Giáo trình hóa học vô cơ - Chương 3

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

283
lượt xem 72
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo Giáo trình hóa học vô cơ - Chương 3 : Hợp kim và giản đồ pha

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình hóa học vô cơ - Chương 3

36 PhÇn II Hîp kim vµ biÕn ®æi tæ chøc Ch−¬ng 3 Hîp kim vµ gi¶n ®å pha 3.1. CÊ 3.1. CÊ u tróc tinh thÓ cña hîp kim Kh¸i 3.1.1. Kh¸i niÖ m vÒ hîp kim §Þ a. §Þ nh nghÜ a Hî p kim lµ hçn hîp cña kim lo¹i víi mét hoÆc nhiÒ u kim lo¹i hoÆc ¸ kim kh¸c. La t« ng= hîp kim Cu + Zn → hî p kim ®¬n gi¶ n chØ gåm 2 nguyª n tè Gang: Fe+Mn+Si vµ C+P+S, nguyª n tè chÝ nh lµ Fe (kim lo¹ i) → hîp kim phøc t¹ p. Nguyª n tè kim lo¹ i chÝ nh (> 50%) ® − îc gäi lµ nÒ n hay nguyª n tè c¬ së . b. −u viÖ t cña hî p kim so víi kim lo¹i b. hîp Hî p kim: ® é bÒ n, ® é cøng, tÝ nh chèng mµ i mßn cao h¬n, tÝ nh c«ng nghÖ tèt h¬n: ®óc, c¾ t gä t, nhiÖ t luyÖ n ® Ó ho¸ bÒ n tè t h¬ n, rÎ h¬n. Kim lo¹ i nguyª n chÊ t: dÉ n nhiÖ t, dÉ n ®iÖ n tèt (d© y dÉ n, trang søc, ®iÖ n cùc Pt, Au) c. Mé c. Mé t sè kh¸i niÖ m • Pha: cï ng cÊ u tró c, cï ng tr¹ ng th¸ i, cïng kiÓ u vµ th«ng sè m¹ ng, c¸ c tÝ nh chÊ t c¬ - lý - hã a x¸ c ® Þ nh, ph© n c¸ ch nhau bëi mÆ t ph© n chia pha. • CÊ u tö lµ c¸ c phÇ n ®éc lË p cã khèi l− îng kh«ng ®æi, chóng t¹ o nª n c¸ c pha trong hîp kim. • HÖ lµ tË p hî p c¸ c pha, cã thÓ ë c© n b» ng hoÆ c kh«ng c© n b» ng. 3 • Tr¹ ng th¸ i kh«ng c© n b» ng (3) = kh«ng æn ®Þ nh: th− êng gÆ p: khi t«i→c¬ tÝ nh (bÒ n, cøng) cao h¬n, xu ∆G h− í ng→(1&2) 2 • Tr¹ ng th¸ i gi¶ æ n ® Þ nh (2) muè n sang (1) ph¶ i th¾ ng ∆G • æn ® Þ nh (1). 1 d. Ph© d. Ph© n lo¹ i c¸c t− ¬ ng t¸ c ChÕ t¹ o hî p kim = nÊ u ch¶ y % x¸ c ®Þ nh råi lµ m nguéi. H× nh 3.1. S¬ ®å c¸ c vÞ trÝ Tõ pha láng ®ång nhÊ t khi lµ m nguéi sÏ cã t− ¬ng t¸ c t¹ o æn ®Þ nh (1), gi¶ æn ®Þ nh (2) nª n c¸ c pha kh¸ c nhau. vµ kh«ng æ n ® Þ nh (3) T¹ o thµ nh hç n hîp c¬ häc A + B t¸ c: Khi cã t− ¬ng t¸c: 2 tr− êng hîp x¶ y ra: - hßa tan thµ nh dung dÞ ch r¾ n, tæ chøc mét pha nh− kim lo¹ i nguyª n chÊ t (h× nh 3.2b) dung m«i - ph¶ n ø ng víi nhau thµ nh hîp chÊ t hãa häc, t¹ o thµ nh kiÓ u m¹ ng míi kh¸ c h¼ n. 3.1.2. Dung 3.1.2. Dung dÞ ch r¾n a. Kh¸i niÖ m - ph© n lo¹ i ph©n lo¹i §/n: §/n: lµ hî p kim trong ®ã 1 hay nhiÒ u nguyª n tè hoµ tan vµ o m¹ ng tinh thÓ cña kim lo¹ i chiÕ m ® a sè ® − îc gäi lµ nÒ n. Dung m«i chiÕ m ®a sè, nguyª n tè chiÕ m tû lÖ Ý t h¬n lµ chÊ t tan. §/®iÓ m: kiÓ u m¹ ng cña dung m«i, nång ®é chÊ t tan cã thÓ thay ®æi trong mét ph¹ m vi mµ §/®iÓ kh« ng lµ m mÊ t ® i sù ®å ng nhÊ t ® ã . Dung dÞ ch r¾ n lµ cña B trong A: A(B), m¹ ng cñ a A.
