Bài giảng Vật liệu kim loại - Chương 2: Hợp kim & giản đồ trạng thái

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu kim loại - Chương 2: Hợp kim & giản đồ trạng thái

1. CHƯƠNG 2 HỢP KIM & GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Từ khoá: Alloy; Phase Diagram, Binary Phase Diagram
2. 1. Khái niệm về hợp kim 1.1. Định nghĩa hợp kim • Hợp kim: là vật thể chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại. Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại • Trong kỹ thuật ít dùng KL nguyên chất mà thường dùng hợp kim • HK được sử dụng rộng rãi vì có nhiều mặt ưu việt hơn KL nguyên chất
3. 1.2. Đặc tính của hợp kim 1. Độ bền, độ cứng cao hơn KL nguyên chất. Độ dẻo, dai thường thấp hơn KL nguyên chất nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép 2. Có các tính chất đặc biệt: chịu nhiệt, chống ăn mòn, chống mài mòn 3. Có một số tính công nghệ tốt (tính đúc, tính gia công cắt, hóa bền bằng nhiệt luyện ) 4. Dễ chế tạo hơn KL nguyên chất
4. 1.3. Một số khái niệm • Pha: là những tổ phần đồng nhất của một hệ, có các tính chất: - Có thành phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng - Ở cùng một trạng thái - Ngăn cách với pha khác bằng bề mặt phân pha • Hệ: tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng • Cấu tử: là những chất độc lập có thành phần không đổi, chúng tạo nên tất cả các pha của hệ • Thí dụ: Hệ nước + đường; Nước ở 00C
5. 2. Các pha & tổ chức trong hợp kim 2.1. Dung dịch rắn (DDR) (Solid Solution) • DDR là pha tinh thể có thành phần thay đổi, trong đó: - Các nguyên tử của dung môi A giữ nguyên kiểu mạng - Nguyên tố chất tan B phân bố vào mạng của A
6. 2.1. Dung dịch rắn • Lưu ý: - DDR có liên kết kim loại - Dung môi B có thể không giữ lại kiểu mạng của mình • Ký hiệu: - Các chữ Hy Lạp: , , , ,  - A(B)
7. 2.1.1. Dung dịch rắn thay thế
8. 2.1.1. Dung dịch rắn thay thế • Các nguyên tử của chất tan B thay thế các nguyên tử của dung môi A tại chính các nút mạng của A • Số nguyên tử trong ô cơ bản bằng số nguyên tử trong ô cơ bản của dung môi A
9. a. DDR thay thế hòa tan vô hạn • Chất tan B hòa tan vào dung môi A với tỉ lệ bất kỳ • Các nguyên tử của B có thể lần lượt thay thế mọi vị trí nút mạng của A mà không làm thay đổi cấu trúc tinh thể của DDR • Khái niệm dung môi và chất tan chỉ là quy ước
10. b. DDR thay thế hòa tan có hạn • Lượng hòa tan của B trong A không thể vượt quá giá trị xác định • Khi hòa trộn A và B vào nhau sẽ tạo nên 2 DDR: - B hòa tan trong A: A(B): kiểu mạng của A - A hòa tan trong B: B(A): kiểu mạng của B
11. c. Điều kiện để tạo thành DDR hòa tan vô hạn • Kiểu mạng: A và B phải cùng kiểu mạng • Đường kính nguyên tử: dA và dB không sai lệch nhau nhiều (<8-15%) thường xảy ra giữa các KL với nhau • Lý, hóa tính: của A và B phải gần giống nhau • Nồng độ điện tử: của A và B phải gần như nhau
