trao đổi trực tuyến tại - mientayvn.com li/tai_lieu/khoa_hoc_vat_lieu/vatlieu7.pdf ·...

Trao đổi trực tuyến tại:http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html

CÔNG NGHỆ vàKHOA HỌC VẬT LiỆU

ĐẠI CƯƠNG

Nguyễn Mạnh Tuấn

Chương VIIGiản đồ pha

275

http://www.mientayvn.com/chat_box_li.htmlC�NG

Issues to Address

Đại học Khoa học Tự nhiênKhoa Khoa học Vật liệu

TP. Hồ Chí Minh 2008 3

Mục đích Nghiên cứu các trạng thái

cân bằng khả dĩ của hainguyên tố khi chúngđược kết hợp với nhau Tỷ lệ thành phần (được xác

định theo phần trăm về khốilượng)

Nhiệt độ (T) Có bao nhiêu pha

Tỷ lệ phần trăm về khốilượng của mỗi pha

Thành phần của mỗi pha

Sự hiểu biết về giản đồ pha(phase diagrams) rất quantrọng khi xử lý nhiệt vật liệu

Nhiều tính chất của vật liệuphụ thuộc vào vi cấu trúc vàvào cách thức xử lý nhiệt

Hầu hết các giản đồ pha thểhiện các trạng thái và các vicấu trúc cân bằng, từ đó ngườita dùng chúng để nghiên cứucác tính chất và các vi cấu trúckhông cân bằng



Định nghĩa và khái niệm Pha được định nghĩa là phần

đồng nhất của một hệ có cácđặc trưng hóa và vật lý giốngnhư nhau

Mọi vật liệu tinh khiết đềuđược xem là một pha

Pha dung dịch rắn, pha dungdịch lỏng và pha dung dịch khí Dung dịch nước đường là một pha Đường ở trạng thái tinh khiết thể

rắn cũng là một pha

Hệ đơn pha được gọi là hệđồng nhất

Hệ có 2 hoặc nhiều hơn 2 phagọi là hệ gọi là hệ trộn lẫnhoặc hệ khác thể hay là khôngđồng nhất



Hai pha khác nhau có các tínhchất hóa học và vật lý khác nhau

Hầu hết các hệ hợp kim kim loại, gốm sứ, polymervà composite đều là các hệ không đồng nhất

Giới hạn hòa tan Là nồng độ cực

đại của chất tanở trong dung dịch

Ví dụ xác định giớihạn hòa tan ở20°C của đườngtrong nước là 65%nồng độ về khốilượng đường Nếu C0<65% về khối

lượng: là dung dịchsyrup

Nếu C0>65% về khốilượng: là dung dịchsyrup cộng với đường



Đường giới hạn hòa tan



Thành phầnvà Pha Thành phần

Các nguyên tố hayhợp chất đượchỗn hợp với nhautừ trước

Pha Những vùng vật

liệu có các tínhchất hóa học vàvật lý khác biệtnhau

Hợp kim đồng-nhôm gồm 2 pha:pha màu sángvà pha màu tối



Nhiệt độvà Tỷ lệ thành phần Sự thay đổi nhiệt

độ T dẫn đếnchuyển pha các pha(từ A tới B)

Việc thay đổi tỷ lệthành phần (nồngđộ) C0 dẫn đếnchuyển pha các pha(từ B tới D)

A: 20°C, 70% đường – 2 phaB: 100°C, 70% đường – 1 phaD: 100°C, 90% đường – 2 pha

Vi cấu trúc Vi cấu trúc (microstructure) là

đối tượng có thể được nghiêncứu bằng công cụ hiển vi –hiển vi quang học hoặc hiển viđiện tử

Trong các hợp kim kim loại, vicấu trúc được đặc trưng bởi sốcác pha hiện diện, tỷ lệ thànhphần, sự phân bố và sắp xếpcủa các pha đó