xen kÏ 37 C¸c C¸c kiÓ u: thay thÕ vµ xen kÏ (h× nh 3.3) thay thÕ H× nh 3.3. S¬ ®å s¾p xÕp nguyªn tö hßa tan thay thÕ vµ xen kÏ vµo dung m«i cã m¹ng lËp ph−¬ng t©m mÆt, mÆt (100) b. Dung b. Dung dÞ ch r¾ n thay thÕ §/n: §/n: nguyª n tö chÊ t tan thay thÕ vÞ trÝ nguyª n tö dung m«i. §/kiÖ §/kiÖ n: sai kh¸ c dnguyª n tö kh« ng qu¸ 15%. TÝ nh chÊ t ho¸ lý t− ¬ng tù nhau. Ph© Ph© n lo¹ i: theo giíi h¹ n h/tan gå m 2 lo¹ i: dd r¾ n hoµ tan cã h¹ n vµ dd r¾ n hoµ tan v« h¹ n theo sù ph© n bè ng/tö chÊ t tan, cã 2 lo¹ i: dd r¾ n cã tr/tù vµ dd r¾ n o cã tr/tù Gií i h¹ n hß a tan lµ nång ®é chÊ t tan lín nhÊ t mµ vÉ n b¶ o tån ® − îc m¹ ng tinh thÓ . §iÒ u kiÖ n hoµ tan v« h¹n: chØ cã thÓ (cã khi o) x¶ y ra khi tháa m· n c¶ 4 yÕ u tè sau: §iÒ tan H× nh 3.4. S¬ ®å thay thÕ ®Ó t¹o dung dÞch r¾n hßa tan v« h¹n gi÷a hai kim lo¹i A vµ B 1- cïng kiÓ u m¹ ng, 2-® − êng kÝ nh nguyª n tö kh¸ c nhau Ý t (< 8%) 3-tho¶ m· n giíi h¹ n nång ®é ®iÖ n tö: vÝ dô: m¹ ng lftm → Ce ≤ 1,36, lftk → Ce ≤ 1,48, 4-cã cï ng ho¸ trÞ , tÝ nh © m ®iÖ n sai kh¸ c nhau Ý t. Ngoµ i ra, tÝ nh lý - hãa (®Æ c biÖ t lµ nhiÖ t ®é ch¶ y) gièng nhau → dÔ t¹ o thµ nh dung dÞ ch r¾ n hß a tan v« h¹ n. VÝ dô : Ag - Au (m¹ ng A1, ∆r = 0,20%, cïng nhãm IB), Cu - Ni (m¹ ng A1, ∆r = 2,70%, IB vµ VIII), Feα - Cr (m¹ ng A2, ∆r = 0,70%, VIB vµ VIII). trË t tù: Dung dÞ ch r¾n cã trËt tù : c¸ c nguyª n tö chÊ t tan s¾ p xÕ p cã trË t tù trong m¹ ng tinh thÓ dung m« i, (® − î c ngué i rÊ t chË m trong kho¶ ng nO nhÊ t ®Þ nh). §a sè tr− êng hîp lµ kh«ng trË t tù. c. Dung c. Dung dÞ ch r¾n xen kÏ §/n: §/n: c¸ c nguyª n tö hßa tan n» m xen kÏ vµ o c¸ c lç hæng trong m¹ ng tinh thÓ dung m«i. §iÒ u kiÖ n: b¸ n kÝ nh nguyª n tö chÊ t tan ph¶ i rÊ t nhá: N (0,071nm), C (0,077nm) vµ ®«i khi §iÒ c¶ B (0,091nm) míi cã kh¶ n¨ ng xen kÏ vµ o c¸ c lç hæng gi÷a c¸ c nguyª n tö lín nh− Fe (0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm),... Lç hæng lín nhÊ t trong m¹ ng A1 lµ lo¹ i 8 mÆ t chØ b» ng 0,414dng/tö , ngoµ i H, o cã ¸ kim nµ o bá lät → ® È y c¸ c nguyª n tö chñ bao quanh gi· n ra, g© y ra x« lÖ ch m¹ nh m¹ ng (h× nh 3.5). . chØ cã dung dÞ ch r¾ n xen hß a tan cã h¹ n. b-xen kÏ a-thay thÕ ban ®Ç u H× nh 3.5. Sù x« lÖch m¹ng trong dd r¾n: a. hßa tan thay thÕ khi rht > rchñ, b. hßa tan xen kÏ rht> rlç hæng d. C¸ d. C¸ c ®Æ c tÝ nh cña dung dÞ ch r¾ n Cã kiÓ u m¹ ng tinh thÓ cña kim lo¹ i dung m«i → cã ®Æ c tr− ng c¬, lý, hãa tÝ nh cña kim lo¹ i nÒ n: 1) M¹ ng tinh thÓ , ®¬n gi¶ n vµ xÝ t chÆ t (A1, A2...) cña kim lo¹ i víi liª n kÕ t kim lo¹ i 2) C¬ tÝ nh gièng kim lo¹ i c¬ së:
