hóng hoặc có mạng là kim cương (A4) và mạng graphít (A9) như đã trình bày ở phần mạng tinh thể đồng hóa trị trên. Ngoài ra nó có thể có cấu trúc lớp cuộn như sợi các bon hay cấu trúc cầu C60, C100 như fulleren mà ta không để cập đến trong cuốn sách này. Sự tồn tại các dạng thù hình phụ thuộc vào hai yếu tố chính là nhiệt độ và áp suất. Cụ thể, graphít có thể tạo ra ở điều kiện bình thường, trong khi đó chuyển biến thù hình graphít sang dạng kim cương chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ và áp suất rất cao. Sắt cũng có 3 dạng thù hình: Feα ở nhiệt độ dưới 9110C với mạng lập phương thể tâm. Ở khoảng nhiệt độ 9110C < t0
Các dung dịch rắn là những pha tinh thể trong đó nguyên tử của hai hay nhiều nguyên tố được sắp xếp trong một kiểu mạng của nguyên tố thành phần. Nguyên tố được giữ nguyên kiểu mạng được gọi là dung môi. Các nguyên tố còn lại (có nguyên tử điền vào những vị trí nhất định hoặc bất kỳ của mạng dung môi) được gọi là chất tan hay chất hòa tan. Các dung dịch rắn được ký hiệu bằng các chữ Hy lạp như α, β, γ , δ , v.v hay A(B) trong đó A là chất dung môi còn B là chất hòa tan.  Dung dịch rắn thay thế. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế vị trí của nguyên tử nguyên tố dung môi (A) tại các nút mạng thì ta có dung dịch rắn thay thế (hình 3. 5). Việc thay thế các nguyên tử dung môi A bằng các nguyên tử chất tan B chỉ có thể xảy ra nếu các bán kính nguyên tử của chúng khác nhau không nhiều hơn 15%. Ðiều kiện này được gọi là yếu tố kích thước. A B Hình 3.5 Dung dịch rắn thay thế Nếu lượng hòa tan của nguyên tố (B) trong nguyên tố (A) không thể vượt quá giới hạn nhất định nào đó (gọi là giới hạn hòa tan) thì dung dịch rắn được gọi là dung dịch rắn hoà tan có hạn. Còn ngược lại thì gọi là dung dịch rắn hòa tan vô hạn, nghĩa là với bất kỳ tỉ lệ nào của các nguyên tố hợp kim tất cả các nguyên tố khác loại cũng đều được phân bố ở các nút mạng của mạng không gian chung. Ðộ hòa tan vô hạn xảy ra khi yếu tố kích thước được tuân thủ và nếu các nguyên tố có cùng kiểu mạng tinh thể. Chẳng hạn như những hợp kim của đồng và vàng, đồng với niken, gecmani và silíc, v.v. Nhiều dung dịch rắn thay thế ở nhiệt độ, áp suất nhất định các nuyên tử của chất hòa tan thay thế nguyên tử dung môi ở những nút mạng theo qui tắc được gọi dung dịch rắn có trật tự hoặc "siêu cấu trúc". Nếu nguyên tử của chất hòa tan thay thế nguyên tử dung môi ở các nút mạng bất kỳ tạo nên dung dịch rắn vô trật tự.  Dung dịch rắn xen kẽ. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ vào chỗ lỗ hổng của các nguyên tử của nguyên tố dung môi (A) như trình bày trên hình 3.6 ta có dung dịch rắn xen kẽ. 43
A B Hình 3.6 Dung dịch rắn xen kẽ Ðiều kiện cơ bản quyết định khả năng hòa tan bằng cách xen kẽ cũng là yếu tố kích thước. Tốt nhất là đường kính của nguyên tử của chất tan bằng hay nhỏ hơn lỗ hổng một ít. Vì lỗ hổng tạo ra giữa các nguyên tử trong mạng là rất nhỏ, nên các dung dịch rắn xen kẽ thường được tạo thành giữa các dung môi là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Mn, W, ... với các á kim có bán kính nguyên tử rất nhỏ như H, N, C, B, ... vì vậy sự hòa tan xen kẽ bao giờ cũng có giới hạn, thông thường độ hòa tan thấp. Trong các