Bài giảng Hợp kim và biến đổi tổ chức

 hai cấu tử 
Đ/n: GĐP là giả n đồ biể u thị sự biế n đổi thà nh phầ n và trạ ng thá i pha ở câ n bằ ng theo 
nhiệ t độ và thà nh phầ n của hệ d−ới á p suấ t không đổi (1 at). 
Cách biể u diễ n: 
Đặ c điể m: GĐP chỉ đúng và phù hợp với hợp kim ở trạ ng thá i câ n bằ ng (nguội rấ t chậ m 
hay ủ), Công dụng: xá c đị nh cấ u trúc của hợp kim, xá c đị nh no chả y, chuyể n biế n pha → 
nấ u luyệ n và xử lý nhiệ t, gia công (biế n dạ ng, đúc, rè n, cá n, ké o,..), rấ t quan trọng. 
3.2.1. Quy tắc pha và ứng dụng 
Quy tắ c pha của Gibbs: T= N-F+2 khi P=1at thì T=N-F+1 
T=0 → hệ bấ t biế n, cả % và no, lúc đó F = N + 1 (số pha=số cấ u tử +1). Ví dụ kim loạ i 
nguyê n chấ t (N = 1) khi nóng chả y: T=1-2+1=0 → nhiệ t độ không đổi. 
T=1: → Ví dụ, khi kế t tinh HK 2 nguyê n: (T = 2 - 2 + 1=1) kế t tinh hoặ c nóng chả y 
trong khoả ng nhiệ t độ hoặ c %. 
T = 2: hệ cùng một lúc có thể thay đổi cả hai yế u tố nhiệ t độ và thà nh phầ n 
Đặc điể m: T ≥ 0 → số pha nhiề u nhấ t của hệ (ở trạ ng thá i câ n bằ ng!) Fmax = N + 1 → hệ 
một cấ u tử Fmax = 2, hai cấ u tử Fmax = 3, ba cấ u tử Fmax = 4. 
 3.2.2. Quy tắc đòn bẩy 
Đ/n: là quy tắ c cho phé p xá c đị nh tỷ lệ của cá c pha, cá c tổ chức trê n GĐP. 
Biể u thức: 
QA.XA=QB.XA 
Trong vùng 2 pha: điể m 
khả o sá t cà ng gầ n pha nà o 
thì tỷ lệ pha ấ y cà ng lớn 
βα
α
βα
β
+
=β
+
=α
XX
X%
XX
X
%
FA.XA=FB.XB 
FA=FB(XB/XA) 
Mα.Xα=Mβ.Xβ 
3.2.3. Giản đồ loại I 
Đ/n: Là GĐP của hệ 2 cấ u tử không có bấ t kỳ t−ơng tá c nà o với nhau. 
Mô tả: AEB là đ−ờng lỏng, CED (245oC) là đ−ờng rắ n, là nhiệ t độ chả y (kế t tinh): B, A 
(hì nh 3.9a), điể n hì nh là hệ Pb - Sb ở hì nh 3.9b. (Pb chả y 327oC), (Sb chả y- 631oC). 
 khoả ng giữa hai đ−ờng lỏng và đ−ờng đặ c: khoả ng kế t tinh. 
 a) b) 
Hì nh 3.9. Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I (a) và giản đồ pha Pb - Sb (b). 
Hợp kim 1: 60%Sb + 40%Pb. Bắ t đầ u đông đặ c ở 1 (500oC), kế t thúc đông đặ c ở 2 (245oC) 
FA 
FB XA XB 
α β 
T 
%B → 
M 
Xα Xβ 
L 
L+B 
A+L 
B+(A+B) 
E 
A 
B 
A
+B
 A+ 
(A+B) 
100%A 100%B %B → 
nh
iệ
t L 
L+Sb 
Pb+L 
E 
327 
631 
[P
b+
Sb
]
Pb Sb %Sb → 
nh
iệ
t 
13 
a’’ a a’ 
1 1’ 
60 
245 
Sb+[Pb+Sb] 
37 
b b’b’’ 
 40 
+ > 500oC → lỏng hoà n toà n L, < 245oC rắ n hoà n toà n, trong khoả ng (500 ữ 245oC) 2 pha 
(lỏng + rắ n) = (L + Sb). Khi là m nguội thì tinh thể B (Sb) tạ o thà nh cà ng nhiề u. 