38 . dÎ o, cã gi¶ m ® i 1 chót song vÉ n ® ñ cao, dÔ biÕ n d¹ ng dÎ o, c¸ biÖ t t¨ ng ®é dÎ o: Cu(Zn) ví i 30%Zn cßn dÎ o h¬n c¶ Cu → chi tiÕ t dË p s© u, ®å d¸ t = lat«ng . t¨ ng ®é bÒ n, ®é cøng, kh¶ n¨ ng chÞ u t¶ i h¬n h¼ n kim lo¹ i nguyª n chÊ t . nå ng ® é chÊ t tan cµ ng lín → dÎ o cµ ng gi¶ m, bÒ n cµ ng t¨ ng. Qu¸ lín → g© y ra giß n, dÔ bÞ g· y, vì → chän nång ®é thÝ ch hîp. 3) DÉ n nhiÖ t, dÉ n ®iÖ n tèt nh− ng kÐ m h¬n kim lo¹ i nguyª n chÊ t, thay ®æi tÝ nh chèng ¨ n mßn. Dung dÞ ch r¾ n lµ pha c¬ b¶ n chiÕ m tíi 90% thË m chÝ 100% trong vË t liÖ u kÕ t cÊ u. 3.1.3. Pha trung gian 3.1.3. Pha Trª n gi¶ n ®å pha 2 phÝ a lµ dung dÞ ch r¾ n, ë gi÷a lµ c¸ c pha trung gian. a. B¶ a. B¶ n chÊ t vµ ph©n lo¹i §Æ c ® iÓ m: 1) Cã m¹ ng tinh thÓ phøc t¹ p vµ kh¸ c h¼ n víi nguyª n tè thµ nh phÇ n 2) Cã tû lÖ chÝ nh x¸ c gi÷a c¸ c nguyª n tè theo c«ng thøc hãa häc AmBn 3) TÝ nh chÊ t : kh¸ c h¼ n c¸ c nguyª n tè thµ nh phÇ n → gißn 4) Cã nhiÖ t ®é ch¶ y x¸ c ®Þ nh, khi t¹ o thµ nh táa nhiÖ t. 5) kh¸ c ví i c¸ c hîp chÊ t hãa häc th«ng th− êng, c¸ c pha trung gian kh«ng hoµ n toµ n tu© n theo quy luË t hã a trÞ → kh« ng cã thµ nh phÇ n hãa häc chÝ nh x¸ c theo c«ng thøc, cã liª n kÕ t kim lo¹ i. C¸ c pha trung gian trong hîp kim th− êng gÆ p: pha xen kÏ , pha ®iÖ n tö vµ pha Laves. b. Pha b. Pha xen kÏ §/n: Lµ pha t¹ o nª n gi÷ a c¸ c kim lo¹ i chuyÓ n tiÕ p (cã b¸ n kÝ nh nguyª n tö lín) víi c¸ c ¸ kim cã b¸ n kÝ nh nguyª n tö bÐ nh− C, N, H (vµ B): cacbit, nitrit, hy®rit (vµ borit). §/®iÓ m: M¹ ng tinh thÓ cñ a pha xen kÏ ∈ t− ¬ng quan kÝ ch th− íc nguyª n tö gi÷a ¸ kim (X) §/®iÓ vµ kim lo¹ i (M):. khi rX / rM < 0,59 → mét trong ba kiÓ u m¹ ng lµ A1, A2, A3 (tuy kh« ng gi÷ l¹ i kiÓ u m¹ ng vèn cã nh− ng vÉ n mang ®Æ c ®iÓ m kim lo¹ i), c¸ c nguyª n tö ¸ kim xen kÏ vµ o c¸ c lç hæng trong m¹ ng, t¹ o nª n hîp chÊ t víi c¸ c c«ng thøc ®¬n gi¶ n nh− M4X, M2X. . khi rX / rM > 0,59 → m¹ ng tinh thÓ phøc t¹ p (® − îc gäi lµ pha xen kÏ ví i m¹ ng phø c t¹ p) t− ¬ng øng víi c«ng thøc M3X, M7X3, M23X6. T/chÊ t: NhiÖ t ® é ch¶ y rÊ t cao (th− êng > 2000 ÷ 3000oC), rÊ t cøng (HV > 2000 ÷ 5000) vµ gißn → hã a bÒ n, n© ng cao tÝ nh chè ng mµ i mßn vµ chÞ u nhiÖ t cña hîp kim. H vµ N cã kÝ ch th− íc nguyª n tö nhá nª n rX / rM < 0,59, → Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N... cã m¹ ng ®¬n gi¶ n. C cã rX / rM>0,57 nª n t¹ o Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6,WC, TiC, Mo2C, VC → m¹ ng phø c t¹ p → t¨ ng ® é cø ng vµ tÝ nh chèng mµ i mßn cña hîp kim. c. Pha c. Pha ®iÖ n tö (Hum - Rothery) §/n: §/n: Lµ pha cã kiÓ u m¹ ng x¸ c ®Þ nh, t¹ o thµ nh víi nång ®é ®iÖ n tö N x¸ c ®Þ nh (sè ®iÖ n tö hã a trÞ /sè nguyª n tö ): 3/2 (21/14), 21/13 vµ 7/4 (21/12), mçi tû lÖ øng víi mét cÊ u tró c m¹ ng phø c t¹ p nhÊ t ®Þ nh. Th− êng lµ hîp kim cña Cu, Ag, Au víi Zn, Sn, Cd. Víi Cu1+, Zn2+ ta cã : Ce = 21/14 → pha β m¹ ng A1: CuZn, AgZn, AuZn (Ce=(1.1+1.2)/2=3/2) Ce = 21/13 → pha γ m¹ ng lf phøc t¹ p: Cu5Zn8, Ag5Sn8 (Ce=(5.1+8.2)13=21/13) Ce = 21/12 → pha ε, m¹ ng lgxc: CuZn3, AgZn3 (Ce=(1.1+3.2)/4=7/4=21/12) d. Pha d. Pha Laves §/n: Pha t¹ o bë i hai nguyª n tè A, B cã tû lÖ b¸ n kÝ nh nguyª n tö rA / rB = 1,2 (1,1 ÷ 1,6) §/n: ví i c« ng thø c AB2 cã kiÓ u m¹ ng A3: MgZn2, MgNi2 hay A1 (MgCu2). Do gißn nª n chØ ® − îc dï ng trong HKTG hoÆ c c¸ c pha ho¸ bÒ n.