12. c. Điều kiện để tạo thành DDR hòa tan vô hạn • Lưu ý: - Không thoả 1 trong 4 điều kiện trên chỉ hoà tan có hạn - Thoả cả 4 yếu tố trên vẫn có thể hoà tan có hạn
13. 2.1.2. Dung dịch rắn xen kẽ
14. 2.1.2. Dung dịch rắn xen kẽ • Nguyên tử của chất tan B nằm trong lỗ hổng của mạng tinh thể của dung môi A • Thường được tạo thành bởi: - Nguyên tố dung môi: các kim loại chuyển tiếp (Fe, Ni, Mn, W ) - Nguyên tố chất tan: các á kim có đường kính nguyên tử nhỏ: C, N, B, H
15. 2.1.2. Dung dịch rắn xen kẽ • Điều kiện tạo thành DDR xen kẽ: - Tốt nhất: dB kích thước lỗ hổng của mạng tinh thể dung môi - Nếu dB> kích thước lỗ hổng của mạng tinh thể dung môi không nhiều: B cũng có thể hòa tan vào mạng A và gây xô lệch mạng đáng kể • B luôn hòa tan có hạn trong A và độ hoà tan thường thấp
16. 2.1.3. Đặc tính của DDR 1. Có liên kết kim loại DDR có tính dẻo tốt (không cao bằng KL nguyên chất) 2. Thành phần hóa học thay đổi trong một phạm vi nhất định; kiểu mạng giống dung môi 3. Mạng tinh thể luôn bị xô lệch và mức độ xô lệch càng lớn khi tăng hàm lượng B 4. Do xô lệch mạng tính chất biến đổi so với A: - Độ bền, độ cứng, điện trở tăng - Độ dẻo, dai giảm
17. 2.1.3. Đặc tính của DDR
18. 2.2. Các pha trung gian • Trong HK, trừ DDR, tất cả các pha còn lại: pha trung gian • Đặc điểm: - MTT khác kiểu mạng các nguyên hợp thành - Tính chất khác xa với các nguyên thành phần: cứng, dòn, nhiệt độ nóng chảy cao - Thành phần không đổi hoặc thay đổi trong phạm vi hẹp
19. 2.2. Các pha trung gian • Hợp chất hóa học hóa trị thường • Pha xen kẽ • Hợp chất điện tử • Pha Lavet • Cấu trúc khuyết
20. 2.2.1.Hợp chất hoá học hoá trị thường • Thành phần hoá học hầu như cố định tương ứng với công thức hoá học nhất định • Có liên kết ion hoặc ion – đồng hoá trị • Có tính dòn và độ cứng cao • MeO, Me2O3 ; Mg2Si, Mg2Sn ; MnS, MgS
21. 2.2.2. Pha xen kẽ • Các á kim có đường kính nguyên tử bé (C, H, N, B) chẳng những có thể đi vào lỗ hổng của MTT để tạo nên DDR xen kẽ mà còn có thể tạo nên pha mới với kiểu mạng khác hẳn: pha xen kẽ • Những pha xen kẽ thường gặp: carbide, hydride, nitride, boride • Cấu tạo MTT của pha xen kẽ phụ thuộc vào tỉ lệ dA/dMe (dA: đường kính nguyên tử á kim; dMe: đường kính nguyên tử KL)
22. 2.2.2. Pha xen kẽ Đặc điểm: - Có liên kết kim loại mang tính KL rõ nét - Thường có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng rất cao
23. 3. Hỗn hợp cơ học • Ở trạng thái rắn, HK có thể có tổ chức: - Một pha: DDR hoặc pha trung gian - Hai hoặc nhiều pha: hỗn hợp cơ học • HK có tổ chức là hỗn hợp cơ học: - Của 2 KL nguyên chất - Của 2 DDR: tính dẻo tốt - Của 2 pha trung gian: rất dòn - Của DDR và pha trung gian: thường gặp nhất
24. 4. Giản đồ trạng thái (GĐTT) 4.1. Mở đầu 4.1.1. Định nghĩa • GDTT là biểu đồ chỉ sự phụ thuộc của trạng thái pha vào thành phần hoá học của HK, nhiệt độ, áp suất
