Hóa học - Chương 4: Hợp kim và giản đồ pha
Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
Tương tác giữa Fe và C: có nhiều tương tác
- 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 cacbit Fe: Fe3C
- Tạo hỗn hợp cơ học: Cùng tinh và cùng tích
11 trang |
Chia sẻ: huyhoang44 | Lượt xem: 1875 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Hóa học - Chương 4: Hợp kim và giản đồ pha, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
11
Chương 4: HỢP KIM & GIẢN ĐỒ PHA
4.1. Các khái niệm cơ bản
1. Hợp kim là gì?
là vật thể gồm nhiều nguyên tố và mang tính kim loại
Nhiều nguyên tố: NT chính là kim loại, các NT 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 ánh 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
Tính ưu việt của hợp kim?
Thực tế trong chế tao CK chỉ dùng HK, ít dùng
KL nguyên chất vì nó có một số ưu việt:
1. Độ bền cao chịu được tải trọng cao và vẫn
đảm bảo vật liệu không quá cứng dẫn đến phá
huỷ giòn
2. Tính công nghệ đa dạng ( cắt gọt, GCAL, đúc,
NL...)chế tạo sản phẩm với năng suất cao
3. Nhiều trường hợp nấu HK dễ hơn KL nguyên
chất
4
2. Một số khái niệm:
Cấu tử: là các NT (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 –Giữa các pha
có bề mặt phân chia pha.
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. Năng lượng tự do nhỏ
nhất
Độ bền, cứng thấp nhất ( không có ư.s bên trong ,
xô lệch mạng ít, hình thành khi làm nguội chậm
25
Trạng thái không cân bằng (không ổn định): trong
điều kiện P, T hoặc thành phần thay đổi năng
lượng tự do lớn hơnluôn có xu hướng biến đổi
sang trạng thái năng lượng thấp hơn cấu trúc, tính
chất của hệ sẽ thay đổi (chuyển sang trạng thái cân
bằng mới)
Ý nghĩa: quan trọng thực tế đáp ứng cơ tính khi
làm việc
Đạt được do làm nguội nhanh
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 tồn tại ổn định cả
khi nung nóng trong một phạm vi nào đó
Hợp kim Al-Cu với hai pha và
Giữa các pha luôn có bề mặt phân cách
Pha
Pha
3. Các loại tương tác trong hợp kim
- 2 cấu tử không tương tác với nhau
Các cấu tử không hoà tan, đan xen vào nhau giữ nguyên
các kiểu mạng của các cấu tử thành phầncác hạt của 2 pha
riêg rẽ nằm cạnh nhau
- Có tương tác: nguyên tử ( ion ) đan xen vào nhau tạo ra pha duy
nhất
- Hoà tan vào nhau tạo dung dịch rắn (giữ nguyên kiểu mạng của 1 cấu
tử nền) tổ chức 1 pha như KL nguyên chất
- Phản ứng hoá học tạo hợp chất với kiểu mạng khác các cấu tử
thành phần
4. Dung dịch rắn
a. Dung dịch rắn là gì?
là pha đồng nhất, cấu tử được giữ lại kiểu mạng gọi là dung
môi. Nguyên tử của cấu tử hòa tan sắp xếp trong mạng dung
môi ngẫu nhiên và đều đặn
Thành phần được thay đổi trong một phạm vi mà vẫn giữ
được tính đồng nhất của pha
Ký hiệu : A(B); α, β.....
