36
Phần II
Hợp kim và biến đổi tổ chức

Chơng 3

Hợp kim và giản đồ pha
3.1.
3.1.3.1.
3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim
Cấu trúc tinh thể của hợp kimCấu trúc tinh thể của hợp kim
Cấu trúc tinh thể của hợp kim 3.1.1.
3.1.1.3.1.1.
3.1.1. Khái niệ m về hợp kim
Khái niệ m về hợp kimKhái niệ m về hợp kim
Khái niệ m về hợp kim a.
a.a.
a. Đị nh nghĩ a
Đị nh nghĩ aĐị nh nghĩ a
Đị nh nghĩ a
Hợp kim: độ bề n, độ cứng, tí nh chống mà i mòn cao hơn, tí nh công nghệ tốt hơn: đúc, cắ t
gọt, nhiệ t luyệ n để hoá bề n tốt hơn, rẻ hơn.
Kim loạ i nguyê n chấ t: dẫ n nhiệ t, dẫ n điệ n tốt (dâ y dẫ n, trang sức, điệ n cực Pt, Au)
c.
c.c.
c. Một số khái niệ m
Một số khái niệ mMột số khái niệ m
Một số khái niệ m

Pha: cùng cấ u trúc, cùng trạ ng thá i, cùng kiể u và thông số mạ ng, cá c tí nh chấ t cơ - lý -
hóa xá c đị nh, phâ n cá ch nhau bởi mặ t phâ n chia pha.
Cấ u tử là cá c phầ n độc lậ p có khối lợng không đổi, chúng tạ o nê n cá c pha trong hợp
kim.
Hệ là tậ p hợp cá c pha, có thể ở câ n bằ ng hoặ c không câ n bằ ng.


- phân loại
phân loạ i phân loạ i
phân loạ i
Đ/n:
Đ/n:Đ/n:
Đ/n: là hợp kim trong đó 1 hay nhiề u nguyê n tố hoà tan và o mạ ng tinh thể của kim loạ i
chiế m đa số đ ợc gọi là nề n. Dung môi chiế m đa số, nguyê n tố chiế m tỷ lệ í t hơn là chấ t
tan.
Đ/đ i ể m:
Đ/đ i ể m:Đ/đ i ể m:
Đ/đ i ể m:
kiể u mạ ng của dung môi, nồng độ chấ t tan có thể thay đổi trong một phạ m vi mà
không là m mấ t đi sự đồng nhấ t đó. Dung dị ch rắ n là của B trong A: A(B), mạng của A.
Trạng thá i không câ n bằng (3) = không ổn đị nh: thờng
gặ p: khi tôi

cơ tí nh (bề n, cứng) cao hơn, xu
hớng(1&2)
Trạ ng thá i giả ổn đị nh (2) muốn sang (1) phả i thắ ng G
ổn đị nh (1).
d.
d.d.
d. Phân loại các tơng tác
Phân loại các tơng tácPhân loại các tơng tác
Đ/n:
Đ/n:Đ/n:
Đ/n: nguyê n tử chấ t tan thay thế vị trí nguyê n tử dung môi.
Đ/ki ệ n:
Đ/ki ệ n:Đ/ki ệ n:
Đ/ki ệ n: sai khá c d
nguyê n tử
không quá 15%. Tí nh chấ t hoá lý tơng tự nhau.
Phân loại:
Phân loại:Phân loại:
Phân loại: theo giới hạ n h/tan gồm 2 loạ i: dd rắ n hoà tan có hạ n và dd rắ n hoà tan vô hạ n
theo sự phâ n bố ng/tử chấ t tan, có 2 loạ i: dd rắ n có tr/tự và dd rắ n o
có tr/tự
G
GG
Giới hạ n hòa tan là nồng độ chấ t tan lớn nhấ t mà vẫ n bả o tồn đ ợc mạ ng tinh thể .
Điều kiện hoà t
Điều kiện hoà tĐiều kiện hoà t
Điề u kiệ n hoà tan vô hạn:
an vô hạn:an vô hạn:
an vô hạn: chỉ có thể (có khi o
) xả y ra khi thỏa mã n cả 4 yế u tố sau: Hì nh 3.4. Sơ đồ thay thế để tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn giữa hai kim loại A và B

