Hợp kim có thể tồn tại ở các pha khác nhau. Pha là trạng thái vật lý đồng nhất của hợp kim. Một pha có thành phần hóa học và sắp xếp các nguyên tử chính xác. Cấu trúc các nguyên tử sẽ đặc trưng cho tính chất của các pha. Chúng ta có thể lựa chọn các tổ chức bao gồm các pha với các ứng dụng khác nhau.

Chỉ một số hợp kim đặc biệt mới tồn tại được ở dạng đa pha. Quá trình nhiệt luyện làm thay đổi đổi tổ chức pha trong vật liệu.

 Các tổ chức một pha

– Hợp kim lỏng (L): là dung dịch lỏng của cacbon trong sắt, tồn tại ở phía trên đường lỏng ABCD.

– Ferit (ký hiệu là F hay a): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trong Fe(a), có mạng lập phương thể tâm nên khả năng hòa tan của cacbon ở trong Fe(a) là không đáng kể, lớn nhất ở 727⁰C là 0,02% và nhỏ nhất ở nhiệt độ thường là 0,006%.

– Austenit (kí hiệu là As hay g): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe(g), có mạng lập phương diện tâm nên khả năng hòa tan cacbon của Fe(g) khá lớn, lớn nhất ở nhiệt độ 1147⁰C với 2,14% và nhỏ nhất ở 727⁰C với 0,8%C.

Austenit rất dẻo và dai khi các nguyên tố khác hòa tan vào không những làm độ cứng tăng lên và độ dẻo độ dai giảm đi đáng kể mà còn làm thay đổi động học chuyển biến do đó ảnh hưởng lớn tới nhiệt luyện.

– Xementit (ký hiệu là Xe hay Fe₃C): là hợp chất hóa học của sắt với cacbon – Fe₃C có 6,67%C, ứng với đường thẳng đứng DFK.

– Xementit thứ nhất (Xe_I): là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, nó được tạo thành trong các hợp kim chứa nhiều hơn 4,3% và trong khoảng nhiệt độ (1147 ¸ 1600)⁰C. Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên Xe_I có tổ chức hạt to.

– Xementit thứ hai (Xe_II): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Austenit ở trong khoảng nhiệt độ (727 ¸ 1147)⁰C khi độ hòa tan của cacbon ở trong pha này giảm từ 2,14% xuống còn 0,8% do vậy Xe_II có trong hợp kim với thành phần cacbon lớn hơn 0,8%. Do tạo từ pha rắn và ở nhiệt độ không cao lắm nên Xe_II có tổ chức hạt nhỏ hơn, do được tiết ra từ Austenit nên thường ở dạng lưới bao quanh Austenit.

– Xemetit thứ ba (Xe_III): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Ferit ở trong khoảng nhiệt độ thấp hơn 727⁰C khi độ hòa tan giới hạn của cacbon trong Ferit giảm từ 0,02% xuống 0,006%. Xe_III có ở trong mọi hợp kim có thành phần cacbon lớn hơn 0,006% nhưng với lượng rất ít. Do tạo nên từ pha rắn và ở nhiệt độ thấp, khả năng khuếch tán của nguyên tử rất kém nên Xe_III thường ở dạng mạng lưới hay hạt rất nhỏ bên cạnh Ferit.

Các dạng Xementit không khác nhau về bản chất pha, chỉ khác nhau về kích thước hạt và sự phân bố do điều kiện tạo thành khác nhau.

Các tổ chức 2 pha

– Peclit (ký hiệu là P hay [a+Xe]): Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xementit ( tạo thành ở 727⁰C từ dung dịch rắn Austenit chứa 0,8%C. Trong Peclit có 88% Ferit và 12% Xementit. Từ giản đồ trạng thái Fe – C ta thấy trong quá trình làm nguội, thành phần cacbon của Austenit sẽ biến đổi và khi đến 727⁰C có 0,8%C sẽ chuyển biến thành hỗn hợp cùng tích của Ferit và Xementit:

Tùy theo hình dạng Xementit ở trong hỗn hợp, người ta chia ra 2 loại peclit là peclit tấm và peclit hạt (Peclit tấm Xementit ở dạng tấm phiến còn Peclit hạt thì Xementit ở dạng hạt). Peclit là hỗn hợp cơ học nên có tính chất trung gian. Kết hợp giữa tính dẻo, dai của Ferit và cứng, dòn của Xementit nên nói chung Peclit có độ cứng, độ bền cao, tính dẻo dai thấp. Tuy nhiên cơ tính của nó có thể thay đổi trong phạm vi khá rộng phụ thuộc vào độ hạt của Xementit.

– Ledeburit (ký hiệu là Le): Ledeburit là hỗn hợp cơ học cùng tinh, kết tính từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C ở 1147⁰C.

Lúc đầu mới tạo thành nó gồm Austenit và Xementit (trong khoảng 727⁰C ¸ 1147⁰C). Khi làm nguội xuống dưới 727⁰C, g chuyển biến thành Peclit do vậy Ledeburit là hỗn hợp cơ học của Peclit và Xementit. Như vậy cuối cùng Ledeburit cũng có 2 pha là Ferit và Xementit trong đó Xementit chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Ledeburit rất cứng và dòn.

Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C

Phần phía trên đường đặc 

– Khu vực có thành phần (0,1 ¸ 0,51) %C:

Khi làm nguội đến đường lỏng , hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra dung dịch rắn d trước. Khi hạ nhiệt độ xuống tới 1499⁰C, hợp kim có 2 pha là dung dịch rắn d chứa 0,1%C và dung dịch lỏng chứa 0,51%C nên xảy ra phản ứng bao tinh tạo ra dung dịch rắn Austenit chứa 0,16%C.

d_0,1%C + L_0,51%C  g_0,16%C

– Khu vực có thành phần (0,51 ¸ 4,3) %C:

Khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng  nó sẽ kết tinh ra Austenit. Các hợp kim có thành phần từ (0,51 ¸ 2,14) %C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch rắn Austenit còn các hợp kim có thành phần từ (2,14¸ 4,3) %C kết thúc kết tinh bằng sự kết tinh của dung dịch lỏng có thành phần ứng với điểm C tạo ra 2 pha g có thành phần ứng với điểm E và Xementit ở 1147⁰C.

Lc  (g_E + Xe_F)

Phần phía dưới đường đặc 

Tại 727⁰C g có thành phần 0,8%C sẽ chuyển biến thành Peclit là hỗn hợp của 2 pha Ferit và Xementit gọi là hỗn hợp cơ học cùng tích.

g_s [a_R + Xe_K]

Như vậy trong bài này chúng tôi đã trình bày một kiến thức rất quan trọng liên quan tới vật liệu là giản đồ Pha. Tuy nhiên đây là những điểm chính, để hiểu nó bạn cần bỏ thời gian nghiên cứu và tìm tòi.