Vật liệu học - Chương 2: Cấu trúc vật liệu kim loại

TS. Hà Văn Hồng *Tháng 02.2006VẬT LIỆU HỌCTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Chương-2Cấu trúc vật liệu kim loại2.1.Cấu trúc kim loại ngyên chất2.2.Hợp kim & giản đồ trạng tháiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.Cấu trúc của kim loại nguyên chất2.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm2.1.2.Cấu trúc lập phương diện tâm2.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặt2.1.4.Dạng thù hình2.1.5.Sự kết tinh của kim loạiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâmÔ cơ sở: khối lập phương e = đỉnh : 8 nguyên tử + Tâm : 1 nguyên tử = 9 ngtửVí dụ 33 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâmSố nguyên tử trong ô cơ sở (Trung bình): nv = 8 x 1/8 + 1 = 2 ng.tửVí dụ 34:Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Kích thước nguyên tửCác nguyên tử xếp chặt theo hướng mặt chéo khối (4R)2 = 2a2 + a2 = 3a2 Ví dụ 35 :2.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâmTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Số phối vị : K = 82.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâmVí dụ 36 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mật độ nguyên tử V = a32.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mạng tinh thể =  ô cơ sở2.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâmVí dụ 37 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Các kim loại : Fe , Cr , Mo , W 2.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâmTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.2.Cấu trúc lập phương diện tâmÔ cơ sở: khối lập phương e = 8 nguyên tử + 6 nguyên tử = 14 ngtửVí dụ 38 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Số nguyên tử trong ô cơ sở: nv = 8 x 1/8 + 6/2 = 4 ng.tử2.1.2.Cấu trúc lập phương diện tâm Ví dụ 39 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Kích thước nguyên tửCác nguyên tử xếp sít nhau theo các phương đường chéo mặt (4R)2 = a2 + a2 = 2a2 2.1.2.Cấu trúc lập phương diện tâm Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Số phôi vị : K = 4 x 2 + 4 = 12 2.1.2.Cấu trúc lập phương diện tâm Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mật độ nguyên tử V = a3 2.1.2.Cấu trúc lập phương diện tâm Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mạng tinh thể =  ô cơ sở2.1.2.Cấu trúc lập phương diện tâmVí dụ 40 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Các kim loại : Fe , Ni, Cu, Al 2.1.2.Cấu trúc lập phương diện tâmTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ô cơ sở: khối lăng trụ lục giác đều e = Đỉnh : 6x 2 + Đáy : 1 x 2 + Tâm : 3 = 17 ngtử2.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặtVí dụ 41 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Số nguyên tử trong ô cơ sở: nv = 12 x 1/6 + 2x1/2 + 3 = 6 ng.tử2.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặtVí dụ 42 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Kích thước nguyên tử 2.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặtVí dụ 42 :1.63338ac==Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Số phôi vị : K = 3 x 2 + 6 = 122.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặtVí dụ 42 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Mật độ nguyên tử-Thể tích các nguyên tử-Thể tích khối lục phương xếp chặt 2.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặtTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*-Diện tích bình hành-Thể tích bình hành-Thể tích khối lục phương xếp chặt 2.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặtTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Các kim loại : Ti , Mg , Zn 2.