b. 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 tạo DD rắn thay thế : Sai khác đường kính nguyên
tử của các nguyên tố ≤15%
Sự thay thế thường là có hạnhòa tan càng nhiều càng xô
lệch mạng tinh thểnăng lượng tự do của hệ tăng
Nồng độ quá lớnvượt quá giới hạn sẽ tạo nên pha mới
3Cu(Ni) với lượng Ni khác nhau, Ni có thể hòa tan vô hạn trong Cu
10
Điều kiện thay thế (hoà tan) vô hạn
- tương quan về kiểu mạng
- tương quan về kích thước ( <8%)
- tương quan về nồng độ điện tử (có cùng điện
tử hóa trị)
- tương quan về tính âm điện
VD : Au & Ag , kiểu mạng A1, ∆r= 0,2%,
nhóm 1B
Dung dịch rắn hòa tan vô hạn:
Nguyên tử B thay thế vào vị trí nguyên tử của
dung môi A một cách liên tục
Nguyên tử xen kẽ
c. Dung dịch rắn xen kẽ
Đi vào mạng tinh thể ở vị trí các lỗ hổng
các nguyên tử của nguyên tố hoà tan phải có
kích thước nhỏ để nằm lọt trong các lỗ hổng của
dung môi
12
- Do kích thước lỗ hổng nhỏ hòa tan có
hạn
-Một số các nguyên tố có Dngt nhỏ:
N; C; H; B chui vào mạng của một số
KL chuyển tiếp có đường kính lớn: Fe.;
Cr; W; Mo
4d. Các đặc tính của dung dịch rắn
- Kiểu mạng tinh thể đơn giản và xít chặt
A1, A2
- Tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài
mòn rõ rệt so với KL nguyên chất
- Tính chất thay đổi trong một phạm vi rộng
- Dẫn điện, nhiệt kém hơn KL nguyên chất,
thay đổi điện thế điện cực khả năng
chống ăn mòn điện hoá của VL thay đổi
14
Hiệu quả hóa bền của
các nguyên tố hợp kim
trong Cu Cu(Me)
- Zn,Ni có đường kính
nguyên tử không khác
Cu nhiều hiệu quả
tăng bền không cao
- Sn và Be có sai khác
kích thước nguyên tử
khác Cu nhiều hiệu
quả tăng bền rõ rệt
e. 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,
thường dòn
- Có T 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
16
Pha xen kẽ : Thường gặp
- Tạo nên giữa các KL chuyển tiếp ( có Dnt lớn) với á kim
(có Dnt nhỏ) ( C,N,H,B) tạo Cacbit, Nitrit, Hydrit, Boirit
- Cấu trúc do tương quan kích thước nguyên tử giữa
ákim (X) và KL (M) :
DX/DM <0,59 Mạng kiểu đơn gian A1, A2, A3
Hợp chất có công thức : M4X, M2X, MX
DX/DM >0,59 Mạng phức tạp
Hợp chất có công thức : M3X, M7X3, M23X6
- Có T chảy rất cao ( >2000-30000C), rất cứng (HV>2000-
5000) & dòn, nâng cao khả năng chống mài mòn và chịu
nhiệt
Trong HK: Pha trung gian thường chỉ chiếm 10% ,
còn lại là dung dịch rắn
54.2. Giản đồ pha hai cấu tử
- 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
- Chỉ đúng với HK 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
Công dụng của giản đồ pha:
- Các pha tồn tại: Căn cứ vao T0 và thành phầnvùng nào của
giản đồ phasố pha trong vùng đó
- Thành phần pha:
+ Nếu ở vùng 1 pha thành phần pha là thành phần HK đã chọn
+ Nếu ở vùng 2 pha tính toán bằng qui tắc cánh tay đòn
Qui tắc:
Kẻ đường song song với trục hoành, cắt 2 đường 1 pha gần nhất(
Pha A và pha B)
∆∆ ∆
Pha A
Cánh tay đòn trái
Pha B
Cánh tay đòn phải
__________________________________________________________________
Lượng pha phải (B)
_______________________
Độ dài cánh tay đòn trái_
Lượng pha trái (A) Độ dài cánh tay đòn phải
HK
=
- Suy đoán tính chất của hợp kim (tổng hợp t/c của các pha thành phần)
- Nhiệt độ chảy : trong một khoảng ( giữa đường rắn và lỏng)
- Các chuyển biến pha: Các đường dưới đường đặc
- Dự đoán tổ chức ở trạng thái cân bằng
19
aEb đường lỏng;
cEd đường đặc;
a, b nhiệt độ chảy
của A và B;
E điểm cùng tinh:
L → (A + B)
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
t
C
DF
X
A B
(A+B)
1. Giản đồ pha loại 1 - Hệ hai cấu tử không hòa tan lẫn
nhau (không có bất kỳ tương tác nào )
VD: Hệ Pb-Sb
20
Giản đồ pha loại 2
Giản đồ của hệ hai cấu
tử tương tác và hoà
tan vô hạn vào nhau
ở trạng thái rắn, ví dụ:
(Cu-Ni, Al2O3-Cr2O3)
amb đường lỏng
anb đường đặc
A B
%B
Lỏng (L)
L+
N
h
iệ
t
đ
ộ
a
bm
n
X
C
d c f
Cd Cf
?%;?%
?%;?%
B
AL L
= A(B) , B(A)
6Giản 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 - Hệ hai cấu tử tương tác và hoà
tan có hạn vào nhau
A B
Lỏng (L)
L+
N
h
iệ
t
đ
ộ
(+)
a
E
b
c d
%B
L+
g f
VD: Hệ Pb-Sn
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 toán: 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
7Giản đồ pha loại 3 (tiếp theo)
Hợp kim X3
26
Bài tập: Tính thành phần pha trong HK 40%Sn
T>2450C Lỏng hoàn toàn
T=2450C Bắt đầu KT
27
Giản đồ pha loại 4
Giản đồ pha hai cấu tử có tương tác hoá học tạo ra pha trung
gian AmBn (Mg-Ca → Mg4Ca3) .
