Nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim Fe – C ở trạng thái cân bằng giả ổn định | Tài liệu môn cơ sở khoa học và công nghệ vật liệu Trường đại học sư phạm kĩ thuật TP. Hồ Chí Minh

BÀI 2: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM
Fe – C Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG GIẢ ỔN ĐỊNH
I. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU
- Phân tích được giản đồ trạng thái Fe-C.
- Quan sát mẫu thép và gang trắng ở trạng thái cân bằng.
- Phân biệt được sự khác nhau giữa thép và gang trắng. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C
1.1. Đặc điểm của Fe–C
1.1.1. Đặc điểm của Fe: Có các dạng thù hình
- t0 < 9110C: Mạng lập phương thể tâm: Fe (Hình 2.1) α
- 9110C < t0 < 13920C: Mạng lập phương diện tâm (Hình 2.2)
- 13920C < t0 < 15390C: Mạng lập phương thể tâm (Hình2.1)
Hình 2.1 - Mạng lập phương thể tâm Hình 2.2 - Mạng lập phương diện tâm
1.1.2. Đặc điểm của Cacbon: Tồn tại ở các dạng sau:
+ Vô định hình: Than khoáng sản, than gỗ.
+ Graphite: Có kiểu mạng lục giác xếp lớp. + Mạng kim cương
a) Graphite (Lục giác xếp lớp)
b) Mạng kim cương
Hình 2.3 – Các kiểu mạng tinh thể của Cacbon
1.2. Tương tác giữa Fe và C
1.2.1. Tạo Ferrite: Là dung dịch rắn xen kẽ của C trong Ký hiệu: F=α= C); δ =
(C) loại này có độ bền thấp, độ dẻo cao, độ cứng thấp.
Hình 2.4 – Tổ chức tế vi của Ferrite
Cơ tính của sắt ở nhiệt độ thường: - σ 2 2 3
b = 250N/mm ; σc = 120N/mm ; khối lượng riêng γ = 7,8g/cm
- Nhiệt độ nóng chảy t0 0
n/c = 1539 C; Độ cứng = 80HB; δ = 50%.
1.2.2. Tạo Austenite: Là dung dịch rắn xen kẽ của C trong Fe
Ký hiệu: A = As = γ = Feγ(C). γ tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 7270, là pha có độ bền khá cao, dẻo rất cao, cứng thấp.
Hình 2.5 - Austenite
1.2.3. Tạo pha Cementite: Fe3C, có kiểu mạng lập phương phức tạp
Cementite là pha xen kẽ giữa Fe và C, có độ cứng rất cao: 800 HV, tương đương 800 HB; tính
chống mài mòn tốt, nhưng rất giòn. Thành phần C trong Fe3C tính theo trọng lượng là 6,67%, ký
hiệu Ce. Gồm CeI (Hình 2.8), CeII (Hình 2.9), CeIII.
1.3. Giản đồ trạng thái Fe-C
Hình 2.7 Giản đồ trạng thái
Đây là loại giản đồ cân bằng giả ổn định, Fe-Fe3C được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Phụ
thuộc vào hàm lượng cacbon trong hợp kim mà người ta chia hợp kim Fe-C thành 2 loại:
+ Thép 0,02% < C ≤ 2,14% & Gang trắng 2,14% < C < 6,67%
1.4. Các tổ chức cơ bản.
1.4.1. Các tổ chức một pha.
Dung dịch lỏng là sự hòa tan của C và Fe, tồn tại ở t0 > t0 đường ABCD.
+ Cementite (Ce hay Fe C): là pha xen kẽ, thành phần chứa 6,67%C (trên giản đồ trạng thái 3
nó biểu thị bằng đường thẳng DFKL). Có 3 loại Ce:
+ Cementite thứ nhất (Ce
C được tạo thành từ dung dịch lỏng khi t0 < t0 0 CD (1600 C ÷ 1) I, Fe3
11470C), do tạo thành ở nhiệt độ thường nên nó có kích thước lớn nhất. CeI có dạng vệt sáng
dài, gọi là “đại lộ Ce”.
Hình 2.8 - Tổ chức tế vi gang trắng sau cùng tinh
+ Cementite thứ hai (Ce
C được tạo thành từ dung dịch rắn austenit khi t0 < t0 đường ES II) II, Fe3
(11470C ÷ 7270C), độ hòa tan của cacbon trong sắt γ giảm từ 2,14% xuống còn 0,8%. Ở nhiệt
độ thường CeII có thể là các hạt màu sáng hoặc có thể ở dạng lưới (màu trắng) bao quanh hạt P
(loại lưới CeII làm xấu cơ tính của thép).
