Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Chương 9: Giản đồ pha - Lê Văn Thăng

1GIẢN ĐỒ PHA
CHƯƠNG 9
29.1 Các khái niệm cơ bản
• Giản đồ pha của một hệ là giản đồ biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành
phần và tỷ lệ các pha của hệ ở cân bằng.
• Kiến thức về giản đồ pha của hệ hợp kim rất quan trọng vì giữa cấu trúc vi mô
(microstructure, còn gọi là tổ chức tế vi) và tính chất cơ có một mối liên quan rất
chặt chẽ.
• Các đặc điểm của giản đồ pha cho biết thông tin về sự phát triển cấu trúc vi mô
của hợp kim và các thông tin có giá trị khác về quá trình nấu chảy, đúc, kết tinh
và các hiện tượng khác.
9.1.1 Cấu tử, Hệ, Pha
• Cấu tử (component) là các kim loại tinh khiết hoặc hợp chất tạo nên hợp kim.
Ví dụ: trong đồng thau các cấu tử là Cu và Zn
• Hệ (system) để chỉ một phần riêng biệt của vật liệu đang xem xét hoặc một dãy
các hợp kim có cùng số cấu tử nhưng có thành phần hợp kim khác nhau.
Ví dụ: hệ sắt – cacbon.
• Nếu hệ không thể trao đổi khối lượng và năng lượng với môi trường xung quanh 
thì hệ được gọi là hệ cô lập (insulated system). 
3• Nếu hệ có thể trao đổi năng lượng nhưng không thể trao đổi khối lượng với môi 
trường xung quanh thì hệ được gọi là hệ đóng (closed system). 
• Nếu hệ có thể trao đổi khối lượng và năng lượng với môi trường xung quanh thì 
hệ được gọi là hệ mở (open system)
• Pha (phase) là phần đồng nhất của hệ, có cùng tính chất vật lý và hóa học. 
• Mỗi kim loại nguyên chất và mỗi dung dịch rắn, lỏng và khí là một pha. 
• Nếu hệ có nhiều hơn một pha, thì mỗi pha sẽ có đặc điểm riêng và được ngăn 
cách với nhau bằng biên giới pha, tại đó các tính chất vật lý và hóa học sẽ không 
liên tục và thay đổi đột ngột từ pha này sang pha khác. 
• Khi hai pha cùng hiện diện trong hệ thì chỉ cần khác nhau về tính chất vật lý 
hoặc tính chất hóa học. 
Ví dụ: Khi nước đá và nước cùng có mặt trong bình chứa thì sẽ xuất hiện hai pha, 
có tính chất vật lý khác nhau (rắn và lỏng) nhưng có cùng tính chất hóa học (cùng 
công thức H2O). 
• Tương tự ở 912 oC sắt tồn tại ở hai pha có tính chất khác nhau (cấu trúc Bcc và 
Fcc) nhưng đều có cùng tính chất hóa học (cùng công thức Fe).
4• Thông thường, hệ một pha được gọi là hệ đồng thể (homogeneous system). 
• Hệ có nhiều hơn hai pha được gọi là hổn hợp (mixture) hoặc hệ dị thể 
(heterogeneous system). 
• Đa số hợp kim, ceramic, polymer và composit là các hệ dị thể.
9.1.2 Cấu trúc vi mô
• Tính chất vật lý, đặc biệt là tính chất cơ của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc vi 
mô. 
• Cấu trúc này có thể được quan sát bằng kính hiển vi quang học hoặc kính hiển vi 
điện tử. 
• Đối với hợp kim, cấu trúc vi mô được đặc trưng bằng số lượng các pha có mặt, tỉ 
lệ các pha và cách phân bố hoặc cách sắp xếp các pha. 
• Cấu trúc vi mô của hợp kim phụ thuộc vào sự có mặt của các nguyên tố trong 
hợp kim, hàm lượng của chúng và chế độ xử lý nhiệt hợp kim (nhiệt độ và thời 
gian gia nhiệt, tốc độ làm nguội về nhiệt độ thường). 
• Để có thể quan sát bằng kính hiển vi, mẫu phải được đánh bóng và tẩm thực 
thích hợp, khi đó các pha khác nhau được nhận biết nhờ vẻ ngoài của chúng. 
5Ví dụ với hợp kim hai pha, một pha có màu nhạt và pha kia sẽ có màu đậm hơn. 
Khi chỉ có sự hiện diện của một pha hoặc dung dịch rắn (ferrite), mẫu sẽ cùng 
màu và thấy sự xuất hiện của biên giới hạt.
9.1.3 Cân bằng pha
• Cân bằng thường được biểu diễn thông qua một đại lượng nhiệt động là năng 
lượng tự do, đó là một hàm của nội năng hệ ( H) và sự rối loạn (entropy) của các 
nguyên tử hoặc phân tử (T S).
 G = H - T S
6• Một hệ ở trạng thái cân bằng dưới những điều kiện nhất định về nhiệt độ, áp 
suất và thành phần nếu năng lượng tự do của nó cực tiểu, khi đó các đặc trưng 
của hệ sẽ không đổi theo thời gian (hệ bền). 
• Sự thay đổi nhiệt độ, áp suất hoặc thành phần của một hệ ở cân bằng sẽ làm tăng 
năng lượng tự do, làm cho hệ chuyển sang trạng thái khác có năng lượng tự do 
thấp hơn.
