Hợp kim và biến đổi tổ chức
Hợp kim là hỗn hợp của kim loại với một hoặc nhiều kim loại hoặc á kim khác
36
PhÇn II
Hîp kim vµ biÕn ®æi tæ chøc
Ch−¬ng 3 Hîp kim vµ gi¶n ®å pha
3.1. CÊ u tróc tinh thÓ cña hîp kim
3.1.1. Kh¸i niÖ m vÒ hîp kim
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
u 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 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
h− í ng→(1&2) ∆G
• Tr¹ ng th¸ i gi¶ æ n ® Þ nh (2) muè n sang (1) ph¶ i th¾ ng ∆G 2
• æn ® Þ nh (1).
d. Ph© n lo¹ i c¸c t−¬ ng t¸ c 1
ChÕ t¹ o hî p kim = nÊ u ch¶ y % x¸ c ®Þ nh råi lµ m nguéi.
Tõ pha láng ®ång nhÊ t khi lµ m nguéi sÏ cã t−¬ng t¸ c t¹ o H× nh 3.1. S¬ ®å c¸ c vÞ trÝ
nª n c¸ c pha kh¸ c nhau. æn ®Þ nh (1), gi¶ æn ®Þ nh (2)
T¹ o thµ nh hç n hîp c¬ häc A + B vµ kh«ng æn ® Þ nh (3)
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 dÞ ch r¾n
a. Kh¸i niÖ m - ph© n lo¹ i
ph©n lo¹i
§/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
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 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 dÞ ch r¾ n thay thÕ
§/n: nguyª n tö chÊ t tan thay thÕ vÞ trÝ nguyª n tö dung m«i.
§/kiÖ n: sai kh¸ c dnguyª n tö kh« ng qu¸ 15%. TÝ nh chÊ t ho¸ lý t−¬ng tù nhau.
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:
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 dÞ ch r¾n xen kÏ
§/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
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¸ 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
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¶ 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 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)
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 ®iÖ n tö (Hum - Rothery)
§/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 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)
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 ®å pha cña hÖ hai cÊu tö
§/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¸ 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 →
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 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: → 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
mét cÊ u tö Fmax = 2, hai cÊ u tö Fmax = 3, ba cÊ u tö Fmax = 4.
t¾ c
3.2.2. Quy t¾c ®ßn bÈy
§/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 u thøc:
QA.XA=QB.XA FA T
Trong vï ng 2 pha: ® iÓ m XA XB FB
kh¶ o s¸ t cµ ng gÇ n pha nµ o α β
th× tû lÖ pha Ê y cµ ng lín M
Xβ
%α = Xα Xβ
X α + Xβ
Xα
FA.XA=FB.XB
%β = FA=FB(XB/XA) %B →
Xα + Xβ
Mα.Xα=Mβ .Xβ
3.2.3. Gi¶n ®å lo¹i I
lo¹i
§/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
(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
L 1 1’
nhiÖ t
L B a’’ a a’
327
A E L+Sb
E L+B Pb+L 245
A+L
b’’ b b’
[Pb+Sb]
A+ Sb+[Pb+Sb]
A+B
(A+B) B+(A+B)
a) b) 37 60
Pb 13
100%A %B → 100%B %Sb → Sb
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:
p 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
p
®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
Ph¶ n ø ng cï ng tinh: LE → (A + B) hay L13%Sb → (Pb + Sb).
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 ®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
®− êng L 1 2266
1455 nhiÖ t ®é ,
1400 L
nhiÖ t
1’ 2200
2’’ L+α L+α
2
1200 ®− êng 2100
1083 α 2045 α
1000
2000
Cu 20 40 60 80 Ni Al2O3 20 40 60 80 Cr2O3
%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 ®å lo¹i III
§/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 A 1
1
L+40%S
300 L
B. 2’ 2
AEB - ®− êng lá ng, ACEDB- 245 B
nhiÖ t ®é, oC
a’ 3 a α 2 L 13,3%Sn 40%Sn
® − êng r¾ n. 200 C E 183 D
α 19,2 4 61,9 97,5
H× nh 3.12. Gi¶n ®å lo¹i III, hÖ 100
α+Sn
G 3 4
Pb - Sn vµ s¬ ®å h×nh thµnh F
tæ chøc khi kÕt tinh ë tr¹ng 13,3 18,5 57
Pb 20 40 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
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 ®å lo¹i IV 800 Mg4Ca3+L
§/n: Lµ G§P hai cÊ u tö cã t¹ o thµ nh hîp chÊ t hãa häc Mg+L
AmBn, L+Mg4Ca3
L+Ca
600
D¹ ng ® iÓ n h× nh lµ hÖ HK Mg-Ca (h× nh 3.14) víi 516
hîp chÊ t ho¸ häc æn ®Þ nh Mg4Ca3, = tæng cña hai 445
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.
Mg 55,3 Ca
H× nh 3.14. Gi¶n ®å lo¹i IV, hÖ Mg-Ca 20 40 60 80
%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
c¸c
G§P ví i c¸ c pph¶n øng bao tinh (peritectic):L+R1→R2.VÝ dô G§P Fe-C→L0,5+ δ0,1 → γ0,16
(peritectic):
42
§/®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):
§/®iÓ m: kh¸ c víi ph¶ n øng cïng tinh, cïng tÝ ch lµ pha r¾ n → 2 pha r¾ n.
VÝ dô : G§P Fe - C: Feγ(C)0,8 → [Feα + Fe3C] (sÏ kh¶ o s¸ t sau).
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 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:
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 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.
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
A+L L+β
nhiÖ t ®é, PΣ
nhiÖ t ®é, PΣ
α Pβ
PΣ PB
Pα
PA
A+B PΣ
α+β
A %B → B A %B → B
L α+L L
L+AmBn
L+α
nhiÖ t ®é, PΣ
nhiÖ t ®é, PΣ
α
PB PAmBn
Pα
PA
PΣ
PΣ α α+AmBn
A %B → B 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
n:.
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
+ dÎ o t¨ ng α+L L
ChÝ nh v× thÕ mµ tÝ nh chÊ t cña hîp kim cã thÓ kh«ng L+β β
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
H× nh 3.17. Quan hÖ phi tuyÕ n gi÷ a tÝ nh chÊ t vµ G§P A %B → B
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
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
T¹ o dung dÞ ch r¾n xen kÏ : b¸ n kÝ nh nguyª n tö rC = 0,077nm, rFe = 0,1241nm) → C chØ cã
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
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.
vµ 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
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 ®å pha Fe - Fe3C vµ c¸c tæ chøc
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:
- 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
δ A B L
A (1539 - 0) B (1499 - 0,5) HJ
C (1147 - 4,3) H (1499 - 0,10)
D
P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006) 1200 γ+L
S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67) γ E 1147 C L+Xª
F
nhiÖ t ®é,
E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67)
G (911 - 0) F (1147 - 6,67)
J (1499 - 0,16) N (1392 - 0) Acm
C
lª ®ª buri
o
910 G
A3
γ+Xª II γ+Xª II+Lª Lª + Xª I
α S 727 K
P
peclit
H× nh 3.18. Gi¶n ®å pha Fe - C500 F+P P+Xª I P+Xª II+Lª Lª + Xª I
(Fe - Fe3C)
Q 1 2 3 4 5 6
Fe 0,8 2,14 %C → 4,3 Fe3C
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
α F),
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%),
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
γ (C)],
® 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%
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.
mentit X
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
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 ®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...,