(a) Cementite hạt (b) Cementite lưới
Hình 2.9 - Tổ chức tế vi thép sau cùng tích
+ Cementite thứ ba (Ce ) cũng được tạo thành từ trạng thái rắn nhưng là từ Ferrite khi t0 < t0 III
đường PQ (nhiệt độ < 7270C), %C giảm từ 0,02% ở 7270C → 0,006%C ở t0 thường. Số lượng
Ce rất ít, có thể bỏ qua. III 
Ferrite (F, α) : Là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα, mạng lập phương thể tâm,
trên giản đồ trạng thái nó độc lập trong vùng GPQ, %C 0 0
max ở 727 C là 0,02%, %Cmax ở 0 C là 0,006% (Hình2.7). 
Austenite (γ, As): Là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ, mạng lập phương diện
tâm, trên giản đồ nó độc lập trong vùng NJESG, %Cmax ở 11470C là 2,14%, %Cmax ở 7270C là 0,8%.
1.4.2. Các tổ chức hai pha.
Các tổ chức hai pha là cùng tích và cùng tinh, chúng đều là hỗn hợp cơ học của Ferrite và
cementite tạo thành ở nhiệt độ khác nhau. 
Pearlite ( P=[ F+ Ce] ) là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferrite và cementite, tạo thành ở
nhiệt độ 7270C từ dung dịch rắn austennit có nồng độ C=0,8%, Pearlite chứa 88%F + 12%Ce.
Tùy vào hình dạng của Ce trong hỗn hợp ta phân biệt P tấm và P hạt.
+ Pearlite tấm gồm các tấm cementite và tấm Ferrite nằm xen kẽ nhau trên tổ chức tế vi thấy
rất rõ các vạch Ce có màu tối nổi trên nền F sáng.
+ Pearlite hạt là hỗn hợp cơ học của các hạt Ce màu trắng có biên giới màu đen trên nền F màu trắng.
Hình 2.11 - Tổ chức tế vi thép cùng tích (Pearlite hạt) 
Ledeburit [ Lê=(γ+ Ce), (P+Ce) ] : là hỗn hợp cơ học cùng tinh, tạo thành từ dung dịch
lỏng có 4,3%C ở 11470C (điểm C); (P+Ce) do =(γ+ Ce) tạo thành khi t0<7270C. Lúc mới tạo
thành gồm Lê=(γ + Ce), tồn tại trong khoảng nhiệt độ 7270C< t0 <11470C, khi làm nguội xuống
dưới 7270C thì γ chuyển thành P nên lúc này Lê = (P+Ce); Loại này tồn tại ở t0<7270C.
Tổ chức tế vi của Lê ở nhiệt độ thường gồm các hạt đen P nổi trên nền sáng Ce có dạng như da báo.
2. Phân loại thép và gang trắng 2.1. Thép
Định nghĩa: Thép là hợp kim của Fe và C mà 0,02 < C% ≤ 2,14
Các loại thép: Căn cứ vào điểm cùng tích S (0,8%C; 7270C) + Thép trước cùng tích - 0,02% < C < 0,8%
- Tổ chức tế vi ở nhiệt độ thường: F+P. Tỉ lệ F(màu sáng) và P (màu tối) phụ thuộc vào hàm
lượng cacbon. Hàm lượng cacbon càng cao thì tỉ lệ P càng cao. + Thép cùng tích - %C = 0,8%
- Tổ chức tế vi: 100% P có 2 dạng: P tấm và P hạt. + Thép sau cùng tích - 0,8% < C ≤ 2,14%
- Tổ chức tế vi: P + CeII có 2 dạng: CeII dạng hạt và CeII dạng lưới 2.2. Gang trắng
Định nghĩa: Gang trắng là hợp kim của Fe và C mà 2,14% < C < 6,67%
Các loại gang trắng: Căn cứ điểm cùng tinh C (4,3%C; 11470C)
+ Gang trắng trước cùng tinh - 2,14% < C < 4,3%
- Tổ chức tế vi ở nhiệt độ thường: P + CeII + LeII + Gang trắng cùng tinh - C = 4,3%
- Tổ chức tế vi ở nhiệt độ thường: 100% LeII + Gang trắng sau cùng tinh - 4,3% < C < 6,67%
- Tổ chức tế vi ở nhiệt độ thường: CeI + L
III. NỘI DUNG THÍ NGHIỆM
-Các nhóm nhận mẫu theo số thứ tự của mẫu: + Nhóm I: 1, 2, 3, 4, 5, 6 + Nhóm II: 13, 30,31
+ Nhóm III: 5, 7, 9, 10, 11, 51, 53 -Sau khi nhận mẫu :
+ Nhóm I: mài bóng→tẩm thực→quan sát, phân tích→chụp hình
+ Nhóm II: rửa sạch lớp dầu bằng omo→lau khô→quan sát, phân tích→chụp hình
+ Nhóm III: mài bóng →tẩm thực→quan sát tổ chức nền, phân tích→chụp hình
Sau khi quan sát tổ chức tế vi ta có hình ảnh:
(6)thép trước cùng tích (F+P) (7)thép sau cùng tích (cementite lưới) (3)thép sau cùng tích
(cementite hạt) (1)thép cùng tích(P tấm)
(2)thép trước cùng tích(F+P)