Tài liệu CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH ppt

CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.1 CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI LỎNG VÀ ĐIỀU KIỆN KẾT TINH 2.1.1 Cấu tạo kim loại lỏng - Phần lớn kim loại chế tạo từ trạng thái lỏng làm nguội khuôn thành trạng thái rắn - Khi làm nguội kim loại kim loại lỏng xẩy trình kết tinh: mạng tinh thể hạt tạo thành BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.1.2 Điều kiện lượng trình kết tinh + Đặc điểm cấu trúc kim loại lỏng: - Các nguyên tử có xu hướng tạo thành nhóm nguyên tử xắp xếp có trật tự (tức có trật tự gần mà khơng có trật tự xa trạng thái rắn); - Các nhóm ngun tử sếp có trật tự hình thành thời gian ngắn, xau lại tản để lại xuất chỗ khác, có nghĩa hình thành lại tản chúng q trình xẩy liên tiếp; - Có điện tử tự liên kết kim loại ⇒ giúp kết tinh rễ dàng BỘ MƠN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 2.1.2 Điều kiện lượng trình kết tinh + Sự biến đổi lượng kết tinh Năng lượng dự trữ đặc trưng đại lượng khác gọi lượng tự F - Ở nhiệt độ T > Ts kim loại tồn trạng thái lỏng lượng tự trạng thái lỏng nhỏ nhỏ lượng tự trạng thái rắn Fl< Fr - Ở nhiệt dộ T < Ts kim loại tồn trạng thái rắn Fr< Fl - Ở nhiệt dộ t độ T0, Fr= Fl Kim loại lỏng trạng thái cân động T0 gọi nhiệt độ kết tinh lý thuyết ⇒ kết tinh thực tế xảy T rth Thì chúng trở nên ổn định, khơng tan chúng lớn lên thành hạt BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 2.2.1 Sự sinh mầm kết tinh - Bán kính tới hạn tính theo cơng thức: 2δ rth = Δf V Trong đó: δ - Sức căng bề mặt rắn lỏng; ∆fV - Độ chênh nămg lượng tự tính cho đơn vị thể tích BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 2.2.1 Sự sinh mầm kết tinh + Mầm ký sinh - Là mầm khơng tự sinh lịng pha mà dựa vào vị trí có “khuyết tật” Đó phần tử rắn có sẵn lịng kim loại lỏng Các nhân nguyên tử xếp có trật tự gắn vào mà phát triển lên thành hạt Khuyết tật BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 2.2.2 Sự lớn lên mầm - Khi kích thước mầm r ≤ rth phát triển mầm tự phát, giảm lượng tự Khi nhiệt độ kết tinh thực tế thấp r th nhỏ, kết tinh dễ dàng Sự lớn lên mầm không theo phương Phương có mật độ nguyên tử lớn tốc độ phát triển mầm theo phương cao theo phương tản nhiệt nhanh, mầm phát triển nhanh BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.3 Sự hình thành hạt tinh thể phương pháp tạo hạt nhỏ thỏi đúc 2.3.1- Tiến trình kết tinh Khi mầm tạo nên trước lớn lên mầm khác kim loại lỏng tiếp tục hình thành Sự hết tinh tiếp tục phát triển khơng cịn kim loại lỏng Q trình kết tinh mầm định hướng ngẫu nhiên nên phương mạng hạt không đồng hướng lệch góc ⇒ Xuất xơ lệch mạng tinh thể vùng biên giới hạt BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 10 CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.3.3- Kích thước hạt - Kích thước hạt tiêu để đánh giá chất lượng kim loại – quan