Giản đồ trạng thái của hợp kim hai cấu tử

Giản đồ trạng thái của hợp kim hai cấu tử<br /> <br /> I.<br /> 1.<br /> <br /> n<br /> <br /> ản đồ<br /> <br /> ạn<br /> <br /> a – Pha: là những tổ phần đồng nhất của hợp kim (hệ). Chúng có thành phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng, ở cùng một trạng thái (lỏng, rắn hay khí), nếu ở trạng thái rắn phải cùng kiểu và thông số mạng và ngăn cách với các phần còn lại (với các pha khác) bằng bề mặt phân chia. b – Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng. Hệ được coi là cân bằng nếu quá trình chuyển biến xảy ra trong nó có tính chất thuận nghịch. Rất khó đạt được cân bằng tuyệt đối khi nung nóng, làm nguội và chỉ đạt được cân bằng tuyệt đối khi nung nóng, làm nguội và chỉ đạt được khi nung nóng và làm nguội vô cùng chậm. c – Cấu tử (nguyên): là những chất độc lập, có thành phần không đổi, chúng tạo nên các pha của hệ. Ví dụ: Nước (H2O) ở 0oC gồm có nước (lỏng) và nước đá (rắn) là hệ một cấu tử, có hai pha khác nhau về trạng thái tồn tại (lỏng và rắn). d – Qui tắc pha: là qui tắc cho phép xác định quan hệ giữa số bậc tự do T với số cấu tử N và số pha F. Số bậc tự do là số yếu tố bên trong (thành phần) và yếu tố bên ngoài (nhiệt độ, áp suất) có thể thay đổi được trong phạm vi nào đó mà không làm thay đổi trạng thái pha của hợp kim đó. T=N–F+2<br /> <br /> trong đó: T – Số bậc tự do; N – số cấu tử; F – số pha có thể tồn tại trong hệ; 2 – các yếu tố bên ngoài, nhiệt độ và áp suất. Thông thường khi khảo sát hợp kim thì nó được tiến hành ở áp suất không đổi, nên số yếu tố bên ngoài chỉ còn 1 (nhiệt độ), vì thế: T = N – F + 1; 1 – chỉ nhiệt độ.<br /> <br /> Khi T = 0 tức là hợp kim không có sự thay đổi của nhiệt độ và thành phần. Ví dụ: Nếu kim loại lỏng kết tinh sẽ có hai pha rắn và lỏng nếu T = 1 – 2 + 1 = 0, lúc đó nhiệt độ không thay đổi. Trên đường nguội sẽ có đoạn nằm ngang. Khi T = 1, hợp kim không thay đổi số pha khi thay đổi nhiệt độ hoặc một thành phần. Khi T = 2 tức là hợp kim sẽ không thay đổi số pha ngay cả khi thay đổi đồng thời và một thành phần. e – Quy tắc đòn bẩy: Quy tắc đòn bẩy cho phép xác định tỉ lệ thành phần cấu tạo của hợp kim, thành phần hóa học, tỉ lệ giữa các pha, tỉ lệ giữa các tổ chức. Xác định trạng thái pha của hợp kim: Muốn biết hợp kim đã cho với thành phần %x và nhiệt độ toC có tổ chức pha như thế nào, người ta xác định tọa độ trạng thái của hợp kim ứng với thành phần % và nhiệt độ toC đó trong hệ tọa độ thành phần – nhiệt độ. Nếu giao điểm rơi vào cùng một pha, thì hợp kim chỉ có tổ chức một pha và thành phần hóa học của pha chính là tỉ lệ giữa các nguyên của hợp kim đã cho (tức điểm %x). Nếu điểm giao rơi vào vùng hai pha thì hợp kim có tổ chức hai pha đó là khác nhau. Ví dụ trên H 2.1, hai pha M và N sẽ có thành phần hóa học tương ứng là x1 và x2. Để xác định tỉ lệ giữa hai pha này, ta dùng quy tắc đòn bẩy. Quy tắc đòn bẩy: Điểm 0 là điểm giao của đường gióng thành phần x%B và ở nhiệt độ toC. Điểm 0 rơi vào vùng có hai pha. Gọi hai pha đó là M và N. Gọi x1 là % nguyên tố B trong pha M.<br /> <br /> Hình 2.1. Xác định tỉ lệ giữa hai pha theo quy tắc đòn bẩy. Gọi x2 là % nguyên tố B trong pha N. Bài toán cần giải là tìm lượng tương đối của hai pha đó là m và n. Ta có: mx1 là lượng nguyên tố B trong pha M; nx2 là lượng nguyên tố B trong pha N; mx1 + nx2 = x và m + n = 100% = 1 Ta có hệ:<br /> <br /> Giải hệ phương trình với hai ẩn m và n, ta có:<br /> <br /> hay: Quan hệ này giống như quy tắc tổng hợp lực song song, giống như quy tắc đòn bẩy. Quy tắc này giúp tỉ lệ pha của hợp kim có cấu tạo hai pha.