Bài giảng Khái niệm về hợp kim và giản đồ trạng thái

CHƯƠNG 3: KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
3.4.1. Đặc điểm các nguyên (sắt - cacbon) 
a, Sắt 
+ Đặc điểm: 
	 - Sắt là nguyên tố kim loại thuộc nhóm VIII của hệ thống tuần hoàn, nó thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp; 
	 - Rất khó luyện ra sắt nguyên chất tuyệt đối. Sắt nguyên chất kỹ thuật chứa khoảng 99,3  99,9% và 0,1  0,7% tạp chất; 
1 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.1. Đặc điểm các nguyên (sắt - cacbon) 
	 - Về cơ tính sắt là kim loại dẻo dai song kém bền, các chỉ tiêu về cơ tính như sau: 
 Giới hạn bền kéo:  b = 250 N/ mm 2 ; 
 Giới hạn chảy:  0,2 = 120 N/ mm 2 ; 
	 Độ dãn dài tương đối:  = 50%; 
	 Độ co thắt tương đối:  = 85%; 
	 Độ dai va đập : a k = 3000 KJ/ m 2 ; 
 Độ cứng HB = 80. 
 - Sắt là kim loại có tính thù hình gồm: 
 + Mạng lập phương thể tâm: tồn tại ở911 0 C – Fe và 1392 0 C  1539 0 C – Fe ); 
 + Mạng lập phương diện tâm: tồn tại ở 991 0 C  392 0 C – Fe  
2 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.1. Đặc điểm các nguyên (sắt - cacbon) 
b, Cacbon 
	Cacbon là nguyên tố á kim thuộc nhóm IV của hệ thống tuần hoàn. Nó tồn tại dưới các dạng sau: 
	 - Vô địn hình như than gỗ, than đá; 
	 - Kim cương với kiểu mạng kim cương rất cứng. Đó là dạng thù hình không ổn định. Ở nhiệt độ và áp suất cao kim cương trở lên ổn định, 
	- Graphit với kiểu mạng lục giác xếp theo lớp. Khoảng cách giữa các lớp khá xa nên lực liên kết giữa chúng yếu và rất dễ tách lớp. Graphit rất mềm. 
3 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
3.4.2. Tương tác giữa các bon và sắt 
	r c = 0,077nm  r Fe = 0,124 nm 
 Có thể hoà tan vào mạng tinh thể của sắt dưới dạng xen kẽ, song hai kiểu mạng tinh thể của sắt có khả năng hoà tan rất khác nhau. 
+ M ạng lập phương thể tâm – Fe , Fe  
	Số lỗ hổng nhiều nhưng r lh r c tuy nhiên Cacbon vẫn hoà tan vào Fe (tại biên giới hạt và sô lệch mạng) 
	Thực tế ở 727 0 C Cacbon hoà tan được 0,2% và ở 1499 0 C Cacbon hoà tan được 0,1% vào Fe  . 
a, Tạo thành dung dịch rắn của Cacbon trong sắt 
4 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
+ Mạng lập phương diện tâm – Fe  
	Số lỗ hổng ít nhưng r lh r c nguyên tử Cacbon chui vao lỗ hổng dễ dàng và gây sô lệch mạng. 
	Thực tế ở 727 0 C lượng Cacbon có thể hoà tan tới 0,8% trong Fe  . 
 Như vậy kiểu mạng lập phương diện tâm có khả năng hoà tan lượng Cacbon nhiều hơn kiểu mạng lập phương thể tâm. 
 Như vậy kiểu mạng lập phương diện tâm có khả năng hoà tan lượng Cacbon nhiều hơn kiểu mạng lập phương thể tâm. 
5 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
b, Tạo thành cácbít sắt 
	 	+ Fe 3 C - 6,67% C; 
	+ Fe 2 C - 9,67%; 
	+ FeC - 16,67%. 
	Thực tế các hợp kim Fe - C chỉ dùng với lượng Cacbon không vượt quá 5%, nên chỉ gặp hợp chất hoá học của Fe 3 C – Xêmentit: 
	 + L à loại pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp, nhiệt độ chảy khoảng 1600 0 C rất cứng và dòn; 
	 + Là pha không ổn định ở nhiệt độ cao nó phân tích thành sắt và graphit. 
c, Tạo thành hỗn hợp cơ học 
	Hỗn hợp cơ học của hệ hợp kim Fe - C gồm cùng tinh và cùng tích . Là hỗn hợp cơ học của dung dịch rắn và Xêmentit 
6 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
Giản đồ trạng thái Fe - C là hai nguyên Fe và C. 