hệ chặt chẽ tới tính - Các cách xác định độ lớn hạt: + Đo diện tích trung bình hạt (Phức tạp-ít dùng); + Đo đường kính lớn hạt; + So sánh với bảng mẫu cấp hạt Thường có cấp hạt chính: 1-4 cấp hạt to 5-8 cấp hạt nhỏ BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 12 2.3.4- Các phương pháp tạo hạt nhỏ đúc a, Nguyên lý tạo hạt nhỏ đúc Hai yếu tố định kích thước hạt kết tinh là: - Tốc độ tạo mầm; - Tốc độ phát triển mầm + Tốc độ tạo mầm lớn ⇒ số mầm tạo nhiều ⇒ hạt nhỏ + Tốc độ phát triển mầm nhanh ⇒ hạt lớn BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 13 2.3.4- Các phương pháp tạo hạt nhỏ đúc Bằng thực nghiệm cho thấy: v A = a n Trong : A – Kích thước hạt; a – Hệ số; v – Tốc độ phát triển mầm; n – Tốc độ tạo mầm ⇒ Nguyên lý tạo hạt nhỏ, đúc tăng tốc độ tạo mầm n giảm tốc độ phát triển mầm v BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 14 2.3.4- Các phương pháp tạo hạt nhỏ đúc b, Các phương pháp làm hạt nhỏ đúc - Gồm phương pháp là: tăng độ nguội, biến tính + Tăng độ nguội Khi tăng độ nguội, tốc độ tạo mầm n, tốc độ phát triển mầm v tăng, n tăng nhanh v, nên làm hạt nhỏ BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 15 2.3.4- Các phương pháp tạo hạt nhỏ đúc + Phương pháp biến tính - Kết hợp với tạp chất kim loại lỏng tạo thành hợp chất khó chảy, khơng tan lơ lửng lịng khối kim loại lỏng, tạo mầm có sẵn – Tạo mầm ký sinh – Tăng tốc độ tạo mầm; (VD cho khoảng 20g đến 50g Al cho thép lỏng) với lượng nhôm đủ kết hợp với ơxy, nitơ hồ tan thép lỏng toạ thành AL2O3 AlN phân tán đều) - Hoà tan tạp chất vào kim loại lỏng để hạn chế tốc độ phát triển mầm v (VD đúc hợp kim Al - Si, người ta cho vào lượng Natri làm giảm phát triển tinh thể Silic) ⇒ Đây phương pháp hiệu để nhận hạt nhỏ, làm biến đổi tính chất (cơ tính), nên gọi phương pháp biến tính BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 17 2.4 CẤU TẠO TINH THỂ VẬT ĐÚC - Hình dạng độ lớn hạt phụ thuộc vào độ nguội, tốc độ, phương tản nhiệt 2.4.1- Cấu tạo tinh thể thỏi đúc + Lớp vỏ gồm hạt nhỏ đẳng trục (vùng 1) Do: - Tốc độ nguội thành khuôn lớn, nên độ nguội ∆T lớn; - Thành khuôn có độ nhấp nhơ nên tạo điều kiện để mầm có sẵn BỘ MƠN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 18 2.4 CẤU TẠO TINH THỂ VẬT ĐÚC + Vùng trung gian gian có dạng hình trụ (vùng 2) theo phương vng góc với thành khn Do: - Nhiệt độ thành khuôn lớn lên, nên độ nguội ∆T thấp; - Hạt phát triển ngược chiều với phương tản nhiệt, mà phương tản nhiệt theo chiều vng góc với thành khn ngắn BỘ MƠN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 19 2.4 CẤU TẠO TINH THỂ VẬT ĐÚC + Vùng trung tâm (vùng 3) gồm hạt lớn đẳng trục Do: - Nhiệt độ thành khuôn lớn, nên độ nguội ∆T nhỏ; - Mặt khác tốc độ tản nhiệt chậm ởãung quanh có nhiệt độ gần giống nên gần kết tinh đồng thời, phương tản nhiệt không rõ ràng, coi theo phía BỘ MƠN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 20 2.4 