Vi cấu trúc của một hợp kimphụ thuộc vào mức độ thay đổicác thành phần trong hợp kim,nồng độ các thành phần vàcách thức sử lý nhiệt hợp kim Ví dụ như nhiệt độ, thời gian xử lý

nhiệt và tốc độ làm nguội mẫu vềnhiệt độ phòng



Hình chụp bằng kính hiển vi vi cấu trúc của hợpkim chì-thiếc ở thành phần tỷ lệ eutectic. Dungdịch rắn pha giàu chì có màu tối và dung dịchrắn pha giàu thiếc có màu sáng hơn

Cân bằng pha Sự cân bằng là khái niệm cơ

bản để mô tả đại lượng nhiệtđộng năng lượng tự do

Năng lượng tự do là hàm củanội năng của hệ xác định mứcđộ mất trật tự hoặc phân bốngẫu nhiên của các nguyên tửhoặc phân tử Khi nhiệt độ, áp suất, thành phần

của hệ thay đổi sẽ dẫn đến làmtăng năng lượng tự do làm chohệ chuyển sang một trạng tháikhác sao cho năng lượng tự do trởnên thấp hơn

Một hệ là cân bằng nếu nănglượng tự do đạt cực tiểu ởđiều kiện áp suất, nhiệt độ vàthành phần xác định

Các đặc trưng của hệ khôngthay đổi theo thời gian vàđược coi là ổn định

Sự cân bằng pha xác định chomột hệ phản ánh sự bất biếntheo thời gian với các đặctrưng về pha của hệ





Giản đồ pha cân bằng Cho biết thông tin về

các pha trong sự phụthuộc hàm số theonhiệt độ T, tỷ lệ thànhphần C0 và áp suất P

Thường là hệ haithành phần với haithông số độc lập lànhiệt độ T và tỷ lệthành phần C0 (coiáp suất không đổi là1atm)

• Pha lỏng L• Pha dung dịch rắn cấu trúc FCC• Pha L+

Equilibrium Phase Diagrams

Liquidus: đườngbiên lỏngSolidus: đườngbiên rắn



Giản đồ pha cân bằng Quy tắc 1: Cho biết

nhiệt độ T, tỷ lệthành phần C0 xác định được sốlượng các pha vàloại pha

Ví dụ: Biết nhiệt độvà thành phần tạicác điểm A và B trêngiản đồ pha xácđịnh được số lượngpha và loại pha


A (1100°C, 60% Ni): 1 pha B (1250°C, 35% Ni): 2 pha L +

Liquidus:đườngbiên lỏngSolidus:đườngbiên rắn




nhiệt độ T, tỷ lệ thànhphần C0 xác địnhđược tỷ lệ thànhphần của mỗi pha

Ví dụ: Giả sử có tỷ lệthành phần C0, ởnhiệt độ TA chỉ cópha lỏng L, ở TD chỉcó pha rắn tại TBcó cả pha rắn vàpha lỏng L





nhiệt độ T, tỷ lệthành phần C0 xác định được thànhphần định lượng củamỗi pha theo % vềkhối lượng

Ví dụ: Giả sử tại C0là 35% Ni. Tại TB cócả pha rắn và phalỏng L73% thành phần khối lượnglà pha lỏng và 27% thànhphần khối lượng là pha rắn


Quy tắc “Đòn cân cân bằng”

Tỷ lệ phần trăm về khối lượng



Quy tắc đòn cân cân bằng

Nguyên tắc Tổng các tỷ lệ

phần trăm vềthành phầnpha = 1

Bảo toàn vềkhối lượng

Kết hợp cácphương trình

Quy tắc đòn cân cân bằng Với hợp kim gồm nhiều pha,

để thuận tiện người ta thườngxác định lượng pha tương đốibằng tỷ lệ thành phần phầntrăm về thể tích thay cho tỷ lệphần trăm về khối lượng