áp dụng quy tắc cánh tay đòn: 
- tạ i điể m a tỷ lệ pha rắ n %Sb= a’’a/a’’a’=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha lỏng %L=63,5% 
- tạ i điể m b tỷ lệ pha rắ n %Sb= b’’b/b’’b’= (60-13)/(100-13)=54%, pha lỏng %L=46% 
áp dụng quy tắc pha: tạ i điể m 1& a T=2-2+1= 1 đông đặ c trong khoả ng no→có thể thay 
đổi 
 trê n điể m 1 T=2-1+1=2 → thay đổi cả % và no mà pha lỏng (hệ ) vẫ n bả o tồn 
tạ i điể m cùng tinh E T=2-3+1=0 → đông đặ c cùng tinh thì no không đổi giống KL ng/chấ t 
Phả n ứng cùng tinh: LE → (A + B) hay L13%Sb → (Pb + Sb). 
Hợp kim có thà nh phầ n ở chí nh điể m E → hợp kim cùng tinh, có nhiệ t độ chả y thấ p nhấ t, 
Hợp kim 13%Sb →sau cùng tinh (tự khả o sá t HKTCT) 
3.2.4. Giản đồ loại II 
Đ/n: là GĐP của hệ 2 cấ u tử hoà tan vô hạ n ở trạ ng thá i rắ n và lỏng (hì nh 3.10) 
Hệ điể n hì nh Cu - Ni ở hì nh 3.10.a và hệ Al2O3 - Cr2O3 ở hì nh 3.10b. 
Sơ đồ biểu diễn sự hình thành tổ chức khi kết tinh ở các nhiệt độ khác nhau. 
 a) b) 
Hì nh 3.10. Giản đồ pha loại II, hệ Cu-Ni (a) và hệ Al2O3 - Cr2O3 (b). 
3.2.5. Giản đồ loại III 
Đ/n: Là giả n đồ pha của hệ hai cấ u tử , hòa tan có hạ n ở trạ ng thá i rắ n và có tạ o thà nh 
cùng tinh, hì nh 3.12. Hệ điể n hì nh là Pb-Sn. Dạ ng khá giống với giả n đồ loạ i I, khá c nhau 
ở đâ y là 
+ T−ơng tự nh− giả n đồ loạ i I, nhiệ t độ chả y của HK giả m khi tă ng cấ u tử thứ hai. 
cá c dung dị ch rắ n có hạ n α và 
β thay thế cho cá c cấ u tử A và 
B. 
AEB - đ−ờng lỏng, ACEDB- 
đ−ờng rắ n. 
Hì nh 3.12. Giản đồ loại III, hệ 
Pb - Sn và sơ đồ hình thành 
tổ chức khi kết tinh ở trạng 
thái cân bằng của hợp kim 
F 
G 
A 
B 245 
200 
19,2 61,9 97,5 
183 
100 
13,3 
300 
20 40 60 80 Sn Pb 
%Sn 
E 
a a’ 
2 
3 
4 
1 
2’ 
C D α 
α+Sn 
18,5 57 
nh
iệ
t đ
ộ
, o
C
L L+40%S
1 
α13,3%Sn L40%Sn 2 
3 4 
%Cr2O3 
Cr2O3 Al2O3 20 40 80 60 
2000 
2100 
2200 
nh
iệ
t đ
ộ
, 
L 
L+α 
α 
2266 
2045 
%Ni 
Ni Cu 20 40 80 60 
1000 
1200 
1400 
nh
iệ
t 
1455 
1083 
đ−ờng 
đ−ờng 
L 
α 
L+α 
1 
2 
2’’ 
0 
1’ 
 41 
+ Điể m cùng tinh E với phả n ứng cùng tinh : LE → [α+β] hay L61,9 → [α19,2+ β97,5] 
+ HK 61,9%Sn → HK sau cùng tinh (phả i E) 
+ CF và DG là giới hạ n hòa tan. Độ hòa tan max ở nhiệ t độ cùng tinh 183oC 
+ Có thể chia cá c hợp kim của hệ thà nh ba nhóm sau. 
• Nhóm chứa rấ t í t cấ u tử thứ hai (bê n trá i F, bê n phả i G), sau khi kế t tinh xong chỉ có 
một dung dị ch rắ n α hoặ c β, có đặ c tí nh nh− giả n đồ loạ i II. 
