Chương 5. Chuyển biến pha - Đại học Bách Khoa TPHCM.pptx

Study on the phase shift in material

1. Vật Liệu Học và Xử Lý Bộ môn Thiết bị và Công nghệ Vật liệu Cơ khí Khoa Cơ khí - Đại học Bách khoa Môn học 26-Mar-20 1

2. Chuyển biến Pha 26-Mar-20 2

3. Nội dung Khái niệm và phân loại Cơ sở chung của chuyển pha trong vật liệu 2.1 Nhiệt động học chuyển pha 2.2 Quá trình phát triển mầm 2.3 Động học chuyển pha Kết tinh từ pha lỏng 3.1 Tạo mần kết tinh 3.2 Phát triển mầm khi kết tinh 3.3 Tổ chức thỏi đúc 3.4 Các khuyết tật trong vật đúc Chuyển pha ở trạng thái rắn 4.1 Chuyển pha ở trạng thái rắn trong hợp kim sắt – cacbon 4.2 Phân hủy dung dịch rắn quá bão hòa Các dạng nhiệt luyện trong vật liệu kim loại 26-Mar-20 3

4. Nội dung chương 3 Khái niệm và phân loại 26-Mar-20 4

5. 1 Khái niệm và phân loại 1.1 Khái niệm : Chuyển biến pha là quá trình thay đổi trạng thái , chuyển biến thù hình . Sự hình thành và phát triển của pha mới kèm theo sự thay đổi năng lượng tự do của hệ. 1.2 Phân loại chuyển biến pha Chuyển pha có khuếch tán không thay đổi thành phần, số lượng pha. Chyển pha có khuếch tán và thay đổi thành phần số lượng pha . Chuyển biến pha không khuếch tán. 26-Mar-20 5

6. Nội dung chương 3 2. Cơ sở chung của chuyển pha trong vật liệu 2.1 Nhiệt động học chuyển pha 2.2 Quá trình phát triển mầm 2.3 Động học chuyển pha 26-Mar-20 6

7. Nhiệt động quá trình chuyển pha Năng lượng tự do G của hệ theo phương trình Gibbs 26-Mar-20 7 (3.1) Trong đó: G: là năng lượng tự do H: là entanpi của hệ S: là entropi của hệ T: là nhiệt độ tuyệt đối Hệ ổn định là hệ có năng lượng tự do nhỏ nhất

8. Nhiệt động quá trình chuyển pha 26-Mar-20 8 Độ chênh nhiệt độ: Chênh lệch năng lượng tự do:

9. Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) 26-Mar-20 9 Tạo mầm Mầm tự sinh Mầm ký sinh

10. Mầm tự sinh 26-Mar-20 10 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) Thay đổi năng lượng thể tích: Thay đổi năng lượng bề mặt: Thay đổi năng lượng đàn hồi: Thay đổi năng lượng tự do chung: Mầm tự sinh là những đám nguyên tử có kiểu mạng và thành phần hóa học gần giống với pha mới được hình thành trong lòng pha mẹ (pha nền, hay pha cũ).

11. Mầm tự sinh khi kết tinh 26-Mar-20 11 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) Thay đổi năng lượng tự do: Năng lượng tự do theo bán kính mầm: Bán kính tới hạn của mầm:

12. Mầm tự sinh khi kết tinh (tt) 26-Mar-20 12 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) Khi r < r*: Mầm không thể phát triển được, do việc tăng kích thước mầm làm tăng năng lượng tự do của hệ -> mầm sẽ bị tan đi. Khi r >r*: Mầm phát triển một cách tự nhiên, vì quá trình này làm giảm năng lượng tự do của hệ.

13. Nhận xét: 26-Mar-20 13 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) Năng lượng bề mặt phụ thuộc vào dạng liên kết bề mặt của mầm và pha mẹ. - Nếu bề mặt của mầm tạo ra liền mạng với pha mẹ thì năng lượng bề mặt sẽ nhỏ. - Nếu bề mặt của mầm tạo ra không liền mạng thì giá trị năng lượng bề mặt sẽ lớn hơn. + Khi năng lượng đàn hồi không đáng kể, thì mầm tạo ra có dạng hình cầu là chủ yếu. + Khi năng lượng đàn hồi lớn, thì mầm tạo ra có dạng hình kim hay hình đĩa là chủ yếu.