0,8 
7 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
- ABCD là đường lỏng; 
- AHJECF là đường đặc; 
- ECF là đường cùng tinh 
	E là điểm cùng tinh; 
- PSK là đường cùng tích 
	S là điểm cùng tích. 
- ES - Giới hạn hoà tan C trong Fe  
a, Giản đồ pha Fe – Fe 3 C 
0,8 
8 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
	 A - 1539 0 C – 0%C 
 B - 1499 0 C – 0,5%C 
	 C - 1147 0 C – 2,14%C 
 D - 1600 0 C – 6,67%C 
	 E - 1147 0 C – 2,14%C 
	 F - 1147 0 C – 6,67 %C 
	 G - 911 0 C – 0%C 
 H - 1499 0 C – 0,1%C 
	 J - 1499 0 C – 0,16%C 
 K - 727 0 C – 6,67%C 
	 L - 0 0 C – 6,67%C 
 N - 1392 0 C – 0%C 
	 P - 727 0 C – 0,02%C 
	 Q - 0 0 C – 0,006%C 
	 S - 727 0 C – 0,8%C 
0,8 
9 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
b, Các chuyển biến khi làm nguội chậm 
- Chuyển biến bao tinh: (1499 0 C) 
	  H + L B  j 
hay  0,1 + L 0,5  0,16 
- Chuyển biến cùng tinh: (1147 0 C) 
	 L C (  E + Fe 3 C F ) 
hay L 4,3 (  2,14 + Fe 3 C 6,67 ) 
0,8 
10 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
- Chuyển biến cùng tích: (727 0 C) 
	  S [ P + Fe 3 C K ] 
 hay  0,8 [ 0,02 + Fe 3 C 6,67 ] 
- Sự tiết pha Fe 3 C dư khỏi dung dịch rắn của C – Fe trong các dung dịch: 
	+Trong Fe  theo đường ES ; 
 + trong Fe theo đường PQ . 
0,8 
11 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
c, Tổ chức một pha 
* Xêmentit ( Xe - Fe 3 C ) 
	- Là pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp với 6,67%C ; 
	- Độ cứng của Xe cao (khoảng 800 HB) rất cứng và dòn; 
	- Xe được phân thành ba loại: 
	+ Xe I ; 
	+ X e II ; 
	+ Xe III . 
12 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
+ Xêmentit thứ nhất ( Xe I ) được tạo thành từ dung dịch lỏng theo đường DC từ 1600 0 C  1147 0 C vớit tinh thể thớ to. 
0,8 
- Xe I chỉ được tạo thành khi %C > 4,3%. 
13 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
+ Xêmentit thứ hai ( Xe II ) được tạo thành từ dung dịch rắn Austenit theo đường ES trong khoảng nhiệt độ từ 1147 0  727 0 C, khi độ hoà tan của Cacbon trong Fe giảm từ 2,14% 0,8%: 
	- Xe II chỉ được tạo thành khi %C > 0,8% ; 
	- Xe II thường có dạng mạng lưới bao quanh hạt Peclit làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai. 
0,8 
14 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
 + Xêmentit thứ ba ( Xe III ) cũng được tạo thành từ dung dịch rắn Peclit theo đường PQ , ở nhiệt độ < 7 27 0 C , Khi độ hoà tan của Cacbon trong Peclit giảm từ 0,02 0,006%. 
- Xe III được tạo thành rất ít với lượng nhỏ nên có thể bỏ qua. 
0,8 
 + Xe III 
15 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
* Ferit ( - F - Fe ) 
	 - Là dung dịch rắn xen kẽ của Cacbon trong Fe có mạng lập phương thể tâm trên giản đồ trạng thái Ferit có ở vùng GPQ. Độ hoà tan của Cacbon trong Fe rất nhỏ: ở 727 0 C là 0,02%, còn ở 0 0 C là 0,006%: 
	- Có thể coi Ferit là sắt nguyên chất; 
	- Ferit là pha dẻo và dai. 
0,8 
 + Xe III 
16 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
* Austenit (  - Fe  ) : 	 
	 - Là dung dịch rắn xen kẽ của Cacbon trong Fe, có dạng lập phương diện tâm. Độ hoà tan của Cacbon trong Fe ở 1147 0 C là 2,14% và ở 727 0 C là 0,8%. 
0,8 
17 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
	+ Austenit là pha dẻo dai song nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 727 0 C; 
	+ Tổ chức Austenit là các hạt sáng đa cạnh có song tinh ( thỉnh thoảng có hai đường song song cắt ngang hạt ). Rất ít khi quan sát được tổ chức này vì nó ở nhiệt độ cao; 
	+ Khi lượng Mn hoặc Ni lớn mới làm Austenit tồn tại ở nhiệt độ thường. 