Hợp kim gồm các pha và ,tỷ lệ phần trăm về thể tích củapha là V xác định bằng

trong đó v và v là các thể tích củacác pha và trong hợp kim

Hợp kim 2 pha V + V = 1

Chuyển đổi từ tỷ lệ phần trămvề khối lượng sang tỷ lệ phầntrăm về thể tích như sau

Và chuyển đổi ngược lại

trong đó và là mật độ của cácpha tương ứng và xác định theo4.10a và 4.10b



Sự phát triển của Vi cấu trúc Sự phát triển của vi cấu trúc trong

hợp kim đồng hình (isomorphous) Quá trình làm nguội cân bằng

Là quá trình làm nguội rất chậm,sự cân bằng pha được duy trìliên tục

Sản phẩm của sự chuyển phado làm nguội cân bằng không cósự biến đổi vi cấu trúc hoặc làthành phần tỷ lệ



Sự phát triển của vi cấu trúc trong quátrình tạo pha rắn không cân bằng của hợpkim 35% Ni và 65% Đồng về khối lượng

Sự phát triển của Vi cấu trúc



Sự phát triển của vi cấu trúc trong quátrình tạo pha rắn không cân bằng của hợpkim 35% Ni và 65% Đồng về khối lượng

Sự phát triển của vi cấu trúc tronghợp kim đồng hình (isomorphous)

Quá trình làm nguội không cân bằng Là quá trình làm nguội rất nhanh,

tạo sự điều chỉnh thành phần vàduy trì sự cân bằng

Vi cấu trúc có sự biến đổi và pháttriển

Xảy ra quá trình khuếch tánnguyên tử tạo nên các hạt đồngnhất về mặt thành phần



Sự phát triển của Vi cấu trúc Phụ thuộc vào tốc

độ làm nguội hợpkim

Nồng độ pha thay đổi khichuyển sang pharắn

Ở lõi, pha chuyển sang rắnkhi C = 46% Ni vàở lớp vỏ, pha chuyển sang rắnkhi C = 35% Ni

Làm nguội không cân bằng Làm nguội cân bằng



Ví dụ

Quá trình làmnguội hợp kim 2thành phần Cu-Ni

Hệ có 2 thànhphần Cu và Ni làđồng hình (hòatan hoàn toàn vàonhau), vùng pha trải rộng từ 0%đến 100% Nithành phần phầntrăm về khốilượng



Cơ tính của hệ Cu-Ni Ảnh hưởng của

thành phần tỷ lệcủa dung dịchrắn tới Độ bềnkéo TS và Độbền chảy %EL

Giá trị cực trịcủa Độ bền kéoTS và Độ bềnchảy %EL làhàm của nồngđộ C0

%RA)



Hệ Eutectic 2 thành phần

Ag

Có tỷ lệ thành phần đặcbiệt C0 trong hợp kimvới nhiệt độ nóng chảyT là cực tiểu

Cu

Có 3 vùng đơn phatrong giản đồ: pharắn , pha rắn vàpha lỏng L

Pha là dung dịchrắn giàu đồng Cuvới thành phần hòatan là bạc Ag cấutrúc FCC

Dung dịch rắn pha gồm đồng Cu vàbạc Ag tinh khiết

Solvus = đườngbiên hòa tan rắn

Solidus Liquidus

Điểmbấtbiến



Hệ Eutectic 2 thành phần

Ag

Có tỷ lệ thành phần đặcbiệt C0 trong hợp kimvới nhiệt độ nóng chảyT là cực tiểu

Cu


LiquidusSolidus

Điểmbấtbiến

Có 3 vùng đơn phatrong giản đồ: pharắn , pha rắn vàpha lỏng L

Có phản ứng quantrọng trong hợp kimở tỷ lệ thành phầnCE là khi thay đổinhiệt độ đi qua TE



