1 TỔ CHỨC HỢP KIM VÀ GiẢN ĐỒ PHA PHẦN I CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Cấutrúctinhthể củahợpkim Hợp kim là gì? Æ là vậtthể gồmnhiều nguyên tố và mang tính kim loại Nhiều nguyên tố: nguyên tố chínhlàkimloại, các nguyên tố còn lạicóthể là kim loạihoặc phi kim Mang tính kim loại: tính dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo, dễ biếndạng và có anh kim Thành phần nguyên tố tính trong hợpkim - Thành phầnvề phầntrămkhốilượng (thường dùng) - Thành phầnvề phầntrăm nguyên tử Mộtsố chi tiếtlàmtừ hợpkim 2 Vì sao phải nghiên cứuvề hợpkim? Æ Vì nó có mộtsốưuviệtvề gia công, tính kinh tế hơnso với KL nguyên chất 1. Có độ bềncaochịu đượctảitrọng cao và vẫn đảmbảo vậtliệu không quá cứng dẫn đếnpháhuỷ giòn 2. Có tính công nghệđadạng 3. Có giá thành rẻ Mộtsố khái niệm: Cấutử: là các nguyên tố (hoặchợpchất hoá họcbềnvững) Hệ: dùng để chỉ mộttậphợpcácvậtthể riêng biệtcủaHK trong điềukiệnxácđịnh Pha: là phần đồng nhấtcủahệ có cùng cấutrúcvàcáctính chấtcơ-lý-hoá tính xác định HợpkimAl-Cu với hai pha α và β Giữa các pha luôn có bề mặt phân cách Pha α Pha β Trạng thái của hệ (pha) Trạng thái cân bằng ổn định: trong điềukiện P, T và thành phầnxác định Æ cấutrúc, tínhchấtcủahệ không phụ thuộcthờigian Trạng thái không cân bằng (không ổn định): trong điềukiệnP, T hoặc thành phầnthayđổi Æ cấutrúc, tính chấtcủahệ sẽ chuyển sang trạng thái cân bằng mới Trạng thái giảổn định: trong điềukiện P, T và thành phầnxác định, hệ có thể tồntại ở trạng thái năng lượng cao hơnttcbổn định 3 Các loạitương tác trong hợpkim Khôngcótương tác Æ Các cấutử không hoà tan, tương tác vào nhau Æ thể hiện trên các vùng vớimàusắc khác nhau trên ảnh tổ chứctế vi Có tương tác - Hoà tan vào nhau tạo dung dịch rắn(giữ nguyên kiểumạng củanền) -Phản ứng hoá họctạohợpchấtmớivớikiểumạng khác Dung dịch rắn Dung dịch rắnlàgì? Æ là pha đồng nhất, có cấutrúcmạng như của dung môi ngay cả khi thành phần được thay đổi Khả năng hòa tan -Vô hạn -Có hạn Dung dịch rắnthaythế Æ các nguyên tử của nguyên tố hoà tan có thể thay thế vị trí các nút mạng của nguyên tử nguyên tố dung môi Điềukiệnthaythế (hoà tan) vô hạn - tương quan về kiểumạng - tương quan về kích thước - tương quan về nồng độ điệntử - tương quan về tính âm điện Dụng dịch rắnxenkẽ Nguyên tử xen kẽ Æ các nguyên tử của nguyên tố hoà tan phảicókíchthước nhỏđểnằmlọttrongcáclỗ hổng của dung môi 4 Các đặctínhcủa dung dịch rắn -Kiểumạng tinh thếđơn gian: A1, A2…. -Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn rõ rệtso với kim loại nguyên chất -Tăng khả năng chống ănmònđiện hoá cho vậtliệu Pha trung gian Thế nào là pha trung gian? Æ là các hợpchất hoá học có trong hợpkim Đặc điểm 1) Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn với nguyên tố thành phần, 2) Luôn luôn có tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố và biểu diễn bằng công thức hóa học AmBn với m, n là các số nguyên, 3) Tính chất khác hẳn các nguyên tố thành phần với đặc điểm là giòn (khác hẳn với kim loại), 4) Có nhiệt độ nóng chảy cố định và khi tạo thành tỏa ra một lượng nhiệt đáng kể, 5) không tuân theo quy luật hóa trị, 6) không