CHƯƠNG 1: CẤU TẠO TINH THỂ SỰ HÌNH THÀNH 4 1.1. Cấu tạo nguyên tử và các dạng liên kết trong vật rắn 4 1.2. Cấu tạo mạng tinh thể lý tưởng trong vật rắn 9 1.3. Các sai lệch trong mạng tinh thể 22 1.4. Khái niệm cơ bản khi nghiên cứu tinh thể 30 1.5. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại. 31
LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CẤU TẠO TINH THỂ &SỰ HÌNH THÀNH 1.1 Cấu tạo nguyên tử dạng liên kết vật rắn 1.2 Cấu tạo mạng tinh thể lý tưởng vật rắn 1.3 Các sai lệch mạng tinh thể 1.4 Khái niệm nghiên cứu tinh thể 1.5 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại CHƯƠNG 1: CẤU TẠO TINH THỂ &SỰ HÌNH THÀNH Tuỳ theo điều kiện tạo thành (nhiệt độ, áp suất …) tương tác phần tử cấu thành (dạng lực liên kết …), vật chất tồn trạng thái rắn, lỏng khí (hơi) Tính chất vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào lực liên kết cách xắp xếp phần tử cấu tạo nên chúng Trong chương khái niệm đề cập là: cấu tạo nguyên tử, dạng liên kết cấu trúc tinh thể, không tinh thể vật rắn 1.1 Cấu tạo nguyên tử dạng liên kết vật rắn Trong phần khảo sát khái niệm cấu tạo nguyên tử dạng liên kết chúng, yếu tố đóng vai trị định với cấu trúc tính chất vật rắn, vật liệu 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử Nguyên tử theo quan điểm cũ bao gồm hạt nhân mang điện dương điện tử mang điện âm quay chung quanh theo quỹ đạo xác định Hạt nhân nguyên tử cấu tạo proton notron Proton mang điện dương có điện tích điện tích điện tích điện tử, notron khơng mang điện Trong trạng thái bình thường nguyên trung tử trung hịa điện số lượng Proton số lượng điện tử Tuy nhiên với mơ hình khơng giải khó khăn nảy sinh, đặc biệt việc xác định xác quỹ đạo điện tử Áp dụng học sóng để nghiên cứu cấu tạo nguyên tử thấy theo hệ thức bất định Heisenberg: ∆x ∆p ≥ h (1.1) h ∆x ∆v ≥ m Trong đó: ∆x: độ bất định phép đo toạ độ vi hạt ∆p: độ bất định phép đo xung lượng vi hạt ∆v: độ bất định phép đo vận tốc vi hạt Áp dụng nguyên lý cho điện tử nguyên tử thấy muốn xác định vị trí điện tử ∆x ≤ 10-4 µm (là cỡ kích thước ngun tử) ∆v ≥ 106 m/s tức lớn tốc độ chuyển động điện tử ngun tử theo mơ hình cổ điển Vì khơng thể có khái niệm quỹ đạo điện tử mà nói đến xác suất tồn thể tích Theo quan điểm học lượng tử sau giải phương trình sóng Schrodinger với mơ hình ngun tử cụ thể giải vấn đề cấu tạo lớp vỏ điện tử nguyên tử Với nguyên tử cụ thể theo mơ hình với số điện tử Z xác định có cấu tạo lớp vỏ điện tử Khối lượng nguyên tử khối lượng hạt nhân khối lượng Proton notron lớn nhiều so với khối lượng điện tử Với khối lượng điện tử proton, hạt nhân chứa số lượng notron khác tạo nên đồng vị nguyên tố hóa học Xác xuất tìm thấy điện tử quỹ đạo xung quanh hạt nhân xác định bốn tham số gọi số lượng tử Trạng thái lượng điện tử nguyên tử xác định bốn số lượng tử - Số lượng tử n = 1, 2, 3, xác định mức lượng lớp vỏ điện tử Ví dụ: n = lớp K, n = lớp L, n = lớp M n = lớp N - Số lượng tử phương vị l = 0, 1, 2, , n-1 xác định số phân lớp mức lượng Ví dụ: l = 0, 1, 2, tương ứng với phân lớp s, p, d , f - Số lượng tử từ ml = 0, ± 1, ± 2, ± l xác định khả định hướng mô men xung lượng quỹ đạo theo từ trường bên - Số lượng tử Spin mS = ± 1/2 xác định khả định hướng ngược chiều véc tơ mơ men xung lượng Ngồi việc phân bố điện tử với trạng thái (n, l, m) xác định phải tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli có hai điện tử với Spin ngược Dựa vào nguyên lý dự đoán số điện tử cho phép mức lượng (lớp phân lớp) qua viết cấu hình lớp vỏ điện tử nguyên tử theo số thứ tự z chúng hệ thống tuần hoàn Meldeleev (cũng số điện tử nguyên tử mơ hình lý tưởng) Ví dụ: Cu có z = 29 ta có cấu tạo lớp vỏ điện tử là: 1 s 2s 2p 3s 3p 3d10 4s1 K L M N điện tử chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác (thuộc lớp phân lớp) Khi chúng phát thu vào lượng dạng lượng tử ánh sáng Theo số lượng tử n ta có bảng số lượng điện tử (số trạng thái lượng) số lớp phân lớp sau: Số lượng Ký hiệu Ký hiệu tử lớp 1s điện phân lớp n tử 2s 2p K 3s 3p 3d S 4s 4p 4d 4f S L P S P M D S P N D F Số điện tử -K Phân Lớp - L lớp 2- M (1) -N (1) (3) (1) (3) 18 10 (5) (1) (3) 32 10 (5) 14 (7) Bảng 1.1 Số lượng điện tử lớp phân lớp (số ngoặc số trạng thái có thể) 1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử thường gặp vật rắn Theo điều kiện bên (P, T) vật chất tồn ba trạng thái: rắn, lỏng, - Trạng thái rắn: có trật tự (trật tự xa) - Trạng thái lỏng: có trật tự (trật tự gần) - Trạng thái hơi: hỗn độn, khơng có trật tự Độ bền vật liệu trạng thái rắn phụ thuộc vào dạng liên kết vật rắn, chất rắn thường gặp bốn loại liên kết sau đây: Liên kết đồng hóa trị, liên kết ion, liên kết kim loại, liên kết hỗn hợp liên kết vanderval 1.1.2.1 Liên kết đồng hoá trị Đây dạng liên kết mà nguyên tử tham gia liên kết góp chung điện tử lớp cùng, tạo lớp đạt trị số bão hồ số điện tử (s2p6) Như tạo liên kết đồng hoá trị