CẤU TẠO TINH THỂ VẬT ĐÚC Kết luận: - Kích thước hạt tăng theo chiều từ ngồi vào trong; - Vùng mỏng, hạt nhỏ; - Ti lệ độ lớn hạt vùng phụ thuộc vào tốc độ làm nguội vật liệu làm khn (Làm nguội nhanh vùng 2>3, chí cịn vùng - xuyên tinh, làm nguội chậm vùng 3>2) BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 21 2.4 CẤU TẠO TINH THỂ VẬT ĐÚC 2.4.2 Các khuyết tật thỏi đúc a, Lõm co rỗ co + Khái niệm: - Lõm co: tượng kết tinh, thể tích kim loại co lại (phần kim loại lỏng sau kết tinh bị co lại khơng cịn kim loại lỏng bổ xung nữa) - Rỗ co: tượng kết tinh xuất lỗ hổng nhỏ khắp thể tinh vật đúc, kim loại lỏng khơng kịp bổ xung vào phần thể tích nhỏ bị co lại BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 22 2.4.2 Các khuyết tật thỏi đúc + Đặc điểm: - Lượng co kết tinh giá trị cố định Khi thể tích lõm co tăng tổng thể tích rỗ co giảm ngược lại; - Dạng khuyết tật đương nhiên làm chất kim loại; - Ảnh hưởng khơng tốt đến tính thỏi đúc gia công - Sử dụng đầu ngót để khắc phục tượng lõm co vật đúc BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 23 2.4.2 Các khuyết tật thỏi đúc b, Rỗ khí + Khái niệm: - Rỗ khí: tượng túi khí nhỏ tạo nên q trình kết tinh độ hồ tan khí kim loại giảm đột ngột khí khơng kịp bị mắc kẹt lại + Đặc điểm: - Làm giảm mật độ hạt, làm xấu tính; - Tạo vết nứt tế vi gia công áp lực; - Khắc phục cách khử khí tốt trước rót hay đúc chân khơng BỘ MƠN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 24 2.4.2 Các khuyết tật thỏi đúc c, Thiên tích + Khái niệm: - Thiên tích: tượng phân bố tạp chất nguyên tố cho thêm không đồng thể tích vật đúc - Nguyên nhân: Là khác khả hoà tan, hạn chế khuếch tán pha lỏng pha rắn - Bao gồm: + Thiên tích vĩ mơ - thiên tích vùng; + Thiên tích vi mơ - thiên tích nhánh - phạm vi hạt BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 25 2.4.2 Các khuyết tật thỏi đúc + Đặc điểm: - Làm xấu tính: giảm độ bền, gảm khả gia cơng áp lực,…; - Do chất vật lý trình kết tinh nên khơng thể loại bỏ được; - Khắc phục cách khuấy trước rót, làm nguội nhanh (giảm thiên tích vùng) ủ khuếch tán sau đúc (giảm thiên tích nhánh cây) BỘ MƠN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 26 2.4.2 Các khuyết tật thỏi đúc d, Ứng suất đúc + Khái niệm: - Ứng suất đúc: tượng vật đúc không làm nguội đồng vùng khác - Nguyên nhân: * Quá trình kết tinh co xảy không lúc phần khác nhau; * Các chuyên pha xảy không đồng thời toàn vật đúc (kèm theo thay đổi thể tích); * Do hình dạng phức tạp vật đúc + Đặc điểm: - Gây cong vênh, nứt phá huỷ chi tiết; - Tồn thời tồn lâu dài; - Đôi ứng suất dư có lợi; BỘ MƠN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 27 ... nhanh, mầm phát triển nhanh BỘ MÔN VẬT LIỆU KỸ THUẬT CHƯƠNG 2: SỰ KẾT TINH 2.3 Sự hình thành hạt tinh thể phương pháp tạo hạt nhỏ thỏi đúc 2.3.1- Tiến trình kết tinh Khi mầm tạo nên trước lớn lên... gọi nhiệt độ kết tinh lý thuyết ⇒ kết tinh thực tế xảy T