18 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
d, Tổ chức hai pha 
* Peclit ( P - [ Fe + Fe 3 C ]): 
 - Là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xêmentit ( F +Xe ). Khi thành phần hoá học của Austenit là 0,8%C sẽ xảy ra chuyển biến cùng tích ở 727 0 C : 
0,8 
	Fe (C) 0,8 [ F +Xe ] 
 Austenit Peclit 
19 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
	 + Gồm Peclit tấm và Peclit hạt; 
	+ Peclit tấm là tổ chức có Xêmentit ở dạng tấm. Tổ chức tế vi có các vạch Xêmentit tối trên nền Peclit sáng;	 
	+ Peclit hạt là tổ chức có Xêmentit ở dạng hạt. 
Peclit tấm 
Peclit hạt 
20 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
* Lêđêburít [ Le – (  + Xe ) – ( P + Xe ) ]: 
 - Là hỗn hợp cơ học cùng tinh của Austenít và Xêmentít . 
 + Khi hàm lượng C = 4,3%C và ở 1147 0 C xảy ra chuyển biến cùng tinh: 
	 L 4,3 (  + Xe ) 
0,8 
	+ t 0 < 727 0 C: có phản ứng cùng tích  Peclít. 
	 	 Le ( P + Xe ) 
	+ Lêđêburít là hỗn hợp Ferit và Xêmentít , rất cứng và dòn. 
	 Le ( F + Xe I ) + Xe II 
21 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
e, Các điểm tới hạn 
 Các điểm tới hạn là các nhiệt độ chuyển biến ở trạng thái rắn của hợp kim Cacbon và được ký hiệu bằng chữ A . 
	Ở đây ta chỉ xét 3 điểm tới hạn có liên quan đến nhiệt luyện là A 1 , A 3 và A cm . 
+ A 1 (727 0 C) – PSK chuyển biến cùng tích: 
 - Khi làm nguội: 
	 Austenit  P(F + Xe); 
 - Khi nung nóng: 
	 P(F + Xe)  Austenit. 
22 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
	+ A 3 (911  727 0 C) - GS. 
	- Khi làm nguội: Austenit  Ferít 
	- Khi nung nóng: Ferít hoà tan vào Austenit. 
	+ Acm (1147  727 0 C) - ES. 
	- Khi làm nguội: Austenit  Xe 
	- Khi nung nóng: Xe hoà tan vào Austenit. 
23 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4.3. D ạng của dản đồ 
 - Vói nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng có thêm “C” và khi làm nguội có thêm chữ “r” điền vào sau chữ A. 
	- Ta luôn có : 
 	 Ac 1 > A 1 > Ar 1 
 Ac 3 > A 3 > Ar 3 
	 Ac cm > A cm > Ar cm 
0,8 
24 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
3.4.4. T ổ chức tế vi của thép và gang theo giản đồ trạng thái Fe - C 
a, Khái niệm về thép và gang 
- Thép và gang đều là hợp chất của Fe – C . 
- Tất cả các loại thép có tổ chức và cơ tính là khác nhau. Khi nung nóng trên đường GSE thì có chung một pha duy nhất là:  
- Thép được coi là vật liệu dẻo; 
- Tính đúc thấp. 
0,8 
25 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
- Gang là hợp kim Fe - C với thành phần C > 2,14% 
- Gang dòn không thể biến dạng được; 
- Gang có tính đúc tốt; 
- Gang theo giản đồ trạng thái Fe – C là gang trắng. 
26 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
b, Các loại thép, gang theo giản đồ pha Fe – C 
* Tổ chức tê vi của thép Cacbon 
+ Thép trước cùng tích – có hàm lượng C = 0,1  0,7% 
 - Với tổ chức tế vi là: Ferít + Peclit 
 
0,8 
27 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
+ Thép cùng tích – Có hàm lượng C = 0.8 % 
	- Với tổ chức tế vi là Peclít (P). 
0,8 
Peclit tấm 
Peclit hạt 
28 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
+ Thép sau cùng tích – Có hàm lượng C > 0,8% 
	- Với tổ chức tế vi là P + Xe II 
0,8 
29 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
* Tổ chức tế vi của gang trắng. 
 - Theo tổ chức tế vi thành phần Cacbon có thể chia giang trắng làm 3 loại: 
+ Gang trắng trước cùng tinh có %C < 4,3% với tổ chức: 
	 P + Xe II + Le 
30 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
+ Gang trắng cùng tinh có hàm lượng C = 4,3% 
 với tổ chức: Le(P + Xe) 
31 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 
3.4. GI ẢM ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CACBON 
+ Gang trắng sau cùng tinh có hàm lượng C > 4,3% 
 với tổ chức: Le + Xe I 
32 
 BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT