“Tôi có cơ hội tiếp xúc với nhiều bạn bè Cơ khí và nhận thấy một vấn đề: Dù hai ngành liên quan rất mật thiết với nhau và các kiến thức cớ bản về vật liệu rất hữu dụng cho công tác thực tế của các kỹ sư cơ khí nhưng hầu như tất cả các bạn đều không nắm rõ và hiểu đúng bản chất các khái niệm cơ bản của KH Vật liệu như pha, giản đồ pha, chuyển biến,…dù chương trình đại học đã bố trí 6 đơn vị học trình cho môn Vật liệu học cơ sở và rất nhiều môn học khác như Cơ khí đại cương cũng đã đề cập. Chúng quá khó để tiếp cận? Hay các bạn chưa để tâm và chưa nhận ra điểm cốt yếu của vấn đề?” - Nova | Meslab.Org

Đúng là như vậy, thật sự khi đi làm bạn sẽ thấy hầu hết các thiết kế Cơ khí của mình sẽ phải đụng chạm đến lựa chọn vật liệu (1), và vấn đề hiểu được những đặc tính tổng quát của nó sẽ là một yêu cầu không thể thiếu được, do đó mình sẽ tổng hợp những vấn đề cơ bản nhất để phác thảo một số nét cơ bản về pha, giản đồ pha dưới dạng thức dễ hiểu trên cơ sở có nhiều ví dụ minh họa cụ thể để mọi người có cái nhìn tổng quát nhất về loại vật liệu cơ bản của Cơ khí này.

Pha là gì? Giản đồ pha là gì?
Theo Nghiêm Hùng [1], pha là các phần có cùng cấu trúc, cùng trạng thái, cùng kiểu mạng và thông số mạng, có tính chất cơ – lý – hóa xác định và các pha phân cách nhau bởi bề mặt phân chia pha. (Định nghĩa này dùng cho nghiên cứu kim loại và hợp kim). Các chi tiết trong định nghĩa trên sẽ được làm sáng tỏ khi ta nghiên cứu về giản đồ pha.

Giản đồ pha (phase diagram):
Một cách tổng quát, trong KHVL, giản đồ pha được hiểu là một loại đồ thị biểu diễn các điều kiện cân bằng giữa các pha riêng biệt (các pha có thể phân biệt về mặt nhiệt động).

Hai loại giản đồ pha hay gặp: giản đồ nhiệt độ – áp suất (của nước chẳng hạn – rất nổi tiếng trong Hóa Lý) và giản đồ nhiệt độ – thành phần (của hệ Fe – C, rất nổi tiếng trong KHVL).

Giản đồ pha Fe – C cho biết tại mỗi tọa độ (nhiệt độ, thành phần) xác định, tổ chức của hợp kim sắt – cacbon như thế nào. Tất cả các tổ chức (pha) đề cập ở đây dựa trên giả thiết là các quá trình chuyển biến xảy ra vô cùng chậm (cân bằng)

Một vài nhận xét về hệ Fe-Fe3C
C chiếm một lượng nhỏ như tạp chất xen kẽ trong sắt ở dạng các pha a, b, g trong sắt.
Lượng hoà tan cacbon tối đa trong pha a-BCC là 0,022% ở 727C, do mạng lập phương tâm khối có kích thước lỗ hổng (vị trí xen kẽ) nhỏ hơn so với mạng lập phương tâm mặt.
Lượng C hoà tan trong Austenite (mạng lập phương tâm mặt) là 2,14% ở 1147C do mạng này có kích thước lỗ hổng (vị trí xen kẽ) lớn hơn so với mạng lập phương tâm khối.
Cơ tính: Xêmentít có tính cứng dòn, khi có mặt trong thép sẽ làm tăng bền cho thép. Cơ tính còn phụ thuộc độ hạt hay cấu trúc vi mô cũng như tương quan giữa F và Xê.
Từ tính:  Ferrit có từ tính ở nhiệt độ dưới 768C (còn gọi là nhiệt độ Curie), Austenite hoàn toàn không có từ tính.