• Cân bằng pha là cân bằng trong hệ có chứa nhiều hơn một pha, trong đó các đặc 
trưng của pha không đổi theo thời gian.
Ví dụ: Giả sử dung dịch đường – nước được chứa trong bình kín và tiếp xúc với 
đường (trạng thái rắn) ở 20 oC. 
• Nếu hệ ở trạng thái cân bằng (điểm A), thành phần của hệ sẽ gồm 65 % đường 
(C12H22O11) - 35 % nước và khối lượng, thành phần của hệ sẽ không đổi theo thời 
gian. 
• Khi nhiệt độ của hệ đột ngột tăng lên, ví dụ 100 oC, cân bằng sẽ bị rối loạn và giới 
hạn độ tan sẽ tăng lên đến 80 % C12H22O11. Do đó một số phân tử đường sẽ tan vào 
dung dịch cho đến khi đạt đến nồng độ dung dịch của cân bằng mới ở 100 oC.
7
8• Năng lượng tự do và giản đồ pha cung cấp các thông tin quan trọng về đặc trưng 
cân bằng của một hệ nào đó, tuy nhiên nó lại không chỉ ra thời gian cần thiết để 
đạt đến trạng thái cân bằng mới. 
• Nói chung, nhất là đối với các hệ rắn, hệ không bao giờ đạt đến một trạng thái 
cân bằng hoàn toàn do tốc độ đạt đến cân bằng rất chậm. 
• Những hệ như vậy được gọi là ở trạng thái không cân bằng hoặc giả bền 
(metastable state). Trạng thái này tồn tại rất lâu, chỉ có thay đổi rất chậm hoặc 
thay đổi không nhận biết được theo thời gian. 
• Thông thường các cấu trúc giả bền có nhiều ý nghĩa thực tế hơn các cấu trúc cân 
bằng. 
Ví dụ sức bền của một số hợp kim thép và nhôm phụ thuộc vào sự phát triển các 
cấu trúc giả bền trong quá trình xử lý nhiệt được kiểm soát chặt chẽ. 
• Do đó không chỉ các kiến thức về các trạng thái cân bằng và cấu trúc là quan 
trọng, mà tốc độ hình thành các pha, các cấu trúc và các yếu tố ảnh hưởng đền tốc 
độ hình thành cũng cần phải được xem xét đến
99.2 Quy tắc pha 
• Quy tắc pha Gibbs dùng để xác định số bậc tự do (degree of freedom) hoặc số 
biến số (nhiệt độ T, áp suất p, thành phần hóa học X, pH ) có thể thay đổi độc 
lập mà vẫn giữ nguyên số pha đã có của hệ.
F = C- P + 2
F: số bậc tự do
C: số cấu tử 
P: số pha có mặt
• Việc nghiên cứu và sử dụng vật liệu thường diễn ra trong khí quyển nên bỏ qua 
ảnh hưởng của áp suất. Khi đó F = C- P + 1
• Đối với kim loại tinh khiết ở nhiệt độ nóng chảy, C = 1, P = 2, F = 0, nghĩa là khi 
hai pha (lỏng, rắn) cùng tồn tại, thì không thể thay đổi nhiệt độ. Điều này chứng tỏ 
kim loại nguyên chất nóng chảy hoặc kết tinh ở nhiệt độ không đổi
•Với hệ hai cấu tử (C = 2), có cùng tồn tại hai pha (P = 2), F = 1, nghĩa là có thể 
thay đổi nhiệt độ mà vẫn giữ nguyên hai pha ở cân bằng.
10
Ví dụ: xét giản đồ pha của hệ hai cấu tử sau
11
• Điểm X nằm trong khu vực lỏng có P =1, C = 2 (hai cấu tử A và B), F = 2.
 Để duy trì cân bằng nghĩa là duy trì pha lỏng, có thể thay đổi T và X độc lập
nhau.
• Điểm Y nằm trên biên giới giữa khu vực lỏng L và A + L có P = 2 (rắn A và lỏng
L), C = 2 (hai cấu tử A và B), F = 1.
 Để duy trì cân bằng nghĩa là nằm trên đường biên giới, thay đổi T sẽ tự động
thay đổi X.
• Điểm E được gọi là điểm eutecti (điểm cùng tinh) có P = 3 (rắn A, rắn B và lỏng
L), C = 2 (hai cấu tử A và B), F = 0.
 Thay đổi nhiệt độ hoặc thành phần tử điểm E sẽ làm một hoặc nhiều pha biến
mất, nghĩa là thay đổi số pha P.
12
9.3 Các loại giản đồ pha
Khi hòa tan nguyên tố A vào nguyên tố B thì có thể xảy ra các trường hợp sau: 
• A và B hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, hòa tan vô hạn ở trạng thái rắn tạo 
dung dịch rắn, ví dụ hợp kim Cu-Ni (giản đồ pha loại I)
• A và B hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, không hòa tan vào nhau ở trạng thái 
rắn, tạo hổn hợp cùng tinh (eutectic), ví dụ hợp kim Au-Si (giản đồ pha loại II)
• A và B hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, hòa tan có giới hạn ở trạng thái rắn, tạo 
hổn hợp cùng tinh (eutectic), ví dụ hợp kim Pb-Sn (giản đồ pha loại III)
• A và B hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, hòa tan có giới hạn ở trạng thái rắn, tạo 
nên pha trung gian (hợp chất hóa học), ví dụ hợp kim Cu-Zn (giản đồ pha loại IV)
• A và B hòa tan có hạn ở trạng thái lỏng, không hòa tan vào nhau ở trạng thái 
rắn, không tạo nên pha trung gian (hợp chất hóa học), ví dụ hợp kim Cu-Pb (giản 
đồ pha loại V)
• A và B có chuyển biến thù hình
13
9.3.1 Giản đồ pha loại I với dung dịch rắn hòa tan vô hạn
9.3.1.1 Giới thiệu
14
15
• Xét giản đồ pha hệ Cu-Ni (do Cu và Ni thỏa mãn các điều kiện của quy tắc Hume 
– Rothery nên có thể tạo dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn.):
• Trục tung biểu thị nhiệt độ còn trục hoành biểu thị thành phần của hợp kim, 
phía dưới là % khối lượng Ni và phía trên là % nguyên tử Ni.
• Thành phần thay đổi từ trái qua phải: 0 % Ni (100 % Cu) - 100 % Ni (0 % Cu)
• Có 3 vùng pha khác nhau trên giản đồ: vùng 1 pha gồm pha lỏng L và pha rắn ; 
vùng 2 pha L + .
• Pha lỏng L là dung dịch lỏng đồng nhất của Cu và Ni. Pha là dung dịch rắn của 
cả Cu và Ni, có cấu trúc Fcc. 
• Ở nhiệt độ < 1085 oC, Cu và Ni tan lẫn vào nhau trong trạng thái rắn ở mọi 
thành phần. 
• Hệ Cu-Ni được gọi là hệ đồng hình (isomorphous) vì tính tan hoàn toàn vào nhau 
ở trạng thái lỏng và rắn của hai cấu tử này.
• Đường lỏng (liquidus line) là biên giới giữa vùng 1 pha L và và vùng 2 pha L + , 
đường rắn (solidus line) là ranh giới giữa vùng L + và . Hai đường lỏng và rắn 
giao nhau ở hai cận tương ứng với nhiệt độ nóng chảy của kim loại nguyên chất 
tương ứng.
16
• Gia nhiệt cho kim loại nguyên chất tương ứng với việc di chuyển lên trên của 
trục nhiệt độ. 
• Kim loại sẽ giữ nguyên trạng thái rắn cho đến khi đạt nhiệt độ nóng chảy. Việc 
chuyển từ pha rắn sang pha lỏng sẽ diễn ra ở nhiệt độ nóng chảy cho đến khi quá 
trình chuyển pha hoàn tất.
• Đối với hợp kim có thành phần bất kỳ, quá trình nóng chảy sẽ diễn ra trong 
khoảng nhiệt độ nằm giữa đường lỏng và đường rắn, cả pha L và sẽ ở cân bằng 
trong khoảng nhiệt độ này. 
Ví dụ khi gia nhiệt cho hợp kim có 50 % Ni – 50 % Ni, quá trình nóng chảy sẽ bắt 
đầu ở khoảng 1280 oC; lượng pha lỏng L sẽ tăng dần đến khi nhiệt độ đạt 1320 oC 
thì hợp kim sẽ hoàn toàn ở trạng thái lỏng. 
9.3.1.2 Tính chất
Tại một nhiệt độ và nồng độ cho trước ở cân bằng, từ giản đồ pha có thể nhận 
được ba thông tin quan trọng sau đây: các pha hiện diện trong hệ ở cân bằng, 
thành phần của các pha này và phần trăm khối lượng hoặc phần khối lượng của 
chúng.
17
9.3.1.2.1 Hệ có 1 pha (điểm A với 60 % Ni ở 1100 oC)
• Số pha có mặt: 1 pha rắn 
• Thành phần pha : 60 % Ni – 40 % Cu
• Tỷ lệ các pha có mặt: chỉ có pha nên hợp kim hoàn toàn là 100 % 
9.3.1.2.2 Hệ có 2 pha (điểm B với 35 % Ni ở 1250 oC)
• Số pha có mặt: pha rắn và pha lỏng L
• Thành phần pha: Vẽ đường đẳng nhiệt (tie line – isotherm line) cắt biên giới 
vùng 2 pha như hình vẽ.
• Đường vuông góc với đường đẳng nhiệt tại biên giới vùng 2 pha cắt trục hoành 
sẽ cho giá trị thành phần pha lỏng L, CL (31,5 % Ni) và thành phần pha rắn (điểm 
B với 35 % Ni ở 1250 oC), C (42,5 % Ni). 
18
19
• Tỷ lệ các pha có mặt:
Quy tắc đòn bẩy
Gọi WL và W là phần khối lượng của pha L và pha tương ứng.
Do chỉ có 2 pha có mặt nên WL + W = 1
Tổng khối lượng của 1 cấu tử (Ni hoặc Cu) có mặt trong hai pha phải bằng khối 
lượng của cấu tử đó trong hợp kim nên WLCL + W C = C0
Kết hợp hai phương trình trên ta có 
Giải thích bằng hình học
Cân bằng moment WLR = W S = (1- WL)S
L
0
L
CC
CC
SR
S
W
L
L0
CC
CC
SR
R
W
SR
S
CC
CC
W
L
0
L
SR
R
CC
CC
W
L
L0
20
Áp dụng cho hệ hai pha (điểm B với 35 % Ni ở 1250 oC)
68,0
5,315,42
355,42
CC
CC
SR
S
W
L
0
L 
32,0
5,315,42
5,3135
CC
CC
SR
R
W
L
L0 
• Đối với hệ có nhiều pha, người ta thường dùng phần thể tích thay cho phần khối 
lượng vì phần thể tích có thể xác định từ việc nghiên cứu vi cấu trúc và nhiều tính 
chất của hợp kim nhiều pha có thể ước lượng từ phần thể tích.
• Nếu hợp kim bao gồm các pha , , ,  thì phần thể tích của pha tính theo:
...vvv
v
V
 
 với v , v, v  là thể tích của các pha tương ứng
• Nếu hợp kim chỉ gồm 2 pha thì V + V = 1.
Chuyển từ phần khối lượng sang phần thể tích và ngược lại:
 
VV
V
W
 


VV
V
W


WW
W
V





WW
W
V
21
 ,  là khối lượng riêng của các pha tương ứng, có thể tính gần đúng theo 
B
B
A
A CC
100
B
B
A
A CC
100


với CA , CB là % khối lượng các kim loại A, B có trong pha 
CA, CB là % khối lượng các kim loại A, B có trong pha ;
và A, B là khối lượng riêng của các kim loại A, B tương ứng.
9.3.1.3 Phát triển vi cấu trúc khi làm nguội thật chậm 
Xét quá trình phát triển vi cấu trúc của hệ hợp kim Cu-Zn trong quá trình làm 
nguội thật chậm (để cân bằng pha được duy trì liên tục) 
• Quá trình làm nguội hợp kim có thành phần 35 % Ni – 65 % Cu từ nhiệt độ 1300 
oC tương ứng với việc di chuyển xuống dưới theo đường nét đứt.
• Ở 1300 oC (điểm a) hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng với thành phần 35 % Ni 
– 65 % Cu và có vi cấu trúc biểu thị như trong hình
22
23
• Khi quá trình làm nguội bắt đầu, không có sự thay đổi nào về vi cấu trúc cũng 
như thành phần đến khi chạm đường lỏng (điểm b) ở 1260 oC. 
• Tại đây, pha rắn đầu tiên bắt đầu tạo thành, có thành phần xác định theo 
đườngđẳng nhiệt là 46 % Ni – 54 % Cu, ký hiệu là (46 Ni); pha lỏng L vẫn có 
thành phần xấp xỉ 35 % Ni – 65 % Cu, ký hiệu là L(35 Ni).
• Tiếp tục làm nguội thì thành phần và tỷ lệ các pha sẽ thay đổi. Thành phần của 
pha lỏng và pha rắn sẽ chạy trên các đường lỏng và đường rắn tương ứng và 
phần khối lượng của pha sẽ tăng trong quá trình làm nguội. 
• Chú ý rằng thành phần của hợp kim vẫn giữ không đổi (35 % Ni – 65 % Cu) 
trong quá trình làm nguội mặc dù có sự tái phân bố lại Ni và Cu trong các pha.
• Ở 1250 oC (điểm c) thì thành phần của pha lỏng là 32 % Ni – 68 % Cu, L(32 Ni) 
và của pha rắn là 43 % Ni – 57 % Cu, (43 Ni).
• Quá trình kết tinh hầu như kết thúc ở 1220 oC (điểm d), có thành phần pha 
xấp xỉ 35 % Ni – 65 % Cu, (35 Ni); pha lỏng còn lại có thành phần 24 % Ni – 76 
% Cu, L(24 Ni).
• Khi vượt qua khỏi đường rắn, pha lỏng còn lại sẽ kết tinh và sản phẩm cuối cùng 
là dung dịch rắn có thành phần 35 % Ni – 65 % Cu (điểm e). Tiếp tục làm 
nguội sẽ không tạo bất kỳ thay đổi nào về vi cấu trúc và thành phần. 
24
9.3.1.4 Phát triển vi cấu trúc khi làm nguội không cân bằng
• Các điều kiện kết tinh cân bằng và sự phát triển vi cấu trúc ở phần trên chỉ xảy 
ra khi tốc độ làm nguội vô cùng chậm. 
• Đó là do khi nhiệt độ thay đổi sẽ có sự tái sắp xếp thành phần của pha lỏng và 
pha rắn sao cho phù hợp với đường lỏng và đường rắn trên giản đồ pha. 
• Sự tái sắp xếp này được thực hiện nhờ quá trình khuếch tán trong cả pha lỏng, 
pha rắn và ngang qua biên giới lỏng – rắn. 
• Do khuếch tán là một hiện tượng phụ thuộc thời gian, nên để duy trì cân bằng 
trong khi làm nguội cần phải có đủ thời gian cho quá trình tái sắp xếp thành phần 
ở mỗi nhiệt độ.
•Tốc độ khuếch tán (độ lớn của hệ số khuếch tán) rất thấp trong pha rắn và giảm 
khi nhiệt độ giảm cho cả hai pha rắn, lỏng.
D = D0exp(-E/kT)
• Trong đa số trường hợp kết tinh thực tế, tốc độ làm nguội thường quá nhanh nên 
không đủ thời gian để tài sắp xếp thành phần và duy trì cân bằng, do đó vi cấu 
trúc của hệ sẽ khác so với khi làm nguội cân bằng.
25
• Xét quá trình làm nguội của hợp kim có thành phần 35 % Ni – 65 % Cu từ nhiệt 
độ 1300 oC như trong trường hợp trên. 
