Bài giảng Hợp kim và giản đồ pha

Chương 3: HỢP KIM & GIẢN ĐỒ PHA 3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim Hợp kim là gì?  là vật thể gồm nhiều nguyên tố và mang tính kim loại Nhiều nguyên tố: nguyên tố chính là kim loại, các nguyên tố còn lại có thể là kim loại hoặc phi kim Mang tính kim loại: tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo, dễ biến dạng và có anh kim Thành phần nguyên tố tính trong hợp kim - Thành phần về phần trăm khối lượng (thường dùng) - Thành phần về phần trăm nguyên tử Một số chi tiết làm từ hợp kim Vì sao phải nghiên cứu về hợp kim?  Vì nó có một số ưu việt về gia công, tính kinh tế hơn so với KL nguyên chất 1. Có độ bền cao chịu được tải trọng cao và vẫn đảm bảo vật liệu không quá cứng dẫn đến phá huỷ giòn 2. Có tính công nghệ đa dạng 3. Có giá thành rẻ Một số khái niệm: Cấu tử: là các nguyên tố (hoặc hợp chất hoá học bền vững) Hệ: dùng để chỉ một tập hợp các vật thể riêng biệt của HK trong điều kiện xác định Pha: là phần đồng nhất của hệ có cùng cấu trúc và các tính chất cơ-lý-hoá tính xác định Trạng thái cân bằng ổn định: trong điều kiện P, T và thành phần xác định  cấu trúc, tính chất của hệ không phụ thuộc thời gian Trạng thái không cân bằng (không ổn định): trong điều kiện P, T hoặc thành phần thay đổi  cấu trúc, tính chất của hệ sẽ chuyển sang trạng thái cân bằng mới Trạng thái giả ổn định: trong điều kiện P, T và thành phần xác định, hệ có thể tồn tại ở trạng thái năng lượng cao hơn ttcb ổn định Hợp kim Al-Cu với hai pha  và  Giữa các pha luôn có bề mặt phân cách Pha  Pha  Các loại tương tác trong hợp kim Không có tương tác  Các cấu tử không hoà tan, tương tác vào nhau  thể hiện trên các vùng với màu sắc khác nhau trên ảnh tổ chức tế vi Có tương tác - Hoà tan vào nhau tạo dung dịch rắn (giữ nguyên kiểu mạng của nền) - Phản ứng hoá học tạo hợp chất mới với kiểu mạng khác Dung dịch rắn Dung dịch rắn là gì?  là pha đồng nhất, có cấu trúc mạng như của dung môi ngay cả khi thành phần được thay đổi Dụng dịch rắn thay thế  các nguyên tử của nguyên tố hoà tan có thể thay thế vị trí các nút mạng của nguyên tử nguyên tố dung môi Điều kiện thay thế (hoà tan) vô hạn - tương quan về kiểu mạng - tương quan về kích thước - tương quan về nồng độ điện tử - tương quan về tính âm điện Dụng dịch rắn xen kẽ Nguyên tử xen kẽ  các nguyên tử của nguyên tố hoà tan phải có kích thước nhỏ để nằm lọt trong các lỗ hổng của dung môi Các đặc tính của dung dịch rắn - Kiểu mạng tinh thế đơn gian: A1, A2…. - Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn rõ rệt so với kim loại nguyên chất - Tăng khả năng chống ăn mòn điện hoá cho vật liệu Pha trung gian Thế nào là pha trung gian?  là các hợp chất hoá học có trong hợp kim Đặc điểm: - Có kiểu mạng tinh thể phức tạp, khác hẳn với các nguyên tố thành phần - Có thể biểu diễn bằng công thức xác định AmBn - Tính chất khác hẳn so với các nguyên tố thành phần (do kiểu mạng tinh thể khác nhau) - Có nhiệt độ nóng chảy xác định, toả nhiệt khi được tạo thành Một số pha trung gian: xen kẽ, điện tử và Laves  tài liệu tham khảo 3.2 Giản đồ pha hai cấu tử Quy tắc pha F=C-P+1 Giản đồ pha  Công cụ biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng các pha của hệ ở trạng thái cân bằng Loại một cấu tử Loại hai cấu tử Loại ba cấu tử N h iệ t đ ộ Thành phần 10850C Rắn Lỏng Cu Giản đồ pha loại 1 A B Lỏng (L) L+B A+L N h iệ t đ ộ (A + B ) (A+B)+BA+(A+B) a E b c d %B  Là loại giản đồ pha của hệ hai cấu tử không có bất kỳ tương tác nào  tổ chức gồm hỗn hợp riêng rẽ của 2 cấu tử Một số chú ý: aEb đường lỏng cEd đường đặc a, b nhiệt độ chảy của A và B E điểm cùng tinh t C DF CB DB L % CB CD B % Xác định thành phần các pha của hợp kim X tại nhiệt độ t X Khi t = 250C %L = ? %B = ? Giản đồ pha loại 2 A B%B Lỏng (L) L+  N h iệ t đ ộ a b  là giản đồ của hệ hai cấu tử