hợp kim có nhiều nguyên tố, thì có thể nguyên tố này hòa tan bằng cách thay thế nhưng nguyên tố khác lại hòa tan bằng xen kẽ. Thí dụ như khi nấu chảy sắt với mangan và các bon thì mangan hòa tan vào sắt bằng cách thay thế còn các bon lại hòa tan vào sắt bằng cách xen kẽ. Có thể kết luận rằng các dung dịch rắn là những tinh thể có tính chất gần với dung môi vì kiểu mạng của dung môi được giữ nguyên. Sự hình thành các dung dịch rắn luôn kèm theo việc tăng điện trở và giảm hệ số nhiệt điện trở, chúng thường kém dẻo (trừ dung dịch rắn trên cơ sở đồng), luôn cứng hơn và bền hơn so với các kim loại nguyên chất. Các dung dịch rắn trên cơ sở kim loại có tính công nghệ tốt, chúng dễ biến dạng ở trạng thái nóng và nhiều khi ở cả trong thái nguội. 3.5.2 Các pha trung gian. Các tinh thể được tạo thành bởi các nguyên tố khác nhau và có kiểu mạng tinh thể riêng khác với kiểu mạng của các nguyên tố tạo thành chúng được gọi là pha trung gian. Các pha trung gian có thành phần không đổi hay thay đổi trong phạm vi rất hẹp. Thành phần biến đổi được giải thích hoặc bởi thừa một lượng nhỏ các nguyên tử (hay ion) xen kẽ trong mạng tinh thể của pha trung gian hoặc là bởi không đủ nguyên tử ở các nút mạng. Hiện nay chưa có sự phân loại đầy đủ các loại pha trung gian khác nhau. Nhưng cấu trúc của pha trung gian phụ thuộc ba yếu tố là kích thước tương đối của các nguyên tử, hóa trị của chúng và phụ thuộc vào cấu trúc điện tử của các nguyên tố (tức vị trí của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn). Các pha trung gian điển hình bao gồm pha điện tử, pha xen kẽ, pha Laves và hợp chất hóa học. 44
3.5.3 Hợp chất hóa học. Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo nên do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỉ lệ xác định gọi là hợp chất hóa học. Mạng tinh thể của hợp chất hóa học khác với mạng thành phần. Hợp chất hóa học trong hệ có tính ổn định cao hoặc có nhiều dạng hợp châùt khác nhau. Ví dụ, nguyên tố Fe và các bon C tạo nên Fe 3C rất ổn định, nhưng nguyên tố Cu và Zn có thể cho ta nhiều dạng hợp chất như CuZn, Cu3Zn13, CuZn3, v.v. 3.5.4 Hỗn hợp cơ học. Sau khi kết tinh, các hợp kim có một trong hai dạng tổ chức sau: − Hợp kim có tổ chức một pha là dung dịch rắn hoặc là pha trung gian. − Hợp kim có tổ chức hai hay nhiều pha. Trong trường hợp đầu nếu tổ chức của hợp kim chỉ có một pha thì tính chất của hợp kim chính là tính chất của pha tồn tại. Có rất nhiều hợp kim nhôm, hợp kim đồng chỉ có tổ chức một pha là dung dịch rắn với tính dẻo cao, nhưng hầu như không có hợp kim nào có tổ chức chỉ là một pha trung gian. Trong trường hợp thứ hai khi hợp kim có tổ chức hai hay nhiều pha thì tính chất của hợp kim là tổng hợp của các pha cấu tạo nên nó và những cấu tử không hòa tan vào nhau cũng không liên kết với nhau để tạo thành hợp chất hóa học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy. Hệ hợp kim như vậy được gọi là hỗn hợp cơ học. Hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguyên tử của các nguyên tố thành phần. Chúng ta có thể bắt gặp những hỗn hợp cơ học sau: − Hỗn hợp cơ học là hỗn hợp của của hai dung dịch rắn, chúng có được tính dẻo tốt song ít gặp trong thực tế. − Hỗn hợp cơ học của hai kim loại nguyên