• Để đơn giản, giả sử tốc độ khuếch tán trong ph ... yển biến cùng tinh
6,43
C9,61
3,189,61
C9,61
QP
Q
W
'
4
'
4
'
• Phần khối lượng của pha tổng, W (cả sơ cấp và cùng tinh) và phần khối 
lượng của pha  tổng, W, tính theo
5,79
C8,97
3,188,97
C8,97
RQP
RQ
W
'
4
'
4 
5,79
3,18C
3,188,97
3,18C
RQP
P
W
'
4
'
4 
 
48
• Chuyển biến pha và vi cấu trúc tạo thành cho hợp kim sau cùng tinh cũng tương 
tự như đối với hợp kim trước cùng tinh.
• Đối với trường hợp 4, nếu điều kiện cân bằng không được duy trì khi làm nguội 
ngang qua vùng (hoặc ) + L, các hậu quả sau đây sẽ xảy ra:
a) các hạt của vi phần tử sơ cấp sẽ có cấu trúc lõi, nghĩa là có sự phân bố không 
đồng nhất của chất tan dọc theo hướng bán kính của hạt.
b) phần khối lượng của vi phần tử tổ chức cùng tinh sẽ lớn hơn khi làm nguội cân 
bằng.
9.3.4 Giản đồ pha loại IV có tạo pha trung gian
• Trong giản đồ pha hệ Cu-Zn có 2 vùng dung dịch rắn ở biên (giàu Cu) và 
(giàu Zn); 4 vùng pha trung gian (, ,  và ) - trong đó các pha , , và  là các 
pha điện tử có nồng độ điện tử tương ứng là 3/2, 21/13 và 7/4.
• Pha ’ là dung dịch rắn có trật tự, trong đó các nguyên tử Cu và Zn được sắp xếp 
trật tự trong ô cơ sở. 
• Một số đường biên giới pha ở cuối giản đồ có dạng nét đứt vì vị trí của chúng 
chưa được xác định chính xác. Đó là do ở nhiệt độ thấp thì tốc độ khuếch tán rất 
thấp và thời gian để đạt đến cân bằng rất lâu. 
49
50
• Dạng đồng thau thương mại là hợp kim Cu-Zn giàu Cu, ví dụ vỏ đạn bằng đồng 
thau có thành phần 70 % kl Cu – 30 % kl Zn, có vi cấu trúc là dung dịch rắn .
51
• Trên giản đồ pha Cu-Zn còn có một số điểm đặc biệt tồn tại 3 pha, ví dụ điểm E 
(ở 560oC; 74 % kl Zn – 26 % kl Cu) và điểm P (ở 598oC; 78,6 % kl Zn – 21,4 % kl 
Cu).
• Tại điểm E khi làm nguội pha rắn  sẽ chuyển thành hai pha rắn mới ( và ) 
theo phản ứng  [ + ]. 
• Phản ứng này gọi là phản ứng cùng tích (eutectoid), điểm E gọi là điểm cùng tích 
và đường nhiệt độ nằm ngang đi qua 560oC gọi là đường đẳng nhiệt cùng tích. 
• Ký hiệu [ + ] là tổ chức cùng tích. 
• Do tạo thành từ trạng thái rắn và ở nhiệt độ thấp nên các tinh thể trong tổ chức 
cùng tích nhỏ mịn hơn rất nhiều so với tổ chức cùng tinh.
• Tại điểm P khi đun nóng có xảy ra phản ứng bao tinh (peritectic): pha rắn 
chuyển thành pha lỏng L và pha rắn mới  theo phương trình  L + . Khi làm 
nguội phản ứng sẽ xảy ra theo chiều ngược lại.
• Ngoài ra còn có các phản ứng bao tinh khác như  L +  (435oC; 97 % kl Zn), 
 L + (900oC; 36,9 % kl Zn),  L +  (836oC; 61,2 % kl Zn),  L + 
(700oC; 73,8 % kl Zn).
52
• Đối với một số hệ hợp kim, pha trung gian là các hợp chất hóa học cũng được tìm 
thấy trong giản đồ pha của chúng. Ví dụ trong hệ Mg-Pb thì có hợp chất MgPb2 có 
thành phần 19 % kl Mg - 81 % kl Pb (33 % nguyên tử Pb) và được biểu thị bằng 
đường thẳng đứng trên giản đồ.
53
• Một vài đặc tính của giản đồ:
– Hợp chất MgPb2 nóng chảy ở nhiệt độ xấp xỉ 550
oC (điểm M)
– Độ tan của Pb trong Mg tương đối lớn (41,8 %) trong khi độ tan của Mg trong 
Pb lại rất thấp (1,8 %)
– Giản đồ này có thể xem như là sự ghép của hai giản đồ của hệ tạo cùng tinh Mg-
MgPb2 và MgPb2-Pb
9.3.5 Giản đồ pha loại V có chuyển biến đồng dạng
• Nếu quá trình chuyển biến pha không làm thay đổi thành phần của pha chuyển 
biến thì được gọi là chuyển biến đồng dạng (congruent transfomation), ngược lại 
nếu có làm thay đổi thành phần của ít nhất một trong các pha thì gọi là chuyển 
biến không đồng dạng (incongruent transfomation). 
• Ví dụ về chuyển biến đồng dạng là chuyển biến thù hình (allotropic 
transfomation), Fe(Bcc) Fe(Fcc) ở 912oC, và sự nóng chảy của kim loại nguyên 
chất. 