39 3.2. Gi¶n 3.2. Gi¶n ®å pha cña hÖ hai cÊu tö §/n: §/n: G§P lµ gi¶ n ® å biÓ u thÞ sù biÕ n ®æi thµ nh phÇ n vµ tr¹ ng th¸ i pha ë c© n b» ng theo nhiÖ t ® é vµ thµ nh phÇ n cña hÖ d− íi ¸ p suÊ t kh«ng ®æi (1 at). C¸ C¸ ch biÓ u diÔ n: §Æ c ® iÓ m: G§P chØ ® ó ng vµ phï hîp víi hîp kim ë tr¹ ng th¸ i c© n b» ng (nguéi rÊ t chË m hay ñ ), C« ng dông: x¸ c ® Þ nh cÊ u tróc cña hîp kim, x¸ c ®Þ nh no ch¶ y, chuyÓ n biÕ n pha → C« nÊ u luyÖ n vµ xö lý nhiÖ t, gia c«ng (biÕ n d¹ ng, ®óc, rÌ n, c¸ n, kÐ o,..), rÊ t quan träng. 3.2.1. Quy 3.2.1. Quy t¾ c pha vµ øng dông Quy t¾ c pha cña Gibbs: T= N-F+2 khi P=1at th× T=N-F+1 T=0 → hÖ bÊ t biÕ n, c¶ % vµ n , lóc ®ã F = N + 1 (sè pha=sè cÊ u tö +1). VÝ dô kim lo¹ i o nguyª n chÊ t (N = 1) khi nãng ch¶ y: T=1-2+1=0 → nhiÖ t ®é kh«ng ®æi. T=1: → T=1: VÝ dô, khi kÕ t tinh HK 2 nguyª n: (T = 2 - 2 + 1=1) kÕ t tinh hoÆ c nãng ch¶ y trong kho¶ ng nhiÖ t ® é hoÆ c %. 2: T = 2: hÖ cï ng mét lóc cã thÓ thay ®æi c¶ hai yÕ u tè nhiÖ t ®é vµ thµ nh phÇ n §Æ c ®iÓ m: T ≥ 0 → sè pha nhiÒ u nhÊ t cña hÖ (ë tr¹ ng th¸ i c© n b» ng!) Fmax = N + 1 → hÖ §Æ mét cÊ u tö Fmax = 2, hai cÊ u tö Fmax = 3, ba cÊ u tö Fmax = 4. 3.2.2. t¾ c 3.2.2. Quy t¾c ®ßn bÈy §/n: §/n: lµ quy t¾ c cho phÐ p x¸ c ®Þ nh tû lÖ cña c¸ c pha, c¸ c tæ chøc trª n G§P. BiÓ BiÓ u thøc: T QA.XA=QB.XA FA XB FB Trong vï ng 2 pha: ® iÓ m XA kh¶ o s¸ t cµ ng gÇ n pha nµ o α β M th× tû lÖ pha Ê y cµ ng lín Xβ %α = Xβ Xα X α + Xβ FA.XA=FB.XB Xα %β = %B → FA=FB(XB/XA) Xα + Xβ Mα.Xα=Mβ .Xβ 3.2.3. Gi¶n ®å lo¹i I 3.2.3. Gi¶n lo¹i §/n: §/n: Lµ G§P cñ a hÖ 2 cÊ u tö kh«ng cã bÊ t kú t− ¬ng t¸ c nµ o víi nhau. M« t¶ : AEB lµ ® − ê ng lá ng, CED (245oC) lµ ® − êng r¾ n, lµ nhiÖ t ®é ch¶ y (kÕ t tinh): B, A M« (h× nh 3.9a), ®iÓ n h× nh lµ hÖ Pb - Sb ë h× nh 3.9b. (Pb ch¶ y 327oC), (Sb ch¶ y- 631oC). kho¶ ng gi÷ a hai ® − ê ng lá ng vµ ® − ê ng ®Æ c: kho¶ ng kÕ t tinh. 631 nhiÖ t 1’ 1 L nhiÖ t a L B a’ a’’ 327 A L+Sb E L+B E 245 Pb+L A+L b’ b’’ b [Pb+Sb] A+ Sb+[Pb+Sb] A+B B+(A+B) (A+B) a) b) 37 60 13 Pb %Sb → Sb %B → 100%A 100%B H× nh 3.9. D¹ng tæng qu¸t cña gi¶n ®å pha lo¹i I (a) vµ gi¶n ®å pha Pb - Sb (b). Hîp kim 1: 60%Sb + 40%Pb. B¾ t ®Ç u ®«ng ®Æ c ë 1 (500oC), kÕ t thóc ®«ng ®Æ c ë 2 (245oC)
40 + > 500 C → lá ng hoµ n toµ n L, < 245 C r¾ n hoµ n toµ n, trong kho¶ ng (500 ÷ 245 C) 2 pha o o o (láng + r¾ n) = (L + Sb). Khi lµ m nguéi th× tinh thÓ B (Sb) t¹ o thµ nh cµ ng nhiÒ u. ¸p dông quy t¾c c¸ nh tay ®ß n: n: - t¹ i ® iÓ m a tû lÖ pha r¾ n %Sb= a’’a/a’’a’=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha láng %L=63,5% - t¹ i ® iÓ m b tû lÖ pha r¾ n %Sb= b’’b/b’’b’= (60-13)/(100-13)=54%, pha láng %L=46% ¸p dông quy t¾c pha: t¹ i ®iÓ m 1& a T=2-2+1= 1 ® «ng ®Æ c trong kho¶ ng no→cã thÓ thay ®æi trª n ® iÓ m 1 T=2-1+1=2 → thay ®æi c¶ % vµ no mµ pha láng (hÖ ) vÉ n b¶ o tån t¹ i ® iÓ m cï ng tinh E T=2-3+1=0 → ® «ng ®Æ c cïng tinh th× no kh«ng ®æi gièng KL ng/chÊ t LE → (A + B) L13%Sb → (Pb + Sb). Ph¶ n ø ng cï ng tinh: hay Hî p kim cã thµ nh phÇ n ë