25. 4.1.2. Công dụng của GĐTT • Xác định được nhiệt độ nóng chảy, chuyển biến pha của HK với thành phần cho trước xác định chế độ nấu luyện, gia công biến dạng, nhiệt luyện • Trạng thái pha của HK dự đoán được tính chất của HK
26. 4.1.3. Cấu tạo của GĐTT a. Hệ 1 cấu tử • Gồm 1 trục nhiệt độ; trên đó ghi: - Nhiệt độ nóng chảy - Nhiệt độ chuyển biến thù hình - Các dạng thù hình • Thí dụ: sắt
27. b. Hệ 2 cấu tử • Trục hoành: biểu thị thành phần của hợp kim • Trục tung: nhiệt độ
28. 4.2. GĐTT loại 1: 2 cấu tử hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, không hòa tan ở trạng thái rắn
29. 4.2. GĐTT loại 1 • Các đường: - AEB: đường lỏng (Liquidus): bắt đầu kết tinh - CED: đường đặc (Solidus): kết thúc kết tinh • Các pha có thể tạo thành: lỏng, tinh thể rắn A, tinh thể rắn B
30. 4.2. GĐTT loại 1 • Các vùng: - Trên đường L: HK hoàn toàn ở trạng thái lỏng - Dưới đường R: HK tồn tại 2 pha ở trạng thái R - Giữa đường L & R: HK có 2 pha L & R • Điểm E: điểm cùng tinh (Eutecti) • HK cùng tinh, trước cùng tinh, sau cùng tinh
31. Đặc tính của HK • Cơ lí tính: có tính chất trung gian giữa A & B Tính chất HK= %A x tchất A + %B x tchất B
32. 4.3. GĐTT loại 2: 2 cấu tử hòa tan vô hạn với nhau ở trạng thái lỏng & rắn
33. 4.3. GĐTT loại 2 • AmB: đường lỏng; AnB: đường rắn • 3 vùng pha: - Lỏng (L) - Dung dịch rắn - Vùng 2 pha: L +
34. Đặc tính của HK • Cơ lí tính: phụ thuộc vào thành phần theo quan hệ đường cong có cực trị: - Độ bền, độ cứng: cực đại tại 50%A+50%B - Độ dẻo: cực tiểu tại 50%A + 50%B
35. 4.4. GĐTT loại 3: 2 cấu tử hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, hòa tan có hạn ở trạng thái rắn, có chuyển biến cùng tinh
36. 4.4. GĐTT loại 3 • Các pha: L; : DDR hoà tan có hạn của B trong A; : DDR hoà tan có hạn của A trong B • AEB: đường L; ACDB: đường R; CF, DG: giới hạn hoà tan của B trong A và A trong B • E: điểm cùng tinh của 2 DDR và 
37. 5. Giản đồ trạng thái Fe-C 5.1. Tương tác giữa Fe và C 5.1.1. Fe và C Sắt Carbon • Tính thù hình: • Có 2 dạng thù hình: 0 - T<911 C: lptt : Fe - Graphit - 911<T<13920C: lpdt: - Kim cương Fe • Vô định hình: các loại - 1392<T<15390C:lptt: than Fe
38. 5.1.2.Tương tác của sắt với C • Theo 2 cách: - Cacbon hoà tan trong sắt tạo thành DDR - Cacbon kết hợp với sắt tạo thành hợp chất hoá học
39. a. Các DDR của C trong Fe • dC << dFe → C chỉ có thể hoà tan vào MTT sắt dưới dạng DDR xen kẽ • Đối với Fe : - Lỗ hổng lớn nhất: 0,221dFe = 0,62 – 0,74 A (<< dC) 0 - C hoà tan vào Fe rất ít: max 0,02% (727 C) và 0,006% (ở nhiệt độ phòng) • Đối với Fe: - Lỗ hổng lớn nhất: 0,41dFe =1,02 A - Lượng C hoà tan max trong Fe: 2,14% ở 11470C
40. b.Hợp chất hoá học của Fe với C • Fe và C tạo thành 3 hợp chất hoá học: Fe3C (6,67%C), Fe2C (9,67%C), FeC (17,67%C) • Chỉ dùng C< 5% trong các HK Fe – C nên chỉ gặp Fe3C (Cementite; Xementit; Xe) • Xe là pha xen kẽ, được tạo thành khi lượng C lớn hơn giới hạn hoà tan của nó trong Fe hoặc Fe. Xe rất cứng và dòn
41. 5.2. Dạng của giản đồ