chất. Có thể nói rất ít hợp kim có tổ chức như vậy vì ở trạng thái rắn phần lớn các kim loại ít nhiều đều hòa tan vào nhau. − Hỗn hợp cơ học của hai pha trung gian. Trường hợp này chỉ có khi dùng lượng nguyên tố hợp kim cao, nhưng do tính dòn quá lớn nên trong thực tế cũng hầu như không gặp. − Hỗn hợp cơ học của dung dịch rắn và pha trung gian. Ðây là trường hợp thường gặp nhất. Tùy theo tỉ lệ về số lượng, hình dạng, kích thước và sự phân bố của hai pha đó mà chúng có sự kết hợp giữa độ dẻo, độ dai (của dung dịch rắn) và độ cứng độ bền (của pha trung gian) làm hợp kim trở nên cứng, bền với độ dẻo, độ dai nào đó ở các mức độ khác nhau. Hai dạng điển hình của hỗn hợp cơ học có thể kể đến là tổ chức cùng tinh và tổ chức cùng tích. 3.6 GIẢN ÐỒ TRẠNG THÁI HỢP KIM Fe – C. 45
3.6.1 Tương tác giữa sắt và các bon. Sắt là nguyên tố kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp có khá nhiều trong trái đất của chúng ta, nó không thể tồn tại ở dạng tuyệt đối tinh khiết không có nguyên tử tạp chất. Trong các phòng thí nghiệm sắt kỹ thuật chứa khoảng 99,8 đến 99,9% là sắt còn lại là các tạp chất gồm nhiều nguyên tố khác. So sánh với nhiều kim loại thường dùng như nhôm, đồng thì sắt có độ bền và độ cứng cao hơn hẳn nhưng vẫn thấp so với yêu cầu của chế tạo cơ khí vì thế mà người ta thường dùng hợp kim của nó với các nguyên tố khác có cơ tính cao hơn rõ rật. Một trong những hợp kim quan trọng của nó là thép và gang (trình bày ở phần sau). Sắt có 3 dạng thù hình: Feα ở nhiệt độ dưới 9110C với mạng lập phương thể tâm; Ở khoảng nhiệt độ 9110C < t0
Vì thực tế chúng ta không sử dụng các hợp kim chứa các bon C lớn hơn trên 5% nên người ta chỉ trình bày giản đồ của Fe - C với các bon tới 6,67% ứng với hợp chất hóa học xementít nên giản đồ này còn được gọi là giản đồ Fe - Fe3C. Giản đồ trạng thái này được xây dựng bằng thực nghiệm và được kiểm tra theo qui tắc pha, nó cho phép xác định về mặt lý thuyết chiều hướng xảy ra các quá trình chuyển biến pha để đạt được trạng thái cân bằng. Mỗi điểm trên trục hoành biểu thị một thành phần xác định. Tọa độ các điểm trên giản đồ cho trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Tọa độ các điểm trên giản đồ. Nhiệt Nhiệt Nhiệt [ Ðiểm độ [0C] %C Ðiểm độ [0C] %C Ðiểm độ [0C] %C A 1539 0 F 1147 6,67 N 1392 0 B 1499 0,51 G 911 0 J 1499 0,16 C 1147 4,3 H 1499 0,1 S 727 0,8 D 1600 6,67 K 727 6,67 P 727 0,02 E 1147 2,14 L 0 6,67 Q 0 0,006 Hình 3.7 mô tả dạng của giản đồ Fe - C (Fe - Fe3C). 47
(P + Xe) = Ledeburít = (γ 0 1600 C A B H Loûng (L) + Xe) 1400 J N γ +L 1200 E C 1000 γ G γ + XeII γ + XeII + Le 800 S α+γ (α + Xe) = α (α + P) peclít P 600 400 P + XeII P + XeII + Le 200 Q 0,8 1 2 2,14 3 4 4,3 Fe Gang Theùp Hình 3.7 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) với các vùng tổ chức khác nhau. Từ giản đồ trạng thái này chúng ta có thể xác định được các thông số sau đây: − Nhiệt độ chảy và nhiệt độ chuyển biến pha của hệ với thành phần đã cho khi nung nóng và làm nguội, nhờ đó mà xác định được các chế độ nhiệt khi nấu luyện (để đúc), chế độ gia công bằng áp lực (để cán, rèn, v.v.) và nhiệt luyện. − Trạng thái pha của hệ bao gồm hệ có các pha nào, thành phần của mỗi pha và tỉ lệ giữa các pha đó ra sao ở