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặtTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Cấu trúc tinh thể của kim loạiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.4.Dạng thù hình Khái niệm : Những cấu trúc tinh thể  của cùng một chất rắn gọi là các dạng thù hìnhGraphitKim cươngTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*GraphitKim cươngTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Chuyển biến thù hình : Qúa trình thay đổi cấu trúc mạng tinh thể từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác Nguyên nhân: T, P thay đổi => Các nút mạng (ion, nguyên tử, phân tử) : biến dạng (thay đổi kích thước) => Thay đổi lực liên kết => Biến dạng cấu trúc tinh thể2.1.4.Dạng thù hìnhTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ký hiệu : , ,  , theo chiều tăng Nhiệt độtoC1539o1392o911FeFeFeFeLỏngRắn2.1.4.Dạng thù hìnhTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.5.Sự kết tinh của kim loạiVí dụ 22: Đường nguội của CuTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Qúa trình làm nguội :T Độ qúa ngộiẨn nhiệt kết tinh: Qkt = Qtn => T = 1083oC = const2.1.5. Sự kết tinh của kim loạiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Quá trình kết tinh : gồm 2 qúa trình :Sinh mầm: trong kim loại lỏng Nhóm nguyên tử trật tự gần Cố định lạiPhát triển mầm: bổ xung các nguyên tử bên cạnh Hai qúa trình xảy ra song song đồng thời => Tinh thể nhánh cây  lớn lến  Chạm khít vào nhau: L = 0 ~ Kết tinh: kết thúcT2.1.5.Sự kết tinh của kim loạiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.5.Sự kết tinh của kim loạiVí dụ 23: Sự hình thành tinh thểTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ví dụ 24: Tinh thể nhánh cây2.1.5.Sự kết tinh của kim loạiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Sản phẩm qúa trình: Tinh thể nhánh cây = Hạt tinh thể Bề mặt phân cách = Biên giới hạt Ví dụ 25 : Hạt kim lọai2.1.5.Sự kết tinh của kim loạiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.6.1.Sai lệch điểm2.1.6.2.Sai lệch đường-Lệch2.1.6.3.Sai lệch mặt2.1.6.4.Sai lệch khối2.1.6. Sai lệch (khuyết tật) trong kim lọaiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ví dụ 49 : Sai lệch điểm2.1.6.1.Sai lệch điểmKhái niệm: Là lệch có kích thước nhỏ theo 3 chiều không gian, có dạng 1 điểmTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.6.1.Sai lệch điểmNguyên nhân :  Nguyên tử dao động nhiệt  Rời khỏi nút mạng => Nút trống  Tạp chất: Thay thế ngtử ở nút mạng  Nguyên tử thay thế Nằm xen kẽ các nút mạng  Nguyên tử xen kẽTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.6.2.Sai lệch đường-Lệch Khái niệm : Sai lệch có kích thước nhỏ (kt nguyên tử) theo 2 chiều và lớn theo chiều thứ 3, có dạng 1 đường (thẳng, cong, xoắn ốc)Ví dụ 50 :Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.6.2.Sai lệch đường-Lệch Ví dụ 52 : Sai lệch biênTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.6.2.Sai lệch đường-Lệch Ví dụ 54 : Sai lệch xoắnTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.1.6.3.Sai lệch mặt Khái niệm : Sai lệch có kích thước lớn theo 2 chiều đo và nhỏ theo chiều thứ 3 Dạng một mặt (phẳng, cong, uốn lượn) =>(ktđiểm +ktđường) Lệch : Biên giới hạt Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Khái niệm : Sai lệch có kích thước lớn theo 3 chiều đo trong mạng tinh thể Ví dụ :Rỗ co, Rỗ khí2.1.6.4.Sai lệch khối Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.1.Hợp kim 2.2.2.Giản đồ trạng thái 2.2.3.Giản đồ hợp kim Fe-C2.2.4.Công dụng của giản đồ2.2.Hợp kim & Giản đồ trạng tháiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.1.Hợp kim2.2.1.1.Khái niệm về hợp kim2.2.1.2.Chế tạo hợp kim2.2.1.3.Các tổ chức của hợp kimTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Thép : Fe+CĐồng thau :Cu+Zn2.2.1.1.Khái niệm về hợp kimHợp kim : Me+Me hoặc Me+ATháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.1.2.Chế tạo hợp kim Phương pháp : nấu luyện ở nhiệt độ caoCơ sở : giản đồ Nhiệt độ (T)-thành phần (%) Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.1.2.Chế tạo hợp kim Các bướcChọn & Tính phối liệuNấu luyện Pb + Sn Lỏng RắnNấu chảyKết tinhT¯Sn , %3040506270Pb , %7060503830Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.1.3.Các tổ chức của hợp kim A + B Lỏng Rắn  B hòa tan vào A => Dung dịch rắn A(B)  Phản ứng hóa học => H.chất hóa học AmBn  Không tác dụng với