tạo lớp ngồi ngun tử có tám điện tử, với dạng liên kết có đặc điểm sau: - Là loại liên kết có định hướng, nghĩa xác suất tồn điện tử tham gia liên kết lớn theo phương nối tâm nguyên tử (hình 1.1) A B A B A B Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị khí Cl2 - Cường độ liên kết phụ thuộc mạnh vào mức độ liên kết điện tử hố trị với hạt nhân Ta thấy rõ, bon dạng thù hình kim cương có liên kết cộng hoá trị mạnh điện tử hoá trị liên kết trực tiếp với hạt nhân Do nhiệt độ nóng chảy cao 3550 0C, ngược lại với Sn điện tử hố trị nằm xa hạt nhân nên có liên kết cộng hoá trị yếu hạt nhân nhiệt độ nóng chảy thấp 2700C - Liên kết cộng hố trị xảy nguyên tử nguyên tố (đồng cực) thuộc nhóm từ IV A đến VII A (ví dụ Cl 2, F2, Br2, ) nguyên tử nguyên tố khác (dị cực) thuộc nhóm III A V A II A VI A (GaAs, GaP, ) 1.1.2.2 Liên kết Ion Là loại liên kết mạnh, hình thành lực hút điện tích trái dấu (lực hút tĩnh điện Coulomb) Liên kết xảy nguyên tử cho bớt điện tử lớp trở thành Ion dương nhận thêm điện tử để trở thành Ion âm Vì liên kết Ion thường xảy thể rõ rệt với nguyên tử có nhiều điện tử hố trị (á kim điển hình nhóm VIB, VIIB) ngun tử có điện tử hố trị (kim loại điển hình nhóm IB, IIB) Ví dụ LiF, NaCl, Al 2O3, Fe2O3, Cũng giống liên kết cộng hoá trị, liên kết Ion mạnh (bền vững) nguyên tử chứa điện tử nghĩa điện tử cho nhận nằm gần hạt nhân Liên kết ion loại liên kết khơng định hướng Ví dụ: hydro tạo với F, Cl, Br, I hợp chất HF, HCl, HBr, HI Năng lượng liên kết tính cơng thức: U=− A r , (1.2) Và lực liên kết: F= du = − B dr r (1.3) Trong đó: A B: Các số phụ thuộc vào phần tử liên kết r: Khoảng cách phần tử liên kết Dấu (-)chỉ lượng lực liên kết có xu hướng làm giảm khoảng cách phần tử liên kết.c 1.1.2.3 Liên kết kim loại Đặc điểm chung ngun tử ngun tố kim loại có điện tử hố trị lớp ngồi cùng, chúng dễ (bứt ra) điện tử tạo thành Ion Ion dương dương bị bao quanh mây điện tử tự Các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt Mây e- tự dolà không gian điện tử tự chung, mơ hình liên kết kim loại Hình 1.2 Liên kết kim loại Liên kết kim loại thường rõ rệt với nguyên tử có điện tử hóa trị (do dễ điện tử) Các nguyên tử thuộc nhóm I có điện tử hoá trị kim loại điển hỉnh, thể rõ rệt liên kết kim loại Càng dịch sang phải bảng hệ thống tuần hồn, tính đồng hố trị liên kết tăng lên xuất liên kết hỗn hợp “kim loại - đồng hoá trị” Cấu trúc tinh thể chất với liên kết kim loại có tính đối xứng cao Liên kết kim loại dạng hỗn hợp: gồm lực hút điện tích trái dấu lực đẩy điện tích dấu Năng lượng liên kết liên kết kim loại tính cơng thức: U=− A B C + + r r r I II (1.4) III Với A, B, C hệ số I : Năng lượng hút điện tích trái dấu II, III: Năng lượng đẩy điện tích dấu 1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp Thực tế, tồn dạng liên kết tuý có kiểu liên kết Liên kết đồng hoá trị tuý xảy trường hợp đồng cực Khi liên kết dị cực, điện tử hố trị góp chung, tham gia liên kết đồng thời chịu hai tác dụng trái ngược: - Bị hút hạt nhân - Bị hút hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo điện tử chung Khả hút điện tử hạt nhân gọi tính âm điện nguyên tử Sự khác tính âm điện nguyên tử tham gia liên kết liên kết đồng hoá trị làm cho đám mây điện tử bị biến dạng tạo ngẫu cực điện tiên đề cho liên kết ion Tính chất liên kết ion lớn sai khác tính âm điện nguyên tử cao Do khẳng định tất liên kết dị cực hỗn hợp liên kết ion đồng hoá trị 1.1.2.5 Liên kết yếu (liên kết Vander Waals) Liên kết đồng hoá trị cho phép lý giải tạo thành phân tử nước polyetilen (C2H4)n khơng giải thích hình thành phân tử rắn từ phân tử trung hoà (nước đá, polyme ) Ta biết phân tử có liên kết đồng hố trị, khác tính âm điện nguyên tử dẫn đến trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, ngẫu cực điện hình thành, phân tử trung hoà bị phân cực Liên kết Vander Waals liên kết hiệu ứng hút nguyên tử phân tử bị phân cực (hình 1.3) Liên kết loại liên kết yếu, dễ bị phá vỡ ba động nhiệt (khi tăng nhiệt độ) Vì vật rắn có liên kết Vander Waals có nhiệt độ nóng chảy thấp (nước đá nóng chảy 00C) Năng lượng liên kết: A r6 U=− (1.5) Và lực liên kết: F=− B r7 (1.6) a, b, c, Hình 1.3 Quá trình tạo thành liên kết Vander Waals a: Trung hoà b: Phân cực c: Tạo liên kết 1.2 Cấu tạo mạng tinh thể lý tưởng vật rắn Các vật rắn tự nhiên phân thành hai nhóm vật rắn tinh thể vật vơ định hình Việc phân loại để tạo thuận lợi cho qúa trình mơ hình hoá nghiên cứu vật liệu Các vật liệu kim loại loại vật liệu kết cấu chủ yếu vật có cấu tạo tinh thể Do để nghiên cứu cấu tạo chúng trước hết cần tìm hiểu khái niệm vật tinh thể vật vơ định hình 1.2.1 Vật tinh thể vật vơ định hình Theo quan điểm vật lý chất rắn, vật rắn gọi vật tinh thể chúng đồng thoả mãn điều kiện sau: - Là vật tồn với hình dáng xác định khơng gian, hình dáng bên ngồi chúng thể phần tính chất bên - Vật tinh thể ln ln tồn nhiệt độ nóng chảy (hoặc