Phân loại: dựa vào các đặc điểm trên ta phân ra làm ba loại hợp kim như sau:

Sắt non: chứa hàm lượng C dưới 0,008% trong pha a-Ferrite ở nhiệt độ phòng. Thép: chứa hàm lượng C từ 0,008% – 2,14% (thường <1%) tổ chức gồm a-ferrite và Xê ở nhiệt độ thường. Gang: chứa hàm lượng C từ 2,14 – 6,17% (thường < 4, 5% C)

- Quy tắc đòn bẩy:

Xét vùng tồn tại 2 pha (cụ thể trong trường hợp này là Ferrite, viết tắt là F và Austenite, viết tắt là A, tổng quát vẫn đúng) như trên hình vẽ.

Quy tắc đòn bẩy cho :
Hàm lượng F = AC/BC
Hàm lượng A = AB/BC

Tính % C của hai pha:
%C (F) = hoành độ giao điểm của đường dóng từ B –> trục thành phần (bằng độ dài đoạn OB trên hình vẽ).
%C (A) = hoành độ giao điểm của đường dóng từ C –> trục thành phần (bằng độ dài đoạn OC trên hình vẽ).
Công thức xác định hàm lượng C trong mỗi pha có thể kiểm chứng rất đơn giản nhờ quy tắc đòn bẩy.

2) Pearlite là tổ chức cùng tích có 2 pha Ferrite và Cementite.

Tại điểm cùng tích:
Hàm lượng C trong Ferrite = 0,02% (tại điểm cùng tích) –> OB = 0,02
Hàm lượng C trong Cementite = 6,67% (do công thức của Cementite là Fe3C) –> OC = 6,67
Hàm lượng C trong Pearlite = hàm lượng C cùng tích = 0,8% –> OA = 0,8
Từ hình vẽ –> AB = OA – OB = 0,8 – 0,02 = 0,78
AC = OC – OA = 6,67 – 0,8 = 5,87
BC = OC – OB = 6,67 – 0,02 = 6,65
Thay vào công thức tính thành phần pha (đòn bẩy) ở trên:
% Ferrite = AC/BC = 5,87/6,65 ~ 88,2%
% Cementite = AB/BC = 0,78/6,65 ~ 11,8%

Khi hạ nhiệt độ xuống 20 độ C,
Chỉ có hàm lượng C trong Ferrite thay đổi, OB (20 độ) ~ 0,006
–> AB = OA – OB = 0,8 – 0,006 = 0,794
AC = OC – OA = 6,67 – 0,8 = 5,87
BC = OC – OB = 6,67 – 0,006 = 6,664
–> Thay vào công thức tính thành phần pha (đòn bẩy) ở trên:
% Ferrite = AC/BC = 5,87/6,664 ~ 88,1%
% Cementite = AB/BC = 0,794/6,664 ~ 11,9%
Vì sai lệch rất nhỏ nên có thể coi như Pearlite luôn có 88% Ferrite và 12% Cementite ở mọi nhiệt độ!

Đọc tiếp: Giản Đồ Pha Sắt - Cacbon (Fe - C)

Giản Đồ Pha Sắt – Cacbon (Fe – C)
Đọc tiếp: Giản Đồ Pha Sắt - Cacbon (Fe - C) Giản Đồ Pha Sắt – Cacbon (Fe – C)
Đọc tiếp: Giản Đồ Pha Sắt - Cacbon (Fe - C) Giản Đồ Pha Sắt – Cacbon (Fe – C)

vật liệu là môn học vô cùng quan trọng trong chương trình đào tạo kỷ sư cơ khí và củng là một kiến thức quan trọng cho những ai theo ngành cơ khí,nếu chúng ta không nghiên cứu kỹ càng sẻ rất bất lợi cho công việc
và một trong phần quan trọng của vật liệu là giản đồ pha Fe-C nó được xem là linh hồn của môn vật liệu,vì thế chúng ta hãy cùng thảo luận những gì chúng ta chưa hiểu hêt về nó và những thắc mắc trong quá trình học tập nhé
kiến thức của em thì chưa có gì cả nhưng mong các anh chị và các thầy xây dựng và trả lời các bạn
-------------------------------------------------------------------------------------------------
một số vấn đề em cần làm rõ hơn mong các anh giúp đở:
-tại sao gọi giản đồ sắt cácbon là giản đồ săt-xementit (Fe-Fe3C)
-tại sao nói tổ chức ferit gần như là thép nguyên chất
-tại sao trên giản đồ thì gang là loại gang trắng
-điểm cùng tích và điểm cùng tinh khác nhau chổ nào

1. -tại sao gọi giản đồ sắt cácbon là giản đồ săt-xementit (Fe-Fe3C)