• Nhóm có thà nh phầ n nằ m trong khoả ng (từ Fđế n C và D đế n G), no< CF và DG →βII&αII. 
• Nhóm già u nguyê n tố HK (từ C đế n D), sau khi tiế t ra dung dị ch rắ n → (αC hay βD), pha 
lỏng còn lạ i → đ iể m cùng tinh E. 
Khả o sá t HK 40%Sn của hệ Pb - Sn (hì nh 3.12). 
- Trê n 245oC HK chả y lỏng hoà n toà n, ở 245oC hợp kim bắ t đầ u kế t tinh ra α2’ với 
13,3%Sn, nguội tiế p tục dung dị ch rắ n A→C, pha lỏng còn lạ i A→E chiề u tă ng lê n của 
hà m l−ợng Sn. 
áp dụng quy tắ c đòn bẩ y: ở 200oC pha α chứa 18,5%Sn (a’) và L chứa 57%Sn (a’’), 
%rắ n= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8% 
ở nhiệ t độ cùng tinh (LE → [αC + βD]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, và %α=48,7% 
trong cùng tinh %α=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% và %β=54,5% 
Đ/điể m: hai loạ i dung dị ch rắ n α: loạ i kế t tinh đầ u tiê n ở trê n 183oC và loạ i cùng kế t tinh 
với β ở nhiệ t độ không đổi (183oC) và đ−ợc gọi là α cùng tinh (bỏ qua αII). 
Hì nh 3.13 là tổ chức tế vi của hai hợp kim hệ nà y. 
3.2.6. Giản đồ loại IV 
Đ/n: Là GĐP hai cấ u tử có tạ o thà nh hợp chấ t hóa học 
 AmBn, 
 Trê n đâ y là bốn giả n đồ pha hai cấ u tử cơ bả n nhấ t, thực tế còn có nhiề u kiể u giả n 
đồ pha phức tạ p với cá c phả n ứng khá c. 
3.2.7. Các giản đồ pha với các phản ứng khác 
GĐP với các phản ứng bao tinh (peritectic):L+R1→R2.Ví dụ GĐP Fe-C→L0,5+ δ0,1 → γ0,16 
Dạ ng điể n hì nh là hệ HK Mg-Ca (hì nh 3.14) với 
hợp chấ t hoá học ổn đị nh Mg4Ca3, = tổng của hai 
giả n đồ loạ i I: Mg - Mg4Ca3 và Mg4Ca3-Ca. Đ−ợc 
khả o sá t nh− 2 giả n đồ độc lậ p. 
Hì nh 3.14. Giản đồ loại IV, hệ Mg-Ca 
%Ca 
Ca Mg 20 40 80 60 
400 
600 
800 
nh
iệ
t đ
ộ
, 
55,3 
L 
L+Ca 
Mg4Ca3+Ca Mg+Mg4Ca3 
L+Mg4Ca3 
Mg4Ca3+L 
Mg+L 
516 
445 
Hì nh 3.13. Tổ chức tế vi 
của hợp kim Pb - Sb: a. 
cùng tinh [α+β], màu tối là 
α giàu Pb, b. tr−ớc cùng 
tinh với 40%Sn [α độc lập 
là các hạt lớn màu đen bị 
bao bọc bởi cùng tinh [α+β] 
 42 
Đ/điể m: rắ n mới R2 nằ m giữa Lbt& R1 trê n GĐP, p/ứ bao tinh không xả y ra hoà n toà n, vì R2 
tạ o thà nh bao bọc lấ y R1 tạ o nê n lớp mà ng ngă n cá ch không cho phả n ứng tiế p tục. 
GĐP có phản ứng cùng tí ch (eutectoid): R → [R1+R2] 
Đ/điể m: khá c với phả n ứng cùng tinh, cùng tí ch là pha rắ n → 2 pha rắ n. 
Ví dụ: GĐP Fe - C: Feγ(C)0,8 → [Feα + Fe3C] (sẽ khả o sá t sau). 
Sự tiế t pha khỏi dung dị ch rắ n 
Tiế t pha βII & αII (hì nh 3.12) là cá c phầ n tử nhỏ mị n, phâ n tá n, phâ n bố đề u trong nề n 
pha mẹ → hoá bề n → hóa bề n tiế t pha. 