chÝ nh ® iÓ m E → hîp kim cïng tinh, cã nhiÖ t ®é ch¶ y thÊ p nhÊ t, Hî p kim < 13%Sb = HK tr− íc cï ng tinh, HK>13%Sb →sau cïng tinh (tù kh¶ o s¸ t HKTCT) 3.2.4. Gi¶n 3.2.4. Gi¶n ®å lo¹i II §/n: lµ G§P cña hÖ 2 cÊ u tö hoµ tan v« h¹ n ë tr¹ ng th¸ i r¾ n vµ láng (h× nh 3.10) HÖ ® iÓ n h× nh Cu - Ni ë h× nh 3.10.a vµ hÖ Al2O3 - Cr2O3 ë h× nh 3.10b. S¬ ®å biÓu diÔn sù h×nh thµnh tæ chøc khi kÕt tinh ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau. 0 L 2266 ® − êng 1 1455 nhiÖ t ® é , 1400 L nhiÖ t 1’ 2200 2’’ L+α L+α 2 1200 ® − êng 2100 1083 α α 2045 1000 2000 Cu Ni 20 60 40 80 Al2O3 Cr2O3 20 60 40 80 %Ni %Cr2O3 a) b) H× nh 3.10. Gi¶n ®å pha lo¹i II, hÖ Cu-Ni (a) vµ hÖ Al2O3 - Cr2O3 (b). 3.2.5. Gi¶n 3.2.5. Gi¶n ®å lo¹i III §/n: §/n: Lµ gi¶ n ® å pha cña hÖ hai cÊ u tö, hßa tan cã h¹ n ë tr¹ ng th¸ i r¾ n vµ cã t¹ o thµ nh cï ng tinh, h× nh 3.12. HÖ ®iÓ n h× nh lµ Pb-Sn. D¹ ng kh¸ gièng víi gi¶ n ®å lo¹ i I, kh¸ c nhau ë ® © y lµ c¸ c dung dÞ ch r¾ n cã h¹ n α vµ β thay thÕ cho c¸ c cÊ u tö A vµ 1 A 1 L+40%S L 300 B. 2 2’ B 245 AEB - ® − êng lá ng, ACEDB- nhiÖ t ®é, oC α 2 L a’ a 3 40%Sn 1 3,3%Sn ® − êng r¾ n. 200 E C 183 D α 4 19,2 61,9 97,5 H× nh 3.12. Gi¶n ®å lo¹i III, hÖ G 3 100 α+Sn 4 Pb - Sn vµ s¬ ®å h×nh thµnh F 13,3 18,5 tæ chøc khi kÕt tinh ë tr¹ng 57 Pb 40 20 60 80 Sn th¸i c©n b»ng cña hîp kim %Sn + T− ¬ ng tù nh− gi¶ n ® å lo¹ i I, nhiÖ t ®é ch¶ y cña HK gi¶ m khi t¨ ng cÊ u tö thø hai.
41 + §iÓ m cïng tinh E víi ph¶ n øng cïng tinh : LE → [α+β] hay L61,9 → [α19,2+ β97,5] + HK < 61,9%Sn → tr− íc cïng tinh (tr¸ i E) vµ HK> 61,9%Sn → HK sau cïng tinh (ph¶ i E) + CF vµ DG lµ giíi h¹ n hßa tan. §é hßa tan max ë nhiÖ t ®é cïng tinh 183oC + Cã thÓ chia c¸ c hî p kim cñ a hÖ thµ nh ba nhãm sau. • Nhã m chø a rÊ t Ý t cÊ u tö thø hai (bª n tr¸ i F, bª n ph¶ i G), sau khi kÕ t tinh xong chØ cã mét dung dÞ ch r¾ n α hoÆ c β, cã ® Æ c tÝ nh nh− gi¶ n ®å lo¹ i II. • Nhãm cã thµ nh phÇ n n» m trong kho¶ ng (tõ F®Õ n C vµ D ®Õ n G), no< CF vµ DG →βII&αII. • Nhã m giµ u nguyª n tè HK (tõ C ®Õ n D), sau khi tiÕ t ra dung dÞ ch r¾ n → (αC hay βD), pha lá ng cß n l¹ i → ® iÓ m cïng tinh E. Kh¶ o s¸ t HK 40%Sn cñ a hÖ Pb - Sn (h× nh 3.12). - Trª n 245oC HK ch¶ y lá ng hoµ n toµ n, ë 245oC hîp kim b¾ t ®Ç u kÕ t tinh ra α2’ víi 13,3%Sn, nguéi tiÕ p tô c dung dÞ ch r¾ n A→C, pha láng cßn l¹ i A→E chiÒ u t¨ ng lª n cña hµ m l− î ng Sn. ¸p dô ng quy t¾ c ®ßn bÈ y: ë 200oC pha α chøa 18,5%Sn (a’) vµ L chøa 57%Sn (a’’), %r¾ n= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8% ë nhiÖ t ® é cïng tinh (LE → [αC + βD]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, vµ %α=48,7% trong cï ng tinh %α=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% vµ %β=54,5% H× nh 3.13. Tæ chøc tÕ vi cña hîp kim Pb - Sb: a. cïng tinh [α+β], mµu tèi lµ α giµu Pb, b. tr−íc cïng tinh víi 40%Sn [α ®éc lËp lµ c¸c h¹t lín mµu ®en bÞ bao bäc bëi cïng tinh [α+β] §/®iÓ m: hai lo¹ i dung dÞ ch r¾ n α: lo¹ i kÕ t tinh ®Ç u tiª n ë trª n 183oC vµ lo¹ i cïng kÕ t tinh §/®iÓ ví i β ë nhiÖ t ®é kh«ng ®æi (183oC) vµ ® − îc gäi lµ α cïng tinh (bá qua αII). H× nh 3.13 lµ tæ chøc tÕ vi cña hai hîp kim hÖ nµ y. L nhiÖ t ® é , 3.2.6. Gi¶n 3.2.6. Gi¶n ®å lo¹i IV Mg4Ca3+L 800 §/n: Lµ G§P hai cÊ u tö cã t¹ o thµ nh hîp chÊ t hãa häc Mg+L L+Ca AmBn, L+Mg4Ca3 600 D¹ ng ® iÓ n h× nh lµ hÖ HK Mg-Ca (h× nh 3.14) víi 516 445 hîp chÊ t ho¸ häc æn ®Þ nh Mg4Ca3, = tæng cña hai 400 gi¶ n ® å lo¹ i I: Mg - Mg4Ca3 vµ Mg4Ca3-Ca. §− îc Mg+Mg4Ca3 Mg4Ca3+Ca kh¶ o s¸ t nh− 2 gi¶ n ®å ®éc lË p. 55,3 Mg Ca 20 60 40 80 H× nh 3.14. Gi¶n ®å lo¹i IV, hÖ Mg-Ca %Ca Trª n ® © y lµ bèn gi¶ n ®å pha hai cÊ u tö c¬ b¶ n nhÊ t, thùc tÕ cßn cã nhiÒ u kiÓ u gi¶ n ® å pha phø c t¹ p víi c¸ c ph¶ n øng kh¸ c. 3.2.7. C¸ c gi¶n ®å pha víi c¸ c ph¶n øng kh¸c 3.2.7. C¸ c¸c G§P ví i c¸ c ph¶n øng bao tinh (peritectic):L+R1→R2.VÝ dô G§P Fe-C→L0,5+ δ0,1 → γ0,16 (peritectic): (peritectic)
42 §/®iÓ §/®iÓ m: r¾ n míi R2 n» m gi÷a Lbt& R1 trª n G§P, p/ø bao tinh kh«ng x¶ y ra hoµ n toµ n, v× R2 t¹ o thµ nh bao bäc lÊ y R1 t¹ o nª n líp mµ ng ng¨ n c¸ ch kh«ng cho ph¶ n øng tiÕ p tôc. G§P cã ph¶ n øng cïng tÝ ch (eutectoid): R → [R1+R2] (eutectoid): (eutectoid) §/®iÓ m: kh¸ c víi ph¶ n øng cïng tinh, cïng tÝ ch lµ pha r¾ n → 2 pha r¾ n. §/®iÓ Feγ(C)0,8 → [Feα + Fe3C] (sÏ kh¶ o s¸ t sau). VÝ dô : G§P Fe - C: Sù tiÕ t pha khái dung dÞ ch r¾ n TiÕ t pha βII & αII (h× nh 3.12) lµ c¸ c phÇ n tö nhá mÞ n, ph© n t¸ n, ph© n bè ®Ò u trong nÒ n pha mÑ → ho¸ bÒ n → hã a bÒ n tiÕ t pha. 3.2.8. Quan 3.2.8. Quan hÖ gi÷a d¹ ng gi¶ n ®å pha vµ tÝ nh chÊt cña hîp kim a. TÝ nh chÊt c¸c pha thµnh phÇn Hî p kim cã tæ chøc mét pha → tÝ nh chÊ t cña hîp kim lµ tÝ nh chÊ t cña pha ®ã HK cã tæ chø c bao gå m hç n hî p cñ a nhiÒ u pha th× tÝ nh chÊ t cña hîp kim lµ sù tæ ng hî p hay kÕ t hî p tÝ nh chÊ t cñ a c¸ c pha thµ nh phÇ n (kh«ng ph¶ i lµ céng ®¬n thuÇ n), gåm c¸ c tr− êng hî p: HK lµ DDR (dung dÞ ch r¾ n) + c¸ c pha trung gian: Quan hÖ tÝ nh chÊ t - nång ®é th« ng th− êng ® − î c x¸ c ®Þ nh b» ng thùc nghiÖ m. §/®iÓ m tÝ nh chÊ t vµ sù h× nh thµ nh: §/®iÓ Dung dÞ ch r¾ n (tÝ nh chÊ t gÇ n gièng víi KL dung m«i), th− êng rÊ t dÎ o, dai vµ mÒ m, Pha Pha trung gian : tÝ nh chÊ t kh¸ c h¼ n víi c¸ c cÊ u tö nguyª n chÊ t: cøng hoÆ c rÊ t cøng, gißn. Pha trung gian chØ xuÊt hiÖ n khi ® − a cÊ u tö thø hai vµ o víi l− îng v− ît qu¸ giíi h¹ n hßa tan. b. TÝ pha: b. TÝ nh chÊt cña hç n hî p c¸ c pha: Quan hÖ tuyÕ n tÝ nh: h× nh 3.16, ®¬n gi¶ n nhÊ t 1 TÝ nh chÊ t cña hçn hîp : TΣ = ∑ Ti X i , trong ®ã Ti vµ Xi lµ tÝ nh chÊ t vµ tû lÖ cña pha i, ®èi n ví i hîp kim 2 pha: PHK = T1X1 + T2.X2 hay PHK = T1 + X2.(T2 - T1). Víi Xi ∈ G§P (h× nh 3.16) L α+L L L+B β L+β A+L nhiÖ t ®é, PΣ nhiÖ t ®é, PΣ Pβ α PΣ PB Pα PA A+B PΣ α+β %B → A B %B → A B α+L L L L+AmBn L+α nhiÖ t ®é, PΣ nhiÖ t ®é, PΣ α PAmBn PB Pα PA PΣ α PΣ α+AmBn %B → %B → A A B AmBn H× nh 3.16. TÝ nh chÊt cña hîp kim vµ gi¶n ®å pha - quan hÖ tuyÕn tÝ nh q/hÖ tuyÕ n tÝ nh chØ ® óng khi cï ng cì h¹ t vµ c¸ c pha ph© n bè ®Ò u ®Æ n.