14. Nhận xét: 26-Mar-20 14 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) - Khi năng lượng đàn hồi lớn hơn năng lượng thể tích thì quá trình chuyển pha bị dừng lại. - Từ công thức tính bán kính tới hạn r * ta thấy ở nhiệt độ T không thể xảy ra chuyển pha vì tại đây để chuyển pha được thì bán kính tới hạn phải là vô cùng.

15. Tốc độ sinh mầm 26-Mar-20 15 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) Số lượng mầm đạt kích thước tới hạn trong một đơn vị thể tích Xác suất lớn lên của mầm do nguyên tử từ pha mẹ khuếch tán vào mầm qua bề mặt phân chia Tốc độ sinh mầm (số mầm sinh ra trong một đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian)

16. Mầm ký sinh (mầm dị thể) 26-Mar-20 16 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) Là mầm không tự sinh ra trong lòng pha mẹ mà dựa vào các vị trí khuyết tật ở trạng thái rắn, hay ở trạng thái lỏng đó là các vật rắn lơ lững trong pha mẹ hay thành khuôn…

17. Thay đổi năng lượng khi sinh mầm ký sinh khi kết tinh 26-Mar-20 17 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) Thay đổi năng lượng bề mặt Thay đổi năng lượng thể tích Điều kiện cân bằng

18. Thay đổi năng lượng khi sinh mầm ký sinh khi kết tinh(tt) 26-Mar-20 18 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) Diện tích chỏm cầu Diện tích của bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn và vật rắn ban đầu Thể tích chỏm cầu

19. Thay đổi năng lượng khi sinh mầm ký sinh khi kết tinh(tt) 26-Mar-20 19 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) Thay đổi năng lượng bề mặt Thay đổi năng lượng tự do

20. Nhận xét 26-Mar-20 20 Nhiệt động học quá trình chuyển pha(tt) - So với mầm tự sinh, năng lượng tự do của mầm ký sinh thay đổi một giá trị Với - C thường bé hơn 1 nên năng lượng tự do cần thiết cho quá trình sinh mầm ký sinh nhỏ hơn mầm tự sinh  Dễ tạo mầm hơn. - Thường dùng biến tính để tạo mầm nhanh để tạo hạt nhỏ cho tổ chức đúc.

21. Quá trình phát triển mầm 26-Mar-20 21 Nhiệt động học quá trình chuyển pha (tt) - Sau khi tạo được mầm có kích thước tới hạn thì quá trình phát triển mầm (lớn lên) là tự nhiên. - Mầm lớn lên được là do nguyên tử từ pha nền khuếch tán qua bề mặt phân cách giữa hai pha và bám vào mầm. - Tốc độ phát triển mầm v là lượng gia tăng kích thước dài của mầm trong một đơn vị thời gian. - Tốc độ phát triển mầm v phụ thuộc tốc độ khuếch tán nguyên tử từ pha mẹ vào mầm, tốc độ khuếch tán nguyên tử từ mầm ra pha mẹ và khả năng bám vào mầm của nguyên tử đã khuếch tán vào.

22. Quá trình phát triển mầm (tt) 26-Mar-20 22 Nhiệt động học quá trình chuyển pha (tt)

23. Động học chuyển pha 26-Mar-20 23 - Động học quá trình chuyển pha mô tả quan hệ giữa phần vật chất đã được chuyển sang pha mới theo thời gian ở những nhiệt độ xác định. - Động học quá trình chuyển pha phụ thuộc vào tốc độ sinh mầm n và tốc độ phát triển mầm v và được biểu diễn bằng biểu thức John-Mehl-Avrami (JMA).