kết tinh) xác định Có nghĩa nung nóng vật tinh thể ln có nhiệt độ chuyển biến từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng xác định Điều làm nguội vật tinh thể từ thể lỏng - Vật tinh thể bị đập gãy (phá huỷ), bị gãy theo mặt xác định bề mặt vết gãy khơng nhẵn bóng Tính chất thể rõ rệt khác biệt tính chất vật tinh thể với vật vơ định hình - Vật tinh thể ln có tính dị hướng, có nghĩa tính chất (cơ, lý, hố tính) theo phương khác ln có khác biệt Điều thể rõ xắp xếp nguyên tử vật tinh thể tuân theo quy luật xác định Ngược lại với vật tinh thể vật vơ định hình Vật vơ định hình vật khơng tồn hình dạng xác định khơng gian (có hình dáng vật chứa nó) Khơng có nhiệt độ nóng chảy kết tinh xác định, khơng thể tính dị hướng Một số vật vơ định hình tiêu biểu nhựa đường, parafin, thuỷ tinh Tuy nhiên việc phân biệt rõ ràng rạch ròi vật tinh thể vật vơ định hình mang tính tương đối Với phát triển vật lý đại, ranh giới vật tinh thể vật vơ định hình trở nên khơng rõ ràng, ví dụ với vật liệu kim loại tiến hành nguội nhanh với tốc độ nguội lớn (đến hàng triệu C/s) ta thu kim loại có độ hạt nhỏ thể tính chất vật vơ định hình 1.2.2 Cấu tạo mạng tinh thể lý tưởng vật rắn 1.2.2.1 Khái niệm mạng tinh thể Qua xem xét tính chất vật tinh thể, thấy rằng, tính chất bị chi phối định cách xắp xếp nguyên tử (hoặc ion, phân tử) vật rắn Vì để nắm rõ mối quan hệ ứng dụng nghiên cứu, xử lý vật liệu cần vào quy luật xắp xếp nguyên tử vật tinh thể Do ta có khái niệm mạng tinh thể a) Mạng tinh thể: mơ hình khơng gian, dùng để nghiên cứu quy luật xắp xếp nguyên tử (hoặc ion, phân tử) vật tinh thể Từ mô hình cho phép xác định đặc trưng bản, định hướng tính chất vật liệu sử dụng Như để xây dựng mơ hình mạng tinh thể, ta cần phải xác định hệ toạ độ đơn vị đo xây dựng mạng tinh thể Phương pháp xây dựng mạng tinh thể: Để xây dựng mơ hình mạng tinh thể trước hết ta chọn nguyên tử (ion, phân tử) ( từ gọi chất điểm ) làm gốc Từ chất điểm gốc ta kẻ ba trục tọa độ qua ba chất điểm gần ( không mặt phẳng ) làm ba z y trục tọa độ Như trục tọa độ hệ tọa độ Decarte thu có hàng loạt chất điểm cách Qua chất điểm ta dựng đường thẳng song song với trục x tọa độ Các đường thẳng cắt tạo thànhO mơ hình mạng tinh thể (hình 1.4) Hình 1.4 Mơ hình mạng tinh thể Với mơ hình mạng tinh thể vậy, thấy để xác định vị trí mạng tinh thể, ta có véc tơ định vị là: (1.7) rn = m a + n b + j c Trong đó: a : Véc tơ đơn vị theo trục Ox, có trị số khoảng cách hai chất điểm gần theo trục Ox b : Véc tơ đơn vị theo trục Oy c : Véc tơ đơn vị theo trục Oz m, n, j: Chỉ số theo ba trục toạ độ Ox, Oy, Oz Như mơ hình mạng tinh thể xác định có sáu thơng số ba véc tơ đơn vị a , b , c ba góc α (zOx, yOx), β (zOy, yOx), γ (zOy, zOx) Từ cách xây dựng trên, thấy mạng tinh thể có tính chất sau: - Mạng tinh thể vô tận, không tồn khái niệm kích thước mạng mà có giá trị xác định véc tơ đơn vị góc định vị (do số lượng nguyên tử vật rắn vô tận) - Khi dịch chuyển mạng tinh thể khoảng cách khoảng cách hai chất điểm theo phương nối hai chất điểm đó, mạng tự trùng lặp với Khoảng cách gọi chu kỳ lặp mạng Nếu khoảng cách đo theo trục toạ độ gọi chu kỳ mạng hay thông số mạng - Mạng tinh thể mơ hình khơng gian, tồn nhiều yếu tố đối xứng khác - Tuỳ thuộc vào thông số xác định mạng tinh thể ( a , b , c , α, β, γ) có kiểu mạng khác có quy luật xắp xếp chất điểm khác Mạng tinh thể lý tưởng mạng mà đáp ứng hoàn hảo quy luật xắp xếp chất điểm vị trí, xác suất bắt gặp chất điểm một, chất điểm hoàn toàn giống kích thước chất Như xây dựng mạng tinh thể cho vật rắn bất kỳ, có mơ hình khơng gian vơ tận xắp xếp chất điểm Việc nghiên cứu tồn mạng khó khăn khơng cần thiết Chính để thuận lợi cho nghiên cứu tinh thể, người ta tiến hành nghiên cứu từ phần tử nhỏ cấu tạo nên mạng tinh thể b) Ơ mạng tinh thể: Với cách xây dựng mạng tinh thể nêu thấy rằng, kiểu mạng tinh thể hoàn toàn xác định với sáu thơng số Như hình dung rằng, có phần tử nhỏ có cấu tạo đặc trưng cho tồn kiểu mạng mạng tinh thể hình thành vơ số phần tử xếp sít Phần tử gọi mạng tinh thể Và nghiên cứu tính chất mạng tinh thể vô tận chuyển nghiên cứu thơng qua có kích thước hình dáng cụ thể Như với tư cách ô mạng tinh thể, cần phải thoả mãn nguyên tắc sau: - Ô phải đảm bảo đặc trưng hoàn chỉnh cho cấu tạo kiểu mạng, bao gồm thoả mãn điều kiện đối xứng tinh thể (đối xứng gương, đối xứng tâm, đối xứng trục quay) đỉnh ô phải có chất điểm - Đỉnh phải có chất điểm - Thể tích phải nhỏ c) Thông số mạng (hằng số mạng): khoảng cách hai nguyên tử cạnh khối sở Thông số mạng kích thước mạng tinh thể, từ suy khoảng cách mạng Đơn vị đo thông số mạng kx (nano mét) hay ăngstrong, với 1kx = 1,00202 10 -8cm Theo thơng số mạng ta tính đường kính ngun tử kim loại Thơng số mạng thường ký hiệu a Với kiểu mạng tinh thể có đặc trưng nó, thông qua ô xác định kiểu mạng tinh thể Để phân loại mạng tinh thể người ta chia thành: - Hệ mạng tinh thể phân loại theo hình khối (ví dụ lập phương, lục giác ) - Kiểu mạng tinh thể hình thức phương pháp xắp xếp chất điểm ô mạng Sự kết hợp hệ kiểu cho loại mạng tinh thể bản, loại mạng tinh thể thống kê thành 14 kiểu mạng tinh thể Bravais Kiểu Hệ Đơn giản Tam tà X Đơn tà X Đáy tâm Thể tâm X x Diện tâm Quan hệ thông số mạng a≠b≠c α ≠ β ≠ γ ≠ 900 a≠b≠c Trực giao x Mặt thoi x x Lục giác X X X X x Lập phương x Chính phương x α = β = 900, γ ≠ 900 a≠b≠c α = β = γ = 900 a=b=c α ≠ β ≠ γ ≠ 900 a=b≠c α = β = 900, γ = 1200 a=b=c α = β = γ = 900 a=b≠c α = β = γ = 900 Bảng 1.2 14 kiểu mạng Bravais 1.2.2.2 Một số kiểu mạng tinh thể thường gặp kim loại a) Mạng lập phương thể tâm (A2, K8): Xét ô mạng khối lập phương, nguyên tử bố trí đỉnh tâm khối lập phương - Thông số mạng (chu kì mạng): a - Số nguyên tử ô (số nguyên tử thuộc khối nV): nnt + = nnt = nV = (nguyên tử) (1.8) a a a a Hình 1.5 Mạng lập phương thể tâm mặt xếp sít nguyên tử - Số xếp K: số nguyên tử gần quanh nguyên tử K = - Cách xếp nguyên tử: nguyên tử xếp xít theo đường chéo khối (hình 1.5) - Bán kính ngun tử: r nt a r nt = (1.9) - Lỗ hổng mạng tinh thể: nguyên tử hình cầu, xếp sít mà khơng bị biến dạng tồn lỗ hổng Các lỗ hổng mạng lập phương thể tâm: Lỗ hổng khối tám mặt nằm tâm mặt bên, lỗ hổng khối bốn mặt thuộc cạnh bên Ý nghĩa: cho phép xâm nhập khuếch tán vật chất tinh thể phép tạo hợp kim - Mật độ mặt mạng tinh thể: tỷ lệ tiết diện nguyên tử thuộc mặt phẳng giới hạn so với diện tích mặt (chỉ tính cho mật độ ngun tử dày mặt bền vững) MS = ΣS nt n S 100 % = S 1nt 100 % S mat S mat (1.10) Trong đó: nS: Số nguyên tử thuộc mặt + = nS = S1nt: Diện tích tiết diện (mặt cắt) nguyên tử thuộc mặt a 3 S1nt = π.r2nt = π Smat: Diện tích mặt tính mật độ mặt Smat = a.a = a2 Thay vào biểu thức ta có: a 3 2.π. n S S1nt 100 % = 83,4 % MS = 100 % = Smat a Ý nghĩa: đánh giá mức độ liên kết nguyên tử mặt xét, mật độ mặt lớn mặt bền vững - Mật độ khối mạng tinh thể: tỉ lệ phần trăm thể tích ngun tử với thể tích Mv = ΣVnt n V 100 % = V 1nt 100 % Vocoban Vocoban Trong đó: V1nt: Thể tích ngun tử 4 a 3 3 = V1nt = π.r = π. π.a 3 16 Vocoban: Thể tích Vocoban = a3 Thay vào biểu thức ta có: n V M v = V 1nt 100 % = Vocoban 3 π.a 16 100 % = 68 % a3 10 (1.11) P(x) P(x) 1 a 2 a a a a a, b, Hình 1.23 Xác suất bắt gặp ngun tử theo khơng gian trạng thái rắn (a) trạng thái lỏng (b) Như kết luận rằng: gần nhiệt độ kết tinh, kim loại lỏng có cấu tạo trật tự gần, trạng thái gần với trạng thái rắn (trật tự xa) trạng thái Tất nhiên tiếp tục tăng nhiệt độ cho kim loại lỏng, tới gần nhiệt độ sơi, kim loại lỏng phá vỡ hồn tồn trạng thái trật tự gần (khơng cịn tồn vùng có cấu tạo tinh thể) Khi kim loại lỏng chuyển sang trạng thái hỗn độn, hồn tồn khơng trật tự gần với trạng thái b Điều kiện lượng trình kết tinh Như xét, thấy mặt cấu trúc, gần nhiệt độ kết tinh kim loại lỏng có cấu tạo gần trạng thái rắn, kết tinh (chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn), việc thấy trình xảy theo giảm nhiệt độ q trình nhiệt động Chính vậy, để nghiên cứu trình kết tinh áp dụng quy luật nhiệt động Trước hết xét điều kiện lượng kết tinh Chúng ta biết, hệ vật lý có xu hướng tồn trạng thái có mức lượng tự thấp, điều thấy qua ví dụ với hệ học đơn giản sau (hình 1.24) Viên bi có ba vị trí tồn (I, II, III) lượng tự viên bi, vị trí I (cao nhất), viên bi có lượng tự lớn nhất, dễ dàng ổn định hai vị trí II III gọi trạng thái không ổn định Tại vị trí III (thấp nhất), viên bi có lượng tự nhỏ nhất, có mức độ ổn định cao (cần lượng lớn để phá vỡ cân bằng) gọi trạng thái ổn định Cịn vị trí II ổn định vị trí I, ổn định vị trí III, xu hướng chuyển sang trạng thái ổn định III, cần phải cấp cho lượng đủ lớn để vượt qua trạng thái không ổn định Năng lượng cần để cấp cho hệ trở trạng thái ổn định gọi hàng rào lượng I II 29 III Hình 1.24 Các trạng thái với mức độ ổn định khác hệ học Hiện nay, quan điểm lượng chứng minh cho hệ vật lý, xét chiều dương xảy trình phải vào điều kiện lượng đầu tiên, điều sử dụng tất trình nghiên cứu khoa học vật liệu Với trình kết tinh, hầu hết kết tinh kim loại lỏng môi trường áp suất khí coi q trình đẳng áp Năng lượng tự đẳng áp hệ (năng lượng Gibbs) tính biểu thức: G = H - T.S (1.29) Trong đó: G: Năng lượng tự đẳng áp hệ; T: Nhiệt độ (0K) H: Entanpi (nhiệt hàm) hệ; S: Entropi hệ Biến thiên lượng tự hệ: dG =dH - T.dS - S.Dt (1.30) Do trình đẳng áp (P = const) nên ta có: dH = Cp.dT dS= Cp dT T (1.31) Thay (2.3) vào (2.2) ta có: dT T dG = − S.dT = − ∫ Cp dT T 0 T T dT G = G − ∫ ∫ Cp dT 0 T (1.32) (1.33) Từ phương trình (2.5) với kim loại ta có đồ thị thay đổi lượng tự hai pha lỏng pha rắn hình (1.25) G GL GR 30 T0 T Hình 1.25 Đồ thị thay đổi lượng tự kim loại lỏng rắn theo nhiệt độ Trên đồ thị ta thấy hai đường cong cắt điểm có nhiệt độ T Từ đồ thị thấy rằng: Khi nhiệt độ hệ nhỏ nhiệt độ T 0, lúc lượng tự pha rắn nhỏ pha lỏng, trạng thái rắn ổn định kim loại tồn trạng thái rắn Ngược lại nhiệt độ lớn nhiệt độ T0, lượng tự pha lỏng nhỏ pha rắn trạng thái lỏng trở nên ổn định hơn, kim loại tồn trạng thái lỏng Tại nhiệt độ T0 ta có: Glỏng = Grn (1.34) Tc l: Hlỏng - T0.Slỏng = Hrn - T0.Srn (1.35) Hrn - Hlỏng = T0(Srn - Slỏng) (1.36) ∆H (1.37) T0 = ∆S ΔH: Độ chênh nhiệt hàm trạng thái rắn trạng thái lỏng kim loại nhiệt nóng chảy kim loại ký hiệu Ln/c Ta suy ra: T0 = Ln / c ∆S (1.38) Nhiệt độ T0 gọi nhiệt độ kết tinh lý thuyết kim loại, nhiệt độ tồn trạng thái cân động pha lỏng pha rắn, chưa xảy trình kết tinh, có phần tử rắn xuất lại có hồ tan trở lại kim loại lỏng nhiêu phần tử rắn Như vậy, muốn trình kết tinh kim loại lỏng xảy ta phải có điều kiện: ΔG = Gr¾n - Gláng < (1.39) Tại nhiệt độ kết thúc Tk phải thỏa mãn: ΔT = T0 - Tk > (1.40) Giá trị ∆T gọi độ nguội kết tinh Và điều kiện kết tinh xảy ∆T > Ta thấy mặt lượng, trình kết tinh kim loại lỏng xảy tồn độ nguội ∆T > 0, song kết tinh xảy theo giai đoạn nào, điều trình bày phần 1.5.1.2 QUÁ TRÌNH TẠO MẦM VÀ PHÁT TRIỂN MẦM KHI KẾT TINH a Quá trình tạo mầm Khi thực kết tinh, tức khắc tồn thể tích kim loại lỏng chuyển sang trạng thái rắn mà phải trải qua giai đoạn khác theo 31 thời gian Ban đầu lòng kim loại lỏng có xuất phần tử rắn đầu tiên, mà khơng bị hồ tan trở lại kim loại lỏng Người ta gọi q trình tạo mầm, q trình tạo mầm có hai dạng khác tạo mầm tự sinh (đồng pha) tạo mầm ký sinh (không đồng pha) * Tạo mầm tự sinh Mầm tự sinh mầm tạo từ thân kim loại lỏng, không chịu tác động yếu tố bên Quá trình tạo mầm tự sinh xảy nhóm nguyên tử có trật tự, cố định lại tạo cấu tạo mạng tinh thể kiểu với mạng tinh thể kim loại Khi lịng kim loại lỏng có xuất phần tử rắn ta thấy hệ có hai thay đổi lượng ngược chiều là: - Sự giảm lượng thể tích pha lỏng chuyển sang trạng thái rắn (do kết tinh nhiệt độ nhỏ T0, lúc lượng tự pha rắn nhỏ pha lỏng) - Khi pha rắn tạo ra, xuất bề mặt pha có lượng bề mặt, dẫn đến làm tăng lượng hệ Hai thay đổi mơ tả qua biểu thức tốn học sau: ΔG = - ΔGthĨ tÝch + ΔGbỊ mỈt (1.41) Trong đó: ∆G: Sự thay đổi lượng tự hệ ∆Gthể tích: Sự giảm lượng chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn ∆Gbề mặt: Sự tăng lượng lượng bề mặt pha rắn tạo Ta có: ∆Gthể tích = Glỏng - Grắn (1.42) Hay: (Hlỏng - Hrắn) - Tk(Srắn - Slỏng) =∆Gthể tích (1.43) ⇔ Ln/c - Tk ∆S =∆Gthể tích Từ (2.10) (2.15) ta có: Ln / c ∆Gthể tích = Ln/c - Tk T0 L n / c ∆T ⇔∆G = T0 (1.44) thể tích Biểu thức (2.16) lượng giảm hệ tạo đơn vị thể tích pha rắn Giả sử mầm ban đầu tạo có dạng hình cầu với bán kính r (thoả mãn điều kiện lượng bề mặt nhỏ nhất), ta có biểu thức tính độ giảm lượng hệ tạo mầm pha là: ∆T π r L n / c T0 ∆Gthể tích = (1.45) Vậy biến thiên lượng tự hệ là: ∆T π r L n / c T0 + 4π r2.σ ∆G = - Trong đó: 32 (1.46) σ: Sức căng bề mặt đơn vị bề mặt mầm Từ biểu thức (2.18) ta vẽ đồ thị mô tả biến thiên lượng hệ theo thay đổi bán kính mầm pha rắn tạo (hình 1.26) Từ đồ thị thấy tồn giá trị rth ứng với giá trị biến thiên lượng ∆G cực đại Do GBM mầm tạo có bán kính nhỏ rth khơng phát triển được, mà bị Gth hoà G tan trở lại kim loại lỏng Chỉ có mầm có bán kính lớn rth rmới O rth tiếp tục phát triển được, thay dần pha lỏng để thực trình kết tinh GTT Hình 1.26 Biến thiên lượng tự hệ theo bán kính mầm pha Ta tính bán kính mầm tới (rth) sau: ∂ (∆G ) =0 ∂ r = r th ⇔ hạn − π rth2 L n / c ∆T = π rth 2σ − rth L n / c T ⇔ ∆T + π rth σ = T0 rth = 2σ T0 L n / c ∆T (1.47) ⇔ Từ biểu thức (2.19) ta thấy giá trị bán kính mầm tới hạn tỷ lệ nghịch với độ nguội kết tinh ∆T Khi giá trị ∆T lớn (tức nhiệt độ kết tinh nhỏ), dẫn đến rth nhỏ q trình tạo mầm xảy nhanh hơn, mầm tạo có khả phát triển có bán kính nhỏ Ngồi giá trị bán kính mầm tới hạn cịn phụ thuộc vào tính chất vật lý thân kim loại kết tinh Biểu thức (2.19) khẳng định rằng, nhiệt độ T (∆T = 0) trình kết tinh khơng thể xảy rth = ∞ Thay biểu thức (2.19) vào biểu thức (2.18) ta có lượng tới hạn để tạo mầm có bán kính tới hạn là: ∆T π rth L n / c T0 + 4π r 2.σ ∆Gth = - th ∆T π rth2 − L n / c rth + σ 3T0 = L π rth2 σ − n / c ∆T rth T0 = L σ T0 π rth2 σ − n / c ∆T T0 L n / c ∆T = 2σ π rth2 σ − = (1.29) 33 σ Fth = Trong đó: Fth: Diện tích bề mặt mầm tới hạn Như biến thiên lượng tự hệ là: 1 ∆G th = π rth2 σ = ∆ 3 Gbề mặt (1.29) Ta thấy giảm lượng yếu tố thể tích đủ để tạo 2/3 diện tích bề mặt mầm tới hạn, để tạo mầm cần phải có cấp thêm lượng từ nguồn khác Nguồn cấp lượng dựa vào ba động lượng hệ, giá trị lượng kim loại lỏng kết tinh phải hiểu giá trị trung bình Năng lượng phần thể tích nhỏ khác thời điểm khác có thay đổi, lớn nhỏ giá trị trung bình Nếu phần lượng tăng thêm ba động lượng đủ để cung cấp phần lượng thiếu để tạo bề mặt, q trình tạo mầm xảy Do q trình tạo mầm liên quan chặt chẽ đến ba động lượng xác suất tạo mầm xác suất ba động lượng với trị số ∆Gth Ta có: ∆Gth − P1(x) = c1 exp K T 