42. 5.2. Dạng của giản đồ • A: nhiệt độ nóng chảy của sắt • D: nhiệt độ nóng chảy của Fe3C • ABCB: đường lỏng • AHJECF: đường đặc
43. 5.3. Các tổ chức 1 pha 1. Hợp kim lỏng (L): trên đường L 2. Xe: ứng với đường DEKL: có 3 dạng: • XeI: Kết tinh từ HK lỏng, được tạo thành trong vùng CDF; tổ chức thô to • XeII: tiết ra từ DDR  theo đường ES khi độ hoà tan giới hạn của C trong  giảm từ 2,14 xuống 0,8%; 1147 → 7270C • XeIII: tiết ra từ DDR theo đường ES khi độ hoà tan giới hạn của C trong giảm từ 0,02 xuống 0,006%. Lượng rất ít, có thể bỏ qua
44. 5.3. Các tổ chức 1 pha 3. Ferit (Ferrite, F, ): khu vực GPQ • DDR xen kẽ của C trong Fe với MTT lptt • Độ hoà tan của C trong F rất thấp: max 0,02% (7270C) • Có độ dẻo, dai cao • Khi hoà tan các nthk khác → độ cứng, bền tăng; độ dẻo giảm
45. 5.3. Các tổ chức 1 pha 4. Ôstenit (Austenite,Aus, ): NJESG • DDR xen kẽ của C trong Fe  với MTT lptt • Độ hoà tan của C: 2,14% (E, 11470C); 0,8% (S, 7270C) • Rất dẻo và dai • Có thể hoà tan Cr, Ni, Mn bằng cách thay thế: độ cứng, bền tăng; độ dẻo giảm 5. DDR : • Khu vực AHN • DDR xen kẽ của C trong Fe có mạng lptt
46. 5.4. Các tổ chức 2 pha 5.4.1. Peclit (Pearlite, P, [F+Xe]) • Là hỗn hợp cơ học cùng • Tính chất: Là hỗn hợp tích (Eutectoid) của F và cơ học nên có tính chất Xe được tạo thành ở trung gian: độ cứng, độ 7270C từ DDR Aus chứa bền cao; dẻo, dai hơi 0,8%C: thấp Aus (0,8%; 7270C) → P • P tấm cứng, bền nhưng (0,8%C) không dẻo bằng P hạt • Chứa 88% F và 12% Xe • Xe càng nhỏ mịn: độ bền • Có 2 loại P: càng cao - P tấm: Xe dạng tấm • Có mặt trong mọi HK sắt - P hạt: Xe có dạng hạt - cacbon
47. 5.4.2. Lêđêburit (Ledeburite, Le, (+Xe), (P+Xe)) • Hỗn hợp cơ học cùng tinh, kết tinh từ pha lỏng chứa 4,3%C ở 11470C: L (4,3%C, 11470C) → Le (+Xe) • Khi làm nguội qua 7270C:  → P, tổ chức Le: (P+Xe) • Ở nhiệt độ thường: 2 pha (lượng pha Xe gần gấp đôi F) → rất cứng và dòn
48. 5.5.Kết tinh của các HK điển hình
49. 5.6. Sơ lược về thép và gang Quy ước: • Thép: là HK Fe – C với C GSE: tổ chức hoàn toàn là Aus → dẻo, có thể gia công bằng biến dạng nóng` • Gang: là HK Fe – C với C> 2,14% - T nóng chảy thấp - Có tổ chức cùng tinh → dòn
50. 5.6. Sơ lược về thép và gang • Phân loại thép theo tổ chức tế vi & %C: - Thép trước cùng tích: C 0,8%; P + XeII • Phân loại gang theo tổ chức tế vi và %C: Có tổ chức tế vi ứng với GDTT Fe-C: Gang trắng (tất cả C dạng Xe → mặt gẩy màu sáng) - Gang trước cùng tinh: C 4,3%; Le + XeI
51. 5.7.Các điểm tới hạn của HK Fe-C • Các điểm chuyển biến ở trạng thái rắn của HK Fe-C: các điểm tới hạn • Ký hiệu: chữ A và số tiếp theo 0 • A1= 727 C (PSK): nhiệt độ chuyển biến cùng tích 0 • A3= 727 – 911 C (GS): nhiệt độ bắt đầu tiết ra F từ aus (khi làm nguội), kết thúc hoà tan F vào Aus (khi nung) 0 • Acm= 727 – 1147 C (ES): nhiệt độ bắt đầu tiết ra XeII từ aus (khi làm nguội), kết thúc hoà tan XeII vào Aus (khi nung)