• Ví dụ về chuyển biến không đồng dạng là các phản ứng cùng tinh, cùng tích, bao 
tinh và sự nóng chảy của hợp kim đồng hình (ví dụ hệ Cu-Ni). 
54
• Các pha trung gian đôi khi cũng được phân loại theo việc chúng nóng chảy đồng 
dạng hay không. Ví dụ hợp chất MgPb2 trong hệ Mg-Pb nóng chảy đồng dạng ở 
điểm M. 
• Trong hệ Ni-Ti, cũng có điểm nóng chảy đồng dạng ở 1310oC (44,9 % kl Ti) của 
dung dịch rắn .
55
9.3.6 Giản đồ pha hệ Fe-Cacbon
9.3.6.1 Giới thiệu
56
• Giản đồ pha hệ Fe-C là một giản đồ rất quan trọng đối với ngành vật liệu kim 
loại vì 90 % kim loại sử dụng là Fe và hợp kim trong Fe thường là cacbon (thép, 
gang). 
• Các điểm đặc biệt trên giản đồ
Điểm Nhiệt độ (oC) % kl C Điểm Nhiệt độ (oC) % kl C
A 1538 0,00 F 1147 6,70
H 1493 0,10 D 1250 6,70
J 1493 0,16 G 912 0,00
B 1493 0,50 P 727 0,022
N 1394 0,00 S 727 0,76
C 1147 2,14 K 727 6,70
E 1147 4,30 Q nhiệt độ phòng 0,008
• Nguyên tử Fe khi gia nhiệt sẽ chịu hai thay đổi về cấu trúc tinh thể trước khi 
nóng chảy. 
Ferrite Fe (Bcc) Austenite Fe  (Fcc) Ferrite  (Bcc) nóng chảy 
912oC 1394 oC 1538oC.
57
• Trục thành phần trên giản đồ pha của Fe-C chỉ kéo dài đến 6,70 % C, tại đó tạo 
thành hợp chất trung gian cacbua sắt, còn gọi là cementite (Fe3C), được biểu thị 
bằng đường gạch thẳng đứng trên giản đồ. 
• Do đó giản đồ pha hệ Fe-C có thể chia thành 2 phần: phần giàu Fe (như hình 
trên) và phần giàu C (thành phần từ 6,70 – 100 % kl C). 
• Trong thực tế, tất cả các thép và gang đều có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 6,70 % 
(thường dùng nhất là < 3,8 % kl C), nên chỉ cần xem xét hệ Fe-Fe3C. 
• Giản đồ pha Fe-C như trên nên gọi đúng hơn là giản đồ hệ Fe-Fe3C, tuy nhiên do 
thói quen người ta vẫn gọi là giản đồ Fe-C. 
• Ngoài ra để thuận tiện người ta cũng biểu diễn thành phần theo % C chứ không 
theo % Fe3C (6,70 % kl C tương ứng với 100 % kl Fe3C).
• Cacbon là tạp chất xen kẽ trong Fe và tạo dung dịch rắn xen kẽ ,  và . 
• Trong ferrite Bcc, chỉ có một lượng rất nhỏ cacbon hòa tan (độ tan cực đại là 
0,022 % kl C ở 727 oC. Đó là do hình dạng và kích thước của các vị trí xen kẽ 
trong Bcc, làm cho nguyên tử cacbon khó xen vào.
• Dù chỉ hiện diện với hàm lượng tương đối thấp nhưng cacbon có ảnh hưởng 
đáng kể đến cơ tính của ferrite.
58
• Loại pha này tương đối mềm, có thể từ hóa ở nhiệt độ < 768oC và có khối lượng 
riêng là 7,88 g/cm3. Hình chụp kim tương của ferrite với độ phóng đại 90 lần (a) và 
của austenite với độ phóng đại 325 lần được cho trong hình (b).
(a) (b)
59
• Dạng pha austenite  không bền ở dưới nhiệt độ 727oC. Độ tan cực đại của 
cacbon trong austenite Fcc là 2,14 % ở 1147oC.
• Độ tan này lớn gấp 100 lần độ tan cực đại của cacbon trong ferrite Bcc do các vị 
trí xen kẽ trong Fcc có kích thước lớn hơn nên ứng suất áp đặt lên các nguyên tử 
Fe xung quanh nhỏ hơn rất nhiều. 
• Sự chuyển biến pha trong austenite thì rất quan trọng trong việc xử lý nhiệt cho 
thép. Cần chú ý rằng, austenite không có từ tính.
• Dạng ferrite  thì hầu như giống với ferrite , chỉ khác nhau ở khoảng nhiệt độ 
tồn tại của chúng. Do ferrite  chỉ bền ở nhiệt độ tương đối cao nên không có ý 
nghĩa quan trọng về mặt công nghệ.
• Cementite (Fe3C) tạo thành khi vượt qua giới hạn độ tan của cacbon trong ferrite 
 ở nhiệt độ < 727oC (vùng + Fe3C). Nó cũng tồn tại cùng với austenite  trong 
khoảng nhiệt độ 727oC – 1147oC (vùng  + Fe3C). 
• Cementite rất cứng và giòn nên khi có mặt trong một số loại thép sẽ làm tăng độ 
bền của chúng.
• Thực chất cementite là hợp chất chưa ổn định ở nhiệt độ phòng. 
60
• Tuy nhiên nếu nung nóng đến 650oC – 700oC trong vài năm, nó sẽ dần dần 
chuyển sang Fe và cacbon dưới dạng graphit.