có thành phần hóa học chính xác (hay nói đ úng hơn dao động trong một khoảng quanh thành phần chính xác theo công thức), 7) có liên kết kim loại. Các loại pha trung gian thông dụng • Pha xen kẽ là pha tạo nên giữa các kim loại chuyển tiếp (có bán kính nguyên tử lớn) với các á kim có bán kính nguyên tử bé Các nitrit Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N Cácbit Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6 • Pha điện tử (Hum - Rothery) là hợp chất hóa học có nồng độ điện tử N (số điện tử hóa trị tính cho một nguyên tử) xác định là: 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12) Cu - Zn : CuZn (pha β, N = 3/2), Cu5Zn8 (pha γ, N = 21/13), CuZn3 (pha ε, N = 7/4) • Pha Laves được tạo nên bởi hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính nguyên tử rA / rB = 1,2 MgZn2, MgNi2 hay MgCu2 PHẦN II GiẢN ĐỒ PHA 5 3.2 Giản đồ pha hai cấutử Quy tắc pha F=C-P+1 Giản đồ pha Æ Công cụ biểuthị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phầnvàsố lượng các pha củahệởtrạng thái cân bằng Loạimộtcấutử Loại hai cấutử Loạibacấutử Nhiệt độ Thành phần 1085 0 C Rắn Lỏng Cu Quy tắc giản đồ pha Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục: trục tung - nhiệt độ, trục hoành biểu thị thành phần (thường theo % khối lượng) với những đường phân chia các khu vực pha theo nguyên tắc: D - 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 - Đường thẳng đứng bất kỳ biểu thị một thành phần xác định nhưng ở các nhiệ t độ khác nhau - Hai trục tung chính là giản đồ pha của từng cấu tử tương ứng (trái cho A, phải cho B). Giản đồ pha loại1 A B Lỏng (L) L+B A+L Nhiệt độ (A+B) (A+B)+B A+(A+B) a E b cd %B Æ Là loạigiản đồ pha củahệ hai cấutử không có bấtkỳ tương tác nào Æ tổ chứcgồmhỗnhợp riêng rẽ của2 cấutử Mộtsố chú ý: aEb Æ đường lỏng cEd Æ đường đặc a, b nhiệt độ chảy củaAvàB E điểm cùng tinh t C D F CB DB L =% CB CD B =% Xác định thành phần các pha củahợpkim X tại nhiệt độ t X Khi t = 25 0 C %L = ? %B = ? Giản đồ pha loại2 A B %B Lỏng (L) L+α α Nhiệt độ a b Æ là giản đồ củahệ hai cấutử tương tác và hoà tan vô hạn vào nhau Mộtsố chú ý: m n amb Æ đường lỏng anb Æ đường đặc a, b nhiệt độ chảy củaAvàB Mộtsố hệ tương tác vớigiản đồ loại2: Cu-Ni, Al 2 O 3 -Cr 2 O 3 X Bài toàn: mô tả quá trình kếttinhcủahợpkimX 6 Giản đồ pha loại2 (tiếptheo) Cu Ni Với điềukiện nguộivô cùng chậm, quá trình kếttinhcủahợpkim đượcmôtả: a Æ chỉ có pha lỏng b Æ bắt đầutiết pha rắn α với 46%Ni c Æ tồntại 2 pha Æ tính % các pha d Æ hết pha lỏng e Æ chỉ có pha rắn α Giản đồ pha loại3 A B Lỏng (L) L+β α Nhiệt độ β α+β a E b cd %B L+α g f Æ là giản đồ củahệ hai cấutử tương tác và hoà tan có hạn vào nhau Mộtsố chú ý: aEb Æ đường lỏng acdb Æ đường đặc α dụng dịch rắn hoà tan của B trong A β dụng dịch rắn hoà tan của A trong B TạiE xảyraphản ứng cùng tinh: L Æ ( α + β ) X2 Bài toàn: mô tả quá trình kếttinhcủacáchợp kim X, X1, X2, X3 X1 X3 X Giản đồ pha loại3 (tiếptheo) HợpkimX1 HợpkimX2 Pb Sn Pb Sn Giản đồ pha loại3 (tiếp theo) HợpkimX 7 Giản đồ pha loại3 (tiếp theo) HợpkimX3 Giản đồ pha loại4 Æ Là giản đồ pha hai cấutử có tương tác hoá họctạo ra pha