Do kích thước nguyên tử nhỏ (Rc=0,077nm, R(Fe)=0,1241nm) nên C hòa tan có hạn vào Fe ở dạng dung dịch rắn xen kẽ, Nhưng khi lượng cacbon đưa vào Fe vượt quá giới hạn hòa tan nói trên, Cacbon thừa ra sẽ kết hợp với Fe tạo thành Fe3C và Fe3C gọi là xêmentit ( Fe-Fe3C >> Sắt-Xementit).

cái này cơ vẻ mâu thuẫn nhỉ, thực ra thì như vậy là chưa rõ lắm đâu ạ.
như trên giản đồ ta biết ta chỉ xét hàm lượng cácbon có trong thép từ khoảng 6.67% trở về thôi,còn nhiều hơn thì ta không xét vì chúng ít sử dụng
-trên trục hoành biểu thị hàm lượng cacbon trong sắt:đi từ trái sang ta được 100%C,đi từ phải sang ta được 100%Fe
vì thế tại mốc 6,67%c thì hầu như là kết tinh xementit nên ta gọi là giản đồ sẳt-xementit
-

-còn tại sao nói ferit gần như là thép nguyên chất là vì:
ferit là tổ chức 1pha,tạo thành từ fe(anpha) và cacbon,mà sắt anpha có cấu trúc mạng tinh thể lập phương thể tâm nên ferit củng có kiểu mạng lập phương thể tâm nên lổ hổng giữa các nguyên tử nhỏ mặt khác bán kính nguyên tử cacbon lại lớn hơn bán kính lổ hổng nên cacbon không thể khuếch tán vào đựoc mà hàm lượng cácbon chỉ khếch tán vào chổ sai lệch mạng tinh thể nhưng rất ít chỉ chiếm 10^-4 số nguyên tử nên hàm lượng cacbon có trong frit rất ít chỉ có 0.02% nên ta nói ferit gần như là sắt nguyên chất và vẫn giữ bản chất mềm dẽo

gang >2%C(Ngoài ra còn chứa 0,5-4%Si;0,2-1,5%Mn;và P<0,7;S<0,15) nên trên giản đồ không phải chỉ có gang trắng:Gang trắng chỉ khác là do tổ chức C liên kết ở dạng Fe3C và không có Graphit tự do,có màu trắng,cứng,giòn(Tổ chức Fe3C là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Ferit có cấu trúc tinh thể là chính phương tâm khối).
Mà có cả gang dẻo ,gang xám,gang cầu
-Gang xám hầu hết C ở dạng Graphit không có Xê tự do.Tổ chức tế vi có 2 thành phần:F+Gr;F+P+Gr Và P+Gr
Tùy theo hình dạng của Graphit mà ta có gang xám:Gr ở dạng tấm.Gang cầu :Gr ở dạng hình cầu:Gang dẻo:Gr ở dạng cụm

Do kích thước nguyên tử nhỏ (Rc=0,077nm, R(Fe)=0,1241nm) nên C hòa tan có hạn vào Fe ở dạng dung dịch rắn xen kẽ, Nhưng khi lượng cacbon đưa vào Fe vượt quá giới hạn hòa tan nói trên, Cacbon thừa ra sẽ kết hợp với Fe tạo thành Fe3C và Fe3C gọi là xêmentit ( Fe-Fe3C >> Sắt-Xementit).
-Fe3C là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, có thành phần 6,67%C+93,33%Fe.

mà phải nói rằng C có đường kính Rc=0.077nm nhỏ hơn đường kính của Fe R(Fe)=0.1241nm nên Cacbon chỉ có thể hòa tan vào Fe ở dạng dung dịch xen kẽ.
khi lượng cacbon vượt quà giới hạn hòa tan trong Fe(anpha) or Fe(gamma) thì cacbon sẽ kết hợp với Fe tạo nên 3 hợp chất hóa học : Fe3C 6.67% , Fe2C 9.67% Fec 16.67% .
trong thực tế thì thường sử dụng thép C co ham lượng C<5% nên chỉ gặp hợp Chất Fe3C (xêmntit) là một pha xen cẽ có kiểu mạng phức tạp ,nhiệt độ chảy khoảng 1600 oC rất cứng và giòn.khi ở nhiệt độ cao sẽ phân hủy thành Fe và grafit