24. Động học chuyển pha (tt) 26-Mar-20 24 Đồ thị T – T – T

25. Nội dung chương 3 3. Kết tinh từ pha lỏng 3.1 Tạo mần kết tinh 3.2 Phát triển mầm khi kết tinh 3.3 Tổ chức thỏi đúc 3.4 Các khuyết tật trong vật đúc 26-Mar-20 25

26. Kết tinh từ pha lỏng 26-Mar-20 26 - Phần lớn vật liệu phải trải qua quá trình chuyển pha từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn hay là quá trình kết tinh. - Quá trình này trực tiếp ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước của hạt, do đó ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. - Quá trình kết tinh là quá trình chuyển pha điển hình. Xảy ra ở một độ quá nguội - Đây là quá trình chuyển pha khuếch tán và tuân theo quy luật chung của quá trình chuyển pha.

27. Kết tinh từ pha lỏng (tt) 26-Mar-20 27 Đặc điểm quá trình tạo mầm - Năng lượng tự do - Chất lỏng có trật tự gần  có những nhóm nguyên tử có cấu trúc mạng giống pha rắn. - Tạo mầm theo hai cơ chế: mầm tự sinh và ký sinh + Chênh lệch năng lượng của hai phương pháp tạo mầm Trong đó: là góc thấm ướt

28. Kết tinh từ pha lỏng (tt) 26-Mar-20 28 - Nếu kết tinh tự sinh mầm dạng cầu có lúc này Suy ra C = 1 - Nếu kết tinh theo cơ chế mầm ký sinh thì ta có - Mầm ký sinh sẽ có kích thước tới hạn nhỏ hơn mầm tự sinh. - Trong đa số kim loại có  Lợi dụng đặc điểm này để biến tính tạo hạt nhỏ Suy ra 0 < C < 1 Nên

29. Kết tinh từ pha lỏng (tt) 26-Mar-20 29 Đặc điểm quá trình phát triển mầm - Mầm lớn lên phải thỏa mãn điều kiện không làm tăng năng lượng tự do của hệ. - Đối với kim loại chứa tạp chất hay nguội nhanh thì quá trình kết tinh sẽ tiến hành theo dạng nhánh cây.

30. Kết tinh từ pha lỏng (tt) 26-Mar-20 30 Đặc điểm kết tinh hình nhánh cây - Trục các nhánh chính, nhánh phụ có định hướng phương mạng như nhau và là một hạt thống nhất. - Phương mạng của nhánh cây là xác định, định hướng theo hướng truyền nhiệt. - Có xu hướng thiên tích do chênh lệch nhiệt độ nóng chảy. - Tốc độ nguội càng lớn, xu hướng kết tinh theo hướng nhánh cây càng mạnh, và khoảng cách giữa các nhánh cây càng nhỏ.

31. Kết tinh từ pha lỏng (tt) 26-Mar-20 31 Cấu tạo thỏi đúc

32. Kết tinh từ pha lỏng (tt) 26-Mar-20 32 Khuyết tật khi kết tinh - Lõm co và rỗ co - Rỗ khí - Thiên tích - Ứng suất đúc

33. Trạng thái vô định hình của kim loại 26-Mar-20 33 Trạng thái vô định hình - Trong quá trình kết tinh với độ quá nguội lớn, thì tốc độ sinh mầm lớn, nhưng tốc độ phát triển mầm giảm do khó khuếch tán. - Nếu làm nguội với tốc độ nguội rất lớn thì quá trình tạo mầm và khuếch tán không kịp xảy ra ta được tổ chức vô định hình. - Tổ chức vô định hình của kim loại có những tính chất khác, và hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng trong tương lai.