Hệ Eutectic 2 thành phần Trên giản đồ với

hợp kim có 40%thiếc – 60% chìở 150°C

Có 2 pha rắntrong hỗn hợp là+

Tỷ lệ thànhphần của cácpha ở eutectic TE = 183°C CE = 61.9% Sn

Liquidus: đường biên lỏng Solidus: đường biên rắn Solvus: đường biên hòa tan rắn

Liquidus

Solidus

Solvus



Hệ Eutectic 2 thành phần Trên giản đồ với

hợp kim có 40%thiếc – 60% chìở 150°C

Thành phần cácnguyên tố theotỷ lệ phần trămC và C

Thành phần cácpha theo tỷ lệphần trăm W vàW



Vi cấu trúc trong hệ Eutectic Xét ở thành phần

tỷ lệ giữa pha rắnđơn chất và độhòa tan rắn cựcđại ở nhiệt độphòng - solvus

Theo tỷ lệ thànhphần, có thể quansát được một số vicấu trúc khácnhau khi làm nguộichậm hợp kim củahệ eutectic có 2thành phần

Giản đồ pha của hệ Pb – Sn Thành phần C0 < 2% Sn Pha rắn là đa tinh thể dạng hạt

Vi cấu trúc cân bằng củahợp kim chì thiếc ở tỷ lệthành phần phần trăm C0khi làm nguội từ vùngpha lỏng ở C0 < 2% Sn




Vi cấu trúc trong hệ Eutectic Xét ở tỷ lệ thành

phần giữa độ hòatan rắn cực đại ởnhiệt độ phòng vàđộ hòa tan rắncực đại tại nhiệtđộ eutectic TE

Ở phía trênđường solvus làcác hạt pha

Ở phía dướiđường solvus làcác hạt pha +

Giản đồ pha của hệ Pb – Sn Từ thành phần tỷ lệ 2% thiếc tới18,3% thiếc Pha rắn đa tinh thể gồm cả cáctinh thể pha rắn



Vi cấu trúc trong hệ Eutectic Xét ở tỷ lệ thành

phần tại nồng độđiểm eutecticCE=61.9% Sn

Vi cấu trúc tạiđiểm eutectic,không có sự thayđổi về pha cho tớinhiệt độ TE

Các lớp tinh thểxen kẽ nhau gồmcác pha rắn vàpha rắn

Hướng khuếchtán của cácnguyên tử chì vàthiếc là theo cácmũi tên màuxanh và đỏ



Vi cấu trúc trong hệ Eutectic Xét ở các tỷ lệ

thành phần ngoàivùng eutectic18.3% <C0<61.9%Sn về khối lượng,khi làm nguội nhiệtđộ đi qua đườngđẳng nhiệt

Nửa trên là giốngtrường hợp thứ II

Phân biệt cấu trúceutectic - eutectic và ban đầu(primary ) Microconstituent – vi phần tử



Vi cấu trúc trong hệ Eutectic Tỷ lệ phần trăm

của vi phần tửeutectic We làgiống như tỷ lệphần trăm phalỏng WL

Tỷ lệ phần trămcủa pha ban đầu(primary ) W’

Microconstituent – vi phần tử

P Q R



Vi cấu trúc trong hệ Eutectic Tỷ lệ phần trăm

tổng cộng của pharắn , W

Tỷ lệ phần trămtổng cộng của pharắn , W

Microconstituent – vi phần tử

P Q R



Hệ hợp kim của Fe-C

Hệ sắt-sắt carbide (Fe-Fe3C) Thép và Gang là trong

số những hệ hợp kim 2thành phần quan trọngnhất – đều có lượngCarbon < 6.7%

Sắt nguyên chất khinung có 2 thay đổi trongcấu trúc tinh thể trướckhi nóng chảy

Ở nhiệt độ phòng cópha bền là Ferrite (-Fe) cấu trúc BCC

Ferrite chuyển hình tháisang FCC Austenite (-Fe) ở 912°C

Austenite duy trì đến1394°C chuyển thànhpha BCC (-Fe)