3.2.8. Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tí nh chất của hợp kim 
a. Tí nh chất các pha thành phần 
Hợp kim có tổ chức một pha → tí nh chấ t của hợp kim là tí nh chấ t của pha đó 
HK có tổ chức bao gồm hỗn hợp của nhiề u pha thì tí nh chấ t của hợp kim là sự tổng hợp 
hay kế t hợp tí nh chấ t của cá c pha thà nh phầ n (không phả i là cộng đơn thuầ n), gồm cá c 
tr−ờng hợp: 
HK là DDR (dung dị ch rắ n) + cá c pha trung gian: Quan hệ tí nh chấ t - nồng độ thông 
th−ờng đ−ợc xá c đị nh bằ ng thực nghiệ m. 
Đ/điể m tí nh chất và sự hì nh thành: 
Dung dị ch rắn (tí nh chấ t gầ n giống với KL dung môi), th−ờng rấ t dẻ o, dai và mề m, 
Pha trung gian : tí nh chấ t khá c hẳ n với cá c cấ u tử nguyê n chấ t: cứng hoặ c rấ t cứng, giòn. 
Pha trung gian chỉ xuất hiệ n khi đ−a cấ u tử thứ hai và o với l−ợng v−ợt quá giới hạ n hòa 
tan. 
b. Tí nh chất của hỗn hợp các pha: Quan hệ tuyế n tí nh: hì nh 3.16, đơn giả n nhấ t 
Tí nh chấ t của hỗn hợp : ∑=Σ 1
n
iiXTT , trong đó Ti và Xi là tí nh chấ t và tỷ lệ của pha i, đối 
với hợp kim 2 pha: PHK = T1X1 + T2.X2 hay PHK = T1 + X2.(T2 - T1). Với Xi ∈ GĐP (hì nh 3.16) 
Hì nh 3.16. Tí nh chất của hợp kim và giản đồ pha - quan hệ tuyến tí nh 
q/hệ tuyế n tí nh chỉ đúng khi cùng cỡ hạ t và cá c pha phâ n bố đề u đặ n. 
%B → B A 
nh
iệ
t đ
ộ
, P
Σ 
L 
L+B A+L 
PΣ 
A+B 
%B → AmBn A 
nh
iệ
t đ
ộ
, P
Σ 
L α+L 
PΣ 
L+AmBn 
α
α+AmBn 
%B → B A 
nh
iệ
t đ
ộ
, P
Σ 
L 
L+α 
PΣ α 
PA 
PB 
%B → B A 
nh
iệ
t đ
ộ
, P
Σ 
L α+L 
PΣ 
L+β 
α
β 
α+β 
Pβ 
Pα PA 
PB 
Pα 
PAmBn 
 43 
Quan hệ phi tuyế n:. Trong tr−ờng hợp hạ t nhỏ đi hoặ c to lê n, tí nh chấ t đạ t đ−ợc sẽ thay 
đổi 
tuỳ theo tr−ờng hợp: hạ t nhỏ di → độ dai tă ng = bề n 
+ dẻ o tă ng 
Chí nh vì thế mà tí nh chấ t của hợp kim có thể không 
còn tuâ n theo quan hệ tuyế n tí nh nhấ t là tạ i điể m 
cùng tinh, cùng tí ch và lâ n cậ n (hì nh 3.17). 
Hì nh 3.17. Quan hệ phi tuyế n giữa tí nh chấ t và GĐP 
3.3. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) 
Giả n đồ pha Fe - C (chỉ xé t hệ Fe - Fe3C) khá phức tạ p, rấ t điể n hì nh để minh họa cá c 
t−ơng tá c th−ờng gặ p và đ−ợc sử dụng rấ t nhiề u trong thực tế . 
Ngoà i ra còn có giả n đồ Fe - grafit là hệ câ n bằ ng ổn chủ yế u là dùng trong gang. 
3.3.1. T−ơng tác giữa Fe và C 
Fe, khá dẻ o (dễ biế n dạ ng nguội), dai, tuy bề n, cứng hơn Al, Cu nhiề u song vẫ n còn rấ t 
thấ p so với yê u cầ u sử dụng. 
Khi đ−a C và o Fe giữa → hóa bề n, rẻ hơn → HK Fe-C trở nê n thông dụng 
a. Sự hòa tan của C vào Fe 
Tạo dung dị ch rắn xen kẽ : bá n