16 π T02 σ − K Ln / c T ∆T = c1 exp c σ3 − T ∆T = c1 exp (1.29) Trong đó: P1(x): Xác suất tạo mầm tới hạn K: Hằng số Boltzmann Biểu thức (2.22) cho thấy xác suất tạo mầm phụ thuộc mạnh vào ÄT Các thí nghiệm thực tế rằng, kim loại có độ cao kết tinh xảy với ÄT lớn (tới 0,2 T 0), với kim loại thông thường trình kết tinh lại bắt đầu với độ nguội nhỏ (từ ÷ 10 0C), điều giải thích ảnh hưởng tạp chất có mặt kim loại lỏng chế tạo mầm khác pha * Tạo mầm ký sinh Mầm ký sinh mầm tạo sở các“ hạt rắn có sẵn” kim loại lỏng Khái niệm về“ hạt rắn có sẵn” gồm yếu tố sau: - Thành khuôn chứa kim loại lỏng kết tinh - Các tạp chất khó chảy lẫn kim loại lỏng (ví dụ: Al 2O3, Cr2O3, lẫn kim loại lỏng) - Bụi tường lò lẫn kim loại lỏng Với xuất hạt rắn có sẵn, thay đổi lượng tự tạo mầm trường hợp có đặc điểm riêng 34 Chúng ta khảo sát mơ hình tạo mầm, cách đơn giản sau: Giả sử Kim loại lỏng mầm bề mặt hạt rắn có sẵn có tạo có dạng chỏm cầu với bán ML kính r (hình 1.27) Góc θ góc tiếp xúc mầm MÇm bề mặt vật rắn RL MR Kim loại rắn Hình 1.27 Sơ đồ tạo mầm ký sinh r Từ mơ hình ta tính yếu tố hình học mầm sau: - Thể tích mầm: π r3 V = (2 - cosθ + cos3θ) (1.29) - Diện tích tiếp xúc mầm bề mặt vật rắn: (1.29) FMR = π r2 sin2θ - Diện tích tiếp xúc mầm pha lỏng: (1.29) FML = π r2 (1 - cosθ) Khi xuất mầm, hệ có thay đổi lượng tự là: - Độ giảm lượng thể tích (do chuyển phần thể tích từ pha lỏng sang pha rắn): ∆Gthể tích = − Ln / c ∆T T0 V mầm − Ln / c ∆T π r T0 (2 - cosθ + cos3θ) (1.29) = - Độ tăng lượng bề mặt bề mặt mầm tạo ra: (1.29) ?Gbề mặt = σML FML + (σMR - σRL) FMR Trong đó: σML: Sức căng bề mặt mầm kim loại lỏng σMR: Sức căng bề mặt mầm hạt rắn có sẵn σRL: Sức căng bề mặt hạt rắn kim loại lỏng Từ hình (1.27) ta thấy, để mầm khơng dịch chuyển phải thoả mãn điều kiện: σ RL + σ MR + σ ML = - σRL + σMR + σRL cosθ = σ RL − σ MR σ ML cosθ = (1.29) Biến thiên lượng hệ: ∆G = - ∆ Gthể tích +∆Gbề mặt − Ln / c ∆T π r T0 (2 - cosθ + cos3θ) +∆Gbề mặt = Thay trị số vào (2.27) để tính?Gbề mặt: ∆Gbề mặt = σML 2πr2 (1 - cosθ) + (σMR - σRL).πr2 sin2θ = σML π r2 (1 - cosθ) σML cosθ π r2 sin2θ 35 (1.29) (1.29) = π r2 σML (2 – 3cosθ + cos3θ) Từ ta có: L σ ML π r − n / c π r ∆T C T0 ∆G = Với C = (2 - 3cosθ + cos3θ) (1.29) So sánh (2.31) (2.18) ta thấy chúng khác hệ số C giá trị < C < ứng với giá trị θ xác định đường cong biểu diễn quan hệ bán kính mầm độ q nguội ∆T có dạng hình 1.26 Ta tính bán kính tới hạn mầm là: rth = σ ML T0 L n / c ∆T (1.29) Và lượng cần thiết để tạo mầm ký sinh có bán kính tới hạn là: ∆G th = C σ ML π rth2 ∆G th = σ ML Fth* (1.29) Biểu thức (2.33) cho thấy, lượng cần thiết để tạo mầm ký sinh phụ thuộc vào góc θ với trị số θ xác định theo (2.28) Chúng ta thấy rằng, cosθ nhận giá trị từ -1 đến +1, để thấy rõ ảnh hưởng góc θ xét hai trường hợp: - Khi cosθ = - hệ số C = lượng tạo mầm: (1.29) Với F th diện tích mặt cầu có bán kính cong rth mầm ký sinh Khi cosθ = - nghĩa σML = σMR σRL = góc θ = 1800, tức mầm tạo có dạng hình cầu, trở trường hợp mầm tự sinh Vậy σML ≤ σMR lúc q trình tạo mầm trở mầm tự sinh vai trò vật rắn q trình kết tinh khơng cịn, tạo mầm pha rắn có lượng cao tạo mầm lòng pha lỏng Trong tất trường hợp khác σML > σMR cos θ lớn -1 hệ số C nhỏ Năng lượng tạo mầm ký sinh nhỏ lượng tạo mầm tự sinh Khi bề mặt vật rắn có sẵn thúc đẩy trình kết tinh nhanh - Khi cosθ = ta có hệ số C = tức là?G th = 0, trường hợp lý tưởng, nhiên phấn đấu theo hướng σRL = σML để σMR → trị số C nhỏ tương ứng lượng cần thiết tạo mầm giảm nhiều, trình kết tinh xảy dễ dàng Sức căng bề mặt mầm pha rắn phụ thuộc nhiều vào cấu trúc tinh thể chúng, mầm vật rắn có kiểu mạng σMR nhỏ dễ dàng tạo mầm Điều giải thích kim loại lỏng bị nung khơng nóng chảy hồn tồn kết tinh nhanh, vật rắn thân kim loại Tuy dù có kiểu mạng khác mầm gắn lên bề mặt vật rắn * 36 theo mặt tinh thể có trị số M s tương đương giảm đáng kể σMR (ví dụ (1, 1, 1) mạng A1 với (1, 1, 0) A2 (1, 0, 0) A1 với (1, 1, 0) A2) Phân tích giúp lựa chọn hợp lý chất biến tính muốn thúc đẩy q trình kết tinh, ngồi yếu tố nhiệt độ nóng chảy ta cịn phải lưu ý đến cấu trúc mạng chúng 1.5.1.3 Quá trình phát triển mầm Các mầm (trung tâm) kết tinh có bán kính lớn giá trị tới hạn, sau tạo tiếp tục phát triển, tạo thành hạt, tinh thể cách gắn thêm nguyên tử nhóm nguyên tử lên bề mặt mầm theo trật tự xác định Quá trình trình tự nhiên, có xu hướng làm giảm lượng hệ thống (hình 1.26) Khi nghiên cứu trình tạo mầm, giả thiết mầm ban đầu hình cầu có bán kính r, điều khơng thể với điều kiện thực tế kim loại có cấu tạo mạng tinh thể, bề mặt mầm phải tinh thể với trật tự xắp xếp nguyên tử xác định Khi mầm lớn lên phải có dạng hình khối phù hợp với cấu tạo tinh thể xét chế lớn lên mầm theo mặt tinh thể Q trình phát triển mầm phát triển mặt kích thước phần tử rắn để chiếm chỗ thể tích pha lỏng Có hai lý thuyết q trình lớn lên mầm là: chế mầm lớn lên theo lớp ngun tử khơng hồn chỉnh mầm lớn lên theo bề mặt lệch xoắn Sau ta nghiên cứu hai chế a Cơ chế mầm lớn lên theo lớp ngun tử khơng hồn chỉnh Lớp ngun tử khơng hồn chỉnh phần có cấu tạo tinh thể xuất kim loại lỏng gần nhiệt độ kết tinh Xét bề mặt pha rắn, lớp nguyên tử khơng hồn chỉnh có xếp trật tự với kích thước a x b chiều cao đường kính ngun tử gắn lên bề mặt pha rắn (hình a) Tiếp theo đó, nguyên tử riêng biệt từ pha lỏng điền dần vào để đạt lớp nguyên tử hồn chỉnh (hình b) Sau lại lớp ngun tử khơng hồn chỉnh khác gắn vào q trình lớn lên mầm tiếp tục theo Lớp ngun tử khơng hồn chỉnh d a a, b 37 b, Hình 1.28 Mơ hình chế mầm lớn lên theo lớp ngun tử khơng hồn chỉnh Các khối lập phương biểu diễn nguyên tử, chúng gắn vào tinh thể theo vị trí 1, 2, vị trí ổn định cho phép ngun tử tiếp xúc với tinh thể theo ba mặt, vị trí ổn định vị trí bất lợi nguyên tử tiếp xúc với tinh thể theo hai mặt - Tốc độ tạo mầm N: số lượng mầm tạo đơn vị thời gian N = P1(x) P2(x) (1.29) Trong đó: P1(x): Xác suất tạo mầm tới hạn P2(x): Xác suất bắt gặp lớp ngun tử khơng hồn chỉnh - Tốc độ lớn lên mầm v: phát triển kích thước mầm theo thời gian v = P2(x) P3(x) (1.29) Trong đó: P3(x): Xác suất để tạo phát triển mầm So sánh N v: + Cả N v phụ thuộc vào ∆T + Mức độ tăng N v theo ∆T giai đoạn đầu khác nhau, N tăng nhanh Khi v bắt đầu giảm (∆T > T0 / 2) N tiếp tục tăng Do vậy, muốn tăng cường số lượng mầm tăng ∆T tức giảm nhiệt độ kết tinh thực tế (∆T = T0 - Tkết tinh TT) ∆T = 2T0 / b Mầm tạo theo chế dựa vào lệch xoắn pha rắn tồn lệch có chứa lệnh xoắn Vì tinh thể có chứa lệch xoắn nên bề mặt trực giao với trục lệch có dạng xoắn, có sẵn bậc cấp đóng vai trị lớp ngun tử khơng hồn chỉnh Tinh thể lớn lên cách nguyên tử bám vào bề mặt nơi có bậc cấp hình vẽ Hình 1.29 Mơ hình mầm tạo theo chế dựa vào lệch xoắn Cả hai chế lớn lên mầm có giá trị riêng nói lên hai khả thực tế phát triển tinh thể Điểm giống chúng 38 bề mặt tinh thể lớn lên phải có bậc cấp để nguyên tử từ pha lỏng gắn vào Đó hai khả thực tế trình kết tinh 1.5.2 KHÁI NIỆM ĐỘ HẠT KHI KẾT TINH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 1.5.2.1 Khái niệm độ hạt Quá trình hình thành hạt: Kim loại lỏng Tạo hạt TạoMầm mầmcũ lớn lên, mầm tạo thành Hình 1.30 Quá trình hình thành hạt Độ hạt kim loại sau kết tinh kích thước trung bình hạt tinh thể thể tích kim loại rắn Các hạt tạo có kích thước khơng đồng nhất, phải lấy giá trị trung bình gọi độ hạt Để đơn giản, ta xác định độ hạt cách đếm số hạt đơn vị diện tích 1.5.2.2 Ý nghĩa độ hạt Độ hạt định tính vật liệu Độ hạt nhỏ, tính cao Do sản xuất kim loại ln mong muốn tạo hạt nhỏ 1.5.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt (A) - Tốc độ nguội: A = k1 v N - Kích thước trung bình hạt (1.29) N, v Hình 1.31 Sự thay đổi N v theo ∆T N Trong đó: k1, k2 số Như vậy, muốn thu hạt nhỏ phải tăng tốc độ tạo mầm N giảm tốc độ lớn lên mầm v Trong thực tế, N tăng v cũngv tăng (với ∆T tăng), N tăng mạnh v Vì muốn hạt nhỏ phải tăng độ nguội ∆T, tức tăng tốc độ làm nguội T - Tăng cường trình tạo mầm kí sinh cách đưa vào kim loại lỏng tạp chất khó chảy: phương pháp biến tính kim loại - Dùng dao động học - Dùng sóng siêu âm 1.5.2.4 Cách xác định độ hạt thực tế Xác định bảng cấp hạt theo tiêu chuẩn: từ cấp (-3 ÷ 12) Chỉ số tăng độ hạt nhỏ Làm tiêu mức phóng đại 100 lần Các mẫu thực tế tiến hành chụp ảnh với độ phóng đại 100 lần, đem so với tiêu ta cấp hạt thực tế 39 Các dạng hạt thường gặp: - Hạt trục: có tiết diện gần với hình trịn - Hạt kéo dài: dạng tinh thể hình trụ Cấp: (-3 ÷ 0): hạt thơ (1 ÷ 8): hạt vừa (9 ÷ 12): hạt mịn Phạm vi ứng dụng: + Hạt thô: Dùng công nghệ chế tạo phôi + Chi tiết máy thông thường dùng cỡ hạt từ 1÷ + Chi tiết máy yêu cầu đặc biệt dùng cỡ hạt từ ÷ 12 1.5.3 QUÁ TRÌNH KẾT TINH THỰC TẾ CỦA KIM LOẠI TRONG KHUÔN ĐÚC 1.5.3.1 Cơ chế kết tinh nhánh - Cơ chế: q trình kết tinh khơng xảy theo phương mà phát triển theo số phương ưu tiên định, tạo thành dạng nhánh Hình 1.32 Mơ hình kết tinh nhánh - Mơ hình: Trong thể tích kim loại lỏng ban đầu kết tinh theo hướng ưu tiên tạo thành trục chính, từ trục tiếp tục phát triển theo hướng kết tinh phụ hướng nhỏ - Nguyên nhân: sử dụng hai lý thuyết để giải thích + Theo lý thuyết tạp chất: Trong kim loại lỏng kết tinh ln ln tồn tạp chất Tạp chất phân bố gianh giới pha lỏng pha rắn tạo hướng ưu tiên để phát triển Tạp chất pha rắn, hình thành dạng nhánh Hình 1.33 Giải thích chế kết tinh nhánh theo lý thuyết tạp chất + Theo lý thuyết Građien nhiệt độ âm: Thành khuôn đúc tồn nhấp nhô tế vi tạo sai khác độ nguội nên tạo phương ưu tiên kết tinh tạo dạng nhánh Hình 1.34 Giải thích chế kết tinh nhánh theo lý thuyết Gradien nhiệt độ âm 40 Kết luận: tiến hành kết tinh kim loại hợp kim lỏng cần có biện pháp tránh kết tinh nhánh để đảm bảo tính cho vật liệu 1.5.3.2 Cấu tạo thỏi đúc thực tế Vùng - Điều kiện khuôn làm nguội: + Khuôn kim loại