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
Tách thành hai giản đồ pha 2 cấu tử đơn giản hơn
28
4.3. Quan hệ giữa giản đồ pha và tính chất vật liệu
- Nếu tố chức của hợp kim có 1 pha duy nhất thì tính
chất của HK là tính chất của pha đó
- Nếu có nhiều pha: là tổng hợp của các pha: tỷ lệ bậc
nhất với tính chất của từng pha và số lượng của chúng
- Nếu tổ chức tế vi có hạt nhỏ thì cơ tính cao hơn so với
hạt lớn.
- Thông thường tổ chức tế vi phần lớn là dung dịch rắn
(có độ bền, dẻo nhất định), phần còn lại (ít) là pha trung
gian (độ cứng cao, giòn) kết hợp với tỷ lệ tốt hợp
kim có cơ tính tổng hợp tốt (VD: độ bền cao, độ cứng
nhất định, độ dẻo, độ dai, chịu mài mòn.)
84.4. Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
Tương tác giữa Fe và C: có nhiều tương tác
- 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 cacbit Fe: Fe3C
- Tạo hỗn hợp cơ học: Cùng tinh và cùng tích
rnt = 0,067 nm
C
rnt = 0,156nm
Fe
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
Chuyển biến cùng tinh: tại 11470 với các hợp kim có %C > 2,14
L4,3 ( + Fe3C)
Chuyển biến cùng tích: tại 7270
0,8 + Fe3C
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 Fedo giảm nồng độ C trong
933
Ferit và Austenit
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 0,8%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
35
P tấm và P hạt
Lêđêburit
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 As có
độ dẻo cao, dễ biến dạng
- Có thể coi thép là VL dẻo, có thể BD 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 As
không thể biến dạng nguội, nóng
- Có khả năng điền đầy khuôn tốt tính đúc cao
- Tính dẻo của gang kém
10
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
38
Thép trước cùng tích 0,38%CX635
39
Thép sau cùng tích 1,4%CX1000
40
Các điểm tới hạn của thép
-Nhiệt độ chuyển biến ở trạng thái rắn của HK
Fe-C điểm tới hạn, ký hiệu bằng chữ Alà cơ
sở để xác định chế độ nhiệt luyện
-Các điểm:
A1 : 727
0C nhiệt độ chuyển biến cùng tích
AS F+Xe = +Xe
A3: 911-727
oC ( đường GS) : AS F ( khi
nguội) hoặc kết thức hòa tan F và As khi nung
Am: 1147-727oC ( đường ES): As XeII khi
làm nguội hoặc kết thúc sự hòa tan của XeII vào
As khi nung
11
41
Cần nắm vững
• Dung dịch rắn ( thay thế-xen kẽ)-Tính chất
• Pha trung gian (phân biệt với hợp chất hóa học)
• Giản đồ pha- cấu tạo- công dụng
• Qui tắc cánh tay đòn (tính thành phần pha)
• Sự hình thành (hoặc hòa tan) của các pha qua các
đường chuyển pha của giản đồ pha khi nung nóng
và làm nguội
• Giản đồ pha Fe-C- Thuộc lòng phần thép ( nhiệt độ,
%C, đường chuyển pha (A1, A3, Am), các pha)
• Phản ứng cùng tinh, cùng tích
• Tính nhiệt độ A3 hoặc Am của các thép.
• Thép và gang theo giản đồ pha- tổ chức tế vi- tính
chất của thép và gang
42
Bài tập
1. Tính nhiệt độ A3 của các thép có
0,2%C; 0,4%C; 0,6%C
2. Tính nhiệt độ Am của các thép có:
1,0%C; 1,2%C; 1,6%C
3. Tính thành phần pha của thép có:
0,2%C; 0,4%C; 0,6%C; 1,0%; 1,2%C
-Có nhận xét gì về tỷ lệ pha màu sáng và pha màu tối quan
sát được trên kính hiển vi liên quan với %C của thép?
Chú ý: Tính tỷ lệ pha /P; tỷ lệ pha /Xe
- Nhận xét cơ tính của các thép này ( theo tỷ lệ các pha
xuất hiện)
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- chuong_4_hop_kim_va_gd_pha_6333.pdf