trung gian A m B n A B Lỏng (L) A m B n +B Nhiệt độ a E1 b E2 L+A A m B n L+A m B n L+A m B n A+A m B n B+A m B n c Æ Cách nghiên cứu: tách thành hai giản đồ pha 2 cấutử loại1 Mộtsố phản ứng trong giản đồ pha Phản ứng bao tinh Æ phản ứng giữamột pha lỏng + một pha rắn Æ sinh ra một pha rắnmới Phản ứng bao tinh Fe %C Nhiệt độ Æ phản ứng tạo nên 2 pha rắn đồng thời từ một pha rắn ban đầu Tiếtphakhỏi dung dịch rắn Æ do các nguyên tố hoà tan có giớihạn trong dung môi * * * * Quan hệ giữa GĐP – Tính chấthợpkim Tính chất các pha thành phần Tính chấthỗnhợp các pha Quan hệ giữa GĐP -Tính chất 8 Quan hệ giữa GĐP – Tính chất hợp kim Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe 3 C) Tương tác giữaFe vàC -Sự hoà tan củaC vàoFe: dạng dung dịch rắnxenkẽ - Fe α (A2): hoà tan rất ít (0,02%C) - Fe γ (A1): hoà tan nhiều (2,14%C) - Fe δ (A2): hoà tan ít (0,1%C) -Tương tác hoá họcgiữaFe vàC Æ Fe 3 C Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe 3 C) (tiếp theo) γ+XeII γ+XeII+(γ+Fe 3 C) (γ+Fe 3 C) (γ+Fe 3 C)+Fe 3 C L+XeI α+Fe 3 CIII (P) P + F e 3 C (P+Fe 3 C)+XeI P+XeII P+XeII+(P+Fe 3 C) α+P Fe Fe 3 C Các chuyểnbiếnkhinguộichậm Chuyểnbiến bao tinh: tại 1493 0 vớicáchợp kim có 0,1-0,5%C L 0,1%C 0,5%C δ 0,1 + L 0,5 Æ γ 0,16 Chuyểnbiến cùng tinh: tại 1147 0 vớicác hợp kim có %C > 2,14 L 4,3 Æ γ 2,14 + Fe 3 C 6,67 Chuyểnbiến cùng tích: tại 727 0 γ 0,76 Æ α 0,02 + Fe 3 C 6,67 Chuyểnbiến cùng tích Chuyểnbiến cùng tinh 9 Các tổ chứcmộtphatrên GĐP Fe-Fe 3 C Ferít (Fe α ) Æ Dung dịch rắn hoà tan của C trong Fe α ( giớihạn hoà tan 0,02%C tại 727 0 C). Dẻo, mềm, kém bền Các tổ chức một pha trên GĐP Fe-Fe 3 C Austenit (Fe γ ) Æ Dung dịch rắn hoà tan của C trong Fe γ ( giớihạn hoà tan 2,14%C tại 1147 0 C). Dẻo, mềm Các tổ chức một pha trên GĐP Fe-Fe 3 C Xêmentit (Fe 3 C) - Xe I : sinh ra từ Lỏng. Dạng thẳng, thô tô trong tổ chức - Xe II : sinh ra từ Fe γ do giảmnồng độ C trong γ . C ó thể tạolưới bao quanh biên hạt Æ giảm dẻo dai củahợpkim - Xe III : sinh ra từ Fe α do giảmnồng độ C trong α Các tổ chức hai pha trên GĐP Fe-Fe 3 C Peclit (P ) Æ hỗnhợpcùngtíchcủaF vàXeđượcsinhratừ Austenit tại 727 0 C và 0,76%C Æ thành phần pha trong P: 88%F + 12%Xe Æ 2loạiP, P tấmvàP hạt 10 Các tổ chức hai pha trên GĐP Fe-Fe 3 C Lêđêburit (Le ) Æ hỗnhợp cùng tinh củaAustenitvàXetạo thành từ pha lỏng tại 4,43%C và 1147 0 C Phân loại thép-gang Thép: Æ là hợpkimcủaFe-C với hàm lượng C < 2,14% Đặc điểm: - Khi nung nóng đạttổ chứcmột pha duy nhất Austenit Æ có độ dẻo cao, dễ biếndạng - Có thể coi thép là vậtliệudẻo, có thể biếndạng nguội, nóng - Tính đúc kém Gang: Æ là hợpkimcủaFe-C với hàm lượng C > 2,14% Đặc điểm: - Khi nung nóng không đạttổ chứcmột pha duy nhất Austenit Æ không thể biếndạng nguội, nóng - Có khả năng điền đầy khuôn tốt Æ tính đúc cao - Tính dẻocủa gang kém . trong hợpkim - Thành phầnvề phầntrămkhốilượng (thường dùng) - Thành phầnvề phầntrăm nguyên tử Mộtsố chi tiếtlàmtừ hợpkim 2 Vì sao phải nghiên cứuvề hợpkim? Æ Vì. 1 TỔ CHỨC HỢP KIM VÀ GiẢN ĐỒ PHA PHẦN I CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Cấutrúctinhthể củahợpkim Hợp kim là gì? Æ là vậtthể