Chỉ xét ở nồng độ C tới 6.7% khốilượng – hợp chất trung gian sắtcarbide cementite (Fe3C) tạo thành



Hệ hợp kim của Fe-C Quan hệ Eutectic

và Eutectoid Quá trình xảy ra tại

điểm eutectic tronghệ (Fe-Fe3C)

Quá trình xảy ra tạiđiểm eutectoidtrong hệ (Fe-Fe3C)

Hệ sắt-sắt carbide (Fe-Fe3C)



Vi cấu trúc của hợp kim Fe-C Vi cấu trúc phụ thuộc vào nồng độ

carbon và cách xử lý nhiệt Quá trình làm nguội chậm Vi cấu trúc của thép eutectoid khi

làm nguội chậm gồm các lớp của 2pha và Fe3C đồng thời tạo ra khichuyển pha

o Vi cấu trúcnày gọi làpearliteo Độ dàycác lớp theotỷ lệ 8/1



Dưới Eutectic và Quá Eutectic Các vùng dưới

eutectic và quáeutectic nằm ở 2bên giá trị thànhphần phần trămcủa điểm eutectic

Vi cấu trúc khiphân biệt theocác vi phần tửeutectic trong vídụ của hệ Pb-Sn

vi phần tử eutectic

Thép ở pha dướieutectoid

Pha ferrite ở pearlite gọilà eutectoid ferrite

Pha ở nhiệt độ trên TE’được gọi là pha trướceutectoid (proeutectoid)

Tỷ lệ phần trăm củapearlite xác định bởi

Tỷ lệ phần trăm củaproeutectoid xác địnhbởi

Vi cấu trúc của hợp kim Fe-C



Vi cấu trúc của hợp kim Fe-C Thép ở pha quá

eutectoid Proeutectoid cementite

bắt đầu xuất hiện trướckhi có phản ứng tạoeutectoid

Tỷ lệ phần trăm của phapearlite Wp xác định là

Tỷ lệ phần trăm của phaproeutectoid cementiteWFeC’ xác định là



Thép hợp kim



Thép có thêm cácnguyên tố bổ xungsẽ làm thay đổi rõrệt giản đồ pha

Có sự thay đổiquan trọng là sựdịch chuyển vị tríeutectoid

Nhằm gia tăng độkháng mòn hoặcchịu nhiệt của thép

Có sự thay đổinhiệt độ eutectoidtùy thuộc vàonguyên tố thêmvào và nồng độcủa nó

Có sự thay đổinồng độ eutectoidtùy thuộc vàonguyên tố thêmvào và nồng độcủa nó

Cách tạo một giản đồ pha Giàn đồ pha 2 thành phần cho ta thấy

các pha tạo thành ở những dạng khácnhau ứng với 2 nguyên tố tùy thuộcvào nhiệt độ. Các thành phần tỷ lệ lấytất cả các khả năng từ 100% nguyêntố A ở phía trái tới 100% nguyên tố Bở phía phài của giản đồ. Thành phầntỷ lệ của hợp kim cho ở dạng A - x%B.Ví dụ, Cu - 20%Al tức là 80% đồng và20% nhôm. Người ta thường dùngphần trăm về khối lượng để xác địnhtỷ lệ các nguyên tố trong hợp kim, đôikhi cũng dùng phần trăm về nguyêntử.

Dạng phần trăm thường xác định nhưsau: Cu - 20wt%Al khi tính phần trămvề khối lượng và Cu - 20at%Al khitính phần trăm về nguyên tử



Cách tạo một giản đồ pha Các hợp kim có xu hướng kết hợp lại

ở dải rộng các nhiệt độ, thay vì là ởmột nhiệt độ xác định như nguyên tốđơn chất. Ở mỗi đầu của giản đồ phachỉ có một nguyên tố đơn chất (100%A hoặc 100% B) xác định được haiđiểm nóng chảy.