trậ t tự.
c.
c.c.
c. Dung dị ch rắn xen kẽ
Dung dị ch rắn xen kẽDung dị ch rắn xen kẽ
Dung dị ch rắn xen kẽ
Đ/n:
Đ/n:Đ/n:
Đ/n: cá c nguyê n tử hòa tan nằ m xen kẽ và o cá c lỗ hổng trong mạ ng tinh thể dung môi.
Điều kiện:
Điều kiện:Điều kiện:
Điều kiện: bá n kí nh nguyê n tử chấ t tan phả i rấ t nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) và đôi khi
cả B (0,091nm) mới có khả nă ng xen kẽ và o cá c lỗ hổng giữa cá c nguyê n tử lớn nh Fe
(0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm),... Lỗ hổng lớn nhấ t trong mạ ng
A1 là loạ i 8 mặ t chỉ bằ ng 0,414d
ng/tử
, ngoà i H, o có á kim nà o bỏ lọt đẩ y cá c nguyê n
tử chủ bao quanh giãn ra, gâ y ra xô lệ ch mạnh mạ ng (hì nh 3.5).
. chỉ có dung dị ch rắ n xen hòa tan có hạ n.

Hì nh 3.5.
Sự xô lệch mạng trong dd rắn:
a. hòa tan thay thế khi r
ht
> r
chủ,

b. hòa tan xen kẽ r
ht
> r

Trê n giả n đồ pha 2 phí a là dung dị ch rắ n, ở giữa là cá c pha trung gian.
a.
a.a.
a. Bản chất và phân loại
Bản chất và phân loạiBản chất và phân loại
Bản chất và phân loại Đặ c đ i ể m: 1) Có mạ ng tinh thể phức tạ p và khá c hẳ n với nguyê n tố thà nh phầ n
2) Có tỷ lệ chí nh xá c giữa cá c nguyê n tố theo công thức hóa học A
m
B
n

3) Tí nh chấ t : khá c hẳ n cá c nguyê n tố thà nh phầ n giòn
4) Có nhiệ t độ chả y xá c đị nh, khi tạ o thà nh tỏa nhiệ t.
5) khá c với cá c hợp chấ t hóa học thông thờng, cá c pha trung gian không hoà n toà n tuâ n
theo quy luậ t hóa trị không có thà nh phầ n hóa học chí nh xá c theo công thức, có liê n

X
/ r
M
> 0,59 mạ ng tinh thể phức tạ p (đ ợc gọi là pha xen kẽ với mạ ng
phức tạ p) tơng ứng với công thức M
3
X, M
7
X
3
, M
23
X
6
.
T
TT
T/chất:
/chất:/chất:
/chất: Nhiệ t độ chả y rấ t cao (thờng > 2000 ữ 3000
o
C), rấ t cứng (HV > 2000 ữ 5000) và
giòn hóa bề n, nâ ng cao tí nh chống mà i mòn và chị u nhiệ t của hợp kim.