các nhiệt độ và thành phần khác nhau, nhờ đó người ta có thể dự đoán được tính chất của hệ đã cho để sử dụng được tốt cho các mục đích khác nhau. 3.6.2.2 Các tổ chức của hợp kim Fe – C trên giản đồ. Các tổ chức một pha trên giản đồ là hợp kim lỏng, pha δ , austenít γ , ferít α, xementít Fe3C, graphít, còn các hỗn hợp cơ học tinh tích peclít, hỗn hợp cùng tinh ledeburít, v.v. Ðường ABCD là đường lỏng (liqidus) phân biệt pha lỏng hoàn toàn với pha lỏng đã có tinh thể rắn. Khi nung nóng qua đường này hợp kim sẽ hóa lỏng hoàn toàn, ngược lại khi làm nguội hợp kim lỏng tới đường này, hợp kim bắt đầu kết tinh. 48
Hợp kim lỏng là dung dịch lỏng của các bon trong sắt và chúng tồn tại ở phía trên đường lỏng ABCD. Ðường AHJECF là đường đặc (solidus) ứng với điểm bắt đầu nóng chảy hoặc kết tinh hoàn toàn của hợp kim. Khi nung nóng hợp kim qua đường này thì chúng bắt đầu nóng chảy. Ngược lại, khi làm nguội hợp kim lỏng xuống dưới đường này hợp kim đông đặc hoàn toàn. Phía dưới đường đặc các hợp kim của sắt và các bon tồn tại ở trạng thái rắn, với các tổ chức một pha và nhiều pha nằm trong các đường biểu diễn và đường giới hạn thành phần. Tổ chức Austenít (ký hiệu là γ hay A) là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong Feγ (săùt austenít). Lượng hòa tan C tối đa là 2,14% ở 11470C. Tại 7270C lượng hòa tan C chỉ còn là 0,8%. Khu vực AESG chỉ tồn tại một pha austenít riêng biệt. Tổ chức tế vi của austenít có dạng các hạt đa cạnh sáng, có thể với mầu đậm nhạt đôi chút (do định hướng của tẩm thực) và các đường song tinh (đường song song) cắt ngang được trình bày trên hình 3.9. Hình 3.8 Tổ chức tế vi austenít Vì austenít chỉ tồn tại riêng biệt ở nhiệt độ trên 7270C nên không quyết định tính chất cơ học khi kim loại chịu tải nhưng vì nó là pha dẻo và dai rất dễ biến dạng dẻo nên đóng vai trò quan trọng khi gia công áp lực nóng và nhiệt luyện. Ferít (ký hiệu là F hay α) là dung dịch rắn xen kẽ của các bon hòa tan trong Fe α. Lượng hòa tan các bon trong ferít nhỏ. ‘ Ở 7270C khả năng hoà tan lớn nhất là 0,02% C ở điểm P và nhiệt độ càng giảm lượng hòa tan càng giảm. Ở nhiệt độ thường lượng hoà tan của nó chỉ còn 0,006 % ở điểm Q nên có thể coi ferít là sắt nguyên chất. Ferít rất dẻo, mềm và có độ bền thấp nhưng nó có thể hòa tan Si, Mn, P, Cr, v.v nên sẽ cứng và bền hơn song độ dẻo và dai lại kém đi. Tổ chức tế vi của ferít gồm những hạt đa cạnh sáng như trình bày trên hình 3.8. Hình 3.9. Tổ chức tế vi ferít 49
Tổ chức xementít (ký hiệu là Xe hay Fe3C) là hợp chất hóa học của Fe và C (C = 6,67%). Tổ chức này được kết tinh qua ba giai đoạn và nằm trong hầu hết các khu vực. Ðây là một tổ chức có độ cứng cao, tính công nghệ kém, độ dòn lớn nhưng chịu mài mòn tốt. Péclít (ký hiệu là P) là tổ chức gồm hai pha. Nó là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferít và xêmentít (XeII). Tại điểm S, khi hạ nhiệt độ xuống 7270C, cả ferít và xementít cùng kết tinh ở thể rắn nên cùng tích péc lít có số lượng lớn nhất. Lượng péc lít giảm dần về cả hai phía. Tính chất cơ học của péc lít tùy thuộc vào lượng ferít và xêmemtít và phụ thuộc vào hình dạng của xêmentít. Người ta phân biệt hai loại peclít: peclít hạt và peclít tấm. Hình 3.10 Tổ chức tế vi của peclít tấm (a) và péclít hạt (b) (x 500 lần) Peclít tấm có cấu trúc lớp hoặc tấm (hình 3.10a ) tức là hai pha này dưới dạng lớp nằm xen kẽ đều với nhau nên mặt cắt ngang để lại vạch theo cùng một hướng, trong đó vạch tối mỏng ít hơn là xementít còn vạch sáng là ferít nên tổng thể có dạng vân. Pelít hạt ít gặp hơn, nó có cấu trúc hạt tức xementiùt ở dạng thu gọn nhất hạt phân bố đều trên nền ferít (hình 3.10b). Peclít tấm có độ bền, độ cứng cao hơn đôi chút nhưng có độ dẻo, độ dai thấp hơn peclít hạt. Austenít đồng nhất dễ tạo thành peclít tấm, còn austenít kém đồng nhất sẽ dễ tạo thành peclít hạt. Graphít là các bon ở trạng thái tự do (hình vẽ 3.11). Như đã lưu ý ở trên, vì giản đồ Fe – C thiết lập theo hệ Fe – Fe3C nên không hình thành graphít. Trong thực tế tổ chức graphít vẫn tồn tại ở một số hợp kim có các bon và si líc hàm lượng cao, tốc độ nguội chậm. Graphít kém bền, dòn, nở thể tích khi kết tinh. Hình vẽ 3.11 Mạng graphít 50
Ledeburít (ký hiệu là Le) là hỗn hợp cơ học cùng tinh của austenít và xêmentít (XeI) tạo thành từ pha lỏng với hàm lượng 4,3% C và ở nhiệt độ 1147 0C (điểm C của giản đồ). Khi làm nguội tiếp tục xuống dưới 7270C thì austenít chuyển thành péc lít nên tổ chức tế vi cuối cùng của ledeburít là hỗn hợp của peclít tấm và xêmentít (hình 3.12). Vì lượng xementít trong ledeburít khá lớn (tới 2/3 là xementít) nên nó cứng và dòn. Ledeburít chỉ có trong hợp kim Fe-C ở gang Hình 3.12. Tổ chức tế vi ledeburít trắng là loại vật liệu ít gặp. 3.6.2.3 Các điểm (nhiệt độ) tới hạn của hợp kim Fe – C. Các điểm chuyển biến ở trạng thái rắn của hợp kim Fe - C được gọi là các điểm tới hạn và được ký hiệu bằng chữ A (từ arrét tiếng Pháp có nghĩa là dừng vì khi chuyển biến pha nhiệt độ bị dừng lại) và các số tiếp theo chỉ thứ tự như 0, 1, 2, 3, v.v. A0 ứng với 2100C là điểm (tức là nhiệt độ) chuyển biến từ của xementít. Ở nhiệt độ cao hơn 2100C xementít mất tính sắt từ, còn dưới 2100C nó có tính sắt từ yếu. A1 ứng với 7270C là điểm (tức là nhiệt độ) chuyển biến cùng tích (đường PSK). Khi làm nguội thép đến điểm A1 này austenít sẽ bắt đầu chuyển biến cùng tích để tạo ra hỗn hợp cơ học péc lít. Ngược lại khi nung nóng thép đến đường này hỗn hợp cơ học péc lít chuyển biến thành austenít. A2 ứng với 7680C là điểm (tức là nhiệt độ) chuyển biến từ của ferít. Ở nhiệt độ cao hơn 7680C ferít mất tính sắt từ, còn dưới 7680C nó có tính sắt từ. A3 (Ðường ES) ứng với 727 đến 9110 C là điểm (tức là nhiệt độ) chuyển biến của ferít. Khi làm nguội thép đến A3 thì ferít bắt đầu tiết ra từ austenít và ngược lại khi nung nóng đến điểm này ferít kết thúc hòa tan vào austenít. Acm ứng với 727 đến 11470 C là điểm (tức là nhiệt độ) chuyển biến xementít. Khi làm nguội thép đến ACm thì xementít thứ hai bắt đầu tiết ra từ austenít và ngược lại khi nung nóng đến điểm này xementít II kết thúc hòa tan vào austenít (Ðường GS). Ký hiệu "cm" ở đây là chỉ xementít (cémentite). Ðối với nhiệt luyện thép chỉ sử dụng các điểm tới hạn A1, A3 và Acm. Trong đó A1 có nhiệt độ không thay đổi còn A3 (chỉ có trong thép trước cùng tích) và A cm (chỉ có trong thép sau cùng tích) có nhiệt độ thay đổi theo thành phần các bon. Chú ý: Các điểm chuyển biến chỉ đúng với giản đồ khi nung nóng và làm nguội vô cùng chậm. Với tốc độ nung nóng và làm nguội trong thực tếû các điểm tới hạn trên có dịch chuyển một ít. Ðể tiện lợi, người ta qui ước như sau: − Ðể chuyển biến xảy ra, khi nung nóng phải nung cao hơn nhiệt độ cân bằng của giản đồ nên người ta cho thêm chữ c sau chữ A (từ chữ chauffage của tiếng Pháp nghĩa là nung nóng). Ví dụ: Ac1. Ac3, Accm, v.v. 51