Vùng + Làm nguội khơng khí tĩnh để tạo độ nguội ∆T ổn định Vïng - Cấu tạo thỏi đúc: bao gồm vùng Hình 1.35 Cấu tạo thỏi đúc + Vùng 1: Là vùng sát với thành khuôn, tốc độ nguội lớn, độ nguội ∆T tăng N v tăng nên r th nhỏ, số lượng mầm tạo nhiều Tồn nhấp nhơ thành khn tham gia tạo mầm ký sinh, N lớn hạt nhỏ + Vùng 2: Tiếp theo thành khn nóng lên, tốc độ nguội giảm, độ nguội ∆T giảm, N v giảm, hạt có kích thước lớn bị kéo dài theo phương truyền nhiệt (vng góc với thành khuôn) + Vùng 3: Do trường nhiệt độ đồng đều, tốc độ nguội giảm mạnh, có tính đẳng hướng, tạo hạt có kích thước lớn dạng đa diện Trên sở phân tích cấu tạo thỏi đúc, ta thấy muốn thu tổ chức hoàn tồn nhỏ mịn cần liên tục trì ∆T lớn cách làm mát liên tục cho khuôn Nếu ln trì phương truyền nhiệt ưu tiên khơng tạo tổ chức hạt thô mà tạo tổ chức xuyên tinh Khi tốc độ làm nguội nhỏ khơng có khả ưu tiên phương truyền nhiệt nên không tạo tổ chức xuyên tinh mà tạo tổ chức hạt thô 1.5.3.3 Khuyết tật thỏi đúc - Khái niệm: Khuyết tật dạng tổ chức, cấu trúc không theo ý muốn ban đầu người sản xuất - Các dạng khuyết tật thỏi đúc là: Lõm co, rỗ co, rỗ khí thiên tích a Lõm co - Khái niệm: Lõm co tượng giảm thể tích vật đúc so với thể tích kim loại lỏng ban đầu tập trung vị trí - Nguyên nhân: Do độ giãn nở nhiệt cấu trúc tinh thể hai trạng thái lỏng rắn khác - Tác hại: Tạo phế phẩm vật đúc - Khắc phục: Dùng hệ thống bù, co ngót Tùy thuộc vào chất kim loại mà độ co lớn bé Lõm co thường xuất vùng kết sinh sau phụ thuộc vào phương pháp làm nguội mà có dạng lõm co khác Rỗ khí Rỗ co a, b, c, d, 41 e, Hình 1.36 Các dạng khuyết tật thỏi đúc Hình a: Làm nguội mãnh liệt từ đáy khn cịn tường bên giữ nhiệt độ cao Kết tinh xảy từ đáy lên phía trên, mức kim loại lỏng tụt dần mặt thỏi đúc có dạng tương đối phẳng Hình b: Làm nguội mãnh liệt từ đáy tường bên Kết tinh xảy từ ba phía lõm co có dạng chảo Hình c: Làm nguội mãnh liệt từ tường bên, mặt đáy giữ nhiệt độ cao Vì kết tinh xảy từ bên hơng nên lõm co có dạng phễu nhọn kéo dài phía đáy khn Hình d: Trong ba trường hợp kể tỏa nhiệt bề mặt khơng đáng kể, lớp kim loại lỏng bề mặt kết tinh sau Trong số trường hợp, ví dụ quạt gió lạnh phía khuôn tiết diện khuôn phần bé nhiều so với phần vv lõm co nằm kín thỏi đúc Khi đem thỏi đúc cán nóng thành thành phẩm người ta phải cắt bỏ phần kim loại có chứa lõm co khơng lõm co kéo dài vật cán vết nứt có sẵn Hơn vùng lõm co kết tinh sau có chứa nhiều tạp chất xỉ nên phải cắt bỏ Để phần kim loại cắt bỏ nhất, phải tìm cách làm cho lõm co tập trung không sâu vào thỏi đúc Muốn vậy, phải thiết kế hợp lý hình dáng khn dùng biện pháp bảo đảm tốc độ nguội chậm vùng Để đạt mục đích người ta thường dùng nắp đậy vật liệu chịu lửa có tường dày để giảm tốc độ tỏa nhiệt dùng biện pháp nung vùng khuôn b Rỗ co - Khái niệm: Rỗ co tượng mà lõm co vào bên vật đúc dạng lỗ nhỏ Hình2.14.e: Lõm co ngầm phân tán tạo thành rỗ co - Nguyên nhân: Chủ yếu trình làm nguội - Tác hại: Làm tính liên tục vật liệu, giảm tính vật đúc c Rỗ khí - Khái niệm: Rỗ khí tượng tồn bọt khí vật đúc (hình 2.14.e) - Ngun nhân: Do hịa tan khí kim loại lỏng - Tác hại: Làm tính liên tục vật đúc tạo vùng tập trung ứng suất, làm cho tính vật đúc giảm mạnh - Khắc phục: Tăng cường q trình khí kết tinh cách tạo lưu động kim loại lỏng mẻ nấu phải sấy khô trước nấu luyện d Thiên tích - Khái niệm: Thiên tích khơng đồng thành phần hóa học vùng vật đúc Có hai loại thiên tích thiên tích vùng thiên tích hạt Thiên tích vùng: khơng đồng thành phần hóa học tồn thể tích vật đúc 42 Thiên tích hạt: khơng đồng thành phần hóa học nội hạt kim loại - Nguyên nhân: Do khác nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng hệ số khuếch tán nguyên tố - Tác hại: Tạo vùng khơng đồng tính, làm giảm độ tin cậy sản phẩm đặc biệt vật đúc có kích thước lớn - Cách khắc phục: Lựa chọn hợp lý nguyên tố tạo hợp kim Với thiên tích hạt ủ vật đúc để đồng hóa thành phần (ủ khuếch tán) Cố gắng dùng biện pháp công nghệ tạo đồng kết tintiện để tránh thiên tích vùng CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Cấu tạo kim loại lỏng điều kiện lượng kết tinh Câu 2: Hai trình kết tinh Câu 3: Quá trình kết tinh thực tế kim loại thỏi đúc Câu 4: Trình bày kiểu mạng tinh thể thường gặp kim loại Câu 5: Các sai lệch mạng tinh thể 43 ... đơn tinh thể Công dụng đơn tinh thể sử dụng công nghiệp bán dẫn kỹ thuật điện 1.4.2 Đa tinh thể 26 Kim loại có cấu tạo gồm nhiều tinh thể nhỏ cỡ μm gọi đa tinh thể tinh thể gọi hạt tinh thể Những... hạt có cấu trúc khơng trật tự liên kết hạt với Hình 1.22 Mơ hình đơn tinh thể đa tinh thể Đơn tinh thể b Đa tinh thể c Ảnh tế vi mẫu đa tinh thể sau tẩm thực 1.4.3 Tính thù hình vật tinh thể Tính... tọa độ Các đường thẳng cắt tạo thànhO mơ hình mạng tinh thể (hình 1.4) Hình 1.4 Mơ hình mạng tinh thể Với mơ hình mạng tinh thể vậy, thấy để xác định vị trí mạng tinh thể, ta có véc tơ định vị