H và N có kí ch thớc nguyê n tử nhỏ nê n r
X
/ r
M
< 0,59, Fe
4

Pha điệ n tử Pha điệ n tử
Pha điệ n tử (Hum - Rothery) Đ/n:
Đ/n:Đ/n:
Đ/n:

Là pha có kiểu mạng xác đị nh, tạo thành với nồng độ điện tử N xác đị nh (số điện
tử hóa trị /số nguyê n tử): 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12), mỗi tỷ lệ ứng với một cấ u trúc
mạ ng phức tạ p nhấ t đị nh. Thờng là hợp kim của Cu, Ag, Au với Zn, Sn, Cd. Với Cu
1+
,
Zn
2+
ta có:
C
e

d.d.
d. Pha Laves
Pha LavesPha Laves
Pha Laves
Đ/n:
Đ/n:Đ/n:
Đ/n:

Pha tạ o bởi hai nguyê n tố A, B có tỷ lệ bá n kí nh nguyê n tử r
A
/ r
B
= 1,2 (1,1 ữ 1,6)
với công thức AB
2
có kiể u mạ ng A3: MgZn
2
, MgNi
2
hay A1 (MgCu
2
). Do giòn nê n chỉ
đ ợc dùng trong HKTG hoặ c cá c pha hoá bề n.
39
3.2.
3.2.3.2.
3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấ u tử
Giản đồ pha của hệ hai cấu tửGiản đồ pha của hệ hai cấu tử
Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
Đ/n:

nguyê n chấ t (N = 1) khi nóng chả y: T=1-2+1=0 nhiệt độ không đổi.
T=1:
T=1:T=1:
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
TT
T = 2
= 2 = 2
= 2:
::
: hệ cùng một lúc có thể thay đổi cả hai yế u tố nhiệ t độ và thà nh phầ n
Đặ c đ iể m:
Đặ c đ iể m: Đặ c đ iể m:
Đặ c đ iể m: T 0 số pha nhiề u nhấ t của hệ (ở trạ ng thá i câ n bằ ng!) F
max
= N + 1 hệ
một cấ u tử F
max
= 2, hai cấ u tử F
max
= 3, ba cấ u tử F
max
= 4. 3.2.2. Quy tắc đòn bẩy
3.2.2. Quy tắc đòn bẩy3.2.2. Quy tắc đòn bẩy

=
XX
X
%
XX
X
%

F
A
.X
A
=F
B
.X
B

F
A
=F
B
(X
B
/X


Là GĐP của hệ 2 cấ u tử không có bấ t kỳ tơng tá c nà o với nhau.
Mô tả :
Mô tả :Mô tả :
Mô tả : AEB là đ ờng lỏng, CED (245
o
C) 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 chảy 327
o
C), (Sb chả y- 631
o
C).
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. Bắt đầu đông đặc ở 1 (500
o
C), kế t thúc đông đặ c ở 2 (245
o

A+
(A+B)
100%A
100%B
%B


nhiệ t
L
L+Sb
Pb+L
E
327
631
[Pb+Sb]
Pb
Sb
%Sb


nhiệ t
13
a
a
a
1
1
60
245
Sb+[Pb+Sb]

có thể thay
đổi
trên điểm 1 T=2-1+1=2 thay đổi cả % và n
o
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 n
o
không đổi giống KL ng/chấ t
Phả n ứng cùng tinh: L
E
(A + B) hay L
13%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 = HK tr ớc cùng tinh, HK>13%Sb sau cùng tinh (tự khả o sá t HKTCT)
3.2.4.
3.2.4.3.2.4.
3.2.4. Giản đồ loại II
Giản đồ loại IIGiản đồ loại II
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 Al
2
O
3
- Cr

3.2.5. Giản đồ loại III
Giản đồ loại IIIGiản đồ loại III
Giản đồ loại III
Đ/n:
Đ/n:Đ/n:
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 vớ i giả n đồ loạ i I, khá c nhau
ở đây là + Tơng 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 rắn có hạ n và
thay thế cho cá c cấ u tử A và
B.
AEB - đ ờng lỏng, ACEDB-
đ ờng rắ n.

Hì nh 3.12.

2
C
D

+Sn
18,5
57
nhiệ t độ,
o
C
L
L+40%S
1

13,3%Sn

L
40%Sn

2
3
4
%Cr
2
O
3

Cr
2
O

nhiệ t
1455
1083
đ ờng
đ ờng
L

L+


1
2
2
0
1