43 Quan Quan hÖ phi tuyÕ n:. Trong tr− ê ng hîp h¹ t nhá ®i hoÆ c to lª n, tÝ nh chÊ t ®¹ t ® − îc sÏ thay ®æi tuú theo tr− ê ng hî p: h¹ t nhá di → ® é dai t¨ ng = bÒ n α+L L + dÎ o t¨ ng L+β β ChÝ nh v× thÕ mµ tÝ nh chÊ t cña hîp kim cã thÓ kh«ng nhiÖ t ®é, PΣ cßn tu© n theo quan hÖ tuyÕ n tÝ nh nhÊ t lµ t¹ i ®iÓ m α cïng tinh, cï ng tÝ ch vµ l© n cË n (h× nh 3.17). Pα PΣ Pβ α+β %B → H× nh 3.17. Quan hÖ phi tuyÕ n gi÷ a tÝ nh chÊ t vµ G§P A B 3.3. Gi¶n 3.3. Gi¶n ®å pha Fe - C (Fe - Fe3C) Gi¶ n ® å pha Fe - C (chØ xÐ t hÖ Fe - Fe3C) kh¸ phøc t¹ p, rÊ t ®iÓ n h× nh ®Ó minh häa c¸ c t− ¬ ng t¸ c th− êng gÆ p vµ ® − îc sö dông rÊ t nhiÒ u trong thùc tÕ . Ngoµ i ra cß n cã gi¶ n ® å Fe - grafit lµ hÖ c© n b» ng æn chñ yÕ u lµ dïng trong gang. 3.3.1. T− ¬ ng t¸c gi÷a Fe vµ C 3.3.1. Fe, kh¸ dÎ o (dÔ biÕ n d¹ ng nguéi), dai, tuy bÒ n, cøng h¬n Al, Cu nhiÒ u song vÉ n cßn rÊ t thÊ p so víi yª u cÇ u sö dô ng. Khi ® − a C vµ o Fe gi÷ a → hã a bÒ n, rÎ h¬n → HK Fe-C trë nª n th«ng dông a. Sù hß a tan cña C vµ o Fe a. Sù T¹ o dung dÞ ch r¾n xen kÏ : b¸ n kÝ nh nguyª n tö rC = 0,077nm, rFe = 0,1241nm) → C chØ cã T¹ thÓ hßa tan cã h¹ n vµ o Fe ë d¹ ng dung dÞ ch r¾ n xen kÏ . Fe cã 2 kiÓ u m¹ ng tinh thÓ : lftk A2 (no < 911oC - Feα vµ 1392 ÷ 1539oC - Feδ) vµ lftm A1 (911 ÷ 1392oC - Feγ), kh¶ n¨ ng hßa tan cacbon vµ o c¸ c pha Fe kh¸ c nhau: Feα vµ Feδ víi m¹ng A2 tuy mË t ®é xÕ p thÊ p, cã nhiÒ u lç hæng, song mçi lç hæng l¹ i cã Fe vµ víi m¹ng kÝ ch th− íc qu¸ nhá (lç t¸ m mÆ t cã r = 0,02, lç bèn mÆ t lín h¬n cã r = 0,036), lín nhÊ t còng chØ b» ng 50% kÝ ch th− íc cña nguyª n tö s¾ t → Feα chØ hoµ tan ® − îc ≤0,02%C vµ Feδ ≤0,1%C. Fe víi A1: Feα vµ Feδ, Feγ víi m¹ ng A1: tuy cã mË t ®é xÕ p cao h¬n, nh− ng lç hæng l¹ i cã kÝ ch th− íc lín h¬ n (lç bè n mÆ t r = 0,028nm, lç t¸ m mÆ t r = 0,051nm), vÉ n cßn h¬i nhá nh− ng nhê c¸ c nguyª n tö s¾ t cã thÓ gi· n ra → Feγ hßa tan ® − îc cacbon ≤2,14%C. b. T− ¬ ng t¸ c hã a hä c gi÷a Fe vµ C b. Austenit (γ) lµ DDR cña C trong Feγ, m¹ ng A1, g/h¹ n hoµ tan: 727oC -0,8%C, 1147oC- 2,14%C Ferit (α) lµ DDR cña C trong Feα, m¹ ng A2, giíi h¹ n hoµ tan: 20oC-0,006%C, 727oC-0,8%C Fe3C lµ pha xen kÏ , cã kiÓ u m¹ ng phø c t¹ p, cã thµ nh phÇ n 6,67%C + 93,33%Fe. 3.3.2. Gi¶n 3.3.2. Gi¶n ®å pha Fe - Fe3C vµ c¸c tæ chøc Gi¶n a. Gi¶n ®å pha Fe - Fe3C H× nh 3.18 víi c¸ c ký hiÖ u c¸ c täa ®é (no, oC - %C) nh− sau: Mé t sè ® − ê ng cã ý nghÜ a thùc tÕ rÊt quan träng: Mé - ABCD lµ ® − êng láng ®Ó x¸ c ® Þ nh nhiÖ t ®é ch¶ y → ® óc - AHJECF lµ ® − êng r¾ n → kÕ t tinh hoµ n toµ n → ® óc. - PSK (727oC) lµ ® − êng cïng tÝ ch → nhiÖ t luyÖ n - ES - giíi h¹ n hß a tan cacbon trong Feγ → ho¸ nhiÖ t luyÖ n, nhiÖ t luyÖ n.