• Thành phần này sẽ giữ nguyên nếu tiếp tục làm nguội đến nhiệt độ phòng. Do đó 
giản đồ pha ở trên không phải là một giản đồ cân bằng thật sự vì cementite không 
phải là một hợp chất cân bằng. 
• Tuy nhiên do tốc độ phân hủy cementite rất chậm, hầu như tất cả cacbon trong 
thép nằm ở dạng Fe3C chứ không phải ở dạng graphit nên vẫn có thể sử dụng giản 
đồ Fe-Fe3C trong thực tế sử dụng.
• Tại điểm E (4,03 % kl C; 1147oC) trên giản đồ có xảy ra phản ứng cùng tinh theo 
phản ứng: pha lỏng L (austenite  + cementite Fe3C)
• Tại điểm S (0,76 % kl C; 727oC) có xảy ra phản ứng cùng tích: pha rắn  chuyển 
thành Fe và cementite Fe3C theo phản ứng
(0,76 % kl C) [ (0,022 % kl C) + Fe3C(6,7 %kl C)]
• Hợp kim sắt là các hợp kim mà Fe là cấu tử chính, ngoài ra còn có cacbon và các 
nguyên tố khác. Dựa theo hàm lượng cabon mà người ta chia hợp kim sắt làm 3 
loại: sắt, thép và gang.
61
• Sắt nguyên chất thương mại chứa ít hơn 0,008 % C, có vi cấu trúc chủ yếu là Fe 
 ở nhiệt độ phòng. 
• Thép là hợp kim sắt có thành phần nằm trong khoảng 0,008 – 2,14 % kl C (thực 
tế < 1 % kl C) và đa số thép có vi cấu trúc là pha và Fe3C. 
• Khi làm nguội về nhiệt độ phòng, một hợp kim với thành phần nằm trong 
khoảng này phải đi qua ít nhất một phần của vùng pha  và tạo thành một vi cấu 
trúc riêng biệt. 
• Gang là hợp kim sắt có thành phần nằm trong khoảng 2,14 – 6,70 % kl C (thực 
tế < 4,5 % kl C).
9.3.6.2 Phát triển vi cấu trúc trong hợp kim Fe-C
• Xét một hợp kim có thành phần cùng tích (0,76 % kl C) được làm nguội rất 
chậm từ nhiệt độ 800oC (điểm a) dọc theo đường xx’. 
• Đầu tiên hợp kim chỉ gồm pha austenite có thành phần 0,76 % kl C và có vi cấu 
trúc như hình vẽ. 
• Không có bất kỳ thay đổi nào xảy ra cho đến khi đạt nhiệt độ chuyển biến cùng 
tích (727oC). 
62
63
• Khi vượt qua nhiệt độ này đến điểm b, pha austenite sẽ chuyển hóa theo phương 
trình: (0,76 % kl C) [ (0,022 % kl C) + Fe3C(6,7 %kl C)]
• Vi cấu trúc của tổ chức cùng tích này bao gồm các lớp xen kẽ nhau của hai pha 
và Fe3C tạo thành đồng thời trong quá trình chuyển hóa. 
• Vi cấu trúc này được biểu diễn như trên hình và còn gọi là pearlite vì có hình 
dạng giống như xà cừ khi nhìn trên kính hiển vi với độ phóng đại thấp. 
• Pearlite có tính chất trung gian giữa ferrite mềm, dẻo và cementite cứng, giòn.
Ảnh chụp kim tương với độ phóng đại 500 
lần của hợp kim sắt có thành phần cùng 
tích cho thấy vi cấu trúc của pearlite bao 
gồm các lớp xen kẽ của ferrite (các lớp 
dày màu sáng hơn) và Fe3C (các lớp mỏng 
màu tối hơn).
64
• Do thành phần của pha  (0,76 % kl C) khác với thành phần của ferrite (0,022 
% kl C) và cementite Fe3C (6,7 %kl C) nên sự chuyển biến pha cần có sự tái phân 
bố lại cacbon bằng quá trình khuếch tán.
Hình biểu diễn sự thay đổi 
vi cấu trúc đi kèm với phản 
ứng cùng tích. Cacbon 
khuếch tán khỏi vùng 
ferrite 0,022 % và đến các 
lớp cementite 6,7 % khi 
pearlite mở rộng từ biên 
giới hạt đến các hạt 
austenite chưa phản ứng. 
Dạng pearlite tấm tạo thành vì nguyên tử cacbon chỉ cần khuếch tán trên những 
khoảng cách nhỏ trong quá trình hình thành sản phẩm này
65
• Nếu làm nguội tiếp tục xuống dưới điểm b thì không xảy ra thay đổi vi cấu trúc 
nào đáng kể.
9.3.6.2.1 Hợp kim trước cùng tích (hypoeutectoid alloys)
• Hợp kim có thành phần C0 nằm bên trái điểm cùng tích, trong khoảng 0,022 –
0,76 % C, được gọi là hợp kim trước cùng tích (hypoeutectoid alloys). 
• Quá trình làm nguội hợp kim này được biểu thị bằng việc đi xuống dọc theo 
đường yy’.
• Ở khoảng 875oC (điểm c) vi cấu trúc của nó chỉ gồm các hạt của pha austenite .
• Khi làm nguội đến 775oC (điểm d) cả hai pha và  cùng tồn tại như trong hình. 
Các hạt nhỏ sẽ tạo thành dọc theo biên giới hạt ban đầu của austenite  .