nhau => Hỗn hợp (A+B) Nấu chảyKết tinhT¯Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.1.3.1.Dung dịch rắnKhái niệm: Là tổ chức của hợp kim tạo bởi 2 hay nhiều nguyên tố, có khả năng hòa tan vào nhau ở trạng thái rắn và tạo nên một thể rắn đồng nhất2 lọai : D.dịch đặc thay thế & D.dịch đặc xen kẽ A(B)Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Dung dịch rắn thay thếTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Dung dịch rắn xen kẽTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ký hiệu: A(B) A: Nguyên tố dung môi : Nồng độ > 50% B: Nguyên tố hòa tan : Nồng độ Tính chất của Fe : HB-thấp ;  ,  & ak caoTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* 2.2.1.3.2.Hợp chất hóa họcKhái niệm: là tổ chức của hợp kim được cấu thành bởi 2 hay nhiều nguyên tố, có khả năng tác dụng hóa học với nhau ở trạng thái rắn để tạo ra một chất mới với tích chất mới.AmBnTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ký hiệu: AmBnĐặc điểm:  Mạng tinh thể mới: mạng A &  mạng B.  Tính chất: Mạng tính chất mới, cứng nhưng giòn hơn các nguyên tố hợp kim ( tính chất A và  tính chất của B).Ví dụ: Fe3C => Thép cứng & giòn hơn Fe & C nguyên chấtTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* 3.1.3.3.Hỗn hợp cơ họcĐịnh nghĩa: là tổ chức của hợp kim được cấu thành bởi 2 hay nhiều nguyên tố hỗn hợp lại với nhau ở trạng thái rắn.ABTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ký hiệu: (A + B)Đặc điểm:  Mạng tinh thể : Mạng A + Mạng B  Tính chất: phụ thuộc vào t/c A & t/c B.Ví dụ: Thép cacbon Tổ chức : Feα(C ) + Fe3C Tính chất : Feα(C ): dẻo Fe3C: cứng, giòn => Thép: thích hợp cho chế tạo máyTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.2.Giản đồ trạng thái2.2.2.1.Cách xây dựng giản đồ2.2.2.2.Các lọai giản đồ trạng tháiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*1-Vẽ đường nguội T = f() của hợp kim => Tnc ; Tkt2-Đưa Tnc,Tkt lên hệ trục tọa độ: T. tung : T, oC T.hòanh : Nồng độ, % 3-Nối các điểm Tnc  Đường lỏng Nối các điểm Tkt  Đường đặc4-Điền các tổ chức của hợp kim vào các vùng tương ứng2.2.2.1.Cách xây dựng giản đồTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Vẽ đường nguội  Tnc, TktTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Hệ truc toạ độ : T-%  Nối Tnc,Đường L Nối Tkt Đường đặcTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Xây dựng giản đồ Cu-NiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.2.2.Các loại giản đồ GĐ lọai I : không hòa tan vào nhau GĐ lọai II : hòa tan vô hạn vào nhau GĐ lọai III: hòa tan có hạn vào nhau GĐ lọai IV: tạo thành hợp chất hóa học Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*GĐ lọai I -Không hòa tan vào nhau Ví dụ : HK Cd-BiTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*GĐ lọai II -Hòa tan vô hạn vào nhauVí dụ : HK Ni-CuTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*GĐ lọai III -Hòa tan có hạn vào nhauVí dụ : HK Pb-SnTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*GĐ lọai IV-Tạo hợp chất hóa họcVí dụ : HK Cd-SbTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.3.Giản đồ hợp kim Fe-C2.2.3.1.Chuyển biến thù hình của của Fe2.2.3.2.Các tổ chức của hệ hợp kim Fe-C2.2.3.3.Giản đồ HK Fe-C (Fe-Fe3C)Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Khi nung nóng Fe thay đổi cấu trúc tinh thể:2.2.3.1.Chuyển biến thù hình của của FeT=910oCT=1390oCFeFeFeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.3.2.Các tổ chức của hệ hợp kim Fe-CFerit (Fe(C)): D.dịch rắn của cacbon hoà tan trong Fe. Cmin =0.006% T = phòng Cmax =0.02% T = 727oC Mạng: LPTT Tổ chức : các hạt sáng, đa cạnh Tính chất : dẻo, mềm. b=25-30 HB=80-100  = 32-50%  = 85-60% Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Austenit (Fe(C)):D.dịch rắn của cacbon h.tan trong Fe. Cmin =0.8% T = 727oC Cmax =2.14% T = 1147oC2.2.3.2.Các tổ chức của hệ hợp kim Fe-C Mạng: LPDT Tổ chức : các hạt sáng, các đường // cắt ngang hạt Tính chất : dẻo, bền. HB=180-200 Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Xementit (Fe3C, Xe ): 3Fe +C = Fe3C; C = 6.67%-XeI: Lc>4.3 Fe3CI-XeII: Fe Fe3CII2.2.3.2.Các tổ chức của hệ hợp kim Fe-CT = 1147oCT =1147-727oC Mạng: trực thoi Tổ chức : dạng tấm thẳng, thô to Tính chất : rất cứng, giòn. HB  700  ≈ 0% Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Peclit (P) : KN: H.hợp cơ học cùng tích hình thành từ P = (Fe-0.02+Fe3C) từ Fe-0.8 ở T = 273oC  Tổ chức : Fe = 88 % Fe3C = 12%  Tính chất : dẻo, mềm. b= 80-90 HB = 200-220  ≈ 9 %  = 30%2.2.3.2.Các tổ chức của hệ hợp kim Fe-CTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Leđeburit (Le) :  KN: Hỗn hợp cơ học cùng tinh được hình thành từ Le = (Fe-2.14 + Fe3C) từ L4.3 ở T = 1147oC  Tổ chức: Fe= 36% ; Fe3C = 64%  Tính chất :cứng, giòn. HB  600  ≈ 0%2.2.3.2.Các tổ chức của hệ hợp kim Fe-CTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*FeFe +Fe 100% Fe3C16001400120002004006008001000t, oCt, oC0.0060.82.144.36.67 %CQPKSGNHJBCFEDL7271147ALL + XeILe+ XeI Fe + L Fe + LFe+ XeIIFe+PP+XeIIP+XeII +LeFe+ XeII + LeLe + XeIFeFeFe Fe +FePeclit Leđeburit2.2.3.3.Giản đồ HK Fe-C (Fe-Fe3C)Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Các điểm tới hạnĐiểmToCC,%ĐiểmToCC,%A15390J14990.16B14990.50K7276.67C11474.30L06.67D12506.67N13920.00E11472.14P7270.02F11476.67Q00.006G9110.00S7270.80H14990.10Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Các đường tới hạnABCD: Đường lỏng Nhiệt độ kết thúc nóng chảy hay nhiệt độ bắt đầu kết tinhAHJECF: Đường đặc Nhiệt độ bắt đầu nóng chảy hay nhiệt độ kết thúc kết tinhTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Các đường tới hạn A1=727oC = PSK : Chuyển biến P ↔ Fe A2 = 768 oC : Chuyển biến từ tính của Ferit ( Fe ) T A1 P FeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Các đường tới hạn A3 = 911- 727 oC = GS : Chuyển biến Fe ↔ Fe Acm = 1147 -727 oC = ES : Chuyển biến Fe3C ↔ Fe PQ : Giới hạn hòa tan cácbon trong Fe  T A3 Fe Fe T Acm Fe3CII FeTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Phân loại thépThép:  Định nghĩa: Hợp kim của Fe-C có C 0.8%Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tổ chức tế vi của thépTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tổ chức tế vi của thépThép trước cùng tíchThép sau cùng tíchThép cùng tíchTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Định nghĩa :Hợp kim của Fe-C có C > 2.14 %Phân loại: 3 loại Gang trước cùng tinh :Le + P + XeII khi C 4.3%. Phân loại gangTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Tổ chức tế vi của gang trắngGang cùng tinhGang sau cùng tinhGang trước cùng tinhTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.4.1.Xác định nhiệt độ Tnc ; Tkt của hợp kim2.2.4.2.Xác định thành phần các pha của hợp kim2.2.4.3.Các chuyển biến pha của hợp kim2.2.4.Công dụng của giản đồTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*Ví dụ : HK Ni-Cu-60-40T.hòanh : Ni = 60%  kẻ // trục tung  cắt đường đặc kẻ // trục hòanh  Tkt2.2.4.1.Xác định Tnc, Tkt của hợp kimTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.4.2.Xác định thành phần pha của HK Quy tắc đòn bẩy WA X2 -------- = ---------- WB X1ABHK A-BWAWBX1X2Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng* Ví dụ: Thành phần thép cacbon C = 0.4% Các pha : Ferit (F) +Peclit (P)%50.38 1000.3940.40.4=+=xF0.3940.40.0060.40.40.8=--=PF%49.62 1000.3940.40.394=+=xPTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*2.2.4.3.Các chuyển biến pha của hợp kim1-Chuyển biến của thép cùng tích2-Chuyển biến của thép trước cùng tích3-Chuyển biến của sau cùng tích4-Chuyển biến của gangTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*T = 723oC: Fe-0.83  ( Fe-0.02 +Fe3C )1-Chuyển biến của thép cùng tíchTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*T0.4T= 723oC : Fe-0.8 (Fe-0.02 +Fe3C)2-Chuyển biến của thép trước cùng tíchTháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*3-Chuyển biến của thép sau cùng tíchT< 1000oC : Fe-1.2 : Austenit  T : Fe-1.2Fe3CII+Fe<1.2T= 723oC : Fe-0.8 (Fe-0.02 +Fe3C)Tháng 02.2006TS. Hà Văn Hồng*4-Chuyển biến của gang