44 - PQ - gií i h¹ n hß a tan cacbon trong Feα → nhiÖ t luyÖ n kÐ m quan trong h¬n δA B L H A (1539 - 0) B (1499 - 0,5) J C (1147 - 4,3) H (1499 - 0,10) D P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006) γ+L 1200 S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67) L+Xª C E γ 1147 F nhiÖ t ®é, E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67) G (911 - 0) F (1147 - 6,67) Acm J (1499 - 0,16) N (1392 - 0) C lª ®ª buri o 910 G A3 Lª + Xª I γ+Xª II+Lª γ+Xª II S α 727 K P peclit H× nh 3.18. Gi¶n ®å pha Fe - C500 Lª + Xª I F+P P+Xª II+Lª P+Xª I (Fe - Fe3C) 1 2 3 4 6 5 Q Fe 0, 8 %C → 2,14 4,3 Fe3C b. b. C¸c chuyÓ n biÕ n khi lµ m ngué i chËm - ChuyÓ n biÕ n bao tinh x¶ y ra ë 1499oC: δH + LB → γJ hay δ0,10+ L0,50 → γ0,16 (3.1) - ChuyÓ n biÕ n cïng tinh x¶ y ra ë 1147 C: LC→ (γE + Xª ) hay L4,3 → (γ2,14+ Xª ) o (3.2) - ChuyÓ n biÕ n cï ng tÝ ch x¶ y ra ë 727 C: γS → [αP + Xª ] hay γ0,8 → [α0,02+ Xª ] o (3.3) - Sù tiÕ t pha Fe3C d− ra khá i dung dÞ ch r¾ n cña cacbon: γ, n < ES →Xª II vµ α, no< PQ o →Xª III. c. C¸ c tæ chøc mét pha c. C¸ Ferit (α, F), ®· nª u ë trª n, Ferit lµ pha tån t¹ i ë nhiÖ t ®é th− êng, tû lÖ cao nhÊ t (tíi 90%), Ferit quan trä ng ® ã i ví i c¬ tÝ nh cñ a hî p kim Fe - C. Tæ chøc tÕ vi cña ferit (xem h× nh 3.22) cã d¹ ng c¸ c h¹ t s¸ ng, ®a c¹ nh. Austenit [γ, A, Feγ(C)], ®· nª u trª n, kh¸ c víi F, γ kh«ng cã tÝ nh s¾ t tõ, chØ tån t¹ i ë nhiÖ t Austenit Fe ® é cao (> 727 C), chØ tå n t¹ i ë nhiÖ t ®é cao hoÆ c TKG austenit, Γ13,…nh− ng l¹ i cã vai trß o quyÕ t ® Þ nh trong biÕ n d¹ ng nãng vµ nhiÖ t luyÖ n. TÝ nh chÊ t cña γ: cã tÝ nh dÎ o rÊ t cao (m¹ ng A1). Nhê γ cã tÝ nh dÎ o cao → thÓ tiÕ n hµ nh biÕ n d¹ ng nãng mäi hîp kim Fe - C víi C < 2,14% cã Lµ m ngué i austenit víi tèc ®é ≠ → tæ chøc ≠ → c¬ tÝ nh ≠: nguéi chË m → P+F mÒ m, nguéi nhanh → mactenxit cøng. Tæ chøc tÕ vi cña γ gåm c¸ c h¹ t s¸ ng, cã thÓ víi mµ u ®Ë m nh¹ t kh¸ c nhau ®«i chót, cã c¸ c ® − êng song tinh. Xª mentit Fe Xª mentit (Xª , Fe3C): lµ pha xen kÏ víi kiÓ u m¹ ng phøc t¹ p cã c«ng thøc Fe3C vµ thµ nh phÇ n 6,67%C, cøng vµ gißn, cïng víi ferit nã t¹ o nª n c¸ c tæ chøc kh¸ c nhau cña hî p kim Fe - C. Ng− êi ta ph© n biÖ t 4 lo¹ i Xª : - XeI tiÕ t ra tõ pha láng khi lµ m nguéi HK > 4,3%C. Xª I cã d¹ ng th¼ ng, th« to (h× nh 3.24b) ®« i khi cã thÓ thÊ y ® − îc b» ng m¾ t th− êng.
45 - XeII ® − î c t¹ o thµ nh lµ m nguéi γ theo ® − êng ES HK cã 0,80
46 H× nh 3.22. Tæ chøc tÕ vi cña thÐp tr−íc cïng tÝ ch (x500): a. 0,10%C, b. 0,40%C, c.0,60%C. Gang: Gang: t− ¬ ng øng víi G§P Fe-C (Fe-Fe3C) lµ gang tr¾ ng, Ý t dïng v× qu¸ cøng, gißn, kh«ng Gang thÓ gia c« ng c¾ t ® − îc gåm 3 lo¹ i: - Gang tr¾ng tr− í c cïng tinh víi %C< 4,3%, cã tæ chøc P+ Xª II + Lª (h× nh 3.24a). - Gang tr¾ ng cïng tinh cã 4,3%C, ®óng ®iÓ m C hay l© n cË n, víi tæ chøc chØ lµ Lª (h× nh 3.21). - Gang tr¾ng sau cï ng tinh víi > 4,3%C ë bª n ph¶ i ®iÓ m C, cã tæ chøc Lª + Xª I (h× nh 3.24b). H× nh 3.23. Tæ chøc tÕ vi cña thÐp sau cïng tÝ ch H× nh 3.24. Tæ chøc tÕ vi cña gang tr¾ng (x500): (1,20%C) (x500). tr−íc cïng tinh (a) vµ sau cïng tinh (b) c. C¸ c. C¸ c ®iÓ m tíi h¹ n cña thÐ p A (tõ tiÕ ng Ph¸ p arrª t=dõng, c- chauffer=nung nãng, r- refroidir=lµ m nguéi) A ví i 1, 2, 3, 4, vµ cm, chó ng ® − îc gä i lµ c¸ c ®iÓ m (hay nhiÖ t ®é) tíi h¹ n, gåm: A1 - ® − êng PSK (727oC) ø ng ví i chuyÓ n biÕ n austenit ↔ peclit, cã trong mäi lo¹ i thÐ p. A3 - ® − ê ng GS (911 ÷ 727oC) ø ng víi b¾ t ®Ç u tiÕ t ra F khái γ khi lµ m nguéi hay kÕ t thóc hß a tan ferit vµ o austenit khi nung nã ng, chØ cã trong thÐ p tr− íc cïng tÝ ch. Acm - ® − êng ES (1147 ÷ 727oC) øng víi b¾ t ®Ç u tiÕ t ra Xª II khái γ khi lµ m nguéi hay kÕ t thó c hßa tan Xª II vµ o γ khi nung nãng, chØ cã trong thÐ p sau cïng tÝ ch. A0- (210oC) - ® iÓ m Curi cñ a Xª , A2- (768oC) - ®iÓ m Curi cña ferit, Cïng mét thÐ p bao giê còng cã: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3...,