<br /> <br /> 2. Công dụng của gi<br /> <br /> đồ trạng thái<br /> <br /> Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (tỷ lệ) các pha (hoặc tổ chức) của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Các hệ có giản đồ pha khác nhau và chúng được xây dựng chỉ bằng thực nghiệm. Trong thực tế không có hai giản đồ pha nào giống nhau hoàn toàn vì tương tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức tạp từ kiểu pha, các phản ứng cho đến nhiệt độ tạo thành. Hiện nay người ta đã xây dựng được hầu hết các hệ hai cấu tử giữa các kim loại, kim loại với á kim và các hệ ba cấu tử thường gặp rất thuận tiện cho việc tra cứu. Hệ một cấu tử không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha của nó chỉ có một trục, trên đó<br /> <br /> đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) và các nhiệt độ chuyển biến thù hình (nếu có) như ở hình 3.6 cho trường hợp của sắt. Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục: trục tung biểu thị nhiệt độ, trục hoành biểu thị thành phần (thường theo % khối lượng) với những đường phân chia các khu vực pha theo các nguyên tắc sau: - Xen giữa hai khu vực một pha là khu vực hai pha tương ứng. - Mỗi điểm trên trục hoành biểu thị một thành phần xác định của hệ. Theo chiều từ trái sang phải tỷ lệ cấu tử B tăng lên, còn từ phải sang trái tỷ lệ của cấu tử A tăng lên, hai đầu mút tương ứng với hai cấu tử nguyên chất: A (trái), B (phải). Ví dụ trên hình 3.7 điểm C ứng với thành phần có 30%B (tỷ lệ của cấu tử thứ hai là phần còn lại, tức 70%A), điểm D: 80%B + 20%A.<br /> <br /> Hình 3.6. Giản đồ pha của sắt.<br /> <br /> Hình 3.7. Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử. - Đường thẳng đứng bất kỳ biểu thị một thành phần xác định nhưng ở các nhiệt độ khác nhau. Ví dụ đường thẳng đứng qua D biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của thành phần này (80%B +20%A).<br /> <br /> - Hai trục tung chính là giản đồ pha của từng cấu tử tương ứng (trái cho A, phải cho B). Do được biểu thị trên mặt phẳng một cách chính xác nên từ giản đồ pha của hệ hai cấu tử dễ dàng xác định được các thông số sau đây cho một thành phần xác định ở nhiệt độ nào đó. • Các pha tồn tại. Căn cứ vào điểm nhiệt độ - thành phần đã cho (tạm gọi là tọa độ) nằm trong vùng nào của giản đồ pha sẽ có tổ chức pha tương ứng với vùng đó: nằm ở vùng một pha, hợp kim có tổ chức một pha; nằm trong vùng hai pha - có tổ chức hai pha. • Thành phần pha. Nếu tọa độ nằm trong vùng một pha thì thành phần của pha cấu tạo nên hợp kim bằng chính thành phần của hợp kim đã chọn. Khi tọa độ nằm trong vùng hai pha việc xác định có phức tạp hơn: kẻ đường nằm ngang (đẳng nhiệt) qua tọa độ này, hai giao điểm của nó với hai đường biên giới với hai vùng một pha gần nhất sẽ chỉ rõ thành phần của từng pha tương ứng. • Tỷ lệ (về số lượng) giữa các pha hoặc tổ chức. Tiếp theo có thể xác định được tỷ lệ giữa chúng nhờ quy tắc đòn bẩy hay cánh tay đòn theo nguyên tắc sau: ba điểm trên (tọa độ và hai pha) tạo nên hai đoạn thẳng mà độ dài của mỗi đoạn biểu thị tỷ lệ tương đối của pha đối diện trong hợp kim, hay một cách đơn giản: lượng pha trái độ dài đoạn thẳng phải (đòn bên phải) ------------------ = -------------------------------------------------lượng pha phải độ dài đoạn thẳng trái (đòn bên trái) giống như sự cân bằng của đòn bẩy lượng pha trái x đòn trái = lượng pha phải x đòn phải (hình 3.8).<br /> <br /> Hình 3.8. Sự cân bằng của đòn bẩy. • Suy đoán tính chất của hợp kim. Theo quy tắc kết hợp thì tính chất của hợp kim Phk là tổng hợp tính chất của từng pha Ppha theo tỷ lệ bậc nhất<br /> <br />