Đôi khi tồn tại một hỗn hợp ở thànhphần hợp chất các nguyên tố tạothành chất rắn ở một nhiệt độ xác địnhgiống như nguyên tố đơn chất. Đây gọilà điểm eutectic. Điểm eutectic có thểxác định bằng thực nghiệm bằng cáchlàm nguội ở những tỷ lệ thành phầnhợp kim khác nhau.

Giản đồ pha của nhiều hợp kim 2thành phần đơn giản không có điểmeutectic



Cách tạo một giản đồ pha Bằng cách làm nguội hợp kim từ trạng

thái lỏng và ghi lại tốc độ làm nguội người ta xác định được nhiệt độ tạiđó bắt đầu có hiện tượng chuyển sangpha rắn và vẽ được đồ thị trên giản dồpha. Nếu các mẫu thí nghiệm là đầyđủ trên tất cả các thành phần tỷ lệ của2 nguyên tố, ta có thể vẽ được đườngcong các điểm tại đó bắt đầuchuyển sang pha rắn trên giản đồ.Đường cong này kết hợp với 3 điểmchuyển pha rắn gọi là đường biênlỏng - liquidus line



Cách tạo một giản đồ pha Tương tự như khi cho đường hòa tan vào

một ly trà nóng (dạng ddịch lỏng), mộtnguyên tố cũng có thể hòa tan vào mộtnguyên tố khác, nhưng cả 2 đều ở trạngthái rắn. Đây gọi là độ hòa tan rắn và cóthể đạt tới vài phần trăm về khối lượng.Giới hạn hòa tan này có thể thay đổi khithay đổi nhiệt độ. Phần mở rộng của vùnghòa tan rắn có thể vẽ trên giản đồ pha.

Dung dịch rắn B trong A (tức là thànhphần chủ yếu là A) gọi là pha rắn alpha và dung dịch rắn của A trong B (tức làthành phần chủ yếu là B) gọi là pha rắnbeta .

Lưu ý là có một số nguyên tố khi tạo hợpkim có độ hòa tan rắn là zero; điển hình làhợp kim Al - Si, với nhôm có độ hòa tanrắn là zero trong Silic



Cách tạo một giản đồ pha Nếu xét thành phần hợp kim không ở

trong vùng dung dịch rắn nhỏ ở phần 2bên của giản đồ, hợp kim sẽ chuyểnthành pha rắn hoàn toàn ở nhiệt độeutectic cho thấy đường thẳngeutectic trên giản đồ pha. Ở các thànhphần hợp kim và nhiệt độ giữa điểm bắtđẩu chuyển sang pha rắn và điểmchuyển sang pha rắn hoàn toàn (có nhiệtđộ eutectic), hỗn hợp sệt sệt của cácpha alpha hoặc beta sẽ có những vóncục dạng rắn tồn tại với hỗn hợp lỏngcủa A và B. Những vùng này cũng đượcthấy trên giản đồ.

Vùng ở phía dưới đường thẳng đẳngnhiệt eutectic, và phía ngoài vùng dungdịch rắn sẽ là vùng hỗn hợp rắn của cácpha alpha và beta



Cách tạo một giản đồ pha Giản đồ pha được xem là sơ đồ trực

quan cho thấy mối quan hệ nhiệt độ vàthành phần tỷ lệ, chỉ ra được trang tháipha của hợp kim ở một nhiệt độ vàthành phần xác định.

Có thể xác định bằng thực nghiệm tốcđộ làm nguội của hợp kim ở các tỷ lệthành phần khác nhau trên giản đồ.

Dùng giản đồ này để hiểu rõ và dựđoán trước được vi cấu trúc hợp kim ởmột tỷ lệ thành phần đã được xác địnhtrước



trao đổi trực tuyến tại - mientayvn.com li/tai_lieu/khoa_hoc_vat_lieu/vatlieu7.pdf ·...

Documents