− Ngược lại, khi làm nguội phải hạ nhiệt độ xuống thấp hơn nhiệt độ cân bằng của giản đồ vì thế người ta cho thêm chữ r sau chữ A (từ chữ refroidissement tiếng Pháp có nghĩa là làm nguội). Ví dụ: Ar1. Ar3, Arcm, v.v. 3.6.3 Khái niệm thép, gang. Thép và gang đều là hợp kim của sắt và các bon cùng với một vài các nguyên tố khác. Người ta phân biệt qui ước thép và gang trên cơ sở của hàm lượng cácbon trong chúng. Những hợp kim của sắt chứa dưới 2,14% C được gọi là thép còn những hợp kim chứa trên 2,14% C được gọi là gang. Một cách gần đúng có thể thấy điểm E trên giản đồ Fe - Fe3C phân biệt hai loại vật liệu trên. Bên trái điểm E là thép còn bên phải điểm E là gang. Về nguyên tắc tất cả các thép có hàm lượng các bon khác nhau khi nung nóng cao hơn đường GSE tương ứng đều có chuyển biến thành một pha duy nhất là austenít với độ dẻo rất cao, rất dễ biến dạng nóng. Vì thế mà thép là vật liệu dẻo được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm để cán nóng như các thanh, các ống hay các tấm hình rất thuận lợi cho sử dụng. Tuy nhiên, nhiều loại thép còn có khả năng biến dạng nguội. Thép càng ít các bon thì khả năng chịu biến dạng của nó càng cao và tiùnh đúc càng kém. Ngược lại, gang là loại vật liệu khi nung nóng không bao giờ đạt được tổ chức hoàn toàn là austenít nên không thể biến dạng nóng và biến dạng nguội được. Nhưng do có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh thì khả năng điền đầy khuôn cao nên gang là vật liệu dùng để đúc rất tốt và có thể đúc được các chi tiết phức tạp. Gang có thành phần càng gần với cùng tinh thì tính đúc càng tốt. Khi lượng các bon nằm trong vùng giáp giới giữa thép và gang (khoảng từ 1,8 đến 2,2 % C) thì hợp kim có tính đúc và tính chịu biến dạng dẻo đều rất kém và lúc đó chúng được xếp thuộc loại vật liệu nào là tùy thuộc vào các thành phần khác và công dụng của chúng.  C ần lưu ý: Các tổ chức tế vi được trình bày ở trên ứng với giản đồ pha Fe - Fe 3C chỉ phù hợp với thực tế khi hợp kim có hai nguyên tố chủ yếu là sắt và các bon (tức lượng nguyên tố khác lẫn vào hợp kim rất nhỏ) và ở trạng thái ủ (tức được làm nguội chậm). Khi làm nguội nhanh hợp kim có thể có tổ chức không cân bằng và không phù hợp với giản đồ pha nữa. Trong thép và gang được sử dụng trong thực tế, ngoài sắt và các bon bao giờ cũng có một hàm lượng nhỏ các tạp chất thường có như các nguyên tố Mn, Si, P, S và các tạp chất ẩn gồm các khí nitơ, ôxy, hyđrô (với hàm lượng rất ít) cùng các tạp chất ngẫu nhiên. Những loại thép và gang này được gọi là thép các bon và gang thường. Trong nhiều trường hợp người ta cố ý cho vào thép hay gang các nguyên tố đặc biệt với một hàm lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép và gang. Các nguyên tố đặc biệt đó được gọi là các nguyên tố hợp kim còn thép và gang như vậy được gọi là thép hợp kim và gang hợp kim. 52