tương tác và hoà tan vô hạn vào nhau Một số chú ý: m n amb đường lỏng anb đường đặc a, b nhiệt độ chảy của A và B Một số hệ tương tác với giản đồ loại 2: Cu-Ni, Al2O3-Cr2O3 X Bài toàn: mô tả quá trình kết tinh của hợp kim X Giản đồ pha loại 2 (tiếp theo) Cu Ni Với điều kiện nguội vô cùng chậm, quá trình kết tinh của hợp kim được mô tả: a  chỉ có pha lỏng b  bắt đầu tiết pha rắn  với 46%Ni c  tồn tại 2 pha  tính % các pha d  hết pha lỏng e  chỉ có pha rắn  Giản đồ pha loại 3 A B Lỏng (L) L+ N h iệ t đ ộ  + a E b c d %B L+ g f  là giản đồ của hệ hai cấu tử tương tác và hoà tan có hạn vào nhau Một số chú ý: aEb đường lỏng acdb đường đặc  dụng dịch rắn hoà tan của B trong A  dụng dịch rắn hoà tan của A trong B Tại E xảy ra phản ứng cùng tinh: L  (+) X2 Bài toàn: mô tả quá trình kết tinh của các hợp kim X, X1, X2, X3 X1 X3 X Giản đồ pha loại 3 (tiếp theo) Hợp kim X1 Hợp kim X2 Pb Sn Pb Sn Giản đồ pha loại 3 (tiếp theo) Hợp kim X Giản đồ pha loại 3 (tiếp theo) Hợp kim X3 Giản đồ pha loại 4  Là giản đồ pha hai cấu tử có tương tác hoá học tạo ra pha trung gian AmBn A B Lỏng (L) AmBn+B N h iệ t đ ộ a E1 b E2 L+A AmBn L+AmBn L+AmBn A+AmBn B+AmBn c  Cách nghiên cứu: tách thành hai giản đồ pha 2 cấu tử loại 1 Một số phản ứng trong giản đồ pha Phản ứng bao tinh  phản ứng giữa một pha lỏng + một pha rắn  sinh ra một pha rắn mới Phản ứng bao tinh Fe %C N h iệ t đ ộ  phản ứng tạo nên 2 pha rắn đồng thời từ một pha rắn ban đầu Tiết pha khỏi dung dịch rắn  do các nguyên tố hoà tan có giới hạn trong dung môi * * * * Quan hệ giữa GĐP – Tính chất hợp kim Tính chất các pha thành phần Tính chất hỗn hợp các pha Quan hệ giữa GĐP -Tính chất 3.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) Tương tác giữa Fe và C - Sự hoà tan của C vào Fe: dạng dung dịch rắn xen kẽ - Fe (A2): hoà tan rất ít (0,02%C) - Fe (A1): hoà tan nhiều (2,14%C) - Fe (A2): hoà tan ít (0,1%C) - Tương tác hoá học giữa Fe và C  Fe3C Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) (tiếp theo) +XeII +XeII+(+Fe3C) ( + F e 3 C ) (+Fe3C)+Fe3C L+XeI  + F e 3 C II I (P ) (P+Fe3C)+XeI P+XeII P+XeII+(P+Fe3C) +P Fe Fe3C Các chuyển biến khi nguội chậm Chuyển biến bao tinh: tại 14930 với các hợp kim có 0,1-0,5%C L 0,1%C 0,5%C 0,1+ L0,5 0,16 Chuyển biến cùng tinh: tại 11470 với các hợp kim có %C > 2,14 L4,3  2,14 + Fe3C6,67 Chuyển biến cùng tích: tại 7270 0,76  0,02 + Fe3C6,67 Chuyển biến cùng tích Chuyển biến cùng tinh Các tổ chức một pha trên GĐP Fe-Fe3C Ferít (Fe )  Dung dịch rắn hoà tan của C trong Fe ( giới hạn hoà tan 0,02%C tại 7270C). Dẻo, mềm, kém bền Austenit (Fe )  Dung dịch rắn hoà tan của C trong Fe ( giới hạn hoà tan 2,14%C tại 11470C). Dẻo, mềm Xêmentit (Fe3C ) - XeI: sinh ra từ Lỏng. Dạng thẳng, thô tô trong tổ chức - XeII: sinh ra từ Fe do giảm nồng độ C trong . Có thể tạo lưới bao quanh biên hạt  giảm dẻo dai của hợp kim - XeIII: sinh ra từ Fe do giảm nồng độ C trong  Graphit (C ) Các tổ chức hai pha trên GĐP Fe-Fe3C Peclit (P )  hỗn hợp cùng tích của F và Xe được sinh ra từ Austenit tại 7270C và 0,76%C  thành phần pha trong P: 88%F + 12%Xe  2 loại P, P tấm và P hạt Lêđêburit (Le )  hỗn hợp cùng tinh của Austenit và Xe tạo thành từ pha lỏng tại 4,43%C và 11470C Phân loại thép-gang Thép:  là hợp kim của Fe-C với hàm lượng C < 2,14% Đặc điểm: - Khi nung nóng đạt tổ chức một pha duy nhất Austenit  có độ dẻo cao, dễ biến dạng - Có thể coi thép là vật liệu dẻo, có thể biến dạng nguội, nóng - Tính đúc kém Gang:  là hợp kim của Fe-C với hàm lượng C > 2,14% Đặc điểm: - Khi nung nóng không đạt tổ chức một pha duy nhất Austenit  không thể biến dạng nguội, nóng - Có khả năng điền đầy khuôn tốt  tính đúc cao - Tính dẻo của gang kém Phân loại thép-gang theo GĐP - Thép trước cùng tích - Théo cùng tích - Thép sau cùng tích - Gang trước cùng tinh - Gang cùng tinh - Gang sau cùng tinh