34. Chuyển biến pha ở trạng thái rắn Chuyển biến pha ở trạng thái rắn không làm thay đổi trạng thái của hệ mà chỉ thay đổi pha của hệ. Tuân theo các quy luật chung của quá trình chuyển pha. Là quá trình rất đa dạng và phức tạp và mang tính đặt thù của từng hệ hợp kim khác nhau. 26-Mar-20 34

35. Chuyển biến pha khi nung nóng và làm nguội hợp kim sắt cacbon Chuyển biến peclit thành austenite khi nung. Chuyển biến khi làm nguội austenit với tốc độ quá nguội khác nhau. Chuyển biến khi tôi thép. Xét chuyển biến của hợp kim 0,8% C sau đó suy ra cho các loại hợp kim có thành phần khác. 26-Mar-20 35

36. Chuyển biến peclit thành austenite khi nung 26-Mar-20 36

37. Chuyển biến peclit thành austenite khi nung 26-Mar-20 37

38. Chuyển biến peclit thành austenite khi nung 26-Mar-20 38

39. Chuyển biến peclit thành austenite khi nung 26-Mar-20 39 Đặc điểm: Khi nung lên nhiệt độ cao hơn AC1 thì quá trình chuyển biến biến bắt đầu xảy ra. Quá trình xảy ra theo cơ chế khuếch tán, sinh mầm và phát triển mầm nên độ hạt sau khi thu được rất nhỏ mịn, nhiệt độ quá nung càng lớn và peclit càng phân tán thì độ hạt thu được càng nhỏ. Chuyển biến xảy ra 100%. Tốc độ nung càng cao thời gian xảy ra chuyển biến càng ngắn và nhiệt độ bắt đầu và kết thúc càng lớn. Khi tăng nhiệt độ, hoặc giữ lâu thì hạt sẽ lớn lên. Phụ thuộc vào khả năng lớn lên của Austenit phân ra hai loại thép là thép có bản chất hạt nhỏ hay hạt lớn.

40. Chuyển biến peclit thành austenite khi nung 26-Mar-20 40

41. Chuyển biến austenit khi làm nguội chậm 26-Mar-20 41 Xảy ra khi làm nguội chậm Austenit xuống dưới đường Ar1 với độ quá nguội nhất định. Độ quá nguội càng lớn thì chênh lệch năng lượng tự do càng lớn nên chuyển biến xảy ra càng nhanh, độ quá nguội càng lớn thì hoạt năng khuếch tán càng lớn nên càng khó xảy ra chuyển biến => Tốc độ chuyển biến có cực trị với nhiệt độ chuyển biến.

42. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội 26-Mar-20 42 Hình 10.22, Materials science and engineering an introduction, Callister

43. Chuyển biến austenit khi làm nguội chậm 26-Mar-20 43 Hình 10.14 Callister

44. Quá trình chuyển biến 26-Mar-20 44

45. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội 26-Mar-20 45 650 – 670 C: peclit 640 – 590 C: Xoocbit 580 – 550 C: Trôxtit 550 – 400 C: bainit trên Dưới 400 C: bainit dưới

46. Chuyển biến của thép khác cùng tích 26-Mar-20 46

47. Chuyển biến khi làm nguội liên tục 26-Mar-20 47

48. Chuyển biến mactenxit khi làm nguội nhanh 26-Mar-20 48 Làm nguội với tốc độ lớn để cho vector nguội không cắt đường cong chữ C. Khi đến khoảng 220 C, sẽ xảy ra quá trình chuyển biến mactenxit.

49. Chuyển biến mactenxit 26-Mar-20 49

50. Chuyển biến mactenxit 26-Mar-20 50

51. Đặc điểm chuyển biến mactenxit Xảy ra theo cơ chế không khuếch tán, nên thành phần hóa học giống như pha austenit ban đầu. Chuyển biến xảy ra với tốc độ rất lớn 1000-7000m/s, tinh thể có dạng hình kim hoặc tấm. Chuyển biến xảy ra khi làm nguội liên tục từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc. Với vận tốc nguội lớn hơn vận tốc tới hạn. Sau chuyển biến luôn tồn tại austenit dư, lượng dư phụ thuộc vào thành phần của thép. Mactenxit với mạng tinh thể bị xô lệch nên có độ cứng, độ dẻo dai thấp. 26-Mar-20 51

52. Chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép đã tôi Tính không ổn định của mactenxit và austenit dư, có xu hướng chuyển thành hỗn hợp ferrit và xementit. Ở nhiệt độ thường quá trình này xảy ra rất chậm. Nung nóng sẽ thúc đẩy quá trình chuyển biến này. 26-Mar-20 52 Mactenxit Austenit dư Mactenxit ram [Ferit + Xementit]

53. Các chuyển biến khi ram thép 26-Mar-20 53 Giai đoạn I (<200 C) <80 C không có chuyển biến. Từ 80 -200 C + Austenit dư không chuyển biến. + Mactenxit tiết pha ε Fe α (C) 0,8 →[ Fe α (C) 0,25 – 0,40 +Fe 2-2,4 C] Tổ chức sau khi ram là austenit dư và mactenxit ram.

54. Các chuyển biến khi ram thép 26-Mar-20 54 Giai đoạn II (200 – 260 C) + Austenit dư chuyển thành mactenxit ram. Fe γ (C) 0,8 →[ Fe α (C) 0,15 – 0,20 +Fe 2-2,4 C] + Mactenxit tiết pha ε Fe α (C) 0,24 - 0,4 →[ Fe α (C) 0,15 – 0,20 +Fe 2-2,4 C] + Tổ chức sau khi ram là mactenxit ram. + Độ cứng giảm một ít, ít giòn hơn. + Xuất hiện độ cứng thứ hai với hợp kim có thừa nhiều austenit.

55. Các chuyển biến khi ram thép 26-Mar-20 55 Giai đoạn III (260 – 400 C) + Pha ε chuyển thành xementit hạt Fe 2-2,4 C → Fe 3 C hạt + Mactenxit chuyển thành ferit và xementit Fe α (C) 0,15 - 0,2 → Fe α +Fe 3 C hạt + Tổ chức sau khi ram là trôxtit ram có hạt nhỏ và phân tán. + Độ cứng giảm rõ rệt xong vẫn còn cao. (45HRC với thép cùng tích) + Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh giới hạn đàn hồi. + Trôxtit ram khá cứng và có giới hạn đàn hồi cao nhất.

56. Các chuyển biến khi ram thép 26-Mar-20 56 Giai đoạn IV (>400 C) >400 C không có chuyển biến pha, các hạt sát nhập lại và lớn lên. Ở 500 - 650 C tạo hỗn hợp nhỏ mịn và phân tán gọi là xoocbit ram có giới hạn chảy và độ dai va đập tốt nhất. Ở gần A1 thu được peclit hạt. Độ cứng giảm mạnh, dễ gia công cắt gọt.

57. Sự phân hủy dung dịch rắn quá bão hòa 26-Mar-20 57 Với các hợp kim có sự thay đổi độ hòa tan vào theo nhiệt độ, sau khi tôi thu được dung dịch rắn quá bão hòa. Sau khi nung nóng hoặc để tự nhiên các dung dịch rắn quá bão hòa sẽ phân hóa để trở đạt được trạng thái cân bằng có năng lượng thấp hơn. Có hai kiểu phân bố lại nồng độ là phân hủy liên tục spinodal và cơ chế sinh mầm phát triển mầm.

58. Phân hủy spinodal 26-Mar-20 58 G1 G3 S1 S2 G2 C C + C - C α C β A B

59. Phân hủy theo cơ chế sinh và phát triển mầm 26-Mar-20 59 G1 G3 S1 S2 G2 C C + C - C α C β A B C 4 C 3 G4

60. Quá trình hóa già hợp kim dura 26-Mar-20 60

61. Mối liên hệ của tổ chức tế vi đến cơ tính 26-Mar-20 61

62. Mối liên hệ của tổ chức tế vi đến cơ tính 26-Mar-20 62

63. Mối liên hệ của tổ chức tế vi đến cơ tính 26-Mar-20 63

64. Mối liên hệ của tổ chức tế vi đến cơ tính 26-Mar-20 64

65. Các dạng nhiệt luyện vật liệu kim loại 26-Mar-20 65