• Khi làm nguội ngang qua vùng + , thành phần của ferrite thay đổi theo đường 
MN và ngày càng tương đối giàu cabon hơn, còn thành phần của pha austenite sẽ 
thay đổi theo đường MO. 
• Khi hạ nhiệt độ đến điểm e sẽ làm tăng phần khối lượng của pha , nên các hạt 
sẽ phát triển to hơn.
66
67
• Khi nhiệt độ hạ xuống thấp hơn nhiệt độ chuyển biến cùng tích (điểm f), tất cả 
pha  (có thành phần cùng tích) sẽ chuyển thành pearlite, còn pha hầu như 
không thay đổi hiện diện như một pha nền liên tục xung quanh các cụm pearlite. 
• Do đó pha ferrite sẽ có mặt cả trong pearlite (gọi là ferrite cùng tích) và trong 
pha tạo thành khi làm nguội qua vùng +  (gọi là ferrite trước cùng tích –
proeutectoid ferrite).
68
• Ảnh chụp kim tương của thép có 0,38 % kl C với độ phóng đại 635 lần cho thấy 
các vùng ferrite trước cùng tích (vùng sáng và rộng) và vùng pearlite (vùng tối 
hơn). 
• Đối với pearlite, khoảng cách giữa các lớp và Fe3C thay đổi tùy theo hạt. Một 
số hạt pearlite trở nên tối vì nhiều lớp nằm gần nhau không thể quan sát được trên 
kính hiển vi có độ phóng đại thấp.
Phần trăm khối lượng 
của trước cùng tích và 
pearlite có thể xác định 
tương tự như đối với 
sơ cấp và tổ chức cùng 
tinh. Ví dụ xét hợp kim 
có nồng độ C’0
69
Phần khối lượng cùa pearlite:
74,0
022,0C
022,076,0
022,0C
UT
T
W
'
0
'
0
P
Phần khối lượng của trước cùng tích:
74,0
C76,0
022,076,0
C76,0
UT
U
W
'
0
'
0
'
9.3.6.2.2 Hợp kim sau cùng tích (hypereutectoid alloys)
Xét quá trình làm nguội của hợp kim có thành phần C1 nằm giữa 0,76 và 2,14 % 
kl C từ điểm g (920oC) theo đường zz’.
• Tại điểm g chỉ có pha  có mặt với thành phần C1 và vi cấu trúc biểu diễn như 
trong hình. 
• Khi làm nguội đến điểm h (780oC) thì pha cementite sẽ tạo thành dọc theo biên 
giới hạt  ban đầu và được gọi là cementite trước cùng tích. 
• Pha cementite sẽ có thành phần không đổi (6,70 % kl C) khi nhiệt độ thay đổi 
nhưng thành phần pha austenite sẽ thay đổi theo đường PO
70
71
• Khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển biến cùng tích (điểm i), tất cả austenite 
còn lại có thành phần cùng tích sẽ chuyển thành pearlite . Vi cấu trúc tạo thành sẽ 
gồm pearlite và cementite trước cùng tích.
Ảnh chụp kim tương của thép có 
1,4 % kl C với độ phóng đại 
1000 lần cho thấy các vùng 
cementite trước cùng tích (màu 
sáng hơn) và các cụm pearlite. 
Do hình ảnh rất giống nhau nên 
khó phân biệt thép trước cùng 
tích và sau cùng tích bằng cách 
quan sát vi cấu trúc của chúng.
72
• Phần trăm khối lượng của cementite trước cùng tích và pearlite có thể xác định 
tương tự như đối với hợp kim trước cùng tích. Ví dụ xét hợp kim có nồng độ C’1
– Phần khối lượng cùa pearlite: 
– Phần khối lượng của cementite trước cùng tích:
94,5
C70,6
76,070,6
C70,6
XV
X
W
'
1
'
1
P
94,5
76,0C
76,070,6
76,0C
XV
V
W
'
1
'
1
CFe3
9.3.6.2.3 Làm nguội không cân bằng
Khi làm nguội không cân bằng thì có hai hệ quả quan trọng sau đây:
a) Các chuyển biến pha sẽ xảy ra ở nhiệt độ khác với nhiệt độ trên giản đồ pha cân 
bằng 
b) Sự tồn tại của các pha không cân bằng ở nhiệt độ phòng sẽ không xuất hiện trên 
giản đồ pha cân bằng.
9.3.6.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim khác
• Việc thêm các nguyên tố hợp kim khác như Cr, Ni, Ti, sẽ gây ra những biến đổi 
đáng kể đến giản đồ Fe-C. 
73
• Mức độ biến đổi các vị trí biên giới pha và hình dạng của các vùng pha sẽ phụ 
thuộc vào loại nguyên tố hợp kim thêm vào và nồng độ của chúng.
• Các hình sau cho thấy sự thay đổi của nhiệt độ chuyển biến cùng tích và thành 
phần cùng tích (% kl C) theo sự thay đổi nồng độ của các nguyên tố hợp kim khác 
nhau. 
74
• Do đó việc hợp kim hóa không chỉ thay đổi nhiệt độ chuyển biến cùng tích mà 
còn làm thay đổi tỷ lệ khối lượng của các pha pearlite và các pha trước cùng tích.
• Thép thường được hợp kim hóa để tăng độ bền ăn mòn hoặc làm cho quá trình 